유체점성 (fluid viscosity):
분자 특성으로서 유체 내부에서 변형에 대한 저항의 측정치
모든 유체(액체, 기체)는 점성을 가지고 있다.
점성효과1: 인접한 유체층 사이의 마찰저항의 요인이 된다.
인접한 유체층 사이의 마찰저항의 요인이 되고, 층밀림응력으로 나타난다.
단위면적당 저항력은 층밀림 운동(shearing motion)과 관련있기 때문에, 층밀림 응력 (shearing stress)라고 부른다.
층밀림 응력의 예는 아래 링크의 그림 참조
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%84%EB%8B%A8_(%EB%AC%BC%EB%A6%AC)
전단 (물리) - 위키백과, 우리 모두의 백과사전
전단력과 유체의 흐름 전단(剪斷)에 대해 설명한다. 크기가 같고 방향이 서로 반대되는 힘들이 어떤 물체에 대해서 동시에 서로 작용할때 그 대상 물체 내에서 면(面)을 따라 평행하게 작용하는
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고정면에서 높이(h)까지 유체 속도는 선형적으로 변하기 때문에, 흐름 내 어디서나 속도경도는 아래와 같다.
∂u/∂z=U/h
뉴턴은 이 흐름을 층밀림 응력(shearing stress)이 응변율(rate of strain; 즉 속도경도율)에 비례한다는 것을 발견하여 아래 식을 제시하였다.
τ=μ(∂u/∂z)
- τ: 층밀림 응력
- μ: 점성계수, 즉 유체의 역학적 점성 (dynamic viscosity). 동점성 (mechanical viscosity) ν=μ/ρ 를 사용하는 것이 더 편리, 차원은 L2 T-1
실제 유체는 위 그림과 같이 1차원방향이 아닌 3차원방향에 대해서 변동하므로, 일반적인 관계식은 아래와 같다.
τxy = τyx = μ(∂u/∂y + ∂v/∂x)
τxz = τzx = μ(∂u/∂z + ∂w/∂x)
τyz = τzy = μ(∂v/∂z + ∂w/∂y)
- 첫째 첨자: 층밀림 응력이 작용하는 면의 수직인 방향
- 둘째 첨자: 응력의 방향.
이 식의 의미: 뉴턴 유체에서는 ‘층밀림 응력은 응변율 (또는 우변의 괄호 항)에 비례한다’는 것. 응력과 변형 모두 흐름 내 한 점, 한 순간 양이다.
점성효과2: 유체 운동 에너지의 소멸.
유체가 운동을 유지하려면 운동 에너지는 외부에서 지속 공급되거나, 위치에너지(압력 또는 밀도경도)로 부터 전환되어야 한다. 점성은 유체 운동 에너지를 열로 전환하면서 소명시킨다.
점성흐름의 예
경계층, 혼합층, 제트류, 플룸(plume), 꼬리흐름(wake)
층류와 난류 흐름
층류:
인접층이 서로 미끄러지기 때문에 층을 횡단하는혼합과 이동은 거의 없다. 비점성흐름은 층류와는 달리 층 간의 운동량, 열, 질량의 이동이 발생.
난류:
불규칙, 무작위, 3차원형태이고, 확산(혼합)적인 운동이다. 대부분의 흐름은 난류. But, 3차원 소규모 난류. 2차원 (대규모) 난류는 구별해야!!
시/공간의함수로서 정확히 계산/예측될 수 없다. 따라서 난류의 평균적인 통계 특성을 다룰수 밖에 없다.
레이놀즈 평균과 분산
난류의 통계수학적 표현 - 레이놀즈 평균, 분산
레이놀즈 평균
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대기권에서의 층류 발생은 극히 드물고, 보통 점성아층 (viscous sublayer, 예. 얼음, 진흙평면, 잔잔한 수면) 등에서만 다룬다.
용어정리
- 점성 아층: 완전 층류는 아니고, 약간의 점성이 고려되기는 해도 점성 흐림이라 보기에는 애매한 경계(인접한) 층. 분자 아층과 같은 말. )
- 아층 (Sublayer; 또는 부층). 표면에 인접한 얇은 층 영역. 비슷한 말: 아지표 (subsurface): 지표에 인접한 영역
- 분자 아층 (molecular sublayer): 경계면 (interface) 인접 부근, 즉 분자 아층 (molecular sublayer; <1 mm) 내에서는 공기의 주된 열 전달 방법인 전도(conduction)로서 고체와 같다. 경계면에서 수 mm 만 올라가도 공기의 주된 열 전달 방법은 이류(advection)과 대류(convection)이다. 호수나 해양에서 분자 아층은 수 m 이다.