유체동역학 문서 원본 보기

{{위키데이터 속성 추적}}
{{Continuum mechanics|fluid}}
[[파일:Teardrop shape.svg|섬네일|300px|전형적인 [[공기역학]]적 눈물방울 모양은 [[점성]] 매체가 왼쪽에서 오른쪽으로 지나간다고 가정할 때 압력 분포를 검은색 선의 굵기로 나타내고 [[경계층]]에서의 속도를 보라색 삼각형으로 나타낸다. 녹색 [[와류 발생기]]는 [[난류]]로의 전환을 촉진하고 뒤쪽의 고압 영역에서 [[흐름 분리]]라고도 하는 역류를 방지한다. 앞쪽 표면은 최대한 매끄러우며 심지어 [[상어 같은 피부]]를 사용하기도 한다. 여기의 난기류는 공기 흐름의 에너지를 증가시키기 때문이다. [[Kammback]]으로 알려진 오른쪽의 잘림 부분은 뒤쪽의 고압 영역에서 [[스포일러]]를 거쳐 수렴 부분으로 역류하는 것도 방지한다.]]
[[파일:Túnel de viento, vórtice de Von Karman.gif|섬네일|upright=1.4|실린더를 지나 흐르는 튜브 내 유체의 애니메이션을 컴퓨터로 생성하여 [[폰 카르만 소용돌이 거리]](von Kármán vortex street)라고 불리는 그 뒤의 흐름에서 일련의 [[소용돌이]]가 [[소용돌이 발산|발산]](Vortex shedding)하는 것을 보여준다. [[흐름선]](Streamlines, streaklines, and pathlines)은 유체 흐름의 방향을 나타내고 색상 그라데이션은 각 지점의 압력을 파란색에서 녹색, 노란색, 빨간색으로 표시하여 압력 증가를 나타낸다.]]
{{출처 필요|날짜=2013-5-17}}

'''유체동역학'''(流體動力學, fluid dynamics)은 [[유체역학]]의 한 분야로 움직이는 유체(액체나 기체)를 다룬다. 유체 동역학 내에도 [[기체역학]](움직이는 기체를 다룸), [[수력학]](이상 유체 유동을 다룸) 등의 세부 분야가 있다. 유체 동역학은 응용 범위가 매우 넓어서, [[항공기]]에서의 [[힘 (물리)|힘]] 및 [[모멘트]]의 계산, 파이프 라인 내의 석유 유량 계산, 날씨 예측, 항성간 공간에 존재하는 성운의 이해 등에도 이용된다.

유체 동역학에는 실험적인 법칙이나 반실험적인 법칙까지도 포함되며, 유체 동역학을 이용함으로써 이러한 실용적 분야의 문제들을 해결할 수 있다. 유체 동역학은 일반적으로 유체의 [[속도]], [[압력]], [[밀도]], [[온도]] 등과 같은 유체의 여러 성질을 공간 및 시간의 함수로서 계산하는 문제를 다룬다.

== 주요 개념 ==
==== 보존 법칙 ====
유체 동역학에서 기본이 되는 공리는 [[질량 보존의 법칙]], [[보존 법칙|운동량 보존의 법칙]](뉴턴의 제2법칙), [[에너지 보존|에너지 보존의 법칙]](열역학 제1법칙) 등의 [[보존 법칙]]이다. 이 법칙들의 기초가 되는 것은 [[고전역학]]이다.

==== 연속체 가정 ====
유체는 '''연속체 가정'''을 만족한다고 가정할 수 있어야 한다. 사실 유체는 [[분자]]로 이루어져 있어서 분자끼리 서로 충돌하거나 고체인 물체와 충돌한다. 그러나 연속체 가정에서는 유체가 불연속적인 분자가 아닌 연속적인 것이라고 가정한다. 결과적으로 밀도, 압력, 온도, 속도 등의 성질들을 아무리 작은 점에서라도 정의할 수 있으며, 이러한 성질들은 한 지점에서 다른 지점으로 갈 때 연속적으로 변화한다고 가정한다. 유체가 불연속적인 분자로 되어 있다는 사실을 무시하는 것이다.

==== 전압력, 정압력 및 동압력 ====
이 개념은 움직이는 유체를 다루는 유체 동역학에서 반드시 필요한 개념이다.

일반적으로 '''압력(pressure)'''이라 하면 '''정압력(static pressure)'''을 가리킨다. 정압력이란, 정지해 있는 유체가 가하는 압력을 말한다.

그러나 유체가 움직이는 경우, 그 움직이는 유체가 정지하는 지점에서는 유체의 [[운동에너지]]가 모두 압력 에너지로 전환되어, 그 지점에서의 압력은 정압력보다 더 높게 측정된다. 운동에너지가 압력에너지로 전환되는 만큼을 '''동압력(dynamic pressure)'''이라 하고, 정압력과 동압력의 합을 '''전압력(total pressure)''' 혹은 '''정체 압력(stagnation pressure)'''이라 한다.

전압력, 정압력 및 동압력 사이의 관계를 [[베르누이 방정식]]에서 확인할 수 있다.

==== 압축성 유동 대 비압축성 유동 ====
실제로 모든 유체는 어느 정도는 '''압축성(compressible)'''이다. 압축성이라 함은, 압력이나 온도가 변하면 밀도가 변한다는 것을 의미한다. 그러나 많은 경우 압력이나 온도가 변할 때 밀도의 변화가 너무 작아 무시할 수 있는 경우가 있다. 이런 경우 유동은 '''비압축성(incompressible)''' 유동 방정식으로 묘사할 수 있다. 그렇지 않다면 더 일반적인 압축성 유동 방정식을 사용하여야 한다.

