Venturi Tube
Introduction
벤튜리 관은 벤튜리 효과를 이용한 기계 장치이다. 과학, 공학에서 자주 사용되는 벤튜리 효과와 벤튜리관에 대해 알아보도록 하자.
벤튜리 효과란?
Venturi Effect
먼저 벤튜리 효과에 대해 알아보자. 벤튜리 효과란 유체가 입력 부분에 비해 좁은 단면의 관을 통과할 때 유체의 유속이 빨라지는 물리적 현상이다. 이는 연속방정식으로 예측될 수 있는 효과이다.
연속방정식의 기본 아이디어는 유체 뭉치가 관을 흐를 때 그 유체의 양은 관의 모든 구간에서 보존된다는 것이다. 이 유체가 비압축성이고(밀도가 일정하고) 균일한 흐름을 가진다면(정상류, steady flow), FIG 1과 같이 \(V_1=V_2\)라고 할 수 있을 것이다.
\[V_1 = V_2 \leftrightarrow A_1 \cdot x_1 = A_2 \cdot x_2\]
정상류는 시간에 대해 흐름이 변하지 않으므로, 속력에 관해서 x를 나타낼 수 있다.
\[A_1 \cdot x_1 = A_2 \cdot x_2 \leftrightarrow A_1 \cdot v_1 \cdot t = A_2 \cdot v_2 \cdot t\]
t를 소거하면(단위시간이니 수가 같다),
\[A_1 \cdot v_1 = A_2 \cdot v_2\]
따라서, 연속 방정식에 따르면 유체의 단면적과 유속의 곱은 항상 일정하다. 그래서 유체가 좁은 부분을 흐를 때 속력은 그만큼 늘어나야 하는 것이다.
벤튜리 효과의 활용
Application of venturi effect
Cavitation(공동현상)
첫 번째로, 벤튜리관에서는 갑작스러운 압력 강하로 인한 공동현상이 잘 발생한다. Cavitation이란 유체 사이에 기포가 생기는 것을 말하는데, 이 기포는 유체가 증기압 아래로 떨어졌을 때 생성됐다가 압력이 갑자기 높아지면 터지면서 충격파를 발생시킨다. 이 현상은 벤튜리관 뿐만 아니라 고속으로 회전하는 프로펠러 등 여러 기계장치에서도 잘 일어나는데, 대부분의 경우 충격파가 장치에 악영향을 미치기에 최대한 방지하는 방향으로 연구가 이루어진다. 그러나, 이 공동현상이 필요한 곳이 있으니 바로 Carburetor, 카뷰레터이다.
Carburetor
카뷰레터는 "carburet을 하는 장치”라는 의미이며, 카뷰렛이란 연소를 위해 연료와 공기를 일정 비율로 혼합하는 행위를 말한다. 즉 공기와 연료를 균일하게 섞는 장치다.
다음과 같이 벤튜리 관에 의해 발생한 기포 사이로 산화제(산소)가 자리를 차지해 연료와 산화제가 골구루 섞이게 된다. 이렇게 벤튜리관을 이용한 카뷰레터를 VM 방식이라고 한다. 카뷰레터는 벨브를 여닫으면서 일정한 유량의 연료가 벤튜리관으로 들어갈 수 있도록 한다. 이 방식은 밑의 챔버에 들어찬 연료에 의해 부력이 벨브에 작용하며 그 유량을 조정한다.
카뷰레터의 대체
현대에 카뷰레터는 거의 사용되지 않는데, 그 이유는 더 성능이 좋은 연료 분사 방식이 개발되었기 때문이다. 연료 분사는 본래 루돌프 디젤이 자신이 개발한 디젤 엔진에 디젤 연료를 공급하기 위해 고안된 방식이다. 가솔린에 비해 입자가 무겁기 때문에 카뷰레터로는 혼합이 불가능했던 것이다. 기화기가 연료를 공기로 끌어들이기 위해 벤튜리 튜브를 통해 가속된 흡입 공기가 생성한 흡기에 의존하는 반면 연료 분사는 고압에서 작은 노즐을 통해 연료를 원자화한다. 이 방식은 점차 가솔린엔진에도 적용되었고 결국 1980년대부터 카뷰레터는 대체되기 시작하여 현재는 2기통 이하의 작은 엔진에나 간혹 쓰이고 있다.(구조가 간단하고 작은 이점이 있긴 하다.)
압력 차이
벤튜리관은 또 다른 특성이 있으니, 벤튜리 부분에서 유압이 낮다는 것이다!
베르누이 방정식에 따라 유체의 에너지는 일정한데, 벤튜리관에서 유속이 빨라졌기에 유체의 운동에너지가 높아져서 그만큼 압력이 낮아져야 한다. 그래서 벤튜리관 부분의 압력은 입력 부분보다 낮다. 이 압력 강하를 여러 면에서 활용할 수 있다.
벤튜리미터
*가운데 유선이 평균 유선이라고 가정하여 벤츄리관의 오목한 부분은 h에 고려하지 않아도 된다.
벤튜리미터는 유량을 측정하기 위한 기계장치이다. 벤튜리미터를 통해서 입력부와 벤튜리 부분의 압력을 측정할 수 있다. 이걸로 측정한 압력차와 이미 알고있는 단면적으로 유량과 벤튜리 부분에서의 유속 등을 구할 수 있다.
