난류 유동이란?
유체의 본질적인 특성은 강체가 아니며 고체 물체의 안팎으로 흐른다는 것입니다. 난류 유동은 유체의 입자가 우위 또는 평균 유동 방향에 수직으로 이동하기 시작하고 방향, 유속 및 압력에 혼란스러운 변화가 나타날 때 발생합니다. 이러한 수직 원형 운동을 eddy 또는 swirl이라고 합니다. 이는 입자가 서로 평행하게 이동하는 층류 유동과 대조적입니다.
액체 또는 기체의 운동 에너지에 의해 생성된 관성력이 유체의 점성력을 초과하면 층류 유동이 난류 유동으로 전환됩니다. 난류 유동은 무질서하며 결정론적 방정식 세트로 정의할 수 없습니다. 대신 엔지니어는 통계적 방법을 사용하여 매우 불규칙한 거동을 예측합니다.
난류 유동을 계산하고 특성화하는 방법은?
난류 유동의 무질서한 특성으로 인해 유체 역학의 과학은 통계적 방법을 사용하여 유체 속도, 속도 변동 및 난류 유동으로 인한 압력 변동을 특성화하고 예측합니다. 이 특성화는 레이놀즈 수라고 하는 무차원 양으로 시작됩니다. 그런 다음 추가 방정식으로 난류 유동을 설계하거나 계산하는 데 유용한 다른 거동을 포착합니다.
난류 유동 예측: 레이놀즈 수
1883년 오스본 레이놀즈는 단순한 파이프에서 층류 유동의 난류 유동 전환을 설명하는 논문을 발표했습니다. 이 데이터는 내력과 점성력의 비율로 난류 발생 가능성을 예측하는 방법을 보여주었습니다. 이 무차원 값을 레이놀즈 수라고 합니다.
레이놀즈 수를 계산하는 방정식은 다음과 같습니다.
\( Re = \frac{uL}{v} = \frac{\rho u L}{\mu} \)
ρ = 유체의 밀도(kg/m3)
u = 유속(m/s)
L = 파이프 직경, 수력 직경, 등가 직경, 에어포일의 코드 길이 등의 특성 치수 또는 특성 길이(m)
μ = 유체의 동적 점성(Pa·s)
v = 동점도(m2/s)
일반적으로 레이놀즈 수가 낮은 유동은 유체 운동의 불안정성을 평균 유동 방향에 수직인 유동으로 변환하는 데 필요한 운동 에너지가 부족하기 때문에 층류 유동으로 유지됩니다. 유속 또는 밀도가 유동의 점성에 비례하여 증가하면 난류가 발생할 가능성이 높습니다.
난류 유동의 4가지 중요한 특성
엔지니어, 물리학자 및 화학자가 고려해야 하는 난류 유동의 다른 중요한 특성은 다음과 같습니다.
1. 변동 및 와류
난류 유동의 중요한 척도는 변동(평균 속도 크기 및 방향 대비 속도 크기 및 방향 변화)입니다. 변동이 소용돌이(원형 운동)로 나타낼 때 이를 와류라고 합니다. 이러한 유동의 변화는 유체의 속도 벡터 압력 및 온도뿐만 아니라 화학 반응의 운동 에너지 및 혼합과 구조물의 전단 하중을 주도합니다.
2. 소산
난류 유동을 생성하는 운동 에너지는 점성 전단 응력을 통해 내부 에너지로 변환됩니다. 대와류의 에너지는 더 많은 전단력이 있는 더 작은 와류로 흘러들고, 또 이러한 와류는 더 많은 전단력이 있는 더 작은 와류로 흘러듭니다. 와류가 작아지면 운동 에너지는 점성 에너지로 소산됩니다.
3. 운동 에너지 및 점성 에너지
난류 유동의 운동 에너지는 단위 체적당 운동 에너지의 양이며, 유동에서 난류 속도 변동의 평균 에너지를 나타냅니다. 유체의 점성력은 내부 마찰로 인해 일부 운동 에너지를 열로 변환합니다. 열 변환량을 점성 에너지라고 합니다.
4. 질량, 운동량 및 에너지 수송
유체 역학을 연구하는 엔지니어나 과학자는 연구 중인 유체 유동 내에서 질량, 운동량 및 에너지가 어떻게 수송되는지 알고 싶어 합니다. 이는 수송 거동의 속도에 영향을 미치기 때문에 난류 유동에서 특히 중요한 부분입니다. 이러한 수송을 난류 확산이라고도 합니다.
난류 유동을 모델링하는 방법은?
엔지니어는 전산 유체 역학(CFD)을 사용하여 난류 유동의 거동을 예측합니다. 이 수치 해석은 유권을 셀로 분리하고 유체의 에너지, 질량 및 운동량 보존을 위한 지배 방정식을 사용하여 각 셀의 속도, 압력, 밀도 및 온도를 계산합니다.
Ansys Fluent 유체 시뮬레이션 소프트웨어 및 Ansys CFX CFD 소프트웨어와 같은 CFD 소프트웨어 솔루션은 먼저 유동이 층류에서 난류로 전환되는 시기를 계산하여 난류를 예측합니다. 난류 유동이 있는 경우 솔버는 다양한 단순 방정식을 사용하여 난류 유동으로 인해 발생한 속도, 압력, 온도 및 소용돌이를 계산합니다.
