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유체역학에서 Reynolds 수는 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비로서, 주어진 유동 조건에서 이 두 종류의 힘의 상대적인 역학관계를 정량적으로 나타 냅니다. 1880년대 Osborne Reynolds는 많은 실험을 통해 발견하였습니다. 기하학적 형상, 표면조도, 유동속도, 표면온도, 유체의 종류 등이 가장 큰 영향을 미칩니다. Reynolds 수는 유체 동역학에서 가장 중요한 무차원 수 중 하나이며, 다른 무창원 수들과 함께 사용되어 동적 상사성을 판별하는 기준이 됩니다. 두 유동 패턴이 기하학적으로 상사일 때, 이 두 유동의 주요 무차원 수들이 동일한 값을 가지면, 이 두 유동이 동적 상사성을 가졌다고 말하며 이 두 유동은 그 형태가 유사하게 됩니다. 또한, 유동이 층류인지 난류인지를 예측하는 ..

올해 만에 전공에 대한 글을 작성합니다. 금일 내용은 유체의 층류와 난류에 대한 내용입니다. 담배를 피는 사람 옆에 있을 때 담배 연기를 살펴보면 처음 몇 센티미터는 매끈하게 올라가다 그 이후는 올라가면서 임의의 방향으로 흔들리는 것을 볼 수 있을 것입니다. 다른 연기들도 보면 유사하게 거동되는 것을 알 수 있을 것입니다. 아래 그림의 참고하시면 됩니다. 마찬가지로 파이프 내부유동도 자세히 보면 낮은 속도에서는 매끈하게 흐르나 어떤 임계값 이상에서는 혼돈 양산을 보입니다. 전자의 경우를 층류(Laminar)라 부르면 유선이 매끈하고 질서정연한 유동특성을 보이고, 후자의 경우를 난류(Turbulent)라 부르고 속도가 요동치고 매우 무질서한 유동특성을 보여 줍니다. 층류에서 난류로의 천이(Transitio..

단면이 원형 또는 비원형 내부 유체 유동은 우리 생활에서 자주 볼 수 있습니다. 가정에서 쓰는 애수 또는 온수는 파이프를 통해 공급됩니다. 도시에서 물은 광대한 배관망을 통해 분배됩니다. 기름과 천연가스는 대형 파이프 공급라인을 통해 수백 마일 이송되고, 몸에서 피는 동맥과 정맥을 통해 운반됩니다. 엔진 냉각수는 호스를 통하여 방열기의 파이프에 공급되고 그 곳에서 냉각됩니다. 유체 유동은 표면 위를 흐르는지 또는 관내를 흐르는지에 따라 외부유동와 내부유동으로 구분됩니다. 내부유동과 외부유동은 매우 다른 특성을 보입니다. 파이프나 덕트 내부를 흐르는 액체나 기체는 냉난방 및 유량 분배 계통에서 널리 사용 됩니다. 이 경우 유동은 팬이나 펌프에 의하여 발생됩니다. 유체가 파이프나 덕트 내부를 흐를 때는 마찰..

항력과 항력은 물체의 주위의 유동이며, 외부유동에 대한 것입니다. 유체가 어떤 딱딱한 물체 주위를 운동할 때, 물첼표면에는 수직으로 압력힘이 작용하며, 동시에 물체 외부 표면과 나란한 방향으로 전단력이 작용합니다. 물체의 전표면에 작용하는 이러한 힘들의 자세한 분포보다는, 물체의 표면에 작용하는 이러한 압력힘과 전단력의 합의 결과가 일반적으로 관심의 대상인 경우가 많습니다. 이러한 압력힘과 전단력을 합한 최종 힘의 유동방향 성분을 항력이라고 하고, 유동의 수직방향 성분을 양력이라고 합니다. 일상새활에서 자주 접하는 고체 물체 주위 유동은 다음과 같이 많은 물리적 현상들과 관계가 있습니다. 자동차, 송전성, 나무 그리고 해저 수송관 등에 작용하는 항력, 비행기 날개에 의한 양력, 비, 눈, 해일과 강한 바..

