Drag reduction

물체가 유체 내에서 받는 저항은 크게 두 종류로 나눌 수 있는데, 하나는 마찰저항(friction drag)이고 다른 하나는 형상저항(form drag)이다.

형상저항은 물체의 모양으로 인해 나타나는 저항이고 마찰저항은 물체 표면에서 유체의 끌림으로 인해 나타나는 저항이다.

소수성 나노구조는 이 두 종류의 저항 중 마찰저항을 줄일 수 있다.

그러면 이 특성이 어느 상황에서 얼마나 저항을 줄일 수 있는가? 이에 대한 데이터는 아래에 있다.

위에 제시한 그래프들을 분석해보자. 먼저 위의 그래프들을 두가지 정보를 담고있는데, 하나는 흐름이 층류(laminar flow)일때, 다른 하나는 난류(turbulent flow)일때이다.

난류의 층류의 차이를 알기 쉽게 설명하자면 층류는 유체가 직선, 혹은 완만한 곡선의 형태를 띄는것이고 난류는 유체에 불규칙한 소용돌이같은것이 있는 흐름을 의미한다.

층류는 레이놀즈수(Re)가 작을때 일어나고 난류는 Re가 클때 일어난다.

먼저 층류를 살펴보면 drag reduction이 생각보다 적음을 알 수 있다. 대체로 smooth surface에서의 이론값과 비슷한 성능을 내는데, 맨 아래에 laminar flow에 대해서 자세히 연구한 그래프를 살펴보면 drag reduction이 없지는 않음을 알 수 있다. 따라서 층류에서의 효과는 미미하다.

난류를 살펴보면, drag reduction이 아주 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 적게는 20%에서 많게는 60%까지 friction coefficient가 줄어들었음을 확인할 수있다. 따라서 난류에서의 효과는 뛰어나다.

위의 데이터분석을 통해 우리는 소수성 표면이 난류(turbulent)에서 효과적임을 알 수 있다.

따라서 우리는 난류에서 활동하는 물체에 나노구조를 적용하는것이 좋다는것을 유추해낼 수 있다.

하지만 한가지 생각해야할것이 있다.

소수성표면이 힘을 발휘하기 위해서는 turbulent이어야 하지만, turbulent가 되는 상황에서는 friction drag와 form drag 중 form drag가 더 dominant한 요소가 된다는것이다.

무슨말이냐 하면, 소수성표면이 효과를 발휘할 시점에서는 이미 마찰저항보다 형상저항이 압도적으로 커져서 마찰저항을 줄여봤자 별 소용이 없다는것이다.

지금까지 소수성표면의 장점을 설명해놓고 이제와서 별 소용이 없다니 이게 무슨 말인지 납득이 안될 수 있다. 하지만 소수성 나노표면이 쓸데없다는것은 아니다.

따라서 뒤에서 적용분야를 논의할때 이 상황을 염두해 두어야 한다.