MHD1 조작 시작
음속을 넘지 않는 비음속 비행.
...음속을 넘는 기체 흐름 속에 렌티큘러 형상의 물체가 잠겨 있다고 상상해 보자. 충격파(결합 충격파)가 생기고, 평면파가 형성된다. 이 충격파 중 두 개는 입구 가장자리에서 시작하고, 나머지 두 개는 출구 가장자리 근처에 위치하게 된다. 위에서 본 시각적 표현은 다음과 같다:
측면도:
유체역학적 유사성.
...충격파 형성 메커니즘을 이해하기 위해 매우 간단한 유사성 개념을 사용할 수 있다. 자유 표면을 가진 액체 흐름에서 표면파의 전파는 기체 내 음파의 전파와 동일하다. 예를 들어 정지한 액체 질량을 생각해 보자. 한 어부가 빛을 조심스럽게 당기면 부표가 진동하면서 원형 파동이 발생한다. 이 파동은 초당 몇 센티미터 정도의 속도로 전파된다:
...당신의 욕조에서 나무 꼬치나 일회용 빨래핀을 위아래로 움직이면 동일한 결과를 얻을 수 있다.
만약 유체가 흐르고 있다면(위에서 본 시점), 동시에 발생하지 않은 원형 파동들은 서로 겹쳐지며 휘어진 형태로 나타난다:
...오른쪽 그림은 '음속' 운동을 나타낸다. 음파는 기체 내 압력의 변화를 나타내는 것이다. 이러한 유체역학적 유사성 실험은, 나의 출신인 국립항공공과대학(Supaéro)에서 과거에 가르쳐졌던 것으로, 실습 과정의 일부였다.
...그런데 유체가 표면파의 전파 속도보다 더 빠르게 움직일 때는 어떻게 될까? 아래 그림과 같은 현상이 나타난다:
...물체가 방출한 교란은 물체에서 나온 두 직선 방향으로 모여들게 된다.
...모든 사람이 강가에 가까운 곳에 있는 것은 아니다. 따라서 고정된 물체를 액체 흐름 속에 두는 대신, 물체를 움직이는 방식으로도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 욕조의 물속에서 빨래핀이나 나무 꼬치의 끝을 움직이면, 그 결과로 '마흐파(Mach wave)'라 불리는 파동이 생긴다. 표면파의 전파 속도를 a, 물체의 이동 속도를 V라 하면, 마흐 각도 α는 쉽게 계산할 수 있다:
...반대로, 마흐 각도 α를 측정하면 유체의 속도 V를 계산할 수 있다.
...물체의 속도 V가 클수록 마흐파는 더욱 평평해진다.
...배수로는 속도 V가 하류로 갈수록 증가하는 매우 좋은 유체역학 실험실이다. 빨래핀을 물에 넣어 보면 다음과 같은 현상을 관찰할 수 있다:
...또 다른 '유체역학 실험실'은 수로이다. 수로의 수직 벽면에 물과 접촉하는 돌출부가 존재하면, 그 부위에서 마흐파가 발생하며, 수로의 반대편 끝에도 마흐파가 생긴다. 이로 인해 수면은 파동 네트워크로 가로지르게 되며, 이는 흐름의 방향과 속도를 동시에 나타낸다. 유체는 마흐파의 내각 이등분선 방향으로 흐른다. 수로에서 흐름 속도가 일정하다면, 수면은 마흐파에 의해 평행한 '줄무늬'로 가로지르게 된다:
...물의 속도가 하류로 갈수록 증가하면(경사가 커지면), 마흐파는 더욱 평평해진다:
...반대로 유체 속도가 느려지면(경사가 감소하면), 현상은 반대가 된다:
...수로에서 유체 속도가 느려지는 것은, 수심이 너무 낮아져 물이 바닥과 마찰을 일으킬 때 발생한다. 흐름을 자세히 관찰하면 다음과 같은 현상을 볼 수 있다:
...마흐파는 물의 가장자리에 가까워질수록 다시 곧게 서게 된다. 바닥 마찰로 인해 흐름이 느려지기 때문이다. 마흐파가 흐름과 수직이 되는 순간, 흐름 속도는 표면파의 전파 속도까지 낮아진다. 이때 흐름은 '서음속(subsonic)' 상태가 된다. 이 구역에서는 마흐파가 사라진다. 빨래핀이나 머리핀을 흐름에 넣어보면 이를 확인할 수 있다.
...따라서 수로의 관찰을 통해 많은 것을 배울 수 있다.
...만약 수로가 곡선을 이룬다면 두 가지 경우가 생긴다. 첫 번째 경우는 다음과 같다:
...이 곡선을 통과할 때 물은 가속된다. 유체역학에서는 이를 '팽창석(확산석, expansion fan)'이라 부른다. 특성선이 평평해지는 것은 가속을 나타낸다. 동시에 수위(기체의 압력과 동일한 개념)는 낮아진다. 이 그림에 두 번째 마흐파 군을 추가하면 다음과 같다:
...MHD에 대해 더 알고 싶다면, 1983년 벨랭 출판사(8 rue Férou, 파리 75006)에서 출간한 만화를 참고하시기 바랍니다. 또한 'Cd-Lanturlu'에서 이 만화의 CD 버전도 구할 수 있습니다. 주문서 접속은 페이지 하단의 아이콘을 클릭하시면 됩니다.
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초기 카운터 설정일: 2000년 6월 1일