Bernoulli 방정식은 압력, 속도 및 위치 사이의 근사적 관계식이며, 마찰력을 무시할 수 있는 정상, 비압축성 유동 영역에서 사용되는 식입니다. Bernoulli 식은 매우 간단함에도 불구하고, 유체역학에서 매우 유용하게 이용되는 공식입니다. Bernoulli 식에서 가장 주요한 가정은 점성횩과가 관성효과, 중력효과 또는 압력효과에 비하여 무시할 수 있을 정도로 작다라는 것입니다. 즉, 이말은 비점성 유동영역에서만 Bernoulli 방정식이 적용 가능 하다는 것이다. 실제 유동은 점성을 가지고 있지만, 점성력이 유체입자에 작용하는 다른 힘들에 비하여 무시할 수 있을 정도로 작을때 사용한다는 식이라는 것을 명심해야 합니다. 위 그림에서 보듯이 Bernoulli 방정식은 에어포일 바깥영역에 적용 가능한..

한 시스템의 어떤 특성을 상태량이라고 부릅니다. 친숙한 상태량으로는 압력 P, 온도 T, 부피 V, 질량 m등이 있습니다. 유체역학에서는 점성, 열전도도, 탄성계수, 열팽차 계수, 속도, 고도 같은 친숙하지 않는 것들도 포함되어 있습니다. 상태량은 시스템의 질량과 무관한(온도, 압력, 밀도) 강성적 상태량과 시스템의 크기 또는 부량에 따라 결정되는 종량적 상태량이 있다. 밀도는 단위 부피 당 질량으로 정의 되며, 밀도의 역수는 비체적 V 입니다. 이는 단위 질량 당 부피로 정의 됩니다. 일반적으로 물질의 밀도는 온도와 압력에 의존합니다. 대부분 기체의 밀도는 압력에 비례하고 온도에 반비례합니다. 반면에 액체와 고체는 본질적으로 비압축성 물질로 압력에 따른 밀도 변화는 보통 무시할만합니다. 때때로 물질의 ..

유체역학은 미시적인 생물계로부터 자동차, 항공기 및 우주선 추진에 이르기까지 무한한 실용적 응용 범위를 갖는 흥미롭고 매력적인 주제입니다. 그러나 여전히 유체역학은 가장 도전적인 학문이며, 대학의 전공과목으러서 매우 중요한 기본 교과목입니다. 학문적 전개과정이 복잡하고 수학적 표현방법도 까다롭워서 많은 학생들이 여럽다고 생각하는 과목이기도 합니다. 그러나 한편으로 유체 유동에 관련된 것들은 일상생활이나 자연현상 등에서 자주 경험하게 되는 것이므로, 기본적으로 체득해야 할 과목이 아닐수가 없습니다. 유체역학의 응용분야은 매우 다양합니다. 우선 인체에서 부터 매우 중요한 역할을 합니다. 심장은 연속적으로 피를 동맥과 정맥을 통해 인체의 모든 부분으로 뿜어내며, 허파는 들고나는 공기 유동의 현장입니다. 말한 ..

오늘은 전산유체역학에서 잠시 나왔던 나비에 스토크스 방정식(Navier-Stokes equation)에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다. 나비에 스토크스 방정식(Navier-Stokes equation)은 일정한 상태량을 갖는 비압축성 뉴턴 유체에 대한 선형 운동량 보존에 관한 방정식입니다. 나비에 스토그스 방정식(Navier-Stokes, eaquation) (출처: 세계를 바꾼 17가지 방정식(사이언스북스, 2016) 프랑스 물리학자 클로드-루이 나비에와 영국 수학자 조지 스토크스가 뉴턴의 운동 제2법칙(F=ma)를 유체역학에서 사용하기 쉽게 운동량을 기준으로 세운 수지식입니다. 이 방정식은 물리학의 수많은 곳에서 널리 사용되고 있습니다. 하지만 문헌상에서 이용 가능한 해석 해는 거의 존재하지 않..

전산 유체 역학 이란 유체 현상을 기술한 비선형 편미분방정식인 나비에 스토크스 방정식(Navier-Stokes, eaquation)을 유한차분법 유한차분법(FDM: Finite Difference Method), 유한요소법(FEM: Finite Element Method), 유한체적법(FVM: Finite Volume Method) 방법들을 이용하여 이산화하여 대수 방정식으로 변환하고, 이를 수치해석적으로 해를 구하는 것이다. 또한, 유체의 움직임을 수학적으로 표현한 나비에 스토크스 방정식에서 아직 엄밀한 해를 구할 수 있지는 않으며, 사용자가 관심 있는 영역에 한정하여 여러 공학적인 가정을 적용하여 계산하는 것을 말하기도 한다. 전산 유체 역학에서는 컴퓨터의 발달로 과거에는 계산하기 어려운 부분을 단시..