유체의 가정, 유동에 대해서 설명하겠습니다.
(비점성유동, 점성유동, 뉴턴유체, 비뉴턴유체, 정상유동,
압축성유동, 비압축성유동, 내부유동, 외부유동, 레이놀즈 수, 층류, 난류)
※ 이번 포스팅의 소제목 내부링크
1. 비점성유동, 점성유동, 뉴턴유체, 비뉴턴유체
먼저, 비점성유동, 점성유동을 설명하겠습니다.
비점성유동은 말그대로유체에 점성이 없는 유체의 유동을 의미하며
점성유동은 점성이 있는 유체의 유동을 의미합니다.
점성유동에서 뉴턴유체, 비뉴턴유체로 나뉘는데,
뉴턴유체란?
위 유체의 점성 공식이 적용되는 유체를 의미하고,
비뉴턴 유체는
위 점성공식이 적용되지 않는 유체를 의미합니다.
대표적으로 치약이 있습니다.
2. 정상유동, 비압축성 유동, 압축성 유동
압축성과 비압축성 유동을 설명하려면
먼저 정상유동에 대해서 설명해야 합니다.
정상유동(steady flow)이란?
임의의 유체성질(밀도, 온도, 속도, 등)이 시간에 따라 변화하지 않는 유동을 의미합니다.
비정상유동이란, 임의의 유체성질이 시간에 따라 변화하는 유동을 의미합니다.
따라서, 비압축성 유동이란?
시간에 따라 밀도가 바뀌지 않는 유동을 의미합니다.
따라서 정상유동 식에 임의의 유체성질에 밀도를 대입하면 됩니다..
압축성 유동이란, 시간에 따라 밀도가 변화하는 유동을 의미합니다.
즉, 밀도를 변화시킬 수 있다?!!
밀도=질량/부피, 질량은 물체의 크기에 따라 바뀌는 고유의 값입니다.
따라서 밀도를 변화시킨다는 것은 부피를 변화시킨다는 것입니다!!
대표적으로 비압축성유체는 액체, 물, 압축성 유체은 기체, 공기를 생각하면 편합니다!!
아래 그림을 예로 들어보겠습니다!
피스톤 내에 물을 넣어보고 압축해보자, 아무 변화가 없습니다.
그러나 물 대신 공기를 넣어 압축하면, 압축이 된다! 저게 압축성 유체라고 보면 됩니다.
압축성 유동이란 유체가 운동하면서 어느 영역이 밀도가 변화한다고 보면 됩니다.
3. 내부유동, 외부유동
유체의 유동 형태에 내부유동, 외부유동이 있습니다.
내부유동이란?
고체면으로 완전 경계된 유동을 의미합니다.
호수나 관을 통해 흐르는 물을 생각하면 됩니다.
유체가 어느 고체로 이루어진 경계 안에 있다고 보면 됩니다.
외부유동이란?
어떤 물체가 경계없는 유체속에 있으며, 그 물체의 외부의 유체가 운동하는 것을 의미합니다.
대표적으로 항공기(대기 속), 잠수함(바닷속) 을 생각하면 됩니다.
4. 층류유동, 난류유동
유동이 내부던, 외부던 상관없이,
유체의 유동 형태에 층류와 난류가 있습니다.
층류유동이란?
유체입자가 층을 이루며 이동하며, 층간 유체의 입자는 서로 뒤바뀌지 않습니다.
즉, 위아래로 거의 섞이지 않는 유동입니다.
난류유동이란?
유체이자가 층을 이루지 않고 무질서하게 운동하는 것을 의미합니다.
위아래로 섞이지 않는 층류와 반대로
난류유동은 위아래로 혼합합니다!
5. 레이놀즈의 수
이 층류와 난류를 수치로 나타낼 수 있는 지표가 있습니다..
바로 레이놀즈수 입니다.
공식은 아래와 같습니다.
레이놀즈의 단위는 없다.(무차원)
레이놀즈의 수의 정의는 관성력/점성력인데,
점성력은 말 그대로 유체의 유동을 방해하는 힘, 관성력은 유체의 운동하는 힘을 뜻합니다.
층류유동은 유체의 유동이 유체의 점성에 의해 층을 이루며(질서를 이루며) 유동한다고 생각하면 됩니다.
점성은 전단응력, 유체의 위아래 입자간 전단응력 그림(이전 블로그 포스팅)을 생각하면 편합니다!
반대로, 난류유동은 점성력에 비해 관성력 크므로,
유체의 유동이 너무 강하여 점성이 약하다. 즉, 유체가 유동할 때 전단응력이 거의 작용하지 않는다고 생각하면,
즉, 유체 입자간 접촉이 되지 않습니다!!, 유체입자 서로 떨어져 운동한다(무질서하게)고 생각할 수 있습니다.
층류,난류와 관련된 레이놀즈의 수에 주의할 것이 하나 있습니다.
이 층류, 난류 나누는 레이놀즈 수의 기준을 10만이라고 했는데,
이는 평판기준(즉 임의의 기준값)입니다.
유체의 경계조건, 원통관이던, 외부유동이던 내부유동의 형상에 따라
층류와 난류를 나누는 레이놀즈 수의 기준이 다르다는 것을 명심하기 바랍니다.
다음에는
유체의 질량보존식, 연속방정식에 대한 개념을
설명하겠습니다.
6. 유체의 질량보존식, 연속방정식(링크)
유체의 질량보존식, 연속방정식에 대한 개념을
자세히 설명하였으니, 링크를 참고하기 바랍니다.
앞으로도 엔지니어에게 좋은 지식과 정보를 이해하기 쉽게 포스팅하겠습니다. (By. 요르문간드)
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