Reynolds 실험
난류에 대한 이론적, 실험적 업적을 크게 남긴 사람은 레이놀즈(Reynolds, O., 1843-1912)이다. 그의 유명한 실험 중 하나인 관 속에서의 염료의 흐름 관측이다.
수조속에 유리관을 눕혀 놓고, 그 속에 물을 통화시킨다. 물이 흘러들어가는 관 안의 유체 흐름상태를 살펴보기 위하여, 관입구 근처에 착색한 액을 주입시킨다.
실험에 대한 예제 영상은 아래 링크 등을 참조할 수 있다.
https://www.youtube.com/watch?v=pae5WrmDzUU
https://www.youtube.com/watch?v=upHHx42r4E0
이 실험에서 Reynolds는 흐름에 뚜렷한 두가지 다른 상태가 있다는 것을 발견하였다. 아래 그림에서와 같이 유속이 작을 때는 색소선을 관을 따라 하류까지 깨끗하게 흘러가지만 (그림 (a)), 유속이 어떤 값 이상이 되면 색소선은 급격히 난류화되어 관 속에서 가득히 퍼지면서 희석된다 (그림 (b)). 전자를 층류, 후자를 난류라고 한다.
이 실험으로 부터 Reynolds 는 층류에서 난류로 변하는 것은 오늘날 Reynolds 수라고 알려진 무차원 파라미터 ( )가 거의 2,000 을 넘을 경우에 발생한다는 것을 발견했다.
이 실험 이후로도 수 많은 사람들이 난류를 이해하기 위한 실험을 진행해 왔다. 힌체는 난류를 다음과 같이 정의했다 (Hinze, J.O., 1975: Turbulence). "난류는 불규칙적 흐름의 상태이며, 그 흐름 중에는 여러가지 양이 시공간적으로 불규칙적 변동을 하고 있다. 따라서, 인간은 통계적인 평규값만 인식가능하다."
레이놀즈 수 Re=uL/n
점성력에 대한 관성력의 비
임계 레이놀즈 수: Re> Rec 층류 -> 난류
Rec=약 2000
Ri<Ric 층류-> 난류
Ric =0.25
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A0%88%EC%9D%B4%EB%86%80%EC%A6%88_%EC%88%98
레이놀즈 수 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전
유체역학에서 레이놀즈 수(Reynolds number)는 "관성에 의한 힘"과 "점성에 의한 힘(viscous force)"의 비로서, 주어진 유동 조건에서 이 두 종류의 힘의 상대적인 역학관계를 정량적으로 나타낸다. 레이
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난류의 발생과 유지
난류 발생의 두가지 메커니즘
①부력에 의한 생성 (Buoyancy generation): 위치에너지를 난류 운동에너지로 전환
②시어에 의한 생성 (Shear generation): 평균 운동에너지를 난류 운동에너지로 전환
S : 시어 생성항(nocturnal stable boundary layer, low-level jets, atmospheric surface layer)
B : 부력 생성/파괴항
D : 점성에 의한 에너지의 소산
Tr: 에너지의 수송
리차드슨 수 (Richardson number): 시어생성항에 대한 부력파괴항의 비
2. 난류의 특징
① 불규칙성 (Irregularity or randomness)
- ◦ 난류 운동을 예측 불가능하게 만듦
- ◦ 난류에 대한 통계적인 기술(description)
- 비선형 현상: 난류상태를 재현시킬 수 없다.
② 3차원 회전성 (Three-dimensionality and rotationality)
- 평균류는 2차원이지만, 변동성분에 대해서는 3차원이다.
- 소용돌이 운동: 소용돌이는 난류 발생 및 유지 역할을 한다.
③ 높은 확산성 (Diffusivity or ability to mix properties)
- 난류에서 운동량, 열, 질량의 효과적인 확산을 일으킴
④ 소산성 (Dissipativeness)
- 난류 운동에너지는 점성에 의해 연속적으로 소산됨
- 난류운동을 유지하기 위해서 에너지가 지속적으로 공급되어져야 함
⑤ 운동 규모의 다양성 (Multiplicity of scales of motion)
- 다양한 크기의 에디 규모로 특성화됨
- 큰 에디: 평균흐름으로부터 난류로 에너지 전달
- 작은 에디: 난류에너지의 점성에 의한 소산
- 큰 에디로부터 작은 에디로의 연속적인 에너지의 전달
- : 에너지 폭포과정 (Energy Cascade process)
- 난류에서 에너지 전달 과정은 매우 비선형적임
- 회전성, 확산성, 소산성은 난류와 3차원 무작위 파동운동을 구분시키는 성질임
3. 난류의 분류
1) 벽면난류: 벽면과의 마찰력에 의해 발생하는 난류, 미기상학에서 다루는 대기 경계층은 벽면난류에 해당한다.
2) 자유난류: 속도가 다른 흐름층 사이에서 발생하는 난류
난류는 그 발생 기작에 따라 종류가 달라도 규모가 작아짐에 따라, 점점 처음의 특성을 잃고 완전 무질서 상태로 되어 그 차이는 없어진다.
참고문헌
난류론 (노의근), 시그마프레스 (2003).