1. 유체의 기본 개념
ㅇ 유체 (Fluid, 流體)
- 흐르는 성질을 가진 물질
ㅇ 연속체 (Continuum, 連續體)
- 연속적이고 균질한 물질로 간주되는 상태
ㅇ 압축성 유체와 비압축성 유체
- 압축성 유체 : 밀도가 변할 수 있는 유체 (공기 등)
- 비압축성 유체: 밀도가 거의 일정한 유체 (물 등)
2. 유체의 흐름과 거동
ㅇ 유동 (Fluid Flow, 流動)
- 운동 중인 유체의 거동
ㅇ 유선 (Streamline, 流線)
- 유체 흐름을 묘사하는 가상 곡선
. 어떤 특정 점을 지나면서, 이전 입자들의 궤적을 따라 연속으로 이어지는 흐름
.. 만일, 정상흐름일 때는, 공간에 고정된 것으로 표현될 수 있음
ㅇ 유적선 (Pathline, 流跡線)
- 유체 입자가 지나간 자취
ㅇ 레이놀즈 수 (Reynolds Number) : (유동이 층류인지 난류인지 판단하는 척도)
- 유동의 관성력(대류 효과와 관련됨)이 점성력에 비해 얼마나 큰가를 나타내는 척도
. N = (관성력 / 점성력) = (추진력 / 저항력) = UL/υ (무 차원)
.. (U : 평균 유동의 특성 속도, L : 평균 유동의 특성 길이, υ : 동점도)
- 난류와 층류의 경계가 되는 값
. 유동의 레이놀즈수가 낮다면, 그 흐름은 층류가 되고, (레이놀즈 수 < 약 2000)
. 유동의 레이놀즈수가 높다면, 그 흐름은 난류가 됨 (레이놀즈 수 > 약 4000)
. (전이 영역 : 레이놀즈 수 약 2000~4000)
3. 유체의 운동 및 에너지 관계
ㅇ 베르누이 원리/효과 : (유체의 속도와 압력의 관계를 설명하는 원리) ☞ 베르누이 방정식 참조
- 유체 흐름이 좁은 통로를 지날 때, 속도가 증가된다는 관찰을 바탕으로 한 원리/효과
. 단면적이 큰 곳에서, 유체의 흐름이 느리고 압력은 높고,
. 단면적이 작은 곳에서, 유체의 흐름이 빠르고 압력은 낮음
. 이처럼, 속도와 압력이 일정한 관계를 갖는다는 원리
ㅇ 토리첼리의 법칙 (Torricelli's Law)
- 압력 차에 의한 유체의 흐름 속도에 대한 설명을 제공
. 유체가 좁은 구멍을 통해 빠져나가는 속도(방류 속도)를 결정 : {#v = \sqrt{2gh}#}
.. 구멍을 통해 유체가 빠져나가는 속도 v는 유체의 높이 h에 비례
. 피토관 등에서 유체의 속도를 측정하는 데 유용
ㅇ 유량 (Flux, 流量) : (벡터장의 면적 적분으로 나타낸 유체의 흐름 총량)
- 물리적으로 방향성을 갖는 모든 벡터 장(Vector Field)이 내포하는 성질임
. 주로, 어떤 벡터량(선속밀도,Flux Density)의 면적 적분으로 총 량(量)을 가리킴
- 크게, 질량 유량(단위 시간당 질량)과 체적 유량(단위 시간당 부피)으로 구분 가능
4. 유체의 흐름 측정 장치
ㅇ 피토관 (Pitot Tube) : (관내 유속을 측정하는 장치)
- 베르누이의 정리로부터 관내 유속을 측정하는 장치
ㅇ 오리피스 (Orifice)
- 유체가 지나는 작은 구멍 (보통, 관로 중간에 설치됨)
- 오리피스 유량계 : (유체가 흐르는 작은 구멍과 이를 이용한 유량계)
. 관 내 흐름을 막는 형태로 오리피스를 넣어, 그 전후에 생기는 압력차로 관 내 유량 측정
ㅇ 벤추리 유량계 (Venturi Meter)
- 좁아진 단면적에서 압력 감소를 이용해 유량 측정
5. 유체 동역학적 기구
ㅇ 노즐 (Nozzle) : (유체의 압력을 낮추고, 유체의 속도를 증가시키는 기구)
- 유체를 가속시키는 장치
. 유체를 고속으로 공간에 분출시킴
ㅇ 디퓨저 (Diffuser)
- 유체의 속도를 낮춰, 유체의 압력을 증가시키는 기구
※ 노즐,디퓨저는,
- 유체의 속도를 크게 변화시킴으로써, 유체의 운동 에너지를 크게 변화시키는 형상을 갖음
ㅇ 블레이드 (Blade)
- 회전 날개 형태의 총칭
6. 유체 손실 및 에너지 분석
ㅇ 수두 손실 (Head Loss)
- 점성에 의해 발생하는 마찰 손실
. 파이프 내부의 마찰 손실을 극복하기 위해 펌프가 더 올려야 하는 높이 (점성에 기인)
ㅇ 검사 체적 (Control Volume, 檢査體積)
- 공간 상의 가상적 체적, 에너지나 질량의 분석에 활용
. 공간 상의 가상적인 일정 체적 (유한한 영역, 특정 영역)
.. 적절히 선택된 공간 내 영역
7. 특수 유동 형태
ㅇ 개수로 유동 (Open-channel Flow)
- 대기에 노출된 수로 내 유동 또는 일부만 채워진 도관 내 유체 흐름
ㅇ 포텐셜 유동 (Potential Flow)
- 점성 효과가 무시되는 이상 유동
. 유선 및 속도 포텐셜 함수로 표현
ㅇ 와류 (Vortex)
- 회전하는 유체의 움직임
. 자유 와류(물 소용돌이 등)와 강제 와류로 구분