층류 유동과 난류 유동 비교: 차이점, 예시 및 중요한 이유

층류 유동은 유체의 입자들이 일정한 방향으로 움직이며, 흐름 방향에 수직인 움직임이 거의 없거나 또는 전혀 없는 상태를 의미합니다.. 난류 유동은 일반적으로 와류라고 하는 소용돌이에서 유체 입자가 유동 방향에 수직으로 움직일 때 발생합니다. 유량, 밀도 및 점성과 같은 유체의 특성과 내부나 주변에 유체가 흐르는 개체의 형상에 따라 층류 유동에서 다른 유동으로 전이되는 시점과 난류 체제가 얼마나 혼란스러운지 정 결정됩니다.

이 중요한 유체 유동 특성은 자동차의 소음부터 항공기의 연비, 화학물질의 혼합 속도에 이르기까지 모든 것에 영향을 미칩니다. 완전 층류 유동은 이론적으로 가능하지만 실제로는 비교적 드물기 때문에 엔지니어는 설계 중인 개체 내부 및 주변의 층류 유동과 난류 유동을 예측하고 관리해야 합니다.

유동 특성화에 사용되는 주요 용어

층류 유동과 난류 유동의 차이점을 살펴볼 때는 엔지니어가 유동 특성화를 설명하는 데 사용하는 몇 가지 주요 용어를 제시하는 것부터 시작하는 것이 좋습니다.

경계층

경계층은 유체가 흐르는 표면 옆에 있는 얇은 유체 층으로, 표면 속도 0부터 유체의 자유 흐름 속도까지 속도가 변합니다. 유체에 점성이 있으면 표면에 미끄럼 방지 경계 조건이 생깁니다. 경계의 두께는 자유 흐름 속도, 연속 길이, 점성 및 경계층의 난류량에 따라 결정됩니다.

벌크 속도

벌크 속도라는 용어는 유체의 전체 평균 속도를 나타냅니다. 체적 유량을 측정하고 측정 평면의 단면적으로 나누는 방식으로 계산합니다.

와류

와류는 전체 유체 유동 방향에서 벗어난 유체 입자의 움직임입니다. 소용돌이, 와동 또는 지배적인 유동 방향 주변의 단순 변동일 수 있습니다.

유동 분리 또는 경계층 분리

유동 분리는 경계층 유동이 표면에서 멀어질 때 역압력 구배로 인해 표면 옆의 속도가 역전되면서 발생합니다.

자유 흐름

자유 흐름은 경계층 외부의 유동 영역입니다.

내부 및 외부 유동

내부 유동은 유동 방향에 수직인 유체의 모든 측면이 고체에 의해 유계되는 상황을 말합니다. 외부 유동은 개체 주변을 흐르는 유체를 말합니다. 물체 내부에서 흐르는 유체(예: 파이프 유동)와 물체 주변에서 흐르는 유체(예: 비행기 날개)는 다르게 움직입니다.

나비에-스토크스 방정식

나비에-스토크스 방정식은 점성 유체의 유동을 설명하는 방정식입니다. CFD(전산 유체 역학) 프로그램은 나비에-스토크스 방정식을 추가 방정식과 결합하여 대부분의 유체 유동 상황의 거동을 예측합니다.

유동 체제

유동 체제 또는 유동 패턴은 유동의 구조와 거동을 말합니다. 유동 체제는 속도, 점성, 상, 층류 유동 또는 난류 유동과 같은 특성에 의해 결정됩니다.

레이놀즈 수(Re)

레이놀즈 수는 유체 유동에서 관성력과 점성력 간의 비율을 특성화하는 무차원 값입니다. 오스본 레이놀즈가 파이프 안에서 물이 어떻게 흐르고 언제 층류에서 난류로 전이되는지 알아내기 위해 실험을 했는데 그 실험에서 얻은 값입니다. 관성력과 점성력의 비율을 알면 유동이 층류에서 난류로 전이되는 시기를 정확하게 예측할 수 있습니다.

레이놀즈 수 방정식은 다음과 같습니다.

ρ = 유체의 밀도(kg/m3)

u = 유속(m/s)

L = 파이프 직경, 수력 직경, 등가 직경, 에어포일의 코드 길이 등의 특성 치수(m)

μ = 유체의 동적 점성(Pa·s)

v = 동점도(m2/s)

속도 프로파일

속도 프로파일은 임의의 직선 또는 평면을 따라 흐르는 유체의 속도입니다. 선이나 평면은 일반적으로 벌크 유동 방향 또는 표면의 수직 방향입니다. 속도 프로파일은 경계층의 속도 구배를 표시하며 질량 유량을 계산하는 데 사용됩니다.

점성

유체의 점성은 주어진 속도에서 변형에 대한 저항의 측정치입니다. 유체의 평행한 층 사이의 내부 마찰력을 특성화합니다. 

