수중 로봇 설계에 필요한 유체역학 요소는?
물속에서 움직인다는 건, 공중보다 더 복잡한 일입니다
드론처럼 하늘을 나는 로봇도 복잡하지만, 실제로는 물속을 움직이는 수중 로봇이 훨씬 더 많은 제약을 받습니다. 왜일까요? 물은 공기보다 밀도와 점성이 훨씬 크기 때문에 유체역학적 저항과 안정성이 설계에 큰 영향을 미치기 때문입니다.
이번 글에서는 수중 로봇(Underwater Robot, AUV, ROV 등)을 설계할 때 반드시 고려해야 하는 유체역학 핵심 요소들을 정리해 보겠습니다. 저도 졸업 프로젝트 때 수중 로봇 모형을 만들면서 유체역학의 중요성을 절감했는데요, 그때의 경험을 토대로 구성해 봤습니다.
1. 물속에서의 유체 특성과 유동 환경 이해
수중은 공기와 어떻게 다를까?
수중 환경은 공기와는 매우 다른 물리적 특성을 갖습니다. 이로 인해 유체 해석 방식도 달라져야 하죠.
| 요소 | 공기 | 물 |
|---|---|---|
| 밀도 (ρ) | 약 1.2 kg/m³ | 약 1000 kg/m³ |
| 점도 (μ) | 1.8×10⁻⁵ Pa·s | 1.0×10⁻³ Pa·s |
| 압축성 | 높음 | 거의 없음 |
즉, 물속에서는 저속에서도 강한 저항이 발생하고, 부력, 마찰, 관성이 훨씬 크게 작용합니다.
2. 부력과 부력 중심 설계
수중 로봇은 '뜨거나 가라앉지 않도록' 먼저 설계해야
수중 로봇의 첫 번째 목표는 '제어 가능한 부력 상태'를 만드는 것입니다. 이를 위해 중심부력(center of buoyancy)과 질량 중심(center of gravity)이 고려되어야 하죠.
중성 부력 조건
- 로봇의 총 부력 = 로봇의 총 중력
- 부력 중심은 질량 중심보다 위쪽에 위치
- 이때 로봇은 안정된 자세로 부유 가능
“부력 안정성이 확보되지 않으면, 추진이나 센서 조정이 아무 의미가 없습니다.”
저는 부력 중심과 질량 중심이 일치한 모델을 만든 적이 있었는데, 약간만 흔들려도 계속 회전하더라고요. 이후 중심 설계를 바꾸고 나서야 자세가 안정됐습니다.
3. 수중 저항력(DRAG)을 최소화하는 형상 설계
물속에서는 작은 저항도 큰 에너지 손실로
수중 로봇은 대부분 배터리로 작동하므로 에너지 효율이 생존 시간과 직결됩니다. 따라서 수중 저항을 최소화하는 형상 설계가 핵심입니다.
저항력 구성 요소
- 마찰 저항 (Skin Friction): 표면과 유체의 마찰
- 형상 저항 (Form Drag): 유체 흐름 방해로 인한 압력 차이
- 파동 저항 (Wave Drag): 수면 주행 시 생성되는 파동
형상 설계 전략
- 물고기형 유선형: 후방이 좁아지는 형태가 이상적
- 표면 마감 처리: 매끄러운 재질로 마찰 저항 최소화
- 부착물 최소화: 센서나 추진기 돌출 최소화
CFD 해석에서 로봇의 앞부분에 와류가 크게 발생하는 걸 보고 후방을 더 유선형으로 수정한 적이 있습니다. 단순한 곡선 하나가 에너지 소비를 15% 줄여주더라고요.
4. 추진기 배치와 유동 상호작용
추진기의 위치는 성능과 안정성을 좌우
수중 로봇은 일반적으로 수직/수평 추진기를 조합하여 6 자유도 제어를 합니다. 하지만 단순히 모터를 많이 단다고 해서 안정적으로 움직이지는 않습니다.
