풍동

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1. 개요

풍동은 제어된 공기 흐름을 생성하여 물체 주변의 공기역학적 현상을 연구하고 측정하는 장치이다. 1871년 프랜시스 웨넘에 의해 최초의 밀폐형 풍동이 발명된 이후, 항공기, 자동차, 건물 등 다양한 분야에서 공기 저항, 양력, 연비, 구조적 안전성 등을 평가하는 데 활용되었다. 풍동은 개방형과 회류형, 저속, 천음속, 초음속, 극초음속 등 다양한 종류가 있으며, 레이놀즈 수와 마하 수의 불일치, 벽면 효과 등의 한계를 극복하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 최근에는 전산 유체 역학 시뮬레이션과 함께 사용되어 효율적인 연구 개발을 돕고 있다.

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풍동
지도 정보
기본 정보
영어 명칭	wind tunnel
한국어 명칭	풍동
용도	물체 주위의 공기 흐름 효과를 연구하는 데 사용되는 기계
규격
길이	100 피트 (약 30 미터)

2. 역사

풍동은 인공적으로 바람을 만들어 물체 주위의 공기 흐름을 관찰하고 공기역학적 힘을 측정하는 실험 장치이다.^[38] 항공기가 공기 속을 나아가는 현상을 실험실 환경에서 모형으로 재현하기 위해 고안된 송풍 시스템으로, 실제 비행 상태와 유사한 조건을 만들기 위해 상사 법칙에 따라 레이놀즈 수와 마하 수를 일치시키는 것이 중요하다.

풍동의 개념은 18세기 영국 벤자민 로빈스의 회전팔 장치 실험에서 시작되었으나,^[2]^[39] 불안정한 기류 문제로 한계가 있었다.^[3]^[4] 1871년 프랜시스 허버트 웬햄이 최초의 밀폐형 풍동을 발명하면서 안정적인 실험 환경이 마련되었고, 이는 현대적인 풍동 실험의 시초가 되었다.^[5]^[6]

20세기 초, 라이트 형제는 직접 제작한 풍동 실험 결과를 바탕으로 인류 최초의 동력 비행에 성공하며 풍동의 실용적 가치를 입증했다.^[7]^[40]^[41] 이후 항공 기술의 급격한 발전에 따라 풍동 역시 대형화, 고속화되었으며, 특히 두 차례의 세계 대전을 거치며 항공기 성능 개발의 핵심 시설로 자리 잡았다.

오늘날 풍동은 항공기뿐만 아니라 자동차, 오토바이, 열차, 건축물, 스포츠 용품 등 공기 저항이 중요한 다양한 분야에서 성능 개선을 위한 필수적인 연구 도구로 활용된다. 특히 F1과 같은 레이싱카 개발에서는 공기역학적 우위 확보를 위해 풍동 실험이 결정적인 역할을 한다. 최근 컴퓨터 기술 발달로 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션이 보편화되었지만, 실제 현상 검증과 정밀 데이터 확보를 위해 풍동 실험은 여전히 중요한 위치를 차지하고 있다.

2. 1. 초기 역사

영국의 군사 기술자이자 수학자인 벤자민 로빈스(Benjamin Robins, 1707~1751)는 공기 저항, 즉 항력을 측정하기 위한 회전팔 장치를 발명하고 공기역학 분야에서 선구적인 실험을 수행했다.^[2]^[39] 이후 조지 케일리 경(Sir George Cayley, 1773~1857) 또한 회전팔을 사용하여 다양한 에어포일(익형)의 항력과 양력을 측정했다.^[3] 그의 회전팔은 팔 길이가 약 1.52m였으며, 끝부분 속도는 초당 약 3.05m에서 약 6.10m(약 3m~6m)에 달했다. 독일의 오토 릴리엔탈 역시 회전팔을 사용하여 다양한 받음각을 가진 날개 에어포일을 측정하고 그들의 양항비 극좌표를 작성했지만, 유도항력과 레이놀즈 수의 개념은 아직 이해하지 못했다.^[4]

그러나 회전팔 장치는 실험 대상 물체에 안정적인 기류를 제공하지 못하는 한계가 있었다. 물체가 회전하면서 스스로 만들어내는 난류 속에서 움직이기 때문에, 원심력과 함께 기류의 영향을 정확히 파악하기 어려웠다. 이러한 문제를 해결하기 위해 프랜시스 허버트 웬햄(Francis Herbert Wenham, 1824~1908), 영국 항공학회 이사회 의원은 1871년 최초의 밀폐형 풍동을 발명, 설계 및 운영했다.^[5]^[6] 이 획기적인 발명 이후 풍동 실험을 통해 상세한 기술 데이터가 빠르게 축적되기 시작했다. 웬햄과 그의 동료 존 브라우닝은 양항비 측정과 높은 종횡비를 가진 날개의 이점을 밝혀내는 등 항공학 분야에서 여러 기초적인 발견을 이루었다.

1897년, 러시아의 콘스탄틴 치올콥스키는 원심 송풍기를 사용한 개방형 풍동을 제작하여 평판, 원통, 구 등의 항력 계수를 측정했다. 같은 시기, 덴마크의 발명가 폴 라 쿠르는 1890년대 초 풍력 터빈 개발에 풍동을 활용했으며, 스웨덴의 카를 뉴베리(Carl Rickard Nyberg, 1858-1939)는 1897년부터 증기 동력 비행기인 ''플루간'' 설계를 위해 풍동을 사용했지만, 만족스러운 비행에는 이르지 못했다.

한편, 맨체스터 대학교의 영국인 오스본 레이놀즈(Osborne Reynolds, 1842~1912)는 실험을 통해 축소 모형 주위의 기류가 실제 크기 물체의 기류와 동일한 패턴을 보이려면 특정 유동 매개변수가 일치해야 함을 증명했다. 현재 레이놀즈 수로 알려진 이 계수는 기류 패턴의 형태, 열 전달 효율, 난류 발생 등 모든 유체 흐름 현상을 설명하는 데 기본이 되며, 풍동에서 모형 실험을 통해 실제 현상을 과학적으로 시뮬레이션할 수 있는 중요한 근거를 마련했다.

라이트 형제는 1901년 라이트 플라이어 개발 과정에서 직접 만든 간소한 풍동 장치를 사용하여 약 1년간 다양한 날개 형태에 대한 기류의 영향을 체계적으로 연구했다.^[7]^[40]^[41] 이는 당시 미국에서는 아직 일반적이지 않았던 풍동 기술을 활용한 혁신적인 접근이었으며, 이 연구 결과는 라이트 플라이어 1호 개발 성공에 결정적인 기여를 했다. 이후 풍동은 항공 역학 및 공학 연구의 핵심 도구로 자리 잡으며 비행기의 실용화와 발전에 크게 기여했다.

프랑스에서는 구스타브 에펠(Gustave Eiffel, 1832~1923)이 1909년 자신의 이름을 딴 에펠탑 근처 샹드마르스에 50kW(약 67마력) 전기 모터로 구동되는 최초의 개방 회귀형 풍동을 건설했다. 에펠은 1909년부터 1912년까지 약 4,000번의 시험을 수행하며 항공 연구의 새로운 기준을 세웠다. 1912년 그의 연구소는 파리 교외 오퇴유로 이전했으며, 2m 크기의 시험 단면을 가진 이 풍동은 오늘날에도 여전히 운영되고 있다.^[8] 에펠은 시험 단면을 밀폐된 챔버로 만들고, 벌집형 흐름 정류 장치를 갖춘 확장된 입구를 설계했으며, 시험 단면과 팬 사이에 확산기를 추가하여 개방 회귀형 풍동의 효율을 크게 향상시켰다. 이러한 설계는 이후 건설된 많은 풍동의 기본 모델이 되었고, 개방 회귀형 저속 풍동은 종종 에펠형 풍동이라고 불린다.

2. 2. 발전과 확산

라이트 형제는 1901년 직접 만든 간소한 풍동 장치를 이용하여 약 1년간 익형 연구를 수행했다. 이 연구 결과는 3호 글라이더 제작과 혁명적인 라이트 플라이어 1호 개발 성공의 기반이 되었다.^[40]^[41] 이후 항공역학 및 항공 공학이 발전하고 항공 여행 수요가 늘면서 풍동의 사용은 급격히 증가했다.

