유체 흐름이란?

유체 흐름은 가해지는 힘이나 압력 차이에 따른 액체 또는 기체의 지속적인 변형과 이동을 설명합니다. 유체 흐름은 고정된 형태를 유지하는 고체와 달리 유체가 용기에 따라 모양을 바꾸거나 적응하는 능력을 반영합니다.

흐름 중 유체의 거동은 유체의 내부 저항을 측정하는 점도에 의해 영향을 받습니다. 유체는 점도 특성에 따라 뉴턴 또는 비뉴턴 유체로 분류됩니다.

유체 흐름을 이해하는 것은 항공우주, 토목, 기계, 생명공학을 포함한 여러 엔지니어링 분야에서 매우 중요합니다. 또한 해양학, 기상학, 생물학과 같은 과학 분야에서도 중요한 역할을 합니다. 복잡한 유체 흐름 문제를 해결하기 위해 엔지니어는 강력한 컴퓨터 하드웨어와 정교한 수치 방법을 결합한 전산 유체 역학(CFD)과 같은 고급 기술을 사용하는 경우가 많습니다.

유체 역학은 흐름 측정에서 도출된 경험적 법칙을 바탕으로 움직이는 액체와 기체를 연구하는 학문입니다. 유체 흐름 문제는 일반적으로 다음과 같은 속성을 결정하는 것과 관련이 있습니다.

• 유체 속도 - 유체가 얼마나 빨리, 어떤 방향으로 움직이는지 설명하는 벡터량(초당 미터)입니다.
• 유체 압력 - 유체가 주변 또는 상호 작용하는 표면에 작용하는 단위 면적당 힘을 설명하는 벡터량(파스칼 또는 제곱인치당 파운드)입니다.
• 유체 온도 - 유체 내 분자의 평균 운동 에너지를 나타내며 유체의 온도(섭씨, 켈빈 또는 화씨)를 나타냅니다. 
• 유체 점도 - 유체의 흐름과 변형에 대한 저항을 측정하는 것으로, 인접한 유체 층이 서로 상대적으로 움직일 때 발생하는 내부 마찰을 정량화합니다(파스칼-초 단위).

유체 역학에는 공기역학(항공기 날개의 힘 계산과 같이 움직이는 공기와 기체에 대한 연구)과 수력학(파이프라인을 통과하는 석유의 질량 유량 결정과 같이 움직이는 액체에 대한 연구) 등 많은 하위 분야가 있습니다.

유체 흐름의 레이놀즈 수

엔지니어는 무차원 숫자를 사용하여 변수의 수를 효과적으로 줄이고 물리적 현상에서 의미 있는 상관관계를 추출하는 경우가 많습니다. 레이놀즈 수는 유체 흐름에서 관성력과 점성력의 관계를 나타내는 숫자 중 하나입니다.

층류에서는 점성력이 관성력에 비해 큽니다. 레이놀즈 수가 증가하면 관성력이 더 우세해져 결국 흐름이 난류가 됩니다. 이러한 현상이 발생하는 레이놀즈 수를 임계 레이놀즈 수라고 합니다.

임계 레이놀즈 수는 고정된 값이 없지만 경계 표면의 매끄러움 및 흐름의 형상과 같은 요소에 따라 달라집니다. 예를 들어, 매끄러운 표면에 의해 경계된 내부 흐름의 경우 그 값은 약 2,300이고 외부 흐름의 경우 훨씬 더 높을 수 있습니다.

유체 흐름은 많은 속성을 가지며, 유체의 고유 특성 또는 공간과 시간에서 유체가 어떻게 변화하고 있는지를 반영합니다. 게다가 난류는 또 다른 문제를 야기합니다. 현재까지 연구자들은 이러한 문제에 대한 명쾌한 해법을 아직 제시하지 못했습니다.

층류는 흐름에서 서로 다른 유체 층(층류) 간에 혼합이 없는 흐름을 말합니다. 점성이 관성력보다 강할 때 층류가 발생합니다. 그러나 가장 자연스럽게 발생하는 엔지니어링 관련 흐름은 난류로 전환됩니다.

