대류권은 연직적으로 자유대기와 대기경계층으로 크게 나눌 수 있다. 자유대기는 수평적 대기 흐름(이류)이 대기경계층에서는 연직(수직)적 대기 흐름(난류)가 지배적이다. 대기 경계층에서의 난류는 지표면와 맞닿은 대기 층 사이의 온도와 바람의 차이로 발생한다. 이 난류는 소용돌이로서 난류 에디라 부르며 지표와 대기 사이의 열, 운동량, 물질(수증기, 대기오염물) 을 교환한다.
1. Reynolds 실험
실험에서 흐름의 2가지 상태를 발견하였는데, 그림에서와 같이 유속이 작을 때는 색소선을 관을 따라 하류까지 깨끗하게 흘러가지만 (a), 유속이 어떤 값 이상이 되면 색소선은 급격히 난류화되어 관 속에서 가득히 퍼지면서 희석된다 (b). 전자를 층류, 후자를 난류라고 한다.
레이놀즈 실험에 대한 예제 영상들
2. Reynolds 수
아래 대기 역학 방정식을 고려해 보자.
예를 들어 단면적의 지름이 L인 원통을 통과하는 유체의 특성길이는 L이다. 유체 운동의 대표 길이 (characteristic scale)를 L, 유체 흐름의 속도를 u라고 두고 각 변수를 아래와 같이 무차원화 시키면, 관성항과 점성항의 비는 아래와 같고, 이를Reynolds 수라고 한다. 즉, 레이놀즈 수는 점성력에 대한 관성력의 비로 정의된다.
Re<1: 원주에 대칭적인 정상상태 (stationary state) ,
Re<<1 이면 비선형항인 관성항이 무시되어 해석해 구할 수 있다.
Re=1~10: 여전히 정상상태의 흐름이지만, 원주뒤쪽에 흐름이 분리되어 한 쌍의 와동을 발생시킨다. 이 와동쌍은 Re와 함께 점점 커진다.
Re=10~10^2: 흐름에 따라 두개의 와동이 ㅓ로 나란히 배치되는 Karman vortex street (와열) 가 형성된다. 흐름은 비정상적이지만, 주기적.
Re=10^2~10^5: Re가 증가함에 따라 와열은 무너지고, 뒤따르는 wake 는 비주기적인 난류로 바뀐다.
Re>10^5: 완전한 난류 상태로 바뀐다. 원주표면 경계층까지 난류로 바뀌면서 경계층이 원주로 부터 분리되는 점이 뒤로 밀려, 뒤따라는 난류 흐름의 폭이 좁아진다.3. 레이놀즈 수의 의미
임계 레이놀즈 수:
Reynolds 수가 무차원식의 유일한 매개변수라는 것의 의미:
4. 대기 경계층 내 레이놀즈 수
"난류는 불규칙적 흐름의 상태이며, 그 흐름 중에는 여러가지 양이 시공간적으로 불규칙적 변동을 하고 있다. 따라서, 인간은 통계적인 평균값만 인식가능하다." (Hinze, J.O., 1975: Turbulence).