미 해군은 1916년 워싱턴 해군 조선소에 당시 세계에서 가장 큰 풍동 중 하나를 건설했다. 이 풍동은 흡입구 직경 약 약 3.35m, 배출구 직경 약 2.13m 크기였으며, 500hp 전기 모터로 패들형 팬을 구동했다.^[10]

1931년 NACA(National Advisory Committee for Aeronautics)는 버지니아주 햄프턴의 랭글리 연구센터에 약 9.14m × 약 18.29m 크기의 전규모 풍동을 건설했다. 4000hp 전기 모터 두 개로 구동되는 이 풍동은 이중 복귀형 폐쇄 루프 방식으로 설계되어 여러 실제 항공기와 축소 모형을 시험할 수 있었다. 이 풍동은 나중에 폐쇄되었고, 1995년 국립 사적지로 지정되었음에도 불구하고 2010년 철거가 시작되었다.

제2차 세계 대전 이전까지 세계 최대 규모의 풍동은 1932년부터 1934년 사이에 프랑스 파리 교외 샬레-뫼동에 건설되었다. 실제 크기의 항공기를 시험할 수 있도록 설계되었으며, 고출력 전기 모터로 구동되는 6개의 대형 팬을 갖추고 있었다.^[11] 이 샬레-뫼동 풍동은 ONERA(프랑스 국립항공우주연구소)에서 S1Ch라는 이름으로 1976년까지 운영되었으며, 카라벨과 콩코드 항공기 개발 등에 활용되었다. 현재는 국립 기념물로 보존되어 있다.

루트비히 프란틀은 괴팅겐 대학교에서 시어도어 폰 카르만의 스승이었으며, 비행선 시험을 위한 풍동 건설을 제안했다.^[12] 실린더 하류의 난류인 와류열이 이 풍동에서 시험되었다.^[12] 프란틀은 나중에 아헨 공과대학교로 옮긴 후 괴팅겐 풍동의 중요성을 회고하며 아헨에서의 연구 진전을 위해 좋은 풍동이 필수적이라고 느꼈다고 언급했다.^[12] 폰 카르만은 캘리포니아 공과대학교(Caltech)와 협력하면서 클라크 밀리컨, 아서 L. 클라인과 함께 풍동 설계를 진행했다. 그는 외부 대기 변화에 영향을 받지 않는 환류식 설계를 주장했고, 이 풍동은 1930년에 완공되어 노스롭 알파 시험 등에 사용되었다.^[12]

1939년, 미 육군 항공대 사령관 헨리 아놀드 장군이 미 공군 발전에 필요한 것을 묻자 폰 카르만은 "첫 번째 단계는 적절한 풍동을 건설하는 것입니다."라고 답했다.^[12] 1941년 미국은 오하이오주 데이턴의 라이트 필드(Wright Field)에 당시 최대 규모의 풍동 중 하나를 건설했다. 직경이 약 약 13.72m에서 약 6.10m로 좁아지는 구조였으며, 40000hp 전기 모터로 구동되는 약 약 12.19m짜리 팬 두 개를 장착하여 시속 약 400mi/h의 풍속으로 대형 항공기 모형을 시험할 수 있었다.^[13]

제2차 세계 대전 동안 독일은 항공 기술 지식을 향상시키기 위해 다양한 설계의 대형 풍동을 개발했다. 페네뮌데의 풍동은 고속 기류 연구를 가능하게 하는 새로운 설계였지만, 대규모 고속 풍동 건설에는 여러 설계상의 어려움이 따랐다. 독일은 대규모 자연 동굴을 확장하고 밀봉하여 대량의 공기를 저장한 뒤 풍동으로 통과시키는 방식으로 이 문제를 해결하기도 했다. 전쟁이 끝날 무렵 독일은 최소 세 개의 초음속 풍동을 보유하고 있었으며, 그중 하나는 마하 4.4의 기류(가열 시)를 생성할 수 있었다. 오스트리아 외츠탈 근처에서는 50000hp 수력 터빈 두 개로 직접 구동되는 팬 두 개를 갖춘 대형 풍동이 건설 중이었으나 완공되지 못했다. 해체된 장비는 1946년 프랑스 모단으로 옮겨져 재건되었으며, 현재까지도 ONERA에서 운영 중이다. 약 8m의 시험 구간과 마하 1에 달하는 풍속을 가진 이 풍동은 세계에서 가장 큰 천음속 풍동 시설이다.^[14]^[15]

1942년 6월 22일, 커티스-라이트(Curtiss-Wright)는 뉴욕주 버팔로에 미국 최대 규모의 아음속 풍동 중 하나를 건설하기 시작했다. 이 부지는 나중에 칼스판(Calspan)이 되었으며, 풍동은 현재도 운영되고 있다.^[16]

제2차 세계 대전이 끝날 무렵 미국은 8개의 새로운 풍동을 건설했다. 여기에는 캘리포니아주 서니베일 근처 모펫 필드에 있는 세계 최대 규모의 풍동도 포함된다. 이 풍동은 시속 약 250mi/h 미만의 속도에서 실제 크기의 항공기를 시험하도록 설계되었다.^[17] 또한 오하이오주 라이트 필드에는 수직 풍동이 있었는데, 이 풍동은 회전(스핀) 상황에서의 모형 시험과 미국 최초의 헬리콥터 개념 및 설계를 위한 상향 기류 생성에 사용되었다.^[18]

최근에는 풍동과 모형을 사용하지 않고 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션도 널리 이루어지고 있다.

3. 작동 원리

풍동 다이어그램. 팬이 모형 항공기를 지나치는 공기를 빨아들이는 것을 보여줍니다. 모형에서 얻은 측정값은 실제 크기의 물체에도 적용할 수 있습니다.

풍동에서 유선형의 효과가 눈에 보입니다. 차체를 보다 유선형으로 만들면 연료 소비량이 줄어듭니다.

풍동은 제어된 실내 환경에서 외부 환경 조건을 모사하여, 공기 중이나 지상에서 빠르게 움직이는 물체를 정지된 상태에서 연구하고 측정할 수 있게 하는 장치이다. 실제 항공기는 정지한 공기 중을 나아가지만, 항공기의 관점에서는 공기가 앞에서 뒤로 흘러가는 것처럼 보인다. 이러한 상대적인 운동 원리를 이용하여, 풍동은 연구 대상 물체(주로 축소 모형)를 시험부에 고정시키고 강력한 송풍기(팬)를 이용해 인공적인 바람을 만들어 물체 주위로 공기를 흐르게 한다.^[38] 이를 통해 물체에 작용하는 공기역학적 힘(항력, 양력 등), 압력 분포, 기류의 흐름 등을 측정한다.

음속에 가깝거나 그 이상의 빠른 기류를 연구하기 위한 풍동에서는 다른 방식을 사용하기도 한다. 금속 압력 용기에 고압의 공기를 저장했다가, 초음속 흐름을 만들도록 설계된 드 라발 노즐을 통해 공기를 분사하여 빠른 기류를 생성한다. 관찰 및 계측이 이루어지는 시험부는 원하는 속도의 기류가 형성되는 노즐의 적절한 위치에 설치된다.

풍동 실험에서 얻어진 측정값은 실제 크기의 물체(예: 항공기, 자동차)에 적용될 수 있다. 이를 위해서는 모형 실험에서의 공기 흐름과 실제 환경에서의 공기 흐름이 물리적으로 유사해야 하는데, 이때 중요한 것이 상사 법칙이다. 물체의 기하학적 형상뿐만 아니라, 공기의 점성 효과와 속도 효과를 나타내는 무차원 수인 레이놀즈 수와 마하 수를 실제 조건과 일치시키는 것이 중요하다. 이 조건들이 만족되면 축소 모형 실험을 통해 얻은 데이터를 실제 크기 물체의 공기역학적 특성을 예측하는 데 신뢰성 있게 사용할 수 있다. 예를 들어, 새로운 항공기 설계를 비행 전에 축소 모형으로 시험하는 것은 첫 비행의 안전성을 확보하고 항공기가 예측대로 작동하는지 확인하기 위함이다. 자동차나 오토바이, 특히 F1과 같은 레이싱카 개발에서도 풍동 실험은 공기역학적 성능을 최적화하여 경쟁력을 높이는 데 매우 중요한 역할을 한다.

4. 주요 구성 요소

풍동은 기본적으로 공기의 흐름(유동)을 만들어내는 송풍기, 만들어진 유동을 가지런히 정돈하는 정류부, 그리고 실제 모형을 놓고 여러 가지 측정을 수행하는 측정부(시험부) 등으로 구성된다.^[38]^[42] 주요 구성 요소와 그 역할은 다음과 같다.

