층류(laminar flow)
유체가 평행한 층을 이루어 흐르며, 이 층 사이가 붕괴되지 않음을 의미한다. 유체 동역학에서는, 유체가 모멘텀 확산이 높고, 모멘텀 대류가 낮으며, 압력 및 속도가 시간에 무관한 유동을 층류라고 한다. 이 용어는 난류와 반대되는 용어이다.
예를 들어, 항공기의 날개 주위를 흐르는 공기 유동을 생각해 보자. 날개의 표면에는 경계층(boundary layer)이라고 부르는 아주 얇은 공기의 층이 형성된다. 공기는 점성이 있기 때문에, 이 경계층은 날개에 부착되어 있게 된다. 날개가 공기 중에서 앞으로 전진할 때, 경계층은 최초에는 날개의 유선(stream line) 형상을 따라 흐르게 된다. 바로 이러한 유동을 층류라고 하며, 이러한 경우의 경계층을 층류 경계층(laminar layer)이라고 한다.
일상에서 층류와 난류를 목격할 수 있는 예는 바람이 전혀 없는 조건에서 공중으로 올라가는 담배 연기의 예이다. 이런 조건에서 담배 연기는 처음 어느 정도의 높이까지는 수직으로, 흐트러짐이 전혀 없이 올라가다가(층류) 어느 순간 그 흐름이 흐트러지게 된다(난류).
유체 동역학(fluid dynamics)에서 난류(亂流, turbulent flow)는 유체 유동 중에서 "무질서하고 비정상성을 가지는 경우"를 일컫는 말이다. 난류 유동에서는 확산(molecular diffusion)이 낮고, 모멘텀 대류(convection)가 높으며, 압력 및 속도가 시간 및 공간에 따라 빠르게 변화한다. 난류가 아닌 유동은 층류(laminar flow) 또는 천이 영역 흐름이 있다.
생활에서 알기 쉬운 예로, "수도꼭지에서 흐르는 물"을 예로 들 수 있다. 수돗물은 유량이 적을 때는 똑바로 떨어지지만, 많이 틀면 갑자기 흐트러지면서 나온다. 이 때 전자가 층류, 후자가 난류이다. 생활에서 볼 수 있는 공기나 물의 유동은 거의 모두가 난류일 뿐만 아니라, 난류에서는 열이나 물질의 확산 효과가 매우 강하기 때문에 공학적으로도 매우 중요하다.
파이프라인을 설계할 경우, 난류는 층류에 비해 펌프(혹은 팬)의 에너지를 더 많이 소비한다. 반면 열교환기(heat exchanger)나 반응로(reaction vessel)를 설계할 경우에는, 난류가 열전달(heat transfer)이나 혼합을 크게 증대시킨다.
잠수함 주위의 물의 유동에서 나타난 층류와 난류
난류의 정확한 정의는 현재로서도 없으며, 수학적으로는 점성 유동에 대한 지배 방정식인 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes equation)의 비정상해의 집합이라 할 수 있다. 나비에-스토크스 방정식은 그 특수해 중 일부가 구해지기는 했으나 그마저도 큰 레이놀즈 수에서는 해가 불안정하기 때문에, 난류를 해석적인 방법으로 다룰 수는 없다. 현재는 난류 문제를 푸는 방법으로, 적절한 난류 모델을 도입하여 문제를 단순화한 후 수치 시뮬레이션을 수행하는 방법이 사용되고 있으며, 이것은 전산유체역학의 중요한 세부 분야 중 하나이다.
난류 수치 시뮬레이션은 기상 예보나 자동차 등의 공력(aerodynamic) 설계로부터 노트북 PC의 냉각까지 공학적으로는 매우 폭넓게 이용되고 있다. 난류 수치 시뮬레이션을 위해서는 엄청난 계산기 성능이 요구되기 때문에, 슈퍼 컴퓨터의 중요한 용도 중 하나이다.
난류의 예
담배 연기 : 바람이 전혀 없는 조건에서, 위로 올라가는 담배 연기는 처음에는 층류이다가 갑자기 난류로 바뀐다.
골프공 주위의 유동 : 만일 골프공에 홈이 없이 매끈했다면 골프공 주위의 유동은 층류이었을 것이다. 골프공에 홈이 있음으로써 골프공 주위의 유동이 난류로 빨리 천이하게 된다. 이렇게 되면 표면 저항(skin friction)은 증가하지만 형상 항력(form drag)이 감소하고, 결과적으로 전체 항력도 감소한다.
