레이놀즈 수란 무엇입니까?

폭포와 같은 자연에서 흘러가는 모습을 보고 어떻게 부드럽게 흐를 수 있는지 ‍또는 왜 이렇게 무질서하게 흐르는지 ‍또는 ‍둘 ‍다에 ‍대한 ‍궁금증을 ‍가져본 적이 ‍있습니까? 그 해답은 유동에서 서로 다른 힘의 상대적인 크기에 있으며, 이는 유체 역학에서 유체의 거동을 예측하는 데 도움이 되는 중요한 무차원 매개변수인 레이놀즈 수를 계산하여 나타낼 수 있습니다. 그러나 레이놀즈 수는 잘못 표시되는 경우가 많아 예측이 부정확해질 수 있습니다. 레이놀즈 수와 그 중요성을 이해하려면 먼저 그것이 무엇인지, 어떻게 계산해야 하는지 이해해야 합니다.

레이놀즈 수 방정식(유속 포함)

무차원화는 여러 과학 및 공학 분야에서 사용됩니다. 이는 변수의 수를 효과적으로 줄이고 확장 가능한 시스템에서 물리적 현상의 상관관계에 의미를 부여합니다. 한 가지 예로 유동에서 점성력에 대한 관성력의 비율을 계산하는 레이놀즈 수(Re)를 들 수 있습니다. 특정 임계값 미만의 낮은 레이놀즈 수는 상당한 영향을 주는 혼합 없이 순차적으로 매끄러운 층류 유동을 유발하는 것으로 알려져 있습니다.

레이놀즈 수는 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

여기에서 ρ는 유체 밀도이고, V는 유동을 정의하는 속도를 특성화하고, L은 유동 시스템의 특성 길이, μ는 유체 분자 점성입니다.

층류 유동의 점성력은 관성력에 비해 큰 경향이 있습니다. 레이놀즈 수가 증가하면 유동이 층류에서 난류로 전환되며, 다양한 와류 구조의 불안정하고 불규칙한 혼란스러운 속성을 갖습니다. 유동이 층류에서 난류로 ‍천이되는 레이놀즈 수를 임계 레이놀즈 수라고 합니다. 

‍천이 레이놀즈 수는 유동 표면의 평활도 및 주변 환경의 교란과 같은 여러 요인의 영향을 받습니다. 그 값은 보편적이지 않습니다. 표면이 매끄러운 내부 유동의 경우 값이 약 2,300이고 장애물 주변의 외부 유동의 경우 최대 20,000이 될 수 있습니다.

레이놀즈 수 제한

레이놀즈 수의 정의와 해석은 모호할 수도 있습니다. 속도 및 길이 척도의 특성을 정확하게 정의하면 오해가 발생할 수 있습니다. 때에 따라 레이놀즈 수는 유동 소산에 대한 유동 대류의 비율로 해석됩니다. 다른 경우에는 인위적으로 정의된 난류 점도와 분자 점도의 비율로 해석됩니다.

이러한 차이에도 불구하고 레이놀즈 수에는 확산 효과에 대한 관성력 비율이 기본적으로 정의되어 있으며, 광범위한 응용 분야에서 전산유체역학(CFD)의 기본 구성 요소입니다.

레이놀즈 수가 CFD 해석에 중요한 이유는 무엇입니까?

오늘날 CFD는 여러 산업 제품의 설계 주기에서 빼놓을 수 없는 도구입니다.

레이놀즈 수는 다양한 설계 변형 및 작동 조건의 유동 거동을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다. 레이놀즈 수 크기에 대한 사전 지식은 CFD 연구에서 물리적 모델을 적절히 선택하는 데 도움이 됩니다.

일반적인 인식과 달리 CFD는 난류, 열 전달, 다상 및 연소 과학에서 물리적 법칙 및 거동을 나타내는 상관관계를 사용합니다. 많은 상관관계에서 레이놀즈 수의 직접적인 영향을 받습니다. 두 가지 예로는 구형 물방울의 Schille-Naumann(스칠레-나우만) 항력 상관관계와 다상 유동에서 Ranz-Marshall(란츠-마샬) 열 전환 상관관계가 있습니다.

레이놀즈 수는 CFD 솔루션 해석에도 도움이 됩니다. 난류 유동과 층류 유동은 유동 분리, 정체 거동, 항력 및 압력 강하 속성에 영향을 미치는 다양한 특성을 보여줍니다. 전체적인 레이놀즈 수에 대한 지식은 다양한 유동 특성 및 거동을 분석하는 데 유용합니다.

레이놀즈 수는 마찰 계수와 내부 및 외부 유동의 항력 계산과 같은 유체 역학의 응용 분야에 적용됩니다. 유압 연구, 에어로 포일 설계, 윈드 터널 테스트 및 기후 과학에 가치를 제공합니다.

예를 들어 엔지니어가 "연료 효율이 높은 항공기를 설계하려면 어떻게 해야 합니까?"라고 질문할 수 있습니다. 이러한 질문에 답변하려면 엔지니어는 물체 주위의 공기 흐름의 유체 역학을 이해해야 합니다. 바로 이때 CFD가 필요합니다. 엔지니어는 유체 유동을 정확하게 시뮬레이션하기 위해 레이놀즈 수를 알아야 합니다. 

레이놀즈 수가 매우 높으면 난기류가 강하므로 상당한 양의 항력이 발생할 수 있습니다. 레이놀즈 수를 사용하여 층류 유동에서 난류 유동으로 바뀌는 전이를 예측하고 여러 가지 상황을 모델링하여 항력 문제를 해결할 수 있습니다.

관련된 예로는 원자화 연료 또는 액적을 다루는 화학공학 응용 분야가 있습니다. 이러한 분야에서는 레이놀즈 수에 관하여 정의된 상관관계로 모델링됩니다. 원자화된 연료 액적이 떠다니고, 연소하고, 증발하고, 항공기에 동력을 공급합니다. 엔지니어는 액적이 증발할 것인지 여부와 연소기, 가스 터빈 연소기 및 항공기에서 얼마나 멀리 움직이는지 확인하기 위해 액적의 항력을 알아야 합니다.

레이놀즈 수는 HVAC(난방, 환기, 냉방)에도 사용됩니다. HVAC의 엔지니어링 목표는 에너지 사용을 최소화하는 동시에 적절한 실내 공기질을 제공하는 것입니다. 이를 위해 엔지니어는 기류가 덕트, 가구 주변 및 실내의 기타 물체를 통과할 때 어떻게 작용하는지 이해해야 합니다. 레이놀즈 수는 이러한 기류를 파악하는 데 중요한 매개변수입니다. 

요약하면 레이놀즈 수는 층류 유동에서 난류 유동으로 바뀌는 전이를 예측하고 다양한 유동 상황을 모델링하며, 기류 작용 방식을 이해하는 데 사용되는 기본 구성 요소이기 때문에 CFD에 필수적인 요소입니다.

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