'''송풍기''': 팬이나 압축 공기 등을 이용하여 풍동 내부에 공기의 흐름을 만들어낸다.
'''냉각부''': 풍속이 빨라질 때 단열압축으로 인해 공기 온도가 올라가는 것을 막고, 측정에 적합한 온도로 조절하는 역할을 한다. 주로 송풍기와 정류부 사이에 설치된다.
'''정류부''': 송풍기에서 만들어진 불규칙한 공기 흐름을 여러 겹의 망 등을 통과시켜 난류를 줄이고 안정적인 상태로 만든다. 이곳은 풍동 내부에서 공기 속도가 가장 느린 구간이다.
'''축류부 (노즐)''': 정류부를 통과하며 느려진 공기 흐름을 측정부에서 필요한 속도까지 빠르게 가속시키는 통로 역할을 한다.
'''측정부 (시험부)''': 항공기 축소 모형 등 시험 대상을 설치하고, 공기 흐름 속에서 받는 힘이나 압력 변화 등을 측정하는 핵심 공간이다. 벽이 없는 개방형과 벽으로 둘러싸인 밀폐형이 있다.
'''확대부 (디퓨저)''': 회류형 풍동에 주로 설치되며, 측정부를 통과한 공기의 속도를 다시 점차 낮추어 송풍기 쪽으로 되돌려 보내는 역할을 한다.

이 외에도 회류형 풍동에는 공기 흐름의 방향을 꺾어주는 곡률부가 있으며, 이곳에는 유동을 방해하지 않고 부드럽게 방향을 전환시키기 위해 코너 베인(corner vane^eng)이라는 여러 개의 안내 날개가 설치된다.

4. 1. 송풍기

송풍기는 풍동 내부에 공기의 흐름, 즉 유동을 만들어내는 장치이다.^[38]^[42] 천음속까지 비교적 느린 속도의 유동을 만들 때는 주로 팬이 사용된다. 초음속 이상의 빠른 유동이 필요한 경우에는 압축 공기를 이용한다. 이 방식에서는 보통 금속 압력 용기에 고압의 공기를 저장해 두었다가, 드 라발 노즐과 같이 특별히 설계된 노즐을 통해 공기를 분사하여 초음속 흐름을 만들어낸다.

NASA 랭글리 연구 센터의 16피트 천음속 풍동에 사용되었던 팬 날개 (1990년 촬영, 2004년 폐쇄)

4. 2. 정류부

정류부(整流部)는 송풍기에서 만들어진 공기 흐름을 정렬하는 역할을 하는 부분이다.^[38]^[42] 이 부분은 풍동 내부에서 공기 흐름의 속도가 가장 느린 곳이며, 많은 구멍이 뚫린 구조물을 통과시켜 난류를 제거하고 유동을 균일하게 만든다. 일반적으로 여러 겹의 금속망이 이러한 목적으로 사용된다. 정류부는 보통 송풍기와 축류부(노즐) 사이에 위치하며, 냉각부가 설치된 경우 냉각부 다음에 위치한다.

4. 3. 축류부 (노즐)

축류부(노즐)는 정류부를 통과하며 느려지고 정돈된 공기의 흐름을 측정부(시험부)에서 필요한 유속까지 순간적으로 가속시키는 역할을 담당한다.^[38]^[42] 특히 초음속 흐름을 만들어야 하는 풍동에서는 고압 공기를 드 라발 노즐(de Laval nozzle^eng)과 같은 특수 설계된 노즐을 통해 가속시켜 원하는 속도를 얻기도 한다.

4. 4. 측정부 (시험부)

측정부(시험부)는 모형을 설치하고 공기역학적 특성 등 다양한 측정을 수행하는 풍동의 핵심 공간이다.^[38]^[42] 예를 들어, 항공기의 축소 모형과 같은 물체를 이곳에 배치하고, 팬이나 압축 공기를 이용해 생성된 유동 속에서 모형에 작용하는 힘 등을 측정한다.

측정부는 벽의 유무에 따라 크게 두 가지 형태로 나눌 수 있다.

개방형 측정부 (벽 없음): 벽이 없는 형태는 시험체를 설치하고 분리하기 편리하며, 측정부 벽 자체로 인해 유동이 영향을 받는 현상이 없다. 그러나 측정부 외부의 정지된 공기가 내부 유동에 영향을 미칠 수 있다는 단점이 있다.
밀폐형 측정부 (벽 있음): 벽으로 둘러싸인 형태는 외부 공기의 영향을 차단하여 보다 안정적인 유동 환경을 만들 수 있지만, 벽면이 유동에 영향을 줄 수 있으며 시험체 설치 및 접근이 개방형보다 까다로울 수 있다.

모형을 측정부에 설치하는 방법은 다양하며, 주로 지지대(지주)를 이용해 아래에서 받치거나 와이어를 이용해 매다는 방식 등이 사용된다.

4. 5. 확대부 (디퓨저)

확대부(디퓨저)는 회류형 풍동에만 설치되며, 환류 부분의 대부분을 차지한다. 측정부에서 정류부까지 유속을 점차 낮추는 역할을 한다.

5. 종류

풍동에는 여러 종류가 있으며, 주로 시험부에서 만들어내는 기류의 속도 범위에 따라 분류된다.

저속 풍동
천음속 풍동
초음속 풍동
극초음속 풍동
고엔탈피 풍동

또한, 풍동은 시험부 내 공기 흐름의 방향에 따라 분류되기도 한다. 대부분의 풍동은 항공기의 수평 비행 상태를 모사하기 위해 공기 흐름이 수평 방향으로 흐르도록 설계된다. 하지만 중력이 양력 대신 항력과 균형을 이루도록 공기 흐름을 수직으로 만드는 수직 풍동도 있다. 이러한 수직 풍동은 스카이다이빙을 시뮬레이션하는 레크리에이션 활동에도 활용된다.

이 외에도 풍동은 주요 사용 목적에 따라 분류될 수 있다. 예를 들어, 자동차나 트럭과 같은 지상 차량을 시험하는 풍동의 경우, 지면 효과를 모사하기 위한 바닥 처리 방식이 중요한 고려 사항이 된다. 항공 분야에서 사용되는 풍동 역시 다양한 하위 분류로 나뉜다.

5. 1. 구조에 따른 분류

풍동은 구조에 따라 크게 개방형과 회류형으로 나눌 수 있다.

; 개방형 풍동

: 에펠형 풍동이라고도 불린다.^[43] 사용한 공기를 외부로 바로 내보내는 방식이다. 이 방식은 실험 중 온도 변화가 적다는 장점이 있지만, 멈춰 있는 공기를 계속해서 가속시켜야 하므로 기류를 만드는 데 많은 에너지가 필요하다. 하지만 건설 비용이 비교적 저렴하다는 장점도 있다.

; 회류형 풍동

: 한 번 사용한 공기를 버리지 않고 다시 순환시켜 사용하는 방식이다. 공기를 만드는 데 필요한 에너지가 적게 들고, 외부 날씨 등의 영향을 덜 받는다는 장점이 있다. 그러나 공기가 계속 순환하면서 온도가 변하기 쉽고, 피드백 루프가 형성되어 공기 흐름 속도에 불규칙한 변화(맥동)가 생길 수 있어 이를 해결하기 위한 대책이 필요하다. 또한, 실험 장치 자체가 개방형 풍동보다 커지는 경향이 있다. 이 유형의 대표적인 예로는 프란틀이 고안한 괴팅겐형 풍동이 유명하다.^[43]

이 외에도 송풍 방식에 따라 불어내기식, 흡입식, 또는 두 방식을 함께 사용하는 병용 방식으로 나눌 수도 있다.

5. 2. 유속에 따른 분류

풍동은 시험부(test section)에서 만들어내는 기류의 속도 범위에 따라 주로 분류된다. 주요 분류는 다음과 같다.

'''저속/아음속 풍동 (Low-speed/Subsonic Wind Tunnel)'''
* 마하 수 0.3 미만의 속도를 다루는 풍동이다. 이 속도 영역에서는 레이놀즈 수가 유동 특성을 결정하는 중요한 요소가 된다.
* 일반적으로 팬을 사용하여 공기 흐름을 만들어내며, 가장 널리 보급된 형태이다.
* 상대적으로 낮은 속도에서 비행하는 항공기, 자동차, 건축물 주변의 공기 흐름 등을 시험하는 데 주로 사용된다.