벤튜리미터는 설치가 간편하고, 압력 손실이 입구와 목 사이의 압력 차이의 10-20% 이하로 작아서 잘 사용된다. (확산 섹션 덕분에 유체가 점차 감속하여 난류를 줄여서 압력 손실이 적다고 한다.)
유량 \(Q\)를 계산하는 공식은 다음과 같다.
\[Q = S_2 \cdot v_2 = S_2 \cdot \sqrt{\frac{2(P_1 - P_2}{P[1-(\frac{S_2}{S_2})^2]}}\]
*유량의 차원은 [L]^3/[t]로, 단면적에 유속을 곱해서 얻을 수 있다. *루트 안에P는 ρ(밀도)이다.. * 정상류이며 비압축성 유체라는 가정이 있다.
플러그인
참고 : 유량 공식의 유도
이 공식을 이용하면 두 부분의 단면적, 압력만 알아도 유량과 벤튜리관에서의 유속을 측정할 수 있다.
F1, Lotus 79
벤튜리효과는 F1에서도 사용되었었다. 현재는 금지되었지만, 규정이 없을 때 벤튜리효과는 에어로 다이나믹적인 방법으로 F1카에 엄청난 다운포스를 제공했으며, 이에 따라 이 기술이 적용된 경우 코너에서 기존에 비해 압도적인 이점을 얻을 수 있었고 고속에서도 그립을 더 확보해 안정성이 증가했다. Lotus 79는 이 기술을 F1 역사상 최초로 적용한 차량이며, 이 차량 이후의 시즌에 모든 차량이 이 기술을 적용하고 나왔기에 이 때를 Ground Effect의 시대라고 부르기도 한다.
Lotus 79
7번의 우승, 10번의 폴 포지션, 총 121점을 기록, 로터스 역사상 마지막 드라이버 및 컨스트럭터 월드 챔피언십에서 우승을 차지한 전설적인 차량이다. 79는 F1을 현대 공기역학 기술 시대로 이끈 역사적인 의미를 지니고 있다.
후류를 더욱 깔끔하게 배출해 유동 박리를 줄여 그라운드 이펙트를 극대화하기 위해 차체를 리어 서스펜션까지 연장했고, 그만큼 얻은 효과로 인해 리어윙의 크기를 줄여 공기저항을 저하시킬 수 있었다. 당시 경쟁할만한 차량은 없다고 봐도 무방했다.
비록 브레이크 과열과 강력한 다운포스에 비해 취약한 섀시 등의 문제를 가졌지만, 이 차량이 가지는 상징성은 F1역사에서 견줄만한 예가 매우 적다.
다음과 같이 차량의 사이드 포드에 터널이 뚫려있고, 그 터널 위를 덮는 부분이 비행기 날개가 뒤집어진 모습과 같음을 알 수 있다. 이런 형태로 인해 날개 아랫부분의 유속이 빨라지고, 압력이 낮아져 압력차로 인한 다운포스를 얻을 수 있었던 것이다. 이 날개 모양은 차체 전반에 다운포스를 고르게 작용하도록 하기 위해 철저히 계산되어 정해진 모양이다. 앞 혹은 뒤에만 다운포스가 몰리게 되면 오히려 언더/오버스티어를 불러올 수 있다.
이렇게 얻어낸 다운포스로 차량의 바퀴는 더 큰 접지력을 가졌고, 특히 코너에서 상당히 유리한 결과를 얻어낼 수 있었다. 그러나 시간이 지날수록 이 기술을 가장 잘 활용하는 팀이 손쉽게 경기에서 우승하는 결과를 냈고, F1이 에어로 다이나믹 원툴이 되며 많은 자금을 기반으로 연구개발을 더 많이 진행할 수 있는 팀이 더 높은 성적을 거두게 되었다. 드라이버의 역량이 아닌 돈과 기술력이 경기의 결과에 압도적으로 영향을 미치자, 결국 FIA는 이 기술의 사용을 금지하고 평평한 플로어만을 사용할 수 있도록 규정을 제정한다. 그래서 이후에 나온 차량들은 플로어에 약간의 디퓨저 기능을 할 수 있는 구조를 제외하고는 거의 평평한 형태이다.
유속 증가
빠른 유속을 이용해 공기 교체가 빠른 점을 이용하는 경우가 많다. 대표적으로 사용되는 예는 다음과 같다.
서버 공랭기 : 공랭을 위한 팬에 벤튜리관을 적용해 유속을 더욱 높이는 경우가 많다.
굴뚝 : 연소된 공기를 빠르게 배출해 연소 효율을 높일 수 있다. 발전소 등에서 잘 사용된다.
산 혹은 빌딩 사이의 풍력발전기 :
Conclusion
지금까지 벤튜리 효과와 이를 활용한 벤튜리관의 다양한 쓰임새를 살펴보았다. 카뷰레터부터 F1의 역사를 바꾼 레이싱카, 현대의 유량계에 이르기까지, 이 간단한 물리 원리는 시대를 초월해 기술 발전의 핵심적인 역할을 해왔다. 복잡해 보이는 문제를 이토록 명쾌한 물리 법칙으로 해결한 공학적 지혜가 돋보이는 대목이다. 이처럼 단순한 원리 하나가 인류의 기술을 비약적으로 발전시켰듯, 우리 주변의 평범한 현상 속에도 미래를 바꿀 위대한 발견이 숨 쉬고 있을 것이다. 이 글이 여러분에게 큰 영감을 주길 바란다. 😊
