항공기나 고속 이동체의 표면은 매끄러울수록 공기저항이 줄어든다고 생각하기 쉽다. 그러나 도호쿠대 연구팀은 유선형 모델 표면에 분산 미세 거칠기, 즉 DMR을 적용해 특정 전이 영역에서 항력을 최대 43.6% 줄였다고 보고했다.1
이 결과의 핵심은 “표면을 거칠게 만들면 좋다”가 아니다. DMR은 표면 설계의 기준을 단순한 매끄러움에서 경계층을 어떻게 제어할 것인가로 옮겨 놓는다.
DMR은 ‘거친 표면’이 아니라 미세하게 설계된 표면 조건이다
DMR은 Distributed Micro Roughness의 약자로, 마이크론 크기의 미세한 요철을 표면 전체에 불규칙하게 분포시킨 표면 형상이다.1
이번 실험에서 DMR의 거칠기 높이는 국소 경계층 두께의 약 1% 수준이었다.2 연구팀은 두 가지 표면을 사용했다. 하나는 지름 38~53마이크로미터 유리구슬로 만든 볼록 패턴이고, 다른 하나는 샌드블라스팅으로 만든 오목 패턴이다.1
따라서 DMR은 눈에 띄는 돌기나 일반적인 의미의 거친 표면이라기보다, 표면 가까이 흐르는 공기의 초기 상태에 영향을 주는 매우 작은 형상 조건에 가깝다.
항력 감소의 열쇠는 전이를 늦추는 데 있다
공력저항은 크게 압력저항과 마찰저항으로 나뉜다. 압력저항은 물체 앞뒤의 압력 차이에서 발생하고, 마찰저항은 표면을 따라 흐르는 공기의 점성 때문에 생긴다.1
여기서 중요한 것은 경계층의 상태다. 층류는 비교적 질서 있게 흐르기 때문에 표면과의 마찰이 작다. 반대로 난류가 되면 마찰저항이 크게 증가한다. 층류가 난류로 바뀌는 과정의 유동 영역을 전이역이라고 한다.1
기존 거칠기 연구에서 거칠기는 대체로 난류를 촉진하는 요소로 문제시됐다. DMR은 이와 다른 개념으로 제시됐다. 연구팀은 DMR이 특정 조건에서 층류-난류 전이를 지연시켜 마찰저항을 줄이는 표면 형상이라고 설명한다.1
즉, DMR의 가치는 “거칠기 자체”가 아니라 “전이를 어떻게 바꾸는가”에 있다.
실험 방식이 중요한 이유
DMR 효과를 판단하려면 작은 항력 차이를 정확히 측정해야 한다. 연구팀은 도호쿠대 유체과학연구소의 1미터 자기 지지 저울 시스템, 1m-MSBS를 사용했다.2
1m-MSBS는 길이 약 1.07미터의 유선형 모델을 풍동 안에서 전자기력으로 비접촉 부상시키는 장치다. 지지봉 없이 모델을 띄울 수 있기 때문에, 지지 구조물이 흐름과 항력 측정에 주는 간섭을 줄일 수 있다.2
논문은 레이놀즈 수 0.35×10⁶~3.6×10⁶ 범위에서 매끄러운 표면과 DMR 코팅 표면의 총 항력계수를 비교했다.2 이처럼 비교 대상과 측정 조건을 명확히 둔 점이 DMR의 효과를 해석하는 데 중요하다.
DMR이 주는 설계 힌트
DMR 연구가 곧바로 모든 항공기 표면을 거칠게 만들어야 한다는 뜻은 아니다. 이번 결과는 특정 형상, 특정 거칠기 크기, 특정 레이놀즈 수 범위에서 확인된 것이다.
그럼에도 실용적인 메시지는 분명하다. 표면은 단지 더 매끄럽게 가공해야 할 대상만이 아니다. 공기가 표면 근처에서 어떤 상태로 흐를지 조절하는 기능성 인터페이스가 될 수 있다.
항공기, 고속 이동체, 풍력 블레이드처럼 마찰저항이 에너지 효율에 큰 영향을 주는 분야에서는 이 관점이 중요하다. 앞으로의 질문은 “얼마나 매끄러운가”에서 “어떤 경계층 상태를 만들 것인가”로 확장될 것이다.
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