유체흐름

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유체흐름
실험 : 유체흐름 현상 실험
(Flow Phenomena of Fluid)

1. 실험목적
①미세한 수소방울들을 이용하여 이론적으로 설명하기 어려운 흐름현상을 직접 눈으로 관찰한다.
②층류(laminar flow)와 난류(turbulent flow)를 이해하고 Reynolds number 에따른 흐름 변화를 관찰한다.
③경계층(boundary layer)의 성장을 관찰한다.

2. 이론

2.1 경계층(Boundary layer)의 성장
이상유체(ideal fluid)는 점성이 없으므로 고체표면과 만나도 유속이 감소하지 않으며 이런 유체의 흐름을 potential flow 하고 한다. 그러나 실제로 존재하는 모든 유체는 점성을 가지고 있으므로 고체표면과 접촉할 때 유속이 감소하여 bulk 유체와 다른 속도를 갖는 얇은 유체의 층이 생긴다. 여기에서는 고체 표면에서의 거리에 따라 속도가 증가하는 속도분포를 갖게 되며 통상적으로 bulk 유체의 99%에 해당하는 속도를 갖는 지점까지를 경계층이라 한다(그림 1). 경계층 밖에서는 속도가 bulk 유속으로 회복된다.

2.2 층류로부터의 난류로의 전이(transition)
경계층의 두께는 평판이나 관의 입구로부터의 거리에 따라 증가한다. 경계층 내에서는 어느 정도의 거리까지 층류를 이루나 그 이상에서는 난류로 바뀌게 된다(그림 2). 입구에서 난류가 형성되기 시작하는 지점까지의 거리는 유체의 성질(밀도와 점도)에 의해 좌우되며, Newton 유체의 경우 이것을 하나의 무차원수인 Reynolds number 의 함수로 나타낼 수 있는데, 평판에서는 다음과 같이 정의된다.[식 1]
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