[유체역학] 층류와 난류

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.

 

촛불 연기의 층류 및 난류 출처: MGrill 유체역학 서적

마찬가지로 파이프 내부유동도 자세히 보면 낮은 속도에서는 매끈하게 흐르나 어떤 임계값

 

이상에서는 혼돈 양산을 보입니다.

 

관내에서의 층류와 난류 출처: 한국해양학회

 

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(Transition)는 급작스레 일어나지는 않고, 난류가 되기 전 난류와 층류유동 사이를

 

반복하는 일정 영역에 걸쳐 발생합니다.

 

실제 마주치는 대부분의 유동은 난류입니다. 층류는 소구경관 내부의 오일 유동과 같은 높은 점성 유동에서 나타납니다.

 

층류, 천이, 난류유동의 존재는 약 100년 전 영국 엔지니어 Osborne Reynolds(1842~1912)가 시도 했듯이 유리관

 

내를 흐르는 유동에 염료를 주입함으로서 확인할 수 있었습니다.

 

염료 선은 층류인 낮은 속도에서는 매끄러운 직선을 이루다가, 간헐적 요동이 나타나는 천이영역을 거쳐 완전 난류가

 

되면 임의적이고 빠른 지그재그 운동을 하게 된다. 이러한 지그재그 형상과 염료의 확산은 주 유동이 요동치고 서로 가

 

까이 있는 유체입자들 간에 혼합이 빠르게 일어나고 있음을 보여 줍니다.

 

빠른 요동으로 인한 난류유동의 강한 혼합현상에 의해 유체입자 간 운동량 전달이 촉진되고, 따라서 벽면 마찰과 소요 

 

펌프동력이 증가합니다. 유동이 완전 난류가 될 때 마찰계수는 최대가 됩니다.

 

이상 층류와 난류에 대해서 알아 보았습니다.

 

다음 시간에는 층류와 난류를 구분해주는 레이놀즈 수에 대해서 공부를 해보겠습니다.