'''천음속 풍동 (Transonic Wind Tunnel)'''
* 마하 수 0.8에서 1.2 사이, 즉 음속 근처의 속도를 다루는 풍동이다.
* 이 속도 영역에서는 공기의 압축성 효과가 중요해지며, 충격파가 발생하기 시작한다.
* 팬으로 기류를 생성하기도 하지만, 시험체의 존재로 인해 공기 흐름이 막히는 현상(초킹)이나 풍동 벽에서 충격파가 반사되어 측정 정확도를 떨어뜨리는 문제 때문에 설계와 운영이 까다롭다. 이로 인해 실용화는 1950년대에 이르러서야 이루어졌다.^[44]
* 음속 돌파 전후의 항공기 설계 등 천음속 영역의 공기역학적 현상을 연구하는 데 필수적이다.

'''초음속 풍동 (Supersonic Wind Tunnel)'''
* 마하 수 1.2에서 5 사이의 속도를 내는 풍동이다.
* 팬만으로는 초음속 기류를 만들기 어렵기 때문에, 고압 탱크에 압축된 공기를 저장했다가 드 라발 노즐과 같은 특수 노즐을 통해 빠르게 분출시키거나, 진공 탱크 쪽으로 공기를 빨아들이는 방식을 사용한다.
* 공기가 급격히 팽창하면서 단열 팽창으로 인해 온도가 매우 낮아지므로, 시험 전에 공기를 미리 가열해야 할 때도 있다.
* 초음속 항공기나 미사일 개발에 사용된다.

'''극초음속 풍동 (Hypersonic Wind Tunnel)'''
* 마하 수 5 이상의 매우 빠른 속도를 다루는 풍동이다.
* 작동 원리는 초음속 풍동과 유사하지만, 훨씬 높은 속도와 온도를 다루기 때문에 더욱 복잡한 기술이 필요하다. 압축 공기를 사용하는 방식 외에도, 충격파를 이용해 공기를 순간적으로 고온, 고압 상태로 만드는 충격파 풍동 등 다양한 방식이 있다.
* 극초음속 비행체나 우주선의 대기권 재진입과 같은 극한 환경 연구에 사용된다.
* 과거 나치 독일의 V-2 로켓 개발 당시 마하 5급 풍동이 사용되었고, 미국 NACA에서도 1947년에 마하 6.9를 달성한 풍동을 운용한 기록이 있다.^[45]

5. 3. 기타 특수 풍동

외부 난류 흐름을 모사하는 가장 효과적인 방법은 경계층 풍동을 사용하는 것이다. 경계층 풍동 모델링은 다양한 분야에 응용된다. 고층 건물이나 교량에 작용하는 바람의 힘을 이해하면, 매우 강한 바람에도 견딜 수 있도록 안전하면서도 최소한의 건축 자재를 사용하여 구조물을 건설할 수 있다. 또한, 병원, 실험실 및 기타 배출원에서 나오는 배기 가스의 분산 패턴을 파악하는 데에도 중요한 역할을 한다. 이 외에도 보행자의 바람 편의성이나 특정 지역의 눈 쌓임 현상을 평가하는 데 사용되기도 한다. 최근에는 친환경 건축 설계를 돕는 방법으로도 인정받고 있으며, 예를 들어 경계층 풍동 모델링 결과는 미국 그린 빌딩 위원회(U.S. Green Building Council)의 LEED(Leadership in Energy and Environmental Design) 인증에서 가산점을 받는 데 활용될 수 있다. 경계층 풍동 시험을 통해 지구 표면의 자연적인 항력을 시뮬레이션할 수 있으며, 정확한 결과를 얻기 위해서는 대기 경계층 내의 평균 풍속 프로파일과 난류 효과를 실제와 유사하게 구현하는 것이 중요하다. 많은 건축 관련 규정이나 표준에서는 특히 복잡한 지형이나 바람에 많이 노출된 장소에 건설되는 구조물의 경우, 풍동 시험이 설계자에게 신뢰할 수 있는 정보를 제공할 수 있음을 인정하고 있다.

1941년 항공기 시험을 위해 모스크바에 있는 중앙 유체역학 연구소에 건설된 T-105 수직 풍동

공기 흐름이 수직으로 작용하는 수직 풍동도 있다. 이 풍동에서는 중력이 양력 대신 항력과 균형을 이루게 되므로, 스카이다이빙을 시뮬레이션하는 레크리에이션 활동에 널리 사용된다. 또한 항공기 연구에도 활용되는데, 시험부에 공기가 위쪽으로 흐르게 하여 모형 항공기의 자유 비행 스핀 특성을 연구하고 사진으로 기록한다. 이때 모형이 시험부 밖으로 벗어나거나 공기 흐름이 멈췄을 때 모형을 안전하게 회수하기 위해 시험부 위아래에 그물을 설치한다.^[30] 수직이착륙(V/STOL) 항공기 연구를 위한 풍동은 큰 시험 단면적이 필요하지만 요구되는 풍속은 상대적으로 낮다. 풍동 운영에 필요한 동력은 풍속의 세제곱에 비례하므로, 이러한 풍동은 상대적으로 적은 동력으로 운영될 수 있다. NASA 랭글리 연구센터의 14 x 22피트(약 4.3m x 6.7m) 풍동이 대표적인 예이다.^[29]

이 외에도 특수한 목적을 가진 풍동들이 존재한다. 예를 들어, 공기 대신 이산화탄소와 같은 다른 기체를 사용하거나 내부 압력을 조절하여 공기의 동점성계수를 변화시키는 풍동이 있다.^[46] 이를 통해 실제 비행 조건과 동일한 레이놀즈 수를 낮은 풍속에서도 구현할 수 있다. 또한, 공기 대신 물이나 광물유(미네랄 오일)를 유체로 사용하는 수조(water tunnel)도 비슷한 목적으로 사용된다. 풍동 내부의 바닥면 온도를 조절하거나 기류 자체의 온도를 다르게 설정할 수 있는 온도 성층 풍동(temperature-stratified wind tunnel)도 있다.

6. 측정 및 가시화

풍동은 물체 주위의 공기 흐름을 제어된 환경에서 재현하여, 물체에 작용하는 공기역학적 힘을 측정하고 복잡한 유동 현상을 가시화하는 데 필수적인 실험 장비이다. 이를 통해 실제 비행이나 주행 없이도 항공기, 자동차 등의 성능을 안전하고 경제적으로 평가하고 개선할 수 있다. 예를 들어, 새로운 항공기 설계를 실제 비행 전에 축소 모형으로 시험하여 안전성을 확보하고 성능을 예측하는 데 중요한 역할을 한다.

풍동 실험에서는 공기의 속도, 압력, 물체에 작용하는 힘(양력, 항력 등)과 모멘트 등이 정밀하게 측정된다. 또한 공기는 투명하여 직접 관찰하기 어렵기 때문에, 연기나 특수 염료, 입자 등을 이용하여 공기의 흐름을 시각적으로 파악하는 다양한 유동 가시화 기법이 사용된다. 이러한 측정과 가시화 결과는 유선형화 연구 등을 통해 제품의 성능 향상(예: 연비 개선, 속도 향상)에 직접적으로 기여한다.

최근에는 컴퓨터 시뮬레이션 기술인 전산유체역학(CFD)이 발달하여 풍동 실험을 보완하거나 일부 대체하기도 한다. 하지만 실제 환경의 복잡한 난류 흐름이나 지표면 효과(경계층) 등을 정확히 모사하고 검증하기 위해서는 여전히 풍동 실험이 중요한 역할을 담당한다. 특히, 고층 건물이나 교량 등 대형 구조물에 작용하는 바람의 영향을 평가하는 풍공학 분야에서는 경계층 풍동을 이용한 실험이 필수적으로 수행된다.

6. 1. 측정

풍동 내부에서는 기류의 속도, 방향, 압력 등 다양한 물리량을 측정한다. 시험부를 통과하는 기류 속도는 주로 베르누이 원리를 이용하여 결정하며, 피토관, 열선 풍속계, 초음파 풍속계 등이 사용된다. 모델 주변의 기류 방향은 표면에 부착된 실뭉치(tufts)의 움직임으로 시각적으로 확인할 수 있으며, 모델 앞뒤에 실뭉치를 설치하여 접근 및 이탈 기류의 방향도 파악한다. 또한, 기류에 연기나 액체 방울을 주입하고 사진 촬영을 통해 흐름 경로를 기록하는 입자영상유속계(PIV) 기법도 활용된다.