비압축성은 수학적으로 유체 다발이 유동장 내에서 움직일 때 그 밀도 <math> \rho </math>가 변하지 않음을 의미하는 다음과 같은 식으로 표현된다.

:<math> {d \rho \over d t} = 0 </math>

이 식을 사용하면 지배 방정식을 단순화할 수 있다.

기체 유동에서 압축성 식을 쓸지 비압축성 식을 쓸지는 유동의 [[마하 수]]로 결정한다. 엄밀한 기준은 아니지만, 마하 수가 약 0.3 미만일 때에는 압축성 효과를 무시할 수 있다. 액체에 대해서는 비압축성 가정이 유효한지는 유체의 성질(특히 유체의 [[임계점 (열역학)|임계 압력]] 및 [[임계점 (열역학)|임계 온도]]) 및 유동 조건(실제 유동 압력이 얼마나 임계 압력에 가까운가)에 따라 좌우된다.

[[음향학]]적인 문제에는 항상 압축성이 고려되어야 한다. 왜냐하면 [[소리|음파]]란 [[매질]] 내에서 전파할 때 압력과 밀도가 변화하는 압축파이기 때문이다.

==== 점성 유동 대 비점성 유동 ====
유동에서 유체의 [[마찰력]]이 가지는 효과를 무시할 수 없다면 이는 '''점성(viscous) 유동'''이 된다. 어떤 유동이 점성 유동인지 아닌지는 [[레이놀즈 수]]를 사용하여 판단할 수 있다.

관성력에 비하여 점성 효과가 매우 작아서 무시할 수 있는 경우, 이 유동은 '''비점성(invisid) 유동'''으로 가정할 수 있다. 비점성 유동을 묘사하는 방정식이 [[오일러 방정식]]이다. 오일러 방정식을 '''[[유선 (유체)|유선]](streamline)'''을 따라 적분하면 [[베르누이 방정식]]이 나온다. 유동이 비회전(irrotational), 비점성이면 유동장 전체에 대해 베르누이 방정식을 쓸 수 있다. 이러한 유동을 [[퍼텐셜 유동]]이라고 한다.

==== 정상 유동 대 비정상 유동 ====
주어진 유동장이 시간에 대한 변화가 없으면 이 유동을 '''정상(steady) 유동'''이라 하며, 그렇지 않은 경우를 '''비정상(unsteady) 유동'''이라 한다. 주어진 유동이 정상이냐 비정상이냐 하는 것은 관측계(frame of reference)에 따라 달라질 수 있다.

시간에 따라 주기적인 성질을 가진 유동은, 엄밀히 말하면 비정상 유동이지만, 정상 유동 문제를 푸는 것과 같은 기법으로 풀 수 있다.

==== 층류 유동 대 난류 유동 ====
'''난류(turbulent) 유동'''이란 [[재순환]](recirculation) 유동, [[에디 (유체역학)|에디]](eddy), 임의성(randomness)에 의해 지배되는 유동이다. 난류성을 보이지 않는 유동을 '''층류(laminar) 유동'''이라 한다. 그러나 에디나 재순환이 있다고 해서 반드시 난류 유동인 것은 아니고, 이러한 현상은 층류 유동에서도 나타날 수 있다.

난류 유동은 [[나비에-스토크스 방정식]]을 따르는 것으로 여겨지고 있다. 비압축성 나비에-스토크스 방정식을 이용한 [[직접 수치 모사법]](Direct Numerical Simulation; DNS)을 사용하면 중간 정도의 레이놀즈 수에 해당하는 난류 유동을 모사하는 것이 가능한데, 그 모사 결과는 시험 데이터와 일치한다.

그러나 관심의 대상이 되는 대부분의 유동은 레이놀즈 수가 너무 높아 DNS를 사용할 수가 없다. 예를 들어 [[에어버스]]의 [[에어버스 A300|A300]]이나 [[보잉]]의 [[747]]의 날개 유동은 4천만 정도이다.
이러한 실질적인 문제를 풀기 위해서는 [[난류 모델]]의 도입이 필수적이다.

==== 뉴턴 유체 및 비뉴턴 유체 ====
뉴턴은 물이나 공기 등 많은 유체에 대하여 변형률과 전단 응력이 선형적인 관계가 있음을 밝혔다. 이러한 유체를 '[[뉴턴 유체|뉴턴(Newtonian) 유체]]'라 하며, 변형률과 전단 응력 사이의 계수가 바로 '''점성'''이다. 이 [[점성]]은 유체에 따라 다르다.

그러나 어떤 유체는 응력과 변형률의 관계가 선형적이지 않고 더 복잡하며, 이러한 유체를 '[[비뉴턴 유체|비뉴턴(non-Newtonian) 유체]]'라 한다.

== 주요 방정식 ==
* [[이상 기체 상태방정식|이상 기체 상태 방정식]]
* [[베르누이 방정식]]
* [[오일러 방정식]]
* [[나비에-스토크스 방정식]]

{{위키공용분류}}
{{물리학 분야}}
{{HVAC}}

{{전거 통제}}

[[분류:유체동역학| ]]
[[분류:연속체역학]]