난류에서는 유체 층이 혼합되어 회전 요소(재순환 및 와류)를 형성하는 응력이 발생합니다. 관성력이 점성력보다 강할 때 난류가 발생합니다.

완전히 난류도 층류도 아닌 세 번째 유형의 흐름, 즉 과도기적 흐름이 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다.

엔지니어는 레이놀즈 분해를 통해 난류를 연구하며, 이 과정에서 흐름은 평균 구성 요소와 섭동 구성 요소로 분리됩니다. 레이놀즈 수는 유체 내에서 관성력과 점성력의 비율로 정의됩니다. 이는 주어진 구성에서 흐름이 층류인지 난류인지 결정하는 데 도움이 되는 무차원 양입니다. 다음과 같이 계산됩니다.

여기서 ρ는 유체 밀도, V는 유속, L은 특성 길이(예: 파이프 직경)입니다.

예를 들어 다음과 같은 특성을 가진 파이프를 고려하십시오.

• R_e가 2,000보다 작으면 점성력이 지배적이고 흐름 영역은 층류입니다.
• R_e가 4,000보다 크면 관성력이 지배적이고 흐름 영역은 난류입니다.
• R_e가 2,000에서 4,000 사이인 경우 흐름은 과도기적입니다.

다음은 층류와 난류의 주요 차이점입니다.

정상 흐름과 비정상 흐름 비교

정상 흐름은 공간의 특정 지점에서 속도, 압력 및 밀도와 같은 속성이 시간에 따라 변하지 않는 흐름입니다. 반대로, 이러한 속성 중 하나가 시간에 따라 변하면 흐름이 불안정해집니다.

난류는 본질적으로 불안정합니다. 그러나 통계적으로 안정적일 수도 있습니다. 즉, 속도와 같은 시간 평균 흐름 조건은 시간에 따라 일정하게 유지됩니다.

불안정한 흐름은 자연에서 흔히 볼 수 있는 현상입니다. 그러나 불안정한 흐름 모델은 시간 차원을 도입하려면 훨씬 더 많은 계산 용량이 필요하기 때문에 해결하기가 더 어렵습니다.

균일 흐름과 비균일 흐름 비교

균일 흐름은 유체의 속도가 흐름에서 방향과 크기가 일정하게 유지되는 유체 흐름을 말합니다.

압축성 흐름과 비압축성 흐름 비교

압축성은 유체 내의 분자들을 서로 더 가깝게 묶는 능력을 설명합니다. 

기체는 분자가 멀리 떨어져 있기 때문에 쉽게 압축됩니다. 압력을 가하거나 완화하여 부피와 밀도를 쉽게 변경할 수 있습니다. 반면에 액체는 분자가 서로 훨씬 가깝기 때문에 압축하기 어렵습니다. 

대부분의 실제 응용 분야에서 액체는 비압축성으로 간주될 수 있습니다(일부 비정상 흐름 문제와 같이 소리 전파가 중요해지는 경우 제외).

음속에 비해 속도 변화가 작은 흐름장에서 유체 흐름은 비압축성(기체의 경우에도)으로 취급될 수 있습니다. 이는 압축성 효과가 지배 방정식의 복잡성을 상당히 높이기 때문에 중요합니다.

마하수는 유체 흐름에서 압축성 효과의 중요성을 결정하는 데 도움이 되는 유용한 무차원 수입니다. 마하 수가 0.3 이하인 경우 흐름을 비압축으로 처리할 수 있습니다. 더 높은 유속(높은 아음속 및 초음속)의 경우, 특히 제트 엔진, 고속 항공기 및 로켓과 같이 충격파가 관련된 경우 압축 효과가 중요합니다.