시험 모델 표면의 압력 분포는 과거에는 표면에 작은 구멍(정압공)을 뚫고 각 구멍을 압력계에 연결하여 측정했다. 최근에는 압력감응도료(Pressure Sensitive Paint, PSP)를 표면에 도포하여 압력에 따라 변하는 형광을 측정하거나, 모델 표면에 부착된 유연한 스트립 위의 초소형 전자식 압력 센서를 이용하여 더 편리하게 측정한다.^[24]^[25]

모델에 작용하는 공기역학적 힘과 모멘트는 저울(balance)을 사용하여 측정한다.^[23] 모형은 저울 위에 장착되며, 이 저울은 양력, 항력, 측력과 같은 힘 성분과 방향(yaw), 롤(roll), 피치(pitch) 모멘트 성분을 동시에 독립적으로 측정할 수 있다. 일반적으로 3개의 힘 성분과 3개의 모멘트 성분을 측정하는 6분력 저울이 사용된다.

커스텐 풍동 아래에 설치된 6분력 외부 저울. 3개의 힘과 3개의 모멘트를 측정한다.

측정은 다양한 받음각(angle of attack)에서 수행되며, 이를 통해 양력 계수 대 받음각 곡선과 같은 중요한 공력 데이터를 얻는다.

다만, 저울 자체나 모형을 지지하는 구조물이 항력을 발생시키거나 난류를 유발하여 측정 오차의 원인이 될 수 있으므로, 지지 구조물은 유선형으로 매끄럽게 설계하여 이러한 영향을 최소화한다.

풍동 시험에서는 축소 모형을 사용하는 경우가 많기 때문에, 모형 실험 결과가 실제 크기 물체의 공기역학적 특성을 정확히 반영하도록 하는 것이 중요하다. 이를 위해 몇 가지 유사성 법칙(similarity laws)을 만족시켜야 한다.^[26]

기하학적 유사성: 모형은 실제 물체의 모든 치수를 동일한 비율로 축소해야 한다.
마하 수 유사성: 기류 속도와 음속의 비율인 마하 수가 모형과 실제 물체에서 동일해야 한다. 이는 단순히 기류 속도를 맞추는 것과는 다른 개념이다.
레이놀즈 수 유사성: 유체의 관성력과 점성력의 비율인 레이놀즈 수를 일치시켜야 한다. 축소 모형에서는 레이놀즈 수를 맞추기 어렵기 때문에, 공기 밀도를 높이거나(가압 풍동) 온도를 매우 낮추어(극저온 풍동) 공기의 점성을 변화시켜 레이놀즈 수를 맞추기도 한다.

경우에 따라서는 중력과 관성력의 비율인 프루드 수와 같은 다른 유사성 매개변수를 만족시켜야 할 때도 있다.

6. 2. 유동 가시화

공기는 투명하기 때문에 공기의 움직임 자체를 직접 관찰하기 어렵다. 따라서 풍동 시험에서는 공기의 흐름을 눈으로 볼 수 있도록 다양한 정량적, 정성적 유동 가시화 방법들이 개발되어 사용된다.

헬륨으로 채워진 기포를 이용하여 익단 와류를 따라 형성된 패스라인을 보여주는 축소 모형 경항공기

연기: 가장 기본적인 방법 중 하나로, 연기를 기류에 흘려보내 유선 등을 관찰한다.
털실: 모형 표면에 짧은 털실이나 유동 콘(flow cone)을 붙여 기류의 방향이나 박리 현상을 파악한다. 털실이 특정 방향으로 눕거나 심하게 펄럭이는 모습을 통해 흐름의 상태를 알 수 있다. 때로는 형광 물질로 만들어 자외선 조명 아래에서 더 잘 보이게 하기도 한다.
표면 코팅 기법: 모형 표면에 특정 물질을 발라 공기 흐름의 영향을 시각화하는 방법이다.
* 기름: 모형 표면에 기름을 바르면, 공기 흐름에 따라 기름이 밀려나가면서 표면 근처의 유동 패턴, 특히 층류에서 난류로의 천이나 박리 지점을 시각적으로 보여준다.
* 증발 현탁액: 미세 분말(활석, 점토 등)을 증발하기 쉬운 액체에 섞어 모형 표면에 바른다. 풍동을 작동시키면 액체는 빠르게 증발하고 남은 분말이 유동 패턴을 나타낸다.
* 템페라 물감: 기름과 유사하게 사용된다. 점 형태로 찍어두면 흐름에 따라 퍼지면서 유동 방향을 보여준다. 형광 물감을 사용하고 자외선을 비추면 더 뚜렷하게 관찰할 수 있다.
* 승화 물질: 승화하기 쉬운 물질로 모형을 코팅한다. 바람이 불면 난류가 발생하는 영역에서는 물질이 더 빨리 승화(증발)하여 사라지고, 층류 영역에서는 비교적 오래 남아있어 경계면을 확인할 수 있다. 주로 경계층 천이를 유도하기 위해 부착한 트립 와이어(trip wire) 등이 제대로 작동하는지 확인하는 데 사용된다.
입자 추적 기법: 미세한 입자나 기포 등을 공기 흐름에 띄워 그 움직임을 관찰하는 방법이다.
* 안개: 초음파 압전 분무기 등으로 만든 미세한 물 입자(안개)를 풍동 내부에 채운다. 시험부 앞에 전기적으로 가열된 격자를 설치하면, 이 격자를 통과하는 안개가 증발하여 얇은 안개 시트(sheet)가 만들어진다. 이 안개 시트에 레이저 광 시트(light sheet)를 비추면 모형 주위의 유동 단면을 시각화할 수 있다.
* 헬륨 기포: 헬륨을 채운 작은 비눗방울 등을 사용하여 유선의 흐름을 따라가도록 할 수 있다. (이미지 참조)
* 이산화탄소 분사: 특정 지점에서 이산화탄소 등을 분사하여 흐름을 관찰하기도 한다.
* 다중 입자 흐름: 기류가 충분히 안정적일 경우, 여러 개의 노즐에서 입자 흐름(예: 연기)을 방출하면 각 흐름이 흩어지지 않고 선명한 선으로 유지된다. 이를 통해 물체 주변의 3차원적인 유동 구조를 파악할 수 있다. 이러한 분사관과 노즐은 기류에 난류를 최소화하도록 설계된다.
고속 촬영: 와류나 프로펠러 주변의 흐름처럼 매우 빠르거나 복잡한 유동 현상은 육안으로 관찰하기 어렵다. 스트로보 조명과 고속 카메라(필름 또는 디지털)를 사용하면 순간적인 현상을 포착하여 분석할 수 있다. 예를 들어, 프로펠러 날개가 공기 흐름을 가르는 모습이나 날개 끝에서 발생하는 와류 등을 정지 영상처럼 촬영할 수 있다.
압력 감응 페인트 (Pressure-sensitive paint, PSP): 압력에 따라 색깔이나 밝기가 변하는 특수 페인트를 모형 표면에 칠한다. 풍동 시험 중 모형 표면의 압력 분포를 시각적으로 측정할 수 있다.
입자영상유속계 (Particle Image Velocimetry, PIV): 미세 입자를 공기 흐름에 섞고, 레이저 광 시트로 특정 단면을 비춘다. 짧은 시간 간격을 두고 연속으로 사진을 찍어 입자의 이동 거리를 분석하여 해당 단면의 속도 벡터장을 정밀하게 측정하는 기법이다. 레이저 도플러 유속계 (Laser Doppler Velocimetry, LDV)도 레이저를 이용해 특정 지점의 속도를 정밀하게 측정하는 데 사용된다.
모델 변형 측정 (Model Deformation Measurement, MDM): 공기력에 의해 모형이 얼마나 휘거나 비틀어지는지를 측정하는 기법이다.^[27]
기타 기법: 레이저 유도 형광 (Laser-Induced Fluorescence, LIF), 입자 추적 유속계 (Particle Tracking Velocimetry, PTV) 등 다양한 광학적 측정 기법들이 개발되어 사용되고 있다.

7. 응용 분야

풍동은 제어된 실내 환경에서 인공적으로 바람을 만들어 물체 주위의 공기 흐름을 연구하는 실험 장치이다. 이를 통해 항공기, 자동차, 건축물 등 다양한 대상이 공기 중에서 움직일 때 받는 힘(공기역학적 힘)을 측정하고 분석할 수 있다. 실제 환경에서 직접 시험하는 것보다 비용이 적게 들고 편리하게 데이터를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

풍동은 여러 산업 분야에서 폭넓게 활용된다.

