흐르는 유체의 거동은 고체벽의 영향을 받고, 받지 않고 따라서 아주 달라진다. 유체가 고체벽을 지나서 흐를 때 고체와 유체의 계면에서는 마찰에 의하여 유체가 고체에 들어 붙으므로, 계면에서의 유체의 속도는 0이다. 계면에서 떨어지면 유체는 임의의 속도를 가지게 된다. 유체의 속도가 계면에서의 일정한 거리에서 항상 같을 때 이 유체는 정상 상태로 흐르고 있다고 한다.

관속으로 유체가 흐를 경우 흐르는 방향에 직각인 임의의 단면을 단위 시간에 흐르는 유체의 양을 유량이라고 하고, 이를 유로의 단면적으로 나눈 값이 유체의 평균 유속(mean velocity)이다.

즉,                        (1)

보통 관내를 유체가 흐를 경우에는 유속이 일정하지 않으며, 관벽 부근에서는 벽면 저항에 의하여 유속이 느리고, 관의 중심 부근에서는 최대 속도를 나타낸다. 유체의 흐름의 상태를 조사하기 위하여 1883년 레이놀즈(Osborne Reynolds)는 그림1과 같은 장치를 고안하여 실험하였다.

그림1 레이놀즈의 실험 장치

수평한 유리관에 유체가 흐르게 하고 그 입구에 잉크가 흐를 수 있는 노즐을 장치하여 유량의 변화에 따르는 잉크의 흐름을 살폈다. 속도가 적을 때는 잉크는 일직선 모양으로 흐르며, 어느 속도 이상이 되면 잉크가 관 전체에 퍼져 버리는 현상이 나타났다. 그림 2에서 처음의 경우는 유체가 층을 이루어 흐른다고 생각되며, 이런 흐름을 층류(laminar flow) 또는 점성류(viscous flow)라고 한다. 잉크가 어떤 속도 즉, 임계속도(critical velocity)를 넘으면 유체는 소용돌이를 이루면서 흐르기 때문에 관 전체에 잉크가 퍼지며, 이 경우를 난류(turbulent flow)라고 부른다.

그림2 흐름의 유속 분포

층류와 난류에서 중심 부분에서의 최대 속도 [m/s]와 평균 속도 [m/s] 사이에는 대체로 다음과 같은 관계가 있다.

층류 :                             (2)

난류 :

유체의 흐름의 상태는 유로의 모양과 유체의 성질에 따라서 달라짐이 발견되었다. 원관에 유체가 흐르는 경우 관의 내경 D, 평균 유속, 유체의 밀도 ρ를 곱한 값과 점도 μ와의 비의 값으로 유체의 상태를 나타낼 수 있으며, 이를 레이놀즈수(Raynolds number) NRe라고 한다.

       (3)

또는

레이놀즈수는 차원이 없는 수이다. 따라서 어떤 단위계를 사용하거나 단위계만 통일된다면 같은 값을 얻어진다. 표면이 매끈한 원관인 경우, 레이놀즈수가 2,100보다 적으면 층류를 이루며 4,000보다 크면 완전 난류, 2,100 ~ 4,000에서는 층류에서 난류로 전이하는 현상을 보인다. 이 경우를 완충역(buffer region) 혹은 임계영역(critical region)이라 한다. 가 2,100일 때의 유속을 임계속도라고 한다.

또한 유체가 흘러갈 경우 관의 중심부에서 경계층이 끝나는 흐름을 완전히 발달된 흐름(fully developed flow)이라 하며 (그림 3), 이 때 입구에서 완전히 발달된 흐름이 될 때까지의 거리를 전이 길이(transition length)라 하고, 유속을 측정하려면 이 전이 길이를 넘어선 지점에서 유량계를 장치해야 한다.

그림3 파이프에서의 경계층의 생성

원관 중의 유체의 속도구배의 모양은 유속에 따라서 달라진다. 층류인 때는 그림 4의 (a)와 같이되나. 난류일 때 또는 속도가 무한히 클 때는 모양이 달라진다. 레이놀즈수가 크면 완전히 소용돌이를 이루면서 흐르고 유속은 일정하게 되어 그림 4의 (b), (c)와 같이 나타난다. (c)의 경우를 플러그 흐름(plug flow)이라고 하며, 공업적인 장치를 계산할 때는 (c)와 같은 이상적인 플러그 흐름을 가정하여 처리한다.

그림 3에서 완전히 발달된 흐름이 될 때까지 즉, 경계층이 파이프의 중심에 도달할 때까지는 입구에서 상당히 떨어져야 하며, 전이 길이는 다음과 같다.

층류인 경우 :                                        (4)

난류인 경우 :