화공계측실험 | Flow pattern - 유체 흐름

 

 

 

고체벽을 따라 유체가 움직일 경우 그 점성 때문에 벽면에서는 정지하고 있지만 그곳으로부터 주류에 이르기까지 매우 엷은 층에서 유속은 급격히 증대하는데 이 유체의 층을 경계층(boundary layer)이라고 한다. 본 실험은 그 경계층에 관한 실험으로, 유속이 다른 여러 가지 모양의 물체를 지나 흐를 때 나타나는 다양한 flow pattern을 관찰하고 boundary layer의 두께를 관찰해 보는 실험이었다.

 

Body 모양과 boundary layer 두께의 관계, 유속과 boundary layer 사이의 관계, Reynolds number에 따른 유동의 형태 등을 알아보는 것이었다. 본 실험에서는 유속이 빠를수록 Boundary Layer Thickness가 작아지고 Re가 증가한다는 것을 알 수 있었다. 그리고 고체의 Characteristic Length Scale이 클수록 Re가 커진다는 것도 알 수가 있다. 하지만 boundary layer가 눈으로 관찰하기 힘들 정도로 작고 bubble을 이용한 visualization이 효과적이지 못해 실험 결과에서 이론이 맞는지 직접 확인하지 못하였다.

 

 

유체(Fluid)

유체는 액체, 기체, 증기 등을 통틀어서 일컫는 말이다. 유체란 뒤틀림(distortion)에 대하여 영구적으로 저항하지 않는 물질이다. 유체는 고체와 달리 그 형태가 쉽게 변화되며 일정량의 유체의 모양을 변형시키려고 하면 유체의 얇은 층이 다른 층을 미끄러져서 마침내 새로운 모양이 이루어진다. 이러한 변형 중에는 전단응력(shear stress)이 나타나게 되는데 그 크기는 유체의 점도(viscosity)와 미끄럼 속도에 따라 달라진다.

 

그러나 일단 새로운 모양이 형성되면 모든 전단응력은 소멸된다. 이때 유체는 평형상태에 있다고 말한다. 평형 유체에는 전단응력이 없다. 주어진 온도와 압력에서 유체의 밀도는 일정한 값을 가진다. 밀도(density)는 보통 1b/ft3, ㎏/㎥ 등으로 측정한다. 유체의 밀도는 온도와 압력에 좌우되는데 그 변화는 클 때도 있고 작을 때도 있다. 온도와 압력을 다소 변화시켰을 때 밀도가 별로 변화지 않는 유체는 비압축성(incompressible)유체라 하고, 밀도가 민감하게 변화하는 것은 압축성(compressible)유체라 한다. 대개 액체는 비압축성 유체이고 기체는 압축성 유체이다.

 

1. 난류(Turbulence)

유체는 관이나 도관에서 두 가지 다른 모양으로 흐른다는 것이 오래 전부터 알려져 있다. 유량이 적을 때에는 유체 중의 압력강하는 유속에 비례하여 증가하지만 유량이 크면 보다 빨리, 대개 유속의 제곱에 비례하여 증가한다. 이 두 흐름의 구별은 Osborne Reynolds가 처음으로 실험에 의하여 증명하였다.

 

유량이 적을 때에는 교차혼합이 일어나지 않고 물이 평형한 직선으로 흐름을 관찰하였는데 이 흐름이 곧 층류(laminar)이다. 반면 유량을 증가시키면 임계속도(Critical Velocity)에 이르게 되는데 이때부터 물줄기가 파형이 되고 층이 점점 없어져서 마침내 물이 흐르는 단면 전체로 퍼져 나간다. 이러한 이동으로부터 물이 더 이상 층류로 흐르지 않고 교차혼합 흐름 및 소용돌이를 이루며 흐른다는 것을 알 수 있는데 이러한 운동형태가 난류(turbulence)이다.

 

난류는 흐르는 유체와 공존하는 여러가지 크기의 소용돌이로 이루어진다. 큰 소용돌이가 연속적으로 생기고 이것이 보다 작은 것으로 파괴되며 다시 보다 작은 소용돌이를 발생한다. 마지막의 간단한 소용돌이는 사라진다. 일정한 시간과 부피 중에는 여러 크기의 소용돌이가 존재한다. 가장 작은 소용돌이의 지름은 약 1 ㎜이고 이보다 작은 소용돌이는 점성 전단에 의해 빨리 파괴된다. 소용돌이 안에서의 흐름은 층류이다.

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가장 작은 소용돌이라고 해도 약 10개의 분자를 포함하므로 이는 모두 현미경적 크기이다. 하지만 난류는 분자현상이 아니다. 관에서의 흐름 이외에도 다른 방법으로 고체 경계와 접촉되거나 두 층의 유체가 서로 다른 속도로 흐를 때 난류가 생긴다. 앞의 난류를 벽 난류(Wall turbulence)라하며 뒤의 것을 자유 난류(Free turbulence) 라 한다. 벽 난류는 유체가 폐쇄 또는 개방 유로에서 흐를 때나 흐름 중에 잠겨있는 고체를 지나서 흐를 때 생긴다. 자유 난류는 정체 유체에서 분사흐름이 도입되거나 경계층이 고체벽에서 분리되어 유체 본체로 흐를 때 생긴다.

 

2. 층류(laminar flow)

유체의 질서 정연한 흐름이고 난류와 대비된다. 가는 파이프에 물을 흘릴 경우 잉크를 넣어 흐름의 상태를 관측하면 유속에 따라 Re가 작을 때에는 색 줄이 직선으로 되고, 물의 각 부분이 파이프 벽에 평형으로 움직이며 서로 섞이지 않는 것을 알 수 있다. 이러한 흐름이 층류이다. 속도가 작을 때 유체는 측면혼합(lateral mixing)이 없게 흐르게 되며 인접한 층이 다른 층을 지나서 흐른다. 여기에는 종단흐름(Cross current)이나 소용돌이가 없다. 그러나 속도가 커지면 난류가 생기고 소용돌이가 발생하여 혼합이 일어나게 된다.

 

3. 층류로부터의 난류로의 전이

경계층의 두께는 평판이나 관의 입구로부터의 거리에 따라 증가한다. 경계층 내에서는 어느 정도의 거리까지 층류를 이루나 그 이상에서는 난류로 바뀌게 된다. 입구에서 난류가 형성되기 시작하는 지점까지의 거리는 유체의 성질(밀도와 점도)에 의해 좌우되며, Newton 유체의 경우 이것을 하나의 무차원수인 Reynolds number의 함수로 나타낼 수 있다.

 

 

 

 

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