[유체역학] 층류와 난류 유동 (laminar flow, turbulent flow)

 
층류와 난류를 얘기할 때, 쉬이 나오는 예시가 하나 있다.

수도꼭지

• 층류 : 약하게 틀면, 유리처럼 맑은 물 가닥이 나옴 (수도꼭지 토출구 보다 작게 물줄기가 형성됨)
• 난류 : 세게 틀면, 불투명한 물이 마구 쏟아져 나옴 (수도꼭지 보다 크게 물줄기가 형성됨) = 물이 무질서하게 뒤섞이며 쏟아져 나오는 것

층류

난류

 
 
층류운동 (laminar flow) :

• 유체입자들이 매끈한 층상 or 판상으로 이동하는 유동
• z 축 방향의 이동의 거의 없다시피 함, 이동방향으로만 끌고 나가고 밀려나가는 느낌의 유동
• 매끄러운 흐름, 매우 질서정연한 유체 운동
• ex) 저속에서의 기름과 같은 고점성 유체의 유동

 
 

난류운동 (turbulent flow) :

• 유체입자들이 이동하며 무작위한 3차원 속도변동으로, 급격히 섞이는 유동
• z 축 방향 이동 존재, 이동방향에 수직하게도 섞임 활발
• 매우 불규칙한 유체 운동, 일반적으로 고속에서 발생, 속도 변동 (velocity fluctuation)을 특징으로

 

 
대부분의 현상에서,
특히 파이프 내 물의 유동에서 난류는 더 많은 유동저항을 일으키기 때문에 원치 않기도 하지만
열교환 측면에서 본다면, 파이프 표면 혹은 열교환 접촉면과의 활발한 접촉/열교환을 일으키기에 도움되기도 한다.
비슷한 난류의 도움 예시로, 혈관의 혈액 유동이 있다. 무질서한 혼합이 모든 혈액세포들과 혈관 벽의 접촉을 통해, 산소와 다른 영양분들을 교환시키기 때문이다. (혈액 <==> 벽 , 영양분 & 산소 교환)
 
 
그래서 보통
층류운동은 간단히, 따로 백터 표시 없이 간단한 속도 u 로 표현하고
난류운동은 x, y, z 좌표로의 순간 변화가 계속 일어나기에 백터표기 + (u', v', w') 등 x, y, z 좌표로 나누어 표기한다.
 
난류의 이론과 해석은 응력장과 평균 속도장 사이 성립하는 일반 관계식이 없다.
(난류는 정립된 수식이 없고, 무작위 적이며 일반화 하기 어렵다.)
그렇기에 난류유동에서는 반경험적 이론과 실험데이터에 심하게 의존하게 된다.