층류 유동이란?

층류 유동은 인접 층 간에 입자의 움직임이 거의 없는 상태에서 유체 입자가 매끄럽고 안정적인 유선을 따르는 유동 조건입니다. 층류 유동은 속도보다 점성력이 훨씬 크기 때문에 레이놀즈 수가 상대적으로 낮다는 특징이 있습니다. 유체 및 유체 속성의 유형과 유체가 주변으로 흐르거나 통과하는 모든 고체 개체의 형상 및 표면 거칠기에 따라 유동이 층류 상태로 유지되는 기간이 달라집니다. 층류 유동의 속도 프로파일은 0에서 경계층을 통과할 때의 자유 흐름 속도까지 단조적으로 증가합니다.

난류 유동이란?

난류 유동은 유체 입자 속도와 압력 진폭의 크기와 방향이 혼란스럽게 변동하는 것이 특징입니다. 레이놀즈 수가 높아서 유체의 점성 감쇠보다 속도와 특성 치수가 훨씬 높은 것도 특징입니다. 높은 정도는 유체 속성과 내부나 주변에 유체가 흐르는 개체에 따라 달라집니다. 난류 유동은 매우 불규칙하며 상세하게 예측하거나 측정하는 것이 거의 불가능합니다. 따라서 엔지니어는 통계적 관점에서 난류를 처리합니다.

층류 유동 및 난류 유동을 모두 이해하는 것이 중요한 이유는?

엔지니어는 층류 유동 및 난류 유동에 관심이 있습니다. 엔지니어가 다루는 유체의 물리모델에 각 유권이 영향을 미치기 때문입니다. 가끔은 층류 유동을 가능한 한 오랫동안 유지해야 할 수도 있고, 난류가 필요한 경우도 있습니다. 엔지니어가 알아야 할 몇 가지 상황과 다양한 유동 패턴의 역할은 다음과 같습니다.

열 전달

개체에서 유체로의 열 이동은 표면의 반대 방향과 표면에 수직 방향인 유동 속도에 크게 좌우됩니다. 높은 속도와 난류는 개체에서 주변 유체로의 열유속를 증가시킵니다. 엔지니어는 개체와 유체 간의 열 전달을 극대화하기 위해 가열 및 냉각 상황에서 난류가 증가하도록 설계하는 경우가 많습니다.

양력

양력은 고체 개체 주변에 유체가 흐르는 상태에서 한 측면의 압력은 상승하고 다른 측면의 압력은 강하하는 경우 개체의 한 측면에 가해지는 알짜힘입니다. 경계층 내부에서 발생한 난류는 압력 차이를 증가시킬 수 있지만 자유 흐름에서 발생한 높은 수준의 난류는 양력을 감소시키거나 양력을 유발하는 개체에 원치 않는 진동력을 발생시킬 수 있습니다.

항력

항력은 개체 내부의 유체 또는 개체를 지나는 유체가 가하는 힘으로, 유동 방향으로 작용합니다. 대부분의 경우 경계층의 난류는 개체에 대한 항력을 증가시킵니다. 설계자는 시뮬레이션과 풍동에서 항력을 최소화하기 위해 차량 및 항공기의 공기 역학을 조정하는 데 많은 시간을 할애합니다.

소음

개체 주변의 기류가 난류로 전이되면 와류로 인해 가청 범위에서 음파가 생성될 수 있습니다. 소음은 에너지 낭비일 뿐만 아니라 너무 크면 성가시거나 건강을 해칠 수도 있습니다.

혼합

난류가 유리한 영역을 하나 꼽자면 혼합이 있습니다. 연소, 수처리 및 화학 제조 분야의 엔지니어는 난류의 혼란스러운 유동이 서로 다른 유체를 혼합하여 화학 반응의 속도와 효율을 개선하는 시스템을 설계합니다. 

시뮬레이션에서 층류 유동 및 난류 유동 모델링

범용 CFD 툴(예: Ansys Fluent 유체 시뮬레이션 소프트웨어) 또는 회전 기계에 중점을 둔 툴(예: Ansys CFX 소프트웨어)에서 나비에-스토크스 방정식을 해석하면 층류 유동의 특징을 잘 알 수 있습니다. 난류 유동도 동일한 방정식으로 예측할 수 있지만 난류 유동의 직접 수치 시뮬레이션을 위한 계산 요구 사항은 현실성이 떨어집니다. 와류를 정확하게 모델링하는 데 필요한 방정식의 수는 대략 레이놀즈 수의 세제곱수입니다. 따라서 사용자는 엔지니어링 질문에 답할 수 있을 만큼의 정확도로 난류 거동을 근사화하는 모델에 방정식을 추가합니다.