항공우주: 항공기, 미사일, 우주선 등의 축소 모형이나 실물 부품을 시험하여 비행 안전성을 확보하고 성능을 예측하는 데 필수적이다. (상세 내용은 항공우주 섹션 참조)
자동차: 자동차의 유선형 디자인을 개선하여 공기 저항을 줄이고 연료 효율을 높이는 연구에 사용된다. 또한, 기후 풍동에서는 혹한, 폭설 등 극한의 기후 조건을 만들어 차량의 내구성과 성능을 종합적으로 평가한다. (상세 내용은 자동차 섹션 참조)
건축: 고층 건물이나 교량과 같은 대형 구조물이 바람에 받는 영향을 평가하여 구조적 안전성을 확보하는 데 사용된다. 특히 경계층 풍동은 지표면 근처의 실제 바람과 유사한 환경을 만들어 보다 정확한 데이터를 제공한다. (상세 내용은 건축 섹션 참조)
스포츠 과학: 사이클 선수의 자세, 경주용 자동차의 헬멧, 골프공, 봅슬레이 등 스포츠 장비의 공기역학적 성능을 개선하여 경기력 향상에 기여한다. (상세 내용은 스포츠 섹션 참조)

이 외에도 음속보다 훨씬 빠른 속도(극초음속)로 비행하는 물체를 연구하기 위한 고엔탈피 풍동처럼 특수한 목적의 풍동도 있다.^[34] 최근에는 컴퓨터 시뮬레이션 기술인 전산유체역학(CFD)이 발전하여 일부 풍동 실험을 보완하거나 대체하기도 하지만, 복잡한 난류 현상을 분석하거나 CFD 모델의 정확성을 검증하기 위해서는 여전히 풍동 실험이 중요한 역할을 한다. (상세 내용은 기타 섹션 참조)

7. 1. 항공우주

풍동은 항공기, 헬리콥터, 미사일, 우주선 등 다양한 비행체의 공기역학적 특성을 연구하고 설계를 개선하는 데 필수적인 시설이다. 제어된 환경에서 공기의 흐름을 만들어, 마치 물체가 실제로 공기 중에서 빠르게 움직이는 것과 같은 조건을 구현한다. 이를 통해 실제 비행 시험 전에 축소 모형이나 실물 크기 부품을 이용해 풍동에서 시험함으로써, 비행 안전성을 확보하고 성능을 예측할 수 있다. 이는 실제 비행 시험보다 시간과 비용을 절약하면서 정확한 데이터를 얻을 수 있는 효과적인 방법이다.

항공우주 분야에서 풍동의 활용은 오랜 역사를 가지고 있다. 제2차 세계 대전 이전부터 항공 기술 발전을 위해 풍동이 활용되었으며, 기술 경쟁이 심화되면서 그 규모와 성능이 크게 발전했다. 1941년 미국은 오하이오주 라이트 필드Wright Field^eng에 당시 최대 규모의 풍동 중 하나를 건설했다. 이 풍동은 직경이 약 13.7m에서 6.1m로 좁아지는 구조였으며, 두 개의 거대한 팬(12.2m)으로 시속 약 644km/h의 바람을 만들어 대형 항공기 모형을 시험했다.^[13]

제2차 세계 대전 중 독일은 항공 기술 우위를 확보하기 위해 페네뮌데Peenemünde^deu의 고속 풍동을 비롯하여 여러 대형 풍동을 개발했으며, 일부는 초음속 시험도 가능했다. 전쟁 후, 오스트리아에서 건설 중이던 대형 풍동 시설은 프랑스 모단Modane^fra으로 옮겨져 재건되었고, 현재 ONERA에서 운영하는 세계 최대 규모의 천음속 풍동이 되었다.^[14]

왼쪽의 테오도어 폰 카르만(Theodore von Kármán)은 아놀드 공군기지(Arnold Air Force Base)의 고속 고고도 풍동에서 사용되는 두 개의 모델(AGARD-B, SM-65 아틀라스)을 공군 및 NASA 관계자들과 함께 검사하고 있다. (1959년)

NASA 랭글리 연구 센터(Langley Research Center)에서 풍동 모델과 함께 있는 메리 잭슨(Mary Jackson)

미국은 독일의 기술 발전에 대응하여 1949년 '단일 풍동 계획 법'Unitary Wind Tunnel Plan Act^eng을 제정하고^[19], 캘리포니아주 모펫 필드Moffett Field^eng에 실물 크기 항공기 시험이 가능한 세계 최대 풍동을 건설하는 등^[17] 항공우주 연구 인프라를 대폭 확충했다. NASA의 전신인 미국 항공자문위원회(NACA) 시절부터 풍동은 항공우주 연구의 핵심 시설이었으며, 라이트 필드의 수직 풍동은 초기 헬리콥터 개발에 기여하기도 했다.^[18]

오늘날에도 풍동은 항공기, 미사일, 우주선 개발에 중요한 역할을 한다. 특히 초음속 및 극초음속 비행체 연구에 필수적이다. 전산유체역학(CFD) 기술의 발전으로 일부 설계 과정에서 풍동 시험을 보완하거나 대체하기도 한다. 예를 들어, 스페이스십원SpaceShipOne^eng은 CFD를 주로 활용하여 설계되었다. 그러나 복잡한 난류 현상 등 CFD만으로는 해석하기 어려운 영역이 여전히 존재하며, CFD 모델의 정확성을 검증하기 위해서도 풍동 실험 데이터는 필수적이다.

최근 미국 등 일부 국가에서는 운영 비용, 시설 노후화 등의 문제로 일부 풍동 시설이 폐쇄되기도 했으나^[20], 첨단 항공우주 기술 개발 경쟁 속에서 풍동의 전략적 중요성은 여전히 크다고 할 수 있다. 대한민국 역시 한국형 발사체 개발 등 국가 주도의 우주 개발 사업을 추진하면서 관련 핵심 기술 확보의 중요성이 부각되고 있으며, 풍동 실험은 이러한 노력에서 빼놓을 수 없는 부분이다. 한편, 무인 항공기(드론) 기술의 발달로 연구용 드론을 이용한 비행 시험이 기존 풍동 시험의 일부를 대체할 가능성도 제기되고 있다.^[21] 2019년 기준 세계에서 가장 빠른 풍동은 미국 버팔로에 위치한 LENS-X 풍동이다.^[22]

7. 2. 자동차

자동차 연구에 사용되는 풍동은 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있다. 첫째는 차량의 공기역학적 특성(공기 저항 등)을 측정하여 설계를 개선하는 데 사용되는 풍동이다. 둘째는 기후 풍동으로, 혹한, 폭설, 강한 햇볕, 높은 습도 등 극한의 환경 조건을 인공적으로 만들어 자동차가 다양한 기후에서 제대로 작동하는지 시험하는 데 쓰인다.

특히 자동차의 유선형 디자인 연구는 풍동 실험의 중요한 분야이다. 차체의 공기 저항을 줄이면 연료 소비를 절약할 수 있기 때문이다. 풍동 실험을 통해 공기 흐름을 시각화하고 저항을 측정하여 더 효율적인 차체 디자인을 개발한다.

기후 풍동에서는 단순히 공기 저항뿐만 아니라, 극한의 날씨 조건에서 자동차의 성능을 종합적으로 평가한다. 예를 들어 아주 덥거나 추운 날씨에도 에어컨이나 히터가 제 기능을 하는지, 습하고 차가운 날씨에 창문에 김이 서리지는 않는지 등을 시험하여 운전자의 편의성과 안전성을 높인다.

