층류, 난류

층류 (Laminar flow)

부드러운 유선(smooth streamline)이 특징인 매우 정연한 유체 운동.

농도차에 의한 분자 확산만 존재. 

난류(Turbulent)

속도의 섭동(velocity fluctuations)이 특징인 매우 불규칙적인 유체 운동. 주로 빠른 유체 속도에서 발생

난류에서 빠른 속도의 섭동(fluctuation)으로 인하여 발생하는 유체의 격렬한 혼합은 유체 입자 사이에서 열전달과 운동량전달을 증대시킨다. 이것은 표면에서 마찰력과 대류열전달률을 증가시킨다. 즉, 유동이 완전히 난류가 되면 마찰계수와 열전달계수는 모두 최대값에 이른다.

천이(Transition flow)

층류에서 완전한 난류가 되는데 과정에 형성되는 구간

^[각주:1]

담배연기로 예로 층류와 난류 설명해보자.

담배연기를 가만히 살펴보면 처음에는 곧게 뻗어 올라가다가 

어느위치가 지나면 왔다갔다 하며 예측하기 어려운 와류를 형성하게 된다. 

처음에 곧게 뻗어 올라가는 흐름을 층류, 왔다갔다 정신없는 흐름을 난류라고 한다.

레이놀즈 수(Re)는 설계자가 설계한 것이 난류로 흐를 것인지 층류로 흐를것인지 예측할 수 있게끔 도와준다.  

레이놀즈 수는 관성에 의한 힘(Inertial force)과 점성에 의한 힘(viscous force)의 비

레이놀즈 수 설명 보기

다시 층류와 난류를 레이놀즈 수에 따라 설명하면,

층류(Laminar flow) - 점성력이 지배적인 유동으로 레이놀즈 수가 낮음

난류(Turbulent flow) - 관성력이 지배적인 유동으로 레이놀즈 수가 높음

유동이 난류가 될 때의 레이놀즈 수를 임계 Reynolds 수라고 한다. 

난류유동에서의 열 및 운동량 전달

실제 공학 문제에서는 대부분 유동이 난류이지만, 난류유동 이론은 아직 완벽히(!) 정립되지 않았다. 때문에, 다양한 상황에 맞춘 실험과 경험 혹은 반 경험(semi-empirical)으로 얻은 방정식들로 난류유동을 해석하고 있있다. 

난류 유동에서 발생하는 소용돌이인 와(eddy)가 발생한다.

^[각주:2]

와(eddy,渦 소용돌이 와) - 유동 전반에 걸친 소용돌이치는 영역에서 무질서하고 빠른 섭동(fluctuation)

난류유동에서 와(eddy)는 분자 확산보다 훨신 더 빠르게 유동의 다른 영역으로 물질, 운동량, 에너지를 전달하여 물질전달, 운동량전달, 에너지전달을 크게 증가시킨다. 이에 따라 난류유동에서 마찰계수와 에너지전달계수, 물질전달계수가 층류에 비해 훨씬 더 큰 값을 갖게 한다. 이러한 이유 때문에 열전달계수를 높이기 위해 난류를 형성하게 설계한다. 

섭동(fluctuation) - 특정 위치에서 시간에 대한 순간적인 속도성분의 변동

^[각주:3]

유체의 평균속도에서 순간적으로 변화하는 속도량을 섭동(u')이라고 한다. 

유체의 평균속도는 섭동 성분의 시간평균은 0이 되도록 하는 충분히 큰 시간동안의 속도 평균 값이다. 즉, 섭동 성분들의 시간 평균은 0이다. 보통 섭동의 크기를 나타낼 때는 평균속도의 몇 퍼센트(%)이라고 이야기 한다. 

2014. 05. 02 작성

1. http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/flowmetering/fluids-and-flow.asp [본문으로]
2. http://goo.gl/dmxABZ [본문으로]
3. Heat and mass transfer 2nd edition, cengel [본문으로]