유체동역학 정의
유체동역학은 유체역학 중 하나로 움직이는 액체나 기체의 움직임을 다룬다. 유체동역학 안에서도 기체역학, 수력학과 같이 다양한 세부 분야들이 있다. 유체 동역학의 경우 사용 범위가 넓어서, 항공기의 힘과 모멘트 계산, 파이프 라인 내에서 유체의 유량 계산, 날씨 예측, 항성간 공간에 존재하는 성운의 움직임에 대해서도 이용된다.
유체동역학은 실험적 법칙이나 반실험적 법칙까지도 포함하며 이를 이용해서 여러 실용적 분야의 문제를 해결할 수 있다. 유체 동역학은 일반적으로 유체의 온도, 밀도, 속도, 압력과 같이 유체의 성질을 공간과 시간의 함수로서 계산하는 문제를 다룬다.
유체동역학 주요 개념
유체동역학 보존법칙은 유체 동역학에서 기본이 되는 공식으로 질량 보존의 법칙, 운동량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙과 같은 보존 법칙이다. 이 법칙들은 고전역학의 기초가 된다.
유체동역학에서 유체는 연속체라는 가정을 만족한다고 가정할 수 있어야 증명이 가능하다. 유체는 분자로 이루어져 있어 분자들끼리의 충돌이나 고체인 물체와 충돌을 일으킨다. 하지만 연속체 가정에서는 유체는 불연속적 분자가 아닌 연속적 분자라고 가정을 한다. 결론적으로는 속도, 압력, 온도, 밀도와 같은 성질들은 아무리 작은 점으로 되어있어도 정의할 수 있으며 이러한 성질을 가진 점들은 한곳에서 다른곳으로 옮겨갈때 연속적으로 변화한다고 가정한다.
유체역학에서 전압력, 정압력과 동압력이란 유체를 다루는 유체 동역학에서 필수적인 개념이다. 일반적으로 압력은 정지되어있는 압력 정압력을 가리킨다. 정압력은 정지되어 있는 유체가 가하는 압력이다. 그러나 유체가 이동을 하게 되면 그 움직이는 유체가 정지하는 지점에선 운동에너지가 모두 압력 에너지로 변경이 되고, 그 지점에서 압력은 정압력보다 훨씬 높게 측정이 된다. 운동에너지가 압력에너지로 변화되는 만큼을 동압력이라 부르고, 정압력과 동압력을 합쳐 전압력 또는 정체 압력이라고 부른다. 전압력, 정압력, 동압력 사이의 관계는 베르누이 방적식에서 확인이 가능하다.
유체동역학에서 압축성 유동과 비압축성 유동은 실제 모든 유체의 경우 어느정도의 압축성은 있다. 압축성이란 압력이나 온도가 변화함에 따라 밀도가 변하는것을 말한다. 하지만 많은 경우 압력이나 온도가 변화할때 밀도의 변화 사항이 너무나도 작아 무시할 수 있는 경우가 발생한다. 이러한 경우를 비압축성 유체라고 표현을 하며 유동 방정식으로 표현할 수 있다. 이러한 경우가 아니라면 더 일반적인 압축성 유체의 일방 유동 방정식을 이용해야한다. 비압축성은 수학적으로 유체가 유동장 안에서 움직임을 가질때 그 밀도는 변화하지 않음을 의미한다. 기체의 유동에서 압축성식을 사용할지 비압축성식을 사용할지는 유동의 마하수로 결정되어진다. 엄격한 기준은 아니지만 일반적으로 마하수가 0.3미만일 경우엔 압축성을 무시할 수 있다. 액체의 경우엔 비압축성 가정의 유효성은 유체의 성질과 유동 조건에 따라 결정된다.
유체동역학에서 점성 유동과 비점성 유동을 나눌수 있다. 유동에서 유체간의 마찰력을 무시할 수 있다면 이것은 점성 유동이 되고 어떠한 유동이 점성인지 아닌지를 판단할때는 레이놀즈 수를 사용하여 판단을 할 수 있다. 관성력에 비해 점성 효과가 작아서 무시를 할수 있을 때 우리는 이 유동을 비점섬 유동으로 정의내릴수 있다. 비점성 유동을 나타내는 방정식을 오일러 방정식이다. 오일러 방정식은 유선을 따라 적분할 수 있고 적분을 하게되면 베르누이 방정식이 나오게 된다. 유동이 비회전과 비점성일 경우 해당 유동장에 대해선 베르누이 방정식을 사용할 수 있고 이러한 유동을 포텐셜 유동이라고 부른다.
유체역학에서 정상 유동과 비정상 유동을 나눌 수 있으면 유동장이 시간에 대해서 변화가 없을 경우 우리는 이 유동장을 정상 유동이라고 부르며 그렇지 않을 경우엔 비정상 유동이라고 부른다. 주어진 유동장이 정상이냐 비정상이냐하로 나누는 것은 관측계에 따라서 달라질 수 있다.
유체역학 중 층류 유동과 난류 유동이 있다. 난류 유동은 재순환과 에디, 임의성에 의해 이동되는 유동이다. 난류성이 보이지 않는 유동 우리는 층류 유동이라고 부른다. 하지만 에디와 재순환 유동이 있다고 반드시 난류는 아니고 층류 유동일 가능성도 있다. 난류 운동의 경우 나비에 스토크스 방정식을 따르며 비압축성 나비에 스토크스 방정식을 이용하여 직접수치모사법을 이용하면 중간 정도의 레이놀즈 수에 해당되는 난류 유동의 흐름 예측이 가능한데 이 예측은 시험 데이터와 일치한다. 하지만 우리의 관심 대상인 경우 대부분 레이놀즈 수가 너무나도 높아 직접 수치 모사법을 사용할 수가 없다.
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