점성 흐름과 비점성 흐름 비교

점성은 유체의 마찰을 측정하는 척도입니다. 유체 내의 층이 서로 마찰되면 마찰이 발생합니다. 점도가 높으면(예: 꿀) 마찰이 많은 것이고, 반대로 점도가 낮으면 마찰이 적은 것입니다. 액체의 경우 온도가 상승하면 점도가 감소합니다. 이는 따뜻한 액체에서 분자가 더 자유롭게 움직이고 서로 쉽게 미끄러질 수 있기 때문입니다. 그러나 기체의 경우 온도에 따라 점도가 증가합니다.

단일 흐름과 다차원 흐름 비교

흐름 차원은 흐름의 특성에 큰 영향을 미치는 공간 차원의 수를 나타내며, 시간을 차원이라고 하는 경우가 많습니다.

1차원 흐름에서는 속도, 압력 및 밀도와 같은 양은 1차원에서만 크게 달라집니다. 1차원 흐름 모델은 다른 두 차원의 변화가 무시할 수 있는 흐름 조건(예: 파이프의 길이를 따라서만 변동이 발생하는 일정한 직경의 파이프)에서 유용합니다.

2차원 흐름 모델에서 3차원의 변동은 균일하거나 무시할 수 있습니다. 이는 한 차원이 다른 차원보다 상당히 큰 높은 종횡비 흐름에서 발생합니다. 예를 들어, 평판을 따라 경계층이 발달하는 경우 평판의 너비에 따른 흐름 특성의 변화는 길이와 높이에 따른 변동에 비해 무시할 수 있는 수준입니다.. 또한 지구 대기가 지구 표면에 비해 매우 얇기 때문에 많은 기상 시스템 모델은 2차원입니다.

3차원 흐름 모델은 엔지니어링 응용 분야에서 가장 보편적으로 사용되며, 3차원에서 흐름의 전체적인 복잡성을 포착합니다. 이러한 경우 복잡한 형상은 압력, 속도 또는 밀도와 같은 물리량의 3차원 변화를 포함하여 정교하고 복잡한 유동 현상을 생성합니다.

단순화된 1차원 및 2차원 모델은 분석 노력을 줄여주지만 항상 유효한 옵션은 아닙니다. 모델의 선택은 고려 중인 문제에 따라 달라집니다. 엔지니어는 초기 설계 단계에서는 단순화된 모델을 사용하고, 최종 검증 단계에서는 고급 3D 모델링을 선택하는 경우가 많습니다.

외부 흐름과 내부 흐름 비교

외부 흐름과 내부 흐름의 주요 차이점은 이들 흐름을 둘러싼 경계의 특성에 기인합니다.

외부 흐름은 적어도 한 쪽이 제한되지 않은 곳에서 발생하여 경계층 및 후류 효과가 발생합니다. 반면에 내부 흐름은 제한된(고체) 경계 내에서 발생하며, 압력 강하와 흐름 분포가 중요한 경우가 많습니다.

외부 흐름의 예로는 항공기 동체 위로 흐르는 공기(양력과 항력과 같은 공기역학적 힘이 중요한 경우가 많음), 선체를 가로질러 흐르는 물 또는 건물 위로 부는 바람이 있습니다. 물체의 모양과 방향은 외부 흐름의 거동에 영향을 미쳐 경계층(물체-흐름 경계면에 점성 영역)과 흐름 분리를 형성합니다.

내부 흐름의 예로는 파이프나 덕트를 통해 흐르는 공기 또는 물이 있습니다. 이들은 경계 벽에 의해 제한되며, 벽에 의해 손실되는 운동량은 흐름 방향을 따라 압력을 떨어뜨립니다.

다상 흐름

다상 흐름은 두 개 이상의 별개의 열역학 상이 동시에 발생하는 것을 포함하는 흐름을 말합니다. 이러한 상은 기체, 액체 또는 고체의 형태를 취할 수 있으며 물/수증기 흐름, 오일/물 흐름 또는 액체-고체 현탁액과 같이 동일하거나 다른 구성 요소로 이루어질 수 있습니다.

