유체의 운동 기술

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유체의 운동을 기술함에 있어 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 우선 크게는 유체에 점성이 존재하냐 존재하지 않냐의 여부로 비점성유동과 점성유동으로 분류할 수 있다.

비점성 유동(inviscid flow)은 사실상 이상적인 조건에서 유체의 운동을 기술한 것으로 진공인 상황 등의 실험적인 조건에서의 유체의 motion을 말한다. 무마찰 유동이라고도 일컬어 진다.

<그 림9. 이론적인 원통 주위 유동>

위의 그림은 대표적인 비압축성 유동현상의 비점성유동을 나타낸 것이다.
이 그림에서 볼 수 있는 유동은 유동 분류의 분기(branch)이다. 이 분기는 대부분의 공기역학적 현상을 포함한다. 예를 들어, 아음속 및 초음속 비행기의 형상이 왜 다른지, 비행기 날개에서 양력이 발생하는 이유 등은 inviscid flow에서 설명 할 수 있다. 또한 빠르게 날고 있는 비행기 날개의 표면 부근을 제외한 유동의 흐름도 비점성 유동으로 설명된다.

비압축성 유동에서 유체입자를 구형으로 가정했을 경우 (예를 들면 날아가는 공) 공 주위를 흐르는 유선들은 앞뒤로 대칭을 이룬다. 임의의 두 유선 사이의 질량유동은 일정하기 때문에 유선의 간격이 넓어지는 곳에서는 속도가 감소하며, 유선의 간격이 좁아지면 속도는 증가한다. 그러므로 xy좌표계 기준으로 봤을때 x축의 양 끝점에서의 속도는 상대적으로 느리고,(A점과 B점이라 한다.) y축 위의 끝점에서는 상대적으로 속도가 빠르다. (C점이라 한다.) 그러므로 점 A와 C는 상대적으로 높은 압력을 가지며 점 B는 낮은 압력점이다. 아래, 위, 앞, 뒤로 대칭인 유동이기 때문에 마찰로 인한 항력의 합은 0이된다.

여기에 앞서 압력과는 달리 점성력이 무시 가능한가 아닌가 하는 것은 Reynolds number를 계산함으로써 예측 할 수 있다.
Reynolds number란 움직이는 유체 내에 물체를 놓거나 유체가 관 속을 흐를 때 난류와 층류의 경계가 되는 값을 말한다. 무차원의 수 이다.

참고 자료

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