엔지니어는 서로 다른 재료의 혼합 또는 층류 및 난류 유동이 광학, 열 및 구조 성능에 미치는 영향을 모두 포함하는 매우 복잡한 다중물리 모델의 비교적 간단한 유동 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 난류 모델을 선택하기 전 성공 비결은 형상을 정확하게 포착하고, 올바른 경계 조건과 제약 조건을 설정하고, 재료 특성을 정의하고, 적절한 수학적 모델을 적용하는 것입니다. 엔지니어가 난류 유동을 예측해야 하는 경우 이러한 모델은 일반적으로 두 종류의 단순 방정식으로 구성됩니다.
난류용 RANS(레이놀즈 평균 나비에-스토크스) 모델
제1 난류 모델링 방정식은 RANS 모델입니다. 이 접근 방식은 유량을 평균 유량과 가변 구성 요소로 분해합니다. RANS 모델은 실증 연구를 사용하여 난류 거동을 근사화합니다. 가장 일반적으로 사용되는 RANS 모델 중 일부는 다음과 같습니다.
- SA(Spalart-Almaras) 모델: 단일 수송 방정식을 해석하는 간단한 모델입니다. 일반적으로 외부 유동(특히 공기역학)에서 사용되며 레이놀즈 수가 낮은 모델입니다.
- 2-방정식 모델: 엔지니어가 두 개의 수송 방정식을 사용하는 모델 제품군을 사용합니다. 두 방정식을 사용하면 난류 에너지 확산 및 대류와 같은 특정 사건의 영향을 모델링할 수 있습니다. 첫 번째 수송 변수는 난류의 운동 에너지를 계산하고, 두 번째 수송 변수는 난류의 길이 또는 시간 척도를 나타냅니다. 일반적인 2-방정식 모델에는 GEKO(Generalized k-⍵), BSL(Baseline), SST(Shear Stress Transport) 및 K-epsilon(k-ε)이 있습니다. 이러한 모델은 독립적으로 또는 결합하여 사용할 수 있습니다. 산업용 응용 분야에 가장 자주 사용됩니다.
난류용 SRS(Scale-Resolving Simulation) 모델
제2 난류 모델링인 규모 해석 시뮬레이션은 시간에 따른 난류 유체 유동의 평균을 계산하지 않습니다. 대신 시간과 공간에 따른 난류 유체 유동을 해석합니다. 대부분의 SRS 응용 분야는 LES(대와류 시뮬레이션) 모델을 사용하여 대와류를 해석하고 소와류를 별도로 모델링합니다.
LES 모델은 오랫동안 개선되고 검증되었습니다. 그러나 해석 시간이 더 길고 수치 모델이 더 크기 때문에 최근에 컴퓨터 성능이 향상되기 전에는 자주 사용되지 않았습니다. LES 모델은 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)
난류 유동을 이해하는 것이 중요한 이유는?
신체의 혈류에서 컴퓨터 냉각 및 공중을 나는 비행기에 이르기까지, 난류 유동은 유체가 시스템을 통과하는 방식, 접촉하는 고체와 상호 작용하는 방식, 화학 반응 및 열 전달에 영향을 미칩니다. 일부 설계는 층류 유동을 유지하고 난류 유동을 방지하도록 최적화되어 있습니다. 다른 상황에서는 난류 유동이 유리합니다. 엔지니어와 과학자는 난류 유동을 이해하여 난류 유동을 관리하고 그 효과를 설계에 반영하기 위해 유체 역학을 연구합니다.
난류 유동의 중요한 특징 중 하나는 유체의 혼합을 증가시킨다는 것입니다. 이러한 물질 전달은 확산율을 높이고 화학 반응을 가속화하며 유체로의 열 전달과 유체 내부의 열 전달을 증가시킵니다. 가스 터빈의 연소 및 냉각에서는 연소 효율을 높이고 터빈 블레이드 내의 내부 냉각을 개선하기 위해 난류 유동이 권장됩니다. 또한 혼합 응용 분야에서도 재료 조합 속도를 높이거나 입자를 더 빠르게 용해하기 위해 난류를 사용합니다.
혈류는 난류가 어떻게 문제를 일으킬 수 있는지를 보여주는 좋은 예입니다. 혈액의 와류에 의해 발생하는 전단 응력은 혈액에 혈전을 형성하여 혈행을 방해하는 혈전증을 초래할 수 있습니다. 공기역학 설계의 중요한 부분은 역압 구배 영역에서 난류를 허용하여 난류를 통해 유동 분리를 지연시키는 방식으로 항력을 줄이고, 항력을 증가시키는 난류를 줄이는 것입니다. 난류로 인해 발생하는 대와류도 소음을 유발하거나 구조물에 압력 하중을 가할 수 있습니다. 건물과 교량을 설계하는 엔지니어는 구조물 주변의 난류 풍류에서 생성된 와류로 인해 발생하는 압력 하중을 고려합니다.
자세한 내용은 Ansys Fluids 컬렉션을 살펴보십시오.