다상 흐름은 일반적으로 2상 및 3상 흐름으로 분류되지만, 보다 복잡한 시스템에는 추가 상이 포함될 수 있습니다.

일반적인 2상 흐름은 다음과 같습니다.

• 기체-액체 흐름 - 증발기 및 응축기에서 발견
• 기체-고체 흐름 - 바이오리액터에서 발견
• 액체-고체 흐름 - 슬러리 운송 및 침전 시스템에서 발견

3상 흐름에는 기체-액체-고체 흐름(예: 화학 반응기 및 흐름 층)과 기체-액체 흐름(오일 회수 시스템에 있음)이 포함됩니다.

다상 흐름 모델링은 서로 다른 상 간의 상호 작용으로 인해 복잡합니다. 이는 화학 처리 및 제약(예: 혼합, 여과 및 분리), 발전(증기 터빈 및 연소 모델링), 석유 및 가스(화염 및 환기 감소)를 비롯한 다양한 엔지니어링 문제의 핵심입니다. 엔지니어는 오일러-라그랑주, 오일러-오일러 또는 유체 부피(VOF) 방법과 같은 접근법을 사용합니다.

나비에-스토크스 방정식(난류 모델링 제외)에 기반한 난류의 직접 수치 시뮬레이션(DNS)은 중간 정도의 레이놀즈 수에서 가능합니다. 그러나 과도한 계산 리소스가 필요하기 때문에 대부분의 엔지니어링 흐름은 직접적인 수치 시뮬레이션을 하기에는 레이놀즈 수가 너무 높습니다. 예를 들어, 사람을 태울 수 있을 만큼 큰 비행체는 DNS의 범위를 벗어납니다(Re = 4백만).

따라서 엔지니어는 난류의 효과적인 특성화를 제공하기 위해 레이놀즈 평균 나비에-스토크스(RANS) 방정식을 난류 모델링과 결합합니다. RANS 모델은 레이놀즈 응력을 통한 난류로 인한 추가 모멘텀과 열 전달을 고려합니다. RANS 모델은 많은 유형의 난류에 대해 합리적인 정확성을 제공하면서 DNS보다 계산 집약도가 낮기 때문에 엔지니어링 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

LES(Large Eddy Simulation)와 그 변형은 DNS와 RAN 간의 중간 지점을 제공하는 다른 모델링 접근법입니다. LES는 더 큰 규모의 난류를 직접 분해하고 더 작은 규모의 난류를 모델링하므로 RANS보다 정확도가 높습니다. 자동차의 외부 공기역학 및 가스 터빈 엔진 내 연소와 같이 과도 현상이 중요한 흐름을 모델링하려고 할 때 중요합니다. 

유체 흐름을 이해하는 능력은 효과적인 계산 모델을 개발하는 첫 번째 단계를 제공합니다. 층류 솔루션은 비교적 간단하며 엔지니어는 결정론적 수학적 모델을 사용할 수 있습니다. 그러나 이러한 모델의 적용 범위는 제한적입니다. 

대부분의 실제 문제는 불안정하고 비결정적인 특성으로 인해 모델링하기 가장 어려운 난류와 관련이 있습니다. 난류를 정확하게 모델링하는 것은 엔지니어가 적극적으로 해결해야 하는 과제입니다.

그럼에도 불구하고 Ansys Fluent 소프트웨어는 고급 물리 모델링 기능과 정확성으로 유명한 업계 최고의 유체 시뮬레이션 도구입니다.

Fluent 소프트웨어는 엔지니어를 위한 강력한 도구로, 복잡한 유체 시뮬레이션 문제에 대한 효율적이고 정확한 솔루션을 제공하며, 다음과 같은 광범위한 물리적 모델과 기술을 제공합니다.

• 광범위한 난류 모델 
• 차수 감소 모델링
• 광범위한 다상 흐름 모델
• 다양한 연소 모델
• 유체-구조 상호 작용
• 메싱 및 해석을 위한 확장성이 뛰어난 병렬 기능

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