[유체역학] 내부 유동 & 외부 유동 - 개념, Re 기준, 비행기 천이, 경계층

 

 내부유동 & 외부유동

 

 

내부유동 : 유체가 한정된 통로 안으로 흐르는가

ㄴ 파이프, 덕트

ㄴ 점성의 영향이 거의 항상 존재 (관경이 엄청 크지 않으면)

내부유동 (internal flow) or 덕트유동 (duct flow)

= 고체 표면들로 완전히 둘러싸인 유동, 직접적인 상품/제품 개발에 주로 사용되는 개념

 

 

외부유동 : 어떤 표면 위로 흐르는가

ㄴ 판, 와이어, 실린더, 구

ㄴ 점성의 효과가 국한됨 : 고체 면 근처의 경계층 & 물체 하류의 후류 영역

외부유동 (eternal flow)

= 무한 유체 속에 잠긴 물체 주위의 유동

 

 

수도꼭지의 방출까지 파이프를 따라 이동한 유동을 내부유동이라,

방출되어 무한한 공기 흐름속으로 접어들면 외부유동이라 나눌 수 있겠다.

보통 방출되는 공기는 초기 속도와 방출부터 압을 0 (대기압)으로 두어 시스템에서 계산하기에

주로 내부 유동에 초점을 맞춰 고려되곤 한다.

 

 

 

 내부유동 & 외부유동 - Re 수와의 관계성

 

 

Re = pVD/u

V : 평균유속, D : 파이프 직경, p : 유체의 밀도, u : 유체의 점성

 

 

<내부유동>

 

Re (Reynolds 수)가 파이프 내의 유동 영역(층류? 난류?)을 결정하는 핵심 매개변수,

파이프 유동은 Re 값이 2300을 기준으로 낮으면 층류, 높으면 난류라 구분한다.

보통 유체의 물성이 밀도와 점성은 정해지고, 파이프 직경도 시스템 설계/패키징에 맞게 구상이 되기에

마지막 파라미터인 V, 유체를 얼마나 빠른 속도로 보내냐에 따라 층류이냐 난류이냐를 보곤 한다.

 

시스템의 특성 상,

난류가 필요하다면 (열교환이 좋아야 한다던가) 난류가 발생할 만큼 빠른 속도로 펌핑하여 유체를 흘려주고

난류가 필요없다면 (저항을 최대한 줄이고 에너지 로스를 줄이는게 목표라면) 난류 발생 전까지의 속도로 펌핑해주는 것

 

 

<외부유동>

 

 

경계층의 유동도, 보통 긴 판 위에서의 흐름을 통해 예상하곤 한다.

그 때의 Rex = pU(8)L/u가 되고

Rex의 값이 5 x 10^5 을 기점으로 난류와 층류가 구분된다.

여기서의 Re는 관경 대신 긴 거리를 얼마나 달렸는지 (L)가 들어간다.

 

 

앞서 원형, 비행기 날개 등이 빠른 속도로 날아 갈 때의 공기 구배, 천이 발생, 난류의 형성이 발생되는 순서가 거리(L)에 따랐다.

이처럼 경계층의 유동, 판 위에서의 유동은 거리에 따라 난류 형성 유무가 결정나기도 한다.

경계층은 층류로 부터 시작하여, 평판의 길이가 충분히 길어지면 경계층이 천이하여 난류가 될 것이다.