구분 기준
층류와 난류는 레이놀즈 수(Reynolds number)에 의해서 대체로 구별할 수 있으며, 레이놀즈 수의 값이 크면 난류이다. 예를 들어 파이프 내의 유동과 같은 관수로 흐름에서는 그 기준을 레이놀즈 수 약 2,300 정도로 삼는다. 그러나 이는 대략적인 값이기 때문에, 예를 들어 레이놀즈 수 약 2,100 이하이면 층류, 4,000 이상이면 난류이고, 2900에서 4000 사이에서는 천이 유동(transition flow)으로 간주하기도 한다.
유체 흐름 동작에 대한 이해는 유체 종속 시스템의 설계 및 시뮬레이션에서 유체 흐름의 영향을 분석할 때 매우 중요합니다.
전산유체역학(CFD)에서 정확한 유체 모델링을 위해 엔지니어와 설계자는 시스템 내 흐름 경로와 속도를 더 깊이 이해해야 합니다.
층류 흐름과 난류 흐름의 차이점에 대해 논의하고 때때로 레이놀즈 수가 난류 시작을 예측하는데 어떻게 사용될 수 있는지 알아봅니다.
층류 대 난류
시스템 내의 유체 흐름은 층류 또는 난류일 수 있습니다.
각 흐름 유형의 속성은 다르며 유체 시스템 설계를 위해 각 흐름에 대한 이해가 필요합니다.
층류
호스를 통해 흐르는 물을 고려하십시오.
흐름의 양과 속도는 낮게 유지하면서 직선으로 흐르는 물을 관찰할 수 있습니다.
유체 운동의 이 매끄럽고 유선형 특성은 층류로 간주됩니다.
일반적으로 점성 유체 또는 저속 유체에서 관찰되는 층류 흐름에서는 속도와 압력을 포함하여 흐름의 각 지점에서
유체의 특성이 일정하게 유지됩니다.
유동 경로가 여러 개의 무한 레이어로 분할되면 층류의 유체 레이어는 인접한 레이어의 경로를 혼합하거나 방해하지 않고 서로 평행하게 유지됩니다.
흐름의 바로 이러한 특성 때문에 의료 또는 제약 실험실과 산업 창고에서 층류 저속 공기 순환 시스템을 사용하는 것이 유리합니다. 이러한 유형의 흐름은 원활한 환기를 보장하고 미립자 물질이나 박테리아의 축적을 방지하기 때문입니다.
난류
난기류는 흔히 발생하며 강의 흐름, 배기관에서 나오는 연기, 심지어 항공기의 난기류 중에도 경험할 수 있습니다.
이 난류 효과는 유체 흐름 경로의 불규칙성 또는 방해로 인해 발생합니다.
층류와 달리 난류의 유체층은 흐름의 크기와 방향의 지속적인 변화로 인해 경로를 교차할 수 있습니다.
에디 또는 스월은 난류 흐름에서 관찰될 수 있으며 명백한 불규칙한 흐름 거동으로 인해 난류 흐름 분석이 어려워집니다.
그러나 어려움에도 불구하고 관측된 대부분의 유동이 난류이기 때문에 난류 해석은 산업에 중요합니다.
난류 분석은 유체 분배 또는 혼합 시스템의 효과적인 설계에 도움이 되고, 교량 또는 풍동과 같은 구조 분석을 지원하며, 자동차 산업에서 연료 효율적인 차량 및 항공기를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.
난류 예측은 레이놀즈 수로 어느 정도 수행할 수 있습니다.
자료출처 https://resources.system-analysis.cadence.com
난류 대 층류
층류인지 난류인지 어떻게 알 수 있습니까?
일반적으로 흐름에는 층류 와 난류 의 두 가지 유형이 있다고 말할 수 있습니다.
원통형 튜브에 잉크를 사용한 실험으로 층류가 시각화된 것을 그림에서 볼 수 있습니다.
잉크는 물이 흐르는 유리관의 중앙에 주입되었습니다.
물의 속도가 여전히 느릴 때 잉크는 물과 섞이지 않는 것처럼 보이고 유선은 평행합니다.
이것을 층류 라고 합니다 .물의 속도가 증가하면 특정 속도에서 급격한 변화가 발생합니다.
흐름이 완전히 중단되고 물이 잉크를 통해 균일하게 변합니다.
흐름선은 더 이상 선형이 아닌 혼란스럽고 난류 라고 합니다.