01. 유체의 흐름

학습 목표

•  유체의 특성에 따라 분류할 수 있다.

•  유체의 흐름 특성에 대하여 설명할 수 있다.

02. 유체의 흐름에 영향을 미치는 인자

(1) 유체의 압력

•  정지한 유체의 기본 성질은 압력에 대한 것, 이 압력은 유체가 용기 벽면에 미치는 표면의 힘
•  대기압 : 대기에 의해 나타나는 압력, 압력의 수치로 1기압
•  계기 압력 : 압력계의 바늘이 움직여서 어떤 값을 나타내어 계기에 나타내는 압력,
•  절대 압력 = 대기압 + 계기 압력
•  절대 압력 = 대기압 - 진공도

(2) 유체의 점도

•  흐르는 유체의 물리적 성질 중에서 가장 중요한 요소, 점도에 따라 유체 흐름의 상태가 영향을 많이 받는다.

•  두 장의 평면 사이에 점도가 유체 속도에 비례하는 유체를 넣고, 판 ②는 고정시켜 둔 채 판 ①만을 일정한 속도로 움직이게 하는 힘은 유체와 접하는 넓이와 유체의 속도 기울기(전단 속도)이 비례

- 뉴턴 점성 법칙

•  비례 상수 는 유체에 대한 점성의 크기를 나타낸 값, 이를 점성도(viscosity) 또는 점도

• 점도의 표준 단위는 kg/m·s, 관습 단위는 푸아즈(poise)

        1 poise = 1 g/cm·s = 100 cP(centipoise) = 0.1 kg/m·s

• 유체의 점도  를 그의 밀도로 나눈 값을 운동 점도(kinematic viscosity)라 하고   관습 단위는 스토크(Stokes) cm^2/s

• 비점도(relative viscosity) : 기준 물질의 점도에 대한 어떤 물질의 점도의 비

(3) 유체의 흐름 상태에 따른 분류

• 보통 관 내를 유체가 흐를 경우에는 유속이 일정하지 않으면 관벽 부근에서는 벽면 저항에 의하여 유속이 느리고, 관의 중심 부근에서는 최대 속도

• 유체의 흐름의 상태를 조사하기 위하여 1883년 레이놀즈(Osborne Reynolds)는 그림 같은 장치를 고안하여 실험

레이놀즈수 실험 장치

• 층류(laminar flow) : 유체의 속도가 느려서 분자가 혼합되지 않고 서로 평행하게 직선을 나타내며 흐르는 흐름, 점성류(viscous flow)라고도 함.

• 난류(turbulent flow) : 유체이 속도가 빨라지면 입자의 운동 방향이 일정하지 않고 불규칙한 형태로 바꾸어지면서 흐로고 서로 완전히 혼합되는 흐름

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

        층류 :

        난류 :

                                           (a) 층류                                                         (b) 난류

흐름의 유속 분포

• 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) N_Re

• 레이놀즈 수가 2,100보다 적으면 층류, 2,100 ~ 4,000이면 전이 영역(critical region), 4,000보다 크면 난류로 구분

예제 Ⅱ-2 )

안지름이 1.0mm인 모세관 속을 20℃의 물(밀도 1.0 g/cm3, 점도 1.0 cP)이 1.0m/s의 평균 유속으로 흐른다고 한다면 레이놀즈수는 얼마인가?

풀이)

단위계를 CGS계로 통일하면





단위계를 표준 단위로 통일하면

• 레이놀즈수는 단위가 없는 값(무차원수)이므로 어느 단위계에 의해 계산해도 값은 값이 얻어진다.

• 실제 레이놀즈수가 이용되는 분야

• 골프공의 디자인
• 비행기 날개의 설계
• 공장에서의 환기구 설계
• 제조 공장에서의 이송관 설계
• 유체 이송을 위한 상하수도관 설계