난류 (역학)

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유체 동역학(fluid dynamics)에서 난류(turbulent flow)는 유체 유동 중에서 무질서하고 비정상성을 가지는 경우를 일컫는 말이다.

난류 유동의 시각화

난류 유동에서는 모멘텀 확산(diffusion)이 낮고, 모멘텀 대류(convection)가 높으며, 압력속도가 시간 및 공간에 따라 빠르게 변화한다. 난류가 아닌 유동은 층류(laminar flow)라고 한다.

생활에서 알기 쉬운 예로, 수도꼭지에서 흐르는 물을 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.

층류와 난류는 레이놀즈 수(Reynolds number)에 의해서 대체로 구별할 수 있으며, 레이놀즈 수의 값이 크면 난류이다. 예를 들어 파이프 내의 유동에서는 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, 그 사이 값에서는 천이 유동(transition flow)으로 간주하기도 한다.

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[편집]

  • 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.