Ansys는 층류 유동 및 난류 유동을 적절하게 모델링하는 무료 온라인 과정을 포함한 여러 리소스를 제공합니다. 강력한 기반을 만들기 위한 몇 가지 기본 지침은 다음과 같습니다.

CFD에서 층류 유동 모델링

CFD 툴에서 층류 유동을 모델링하는 방법은 간단합니다. 층류 모델링에서 가장 중요한 작업은 유동이 난류 유동으로 전이되는 시기를 예측할 수 있을 만큼의 정확도를 확보하는 것입니다. 메시의 경계층 해상도는 속도 프로파일을 정확하게 캡처할 수 있을 정도여야 합니다. 정확한 벽 거칠기를 지정하고 충분한 해상도로 표면 형상을 캡처하는 것도 중요합니다.

CFD에서 층류-난류 전이 유동 예측

모델에서 레이놀즈 수의 범위를 살펴보면 전이 유동이 발생하는 위치를 결정하는 데 도움이 될 수 있지만, 제안된 범위는 실제로 거의 발생하지 않는 이상적인 경우를 나타냅니다. 모델의 전체 길이에 따른 난류 유동을 가정하면 벽의 전단 응력을 과도하게 예측할 수 있습니다. 이것이 바로 Ansys가 LCTM(Local-Correlation-based Transition Modeling) 개념을 기반으로 한 전이 유동 수치 예측의 선구자가 된 이유입니다. 이 작업을 올바르게 수행하려면 전이 유동을 정확하게 예측하는 방정식이 포함된 난류 모델을 사용하십시오.

난류용 RANS(레이놀즈 평균 나비에-스토크스) 모델

난류 유동에 대한 단순 방정식에는 두 가지 유형이 있습니다. 첫 번째 유형은 RANS 모델입니다. 이 접근 방식은 유동량을 변동 및 시간 평균 구성 요소로 분해합니다. RANS 모델은 경험적 연구를 기반으로 한 근사치입니다. 사용 가능한 RANS 모델은 많습니다. 가장 일반적으로 사용되는 RANS 모델 중 일부는 다음과 같습니다.

• SA(Spalart-Almaras): 외부 공기역학에 사용되는 간단한 단일 방정식 모델입니다.
• 2-방정식 모델: 이전의 k-ε 및 k-⍵ 공식을 기반으로 하는 RANS 계열의 모델입니다. SST(전단 응력 수송), BSL(기준) 및 GEKO(Generalized k-⍵) 모델을 독립적으로 또는 조합해서 사용하여 산업 응용 분야의 난류 유동을 정확하게 예측합니다.

RANS 모델 사용에 대한 몇 가지 모범 사례는 다음과 같습니다.

• 형상을 최대한 정확하게 표현
• 잘 정의된 유동 영역에 입구와 출구 유지
• 밀도 및 점성과 같은 유체 속성이 정확한지 확인
• 경계층에 고해상도를 적용하고 더 거친 메시 영역으로 점진적으로 전이
• 반복 메시 세분화를 사용하여 정확한 그리드에 수렴
• 정확한 경계 조건 사용
• 가능한 경우 2차 수치 사용
• 실험 데이터와 일치하도록 다양한 RANS 모델 또는 모델 내의 매개변수 반복

난류용 SRS(Scale-Resolving Simulation) 모델

두 번째 난류 모델링 유형인 SRS는 시간 전체 평균이 아닌 시간과 공간에 따른 난류 유체 유동을 해석합니다. 대부분의 SRS 응용 분야는 LES(대와류 시뮬레이션) 모델을 사용하여 대와류를 해석하고 소와류를 모델링합니다. LES 모델은 오랫동안 개선되고 검증되었습니다. RANS 모델보다 더 많은 셀과 더 긴 런타임이 필요합니다.

컴퓨팅 용량, 특히 GPU의 사용이 증가함에 따라 다음과 같은 다양한 SRS/RANS 하이브리드 모델을 사용하여 산업용 유동에 SRS 모델을 사용할 수 있습니다.

• SAS(Scale-Adaptive Simulation)
• DES(Detached Eddy Simulation)
• SDES(Shielded Detached Eddy Simulation)
• SBES(Stress-Blended Eddy Simulation)
• ELES(Embedded LES)

SRS 모델, 특히 LES 모델을 올바르게 사용하기 위한 모범 사례는 RANS 모델의 모범 사례와 매우 다릅니다. 난류 와류는 세 가지 공간 방향 모두에서 해석해야 하므로 종횡비가 낮은 셀을 유지하는 것이 특히 중요합니다. 또한 난류장의 적절한 시간 해상도를 보장하기 위해 엄격한 시간 스텝 제한이 적용됩니다. 마지막으로, LES 품질은 수치 소산의 영향을 최소화하는 전문적인 수치 처리의 사용 가능 여부에 따라 크게 달라집니다.

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