자동차에 대한 풍동 시험은 1920년대 룸플러 트로펜바겐이나 크라이슬러 에어플로우 같은 초기 모델들부터 시작되었다.^[31] 처음에는 작은 축소 모형으로 시험했지만, 점차 실제 크기의 자동차를 시험할 수 있는 대형 풍동이 건설되었다. 이를 통해 공기 저항을 정밀하게 측정하고 연료 효율을 높이는 설계 개선이 가능해졌다. 독일의 공학자 훈발트 캄은 자동차 연구를 위한 실물 크기 풍동을 선구적으로 건설한 인물 중 한 명이다.^[32]

7. 3. 건축

건축 분야에서 건물이 높아짐에 따라 바람의 영향을 고려하는 것이 중요해졌다. 특히 고층 건물은 바람을 맞는 면적이 넓어 상당한 힘을 받게 되는데, 건물의 구조가 이 힘을 견디지 못하면 붕괴될 위험이 있다. 따라서 건축법에서 요구하는 강도를 충족하기 위해, 특히 크거나 특이한 형태의 건물 설계 시 풍동 실험을 통해 바람이 미치는 힘을 미리 계산하는 과정이 필요했으며, 이러한 시험은 계속해서 사용되고 있다. 풍공학에서는 풍동 실험을 통해 건물이나 교량 주변의 풍속과 구조물에 작용하는 풍력을 측정한다.^[36]

이러한 건축 분야의 풍동 실험에는 주로 경계층 풍동이 사용된다. 경계층 풍동은 지구 표면 가까이에서 부는 바람, 즉 대기 경계층의 특성을 모사하는 데 효과적이다. 실제 바람처럼 평균 풍속 분포와 난류 효과를 정확하게 재현하여, 구조물에 작용하는 자연적인 항력을 시뮬레이션할 수 있다. 이를 통해 설계자는 특히 복잡한 지형이나 바람에 많이 노출된 장소에 건축물을 세울 때 신뢰할 수 있는 정보를 얻게 된다. 대부분의 건축 규정 및 표준에서는 풍동 시험이 신뢰성 있는 설계 정보를 제공할 수 있음을 인정하고 있다.

경계층 풍동 실험은 다양한 목적으로 활용된다.

구조 안전성 확보: 고층 건물이나 교량에 작용하는 바람의 힘을 정확히 파악하여, 강풍에도 견딜 수 있도록 안전하게 설계하고 동시에 불필요한 건축 자재 사용을 줄일 수 있다. 매우 높은 건물, 특이하거나 복잡한 형태의 건물(예: 포물선형 또는 쌍곡선형 고층 건물), 현수교, 사장교 등은 특수한 대기 경계층 풍동에서 분석된다. 풍동 실험 결과는 고층 건물의 동적 해석 및 제어에 필요한 설계 압력 정보를 제공한다.
환경 영향 평가: 병원, 실험실 등 특정 시설에서 배출되는 가스가 주변으로 어떻게 퍼져나가는지(배기 가스 분산) 예측하는 데 사용된다.
기타 활용: 보행자가 느끼는 바람의 쾌적성 평가, 특정 지역의 눈 쌓임 예측 등에도 활용된다.
친환경 건축: 풍동 모델링은 친환경 건축 설계를 지원하는 방법으로 인정받고 있으며, 예를 들어 미국 친환경 건축위원회(U.S. Green Building Council)를 통한 LEED(Leadership in Energy and Environmental Design) 인증 시 경계층 풍동 모델링 결과를 활용하면 가산점을 받을 수 있다.

한편, 전산유체역학(CFD) 기술의 발달로 일부 풍동 실험을 대체하거나 보완할 수 있게 되었다. 하지만 외부 난류 흐름이 중요한 건축물의 경우, 현재 컴퓨팅 기술의 한계로 인해 CFD만으로는 정확한 예측이 어렵다. 특히 구조물, 교량, 지형 등에 대한 바람의 영향을 분석하는 데는 여전히 풍동 실험, 특히 경계층 풍동 실험이 가장 효과적인 방법으로 여겨진다.

7. 4. 스포츠

풍동은 골프채, 골프공, 봅슬레이, 사이클 선수, 경주용 자동차 헬멧 등 다양한 스포츠 장비의 공기역학적 성능을 시험하는 데 활용된다.^[33] 예를 들어 사이클 선수의 경우, 풍동 실험을 통해 공기 저항을 줄여 속도를 높이는 방법을 연구할 수 있다.

특히 인디카나 포뮬러 원과 같이 운전석(콕핏)이 개방된 형태의 경주용 자동차에서는 헬멧의 공기역학적 특성이 매우 중요하다. 고속 주행 시 헬멧에 작용하는 공기역학적 힘은 운전자의 목에 상당한 부담을 줄 수 있으며, 헬멧 뒤쪽에서 발생하는 공기의 흐름 분리는 난기류(난류 버퍼링)를 만들어 운전자의 시야를 방해할 수도 있다.^[33] 풍동 실험은 이러한 문제들을 분석하고 개선하여 장비의 성능을 향상시키는 데 도움을 준다.

7. 5. 기타

제한된 응용 분야에서는 전산유체역학(CFD) 모델링이 풍동 실험을 보완하거나 대체할 수 있다. 예를 들어, 실험용 로켓 비행기인 스페이스십원은 풍동 실험 없이 CFD만으로 설계되었다. 그러나 실제 비행 중 날개 표면에 실을 부착하여 공기 흐름을 관찰하는 방식으로 풍동 실험과 유사한 데이터를 얻어 CFD 모델을 개선하기도 했다. 외부의 복잡한 난기류가 존재하는 경우, 현재의 컴퓨터 성능으로는 CFD 분석이 비현실적일 수 있다. 예를 들어, 구조물, 교량, 지형 등에 대한 바람의 영향을 정확히 예측하는 것은 CFD만으로는 여전히 어려운 분야이다.

이러한 외부 난기류를 모사하는 데 가장 효과적인 방법은 경계층 풍동을 이용하는 것이다. 경계층 풍동은 지구 표면 근처에서 발생하는 자연적인 바람의 특성, 즉 고도에 따른 풍속 변화와 난류 효과를 실험실 환경에서 재현한다.

경계층 풍동 실험은 다양한 분야에서 활용된다.

건축 및 토목: 고층 건물이나 긴 다리가 강풍에도 안전하도록 설계하는 데 필요한 데이터를 제공한다. 최소한의 자재로 최대한의 안전성을 확보하는 데 기여한다.
환경: 병원, 실험실 등에서 배출되는 오염 물질이 주변으로 어떻게 확산되는지 예측하여 피해를 줄이는 방안을 모색한다.
도시 계획: 특정 지역의 보행자 바람 환경을 평가하거나, 겨울철 특정 구조물 주변에 눈이 어떻게 쌓일지 예측하는 데 사용된다.
친환경 건축: 건물 설계 단계에서 풍동 실험을 통해 자연 환기 성능을 최적화하거나 건물 에너지 효율을 높이는 방안을 검토할 수 있다. 이러한 노력은 미국 친환경 건축 위원회의 LEED 인증에서 가산점을 받기도 한다.

많은 건축 법규와 표준에서는 특히 복잡한 지형이나 바람에 많이 노출된 지역에 구조물을 건설할 경우, 풍동 실험을 통해 신뢰할 수 있는 설계 정보를 얻도록 권장하고 있다.

한편, 풍동 시설 자체는 변화를 겪고 있다. 미국에서는 1949년, 제2차 세계 대전 이후 독일의 발전된 항공 기술을 따라잡기 위해 대학 및 군사 시설에 새로운 풍동 건설을 지원하는 '단일 풍동 계획 법'(Unitary Wind Tunnel Plan Act)이 제정되기도 했으며, 일부 독일의 전시 풍동 시설이 해체되어 미국으로 이전되기도 했다.^[19] 그러나 1990년대부터 2010년대에 걸쳐 미국 내 많은 풍동 시설이 운영 중단 및 폐쇄되었는데, 여기에는 역사적으로 중요한 시설들도 포함된다. 운영 빈도 감소, 높은 전력 비용, 시설 부지의 가치 상승 등이 원인으로 작용하고 있다.^[20]

그럼에도 불구하고, CFD 모델의 정확성을 검증하기 위해서는 여전히 실제 풍동 실험 데이터가 필요하며, 이러한 필요성은 당분간 지속될 것으로 보인다. 최근에는 계측 장비를 탑재한 제트 추진 무인 항공기(드론)나 연구용 드론을 활용하여 기존 풍동 실험의 일부 기능을 대체하려는 시도도 이루어지고 있다.^[21] 2019년 기준으로 세계에서 가장 빠른 풍동은 미국 뉴욕주 버팔로에 위치한 LENS-X 풍동이다.^[22]

8. 한계와 극복 노력

풍동은 항공기, 자동차, 건축물 등 다양한 대상의 공기역학적 특성을 파악하고 설계를 검증하는 데 필수적인 실험 장비이다. 그러나 실제 비행 조건이나 자연 상태의 공기 흐름을 풍동 내에서 완벽하게 재현하는 데에는 몇 가지 본질적인 한계가 존재한다.