추진기 설계 팁
- 전/후방 균형 유지: 비대칭 배치는 회전 토크 유발
- 와류 중첩 방지: 추진기 간 간격 확보 필요
- 캐비테이션 방지: 회전수, 날개 형상 최적화 필요
추진기가 배터리 케이스 바로 앞에 설치되면, 회오리 흐름이 발생해 예상치 못한 회전을 유발할 수 있습니다. 이런 점에서 **CFD 해석 + 실험 결과 비교**가 꼭 필요하죠.
5. 유속 변화에 따른 제어 모델링
물속은 '항상 움직이는 환경'
수중에서는 외부 유속(조류, 물결 등)의 영향을 고려한 **동역학 모델링**이 필수입니다. 로봇이 정지하고 있어도 외력에 의해 떠밀리거나 회전할 수 있기 때문이죠.
고려해야 할 외력 요소
- 조류 유속: 일정하거나 시간에 따라 변화
- 물속 회전 흐름: 로봇 안정성에 직접 영향
- 수심 변화 압력: 부력/질량 변형 유발
특히 수중에서의 **PID 제어기 조율**은 공중보다 어렵습니다. 유체 저항이 커서 응답 속도가 느리고, 정지 후에도 관성 이동이 오래 지속되죠.
6. 수중 유체역학 해석 도구 소개
설계 시 사용 가능한 해석 툴
| 툴 이름 | 특징 | 활용 예시 |
|---|---|---|
| ANSYS Fluent | 정밀한 유동 해석, 다양한 터뷸런스 모델 | 로봇 전면 와류 예측 |
| OpenFOAM | 오픈소스 기반, 자유도 높음 | 수중 추진기 후류 해석 |
| Flow-3D | 자유수면, 다상유동에 강점 | 파동 저항 해석 |
| ProteusDS | 수중 로봇 동역학 전용 시뮬레이터 | 조류 영향 시뮬레이션 |
저는 OpenFOAM을 활용해 모형 로봇의 저속 유동을 분석했었는데요, 메쉬 설정만 잘하면 고가의 상용 툴 못지않은 결과를 보여줍니다.
결론: 수중 로봇 설계, 유체역학이 80%
수중 로봇은 단순한 전자/기계 장치가 아니라, 유체와 상호작용하는 복합 시스템입니다. 그만큼 유체역학의 이해 없이 설계하면 움직이지 않거나, 에너지 낭비가 심하거나, 자세 제어가 되지 않게 됩니다.
이번 글에서는 수중 로봇의 설계에 있어 반드시 고려해야 하는 5가지 유체역학 요소들을 정리해 보았습니다. 부력, 저항, 추진기 배치, 외력 모델링까지 하나하나가 설계 성능과 직결되는 중요한 항목입니다.
혹시 수중 로봇 프로젝트를 준비 중이시라면, 단순 CAD 모델링보다 먼저 **유체 해석 환경을 구상해 보는 것**을 추천드립니다. 다음에는 '수중 드론 CFD 실습 예제'나 '초보자를 위한 OpenFOAM 튜토리얼'도 준비해 볼게요!
FAQ
- Q1. 수중 로봇은 공중 드론보다 설계가 더 어렵나요?
A: 일반적으로 더 어렵습니다. 유체 밀도와 점성이 높아 운동학과 동역학이 더 복잡하게 작용합니다. - Q2. 유체 해석 없이도 수중 로봇을 만들 수 있나요?
A: 가능은 하지만, 부력이나 안정성 문제로 실용성이 떨어집니다. 간단한 해석 도구라도 활용하는 것이 바람직합니다. - Q3. 수중 로봇용 CFD는 어떤 모델을 써야 하나요?
A: 일반적으로 LES 또는 k-ω SST 모델이 와류 예측에 유리하며, 경계층 해석에는 Low-Y+ 격자 설정이 필요합니다.