주요 한계점 중 하나는 레이놀즈 수 불일치 문제이다. 풍동 실험에서는 비용과 공간의 제약으로 인해 실제보다 작은 축소 모델을 사용하는 경우가 많은데, 이 경우 실제 비행 조건과 동일한 레이놀즈 수와 마하 수를 동시에 맞추기 어렵다. 특히 아음속 영역에서는 레이놀즈 수가 유동 특성에 큰 영향을 미치므로, 이 불일치는 실험 결과의 정확성에 영향을 줄 수 있다.

또 다른 중요한 한계는 벽면 효과이다. 풍동 벽면은 공기 흐름을 제한하고 경계층을 형성하여 시험체 주변의 유동을 왜곡할 수 있다. 특히 지면 효과를 모사해야 하는 실험에서는 이 영향이 더욱 두드러진다.

이러한 한계들을 극복하기 위해 다양한 기술적 노력이 이루어지고 있다. 레이놀즈 수 불일치 문제를 해결하기 위해 가압 풍동, 고밀도 가스 풍동, 극저온 풍동 등이 개발되었으며, 벽면 효과를 최소화하기 위해 무빙 벨트나 경계층 흡입 장치 등이 사용된다.

최근에는 컴퓨터 시뮬레이션 기술인 전산 유체 역학(CFD)이 발전하면서 풍동 실험을 보완하거나 일부 대체하기도 한다. CFD는 비용 효율적이고 신속하게 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 복잡한 난류 현상을 정확히 모사하는 데에는 여전히 한계가 있다. 따라서 현재는 CFD와 풍동 실험을 상호 보완적으로 활용하여 연구 및 개발의 효율성과 신뢰성을 높이는 것이 일반적이다.

8. 1. 레이놀즈 수 불일치

레이놀즈 수는 풍동 내 유동 시뮬레이션을 위한 주요 유사성 매개변수 중 하나이다. 특히 마하 수가 0.3 미만일 경우, 유동 특성을 지배하는 주요 매개변수가 된다.

풍동 실험에 사용되는 시험체, 예를 들어 항공기 모형과 같이 실제 물체보다 크기가 작은 경우에는 레이놀즈 수와 마하 수를 동시에 실제와 일치시키는 것이 어렵다. 실제 크기의 차량을 사용하여 실제 크기의 레이놀즈 수를 얻는 것은 비용과 기술적인 측면에서 실용적이지 않기 때문이다. 따라서 실험 목적에 따라 어느 한쪽의 수치만을 실제와 일치시킨다. 일반적으로 압축성의 영향이 나타나는 마하 수 0.3 이상에서는 마하 수를 일치시키는 방식을 택한다. 그러나 이 경우 레이놀즈 수가 실제와 달라지므로, 풍동 내 유동장은 엄밀히 말해 실제 비행 조건에서의 유동장과 차이가 발생하게 된다.

이러한 레이놀즈 수 불일치 문제를 해결하고 높은 레이놀즈 수를 시뮬레이션하기 위해 다음과 같은 특수 풍동 기술들이 개발되었다.

'''가압 풍동''': 시험 가스를 높은 압력으로 가두어 밀도를 높임으로써 레이놀즈 수를 증가시킨다.
'''고밀도 가스 풍동''': 공기보다 밀도가 높은 프레온이나 R-134a와 같은 무거운 가스를 시험 매체로 사용하여 레이놀즈 수를 높인다. NASA 랭글리 연구 센터의 천음속 동역학 풍동(Transonic Dynamics Tunnel)이 대표적인 예이다.
'''극저온 풍동''': 시험 가스를 매우 낮은 온도로 냉각시켜 점성을 낮추고 밀도를 높여 레이놀즈 수를 증가시킨다. 유럽 천음속 풍동(European Transonic Wind Tunnel, ETW)이 이 기술을 사용한다.
'''고고도 풍동''': 매우 낮은 압력, 즉 진공에 가까운 상태를 만들어 고고도 환경을 모사하고, 다양한 항공기 형상에 대한 충격파의 영향을 시험한다. 1952년 캘리포니아 대학교는 세계 최초로 두 개의 고고도 풍동을 건설했는데, 각각 지상 80km~110km와 130km~320km 상공의 환경을 모사하도록 설계되었다.^[28]

8. 2. 벽면 효과

풍동 벽면 근처에는 공기 흐름이 느려지는 경계층이 자연스럽게 발달한다. 이 경계층은 시험체 주변의 공기 흐름에 영향을 미칠 수 있으므로, 정확한 실험을 위해서는 시험체를 벽면에서 충분히 떨어뜨려 설치하는 것이 일반적이다.

일반적인 항공기 비행 상태를 모사하는 실험에서는 시험체를 풍동 중앙에 위치시켜 벽면과의 거리를 확보하므로 경계층의 영향이 상대적으로 적다. 하지만 항공기의 이착륙, 자동차(특히 레이싱카), 전철, 건축물 등 지면 효과를 고려해야 하는 실험에서는 시험체를 풍동 바닥(벽면)에 가깝게 설치해야 한다. 이 경우, 바닥면에 발달한 경계층이 실험 결과에 미치는 영향을 무시할 수 없게 된다.

이러한 벽면 경계층의 영향을 최소화하기 위해 다양한 방법이 사용된다. 바닥면에 벨트 컨베이어와 같은 무빙 벨트(Moving belt)를 설치하여 바닥면과 공기의 상대 속도를 없애거나, 바닥면의 높이를 조절하거나, 경계층 흡입(Boundary layer suction) 장치를 이용해 경계층 자체를 빨아들여 제거하는 방법 등이 있다.

반대로, 건축물 주변의 바람 환경을 실험할 때는 실제 지표면 부근의 두꺼운 대기 경계층을 풍동 내에 인공적으로 만들어 모사해야 하며, 이를 위한 별도의 장치들이 사용된다.

또한, 시험체를 풍동 내에 고정하기 위해 사용되는 스트럿(지주)이나 와이어 등도 공기 흐름을 방해하여 측정값에 오차를 유발할 수 있다. 따라서 정밀한 실험에서는 스트럿이나 와이어가 결과에 미치는 영향을 평가하고 보정하는 과정이 필요하기도 하다.

8. 3. 전산 유체 역학 (CFD)과의 관계

최근 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 기술, 특히 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)이 발전하면서 공기역학이나 열역학 설계 등 다양한 분야에서 활용도가 높아지고 있다. CFD는 풍동 실험에 비해 비용이 적게 들고, 모형 제작 등이 필요 없어 실험 준비에 걸리는 시간을 단축할 수 있다는 장점이 있다. 제한된 경우, CFD가 풍동 실험을 보완하거나 대체하기도 한다. 예를 들어, 실험용 로켓 비행기인 스페이스십원(SpaceShipOne)은 풍동 실험 없이 CFD만으로 설계되었으나, 실제 비행 중 날개 표면에 실을 부착하여 얻은 데이터를 바탕으로 CFD 모델을 개선하는 과정을 거쳤다.

그러나 CFD가 모든 풍동 실험을 대체하기는 어렵다. 특히 외부 난류 흐름이 복잡하게 얽힌 현상을 정확하게 모사하는 것은 현재의 컴퓨팅 기술과 자원으로는 한계가 있다. 예를 들어, 건물, 교량, 복잡한 지형 주변의 공기 흐름 영향을 정밀하게 분석하는 데 CFD만으로는 부족할 수 있다. 이러한 복잡한 외부 난류 흐름을 모사하는 데에는 경계층 풍동을 이용한 실험이 가장 효과적인 방법으로 알려져 있다.

풍동 실험은 일단 시작되면 CFD 시뮬레이션보다 다양한 조건에서 더 빠르게 많은 양의 데이터를 얻을 수 있어 생산성이 높고, 일반적으로 CFD 결과보다 데이터의 신뢰성이 높다고 평가받는다. 미국에서는 여러 요인으로 인해 풍동 시설이 감소하는 추세지만, CFD 모델의 정확성을 검증하기 위해서는 실제 풍동 실험 데이터와의 비교가 필수적이므로 풍동의 필요성은 여전히 강조되고 있다.^[20] 따라서 가까운 미래에도 풍동 실험의 중요성은 계속될 것으로 보인다.

결론적으로, CFD와 풍동 실험은 서로 대체하기보다는 상호 보완적인 관계에 있다. 실제 연구 및 개발 과정에서는 CFD 시뮬레이션을 통해 경향을 파악하고 가능성을 탐색한 뒤, 풍동 실험으로 구체적인 수치를 정량적으로 확인하고 검증하는 방식으로 두 기술을 함께 활용하는 것이 일반적이다. 이를 통해 각 기술의 장점을 살려 보다 효율적이고 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있다.

참조

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풍동