레이놀즈수와 층류 및 난류, 천이유동

1. 레이놀즈수(Reynolds number)

유체역학에서 가장 많이 사용하는 무차원 수로 관성력을 점성력으로 나눈 물리적 값을 의미하는데, 이는 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 정량적인 관계를 표현하고 있으며 어떤 힘이 더 우월하게 작용하고 있는지의 정도를 수치로 나타낸 것이다. 보통 유체의 흐름이 층류인지 난류인지 판별하는데 사용되며, 중요한 무차원수로서 스케일과 무관하게 역학적 상사성(dynamic similitude)을 판별하는 기준이 되므로 실험 및 모델링에서 아주 중요한 지표로 활용할 수 있다. 유체의 흐름 패턴, 흐름의 특성 및 다양한 유체역학 매개변수와 같은 다양한 방식으로 유체 시스템을 연구하는데 사용되며 열전달 연구와 다양한 의약품을 개발하는데도 적용된다.

2. 임계 레이놀즈수(=천이영역 : transient flow)

유동이 층류에서 난류로 전이(transition)되는 지점에서의 레이놀즈수를 임계 레이놀즈수(critical reynolds number)라고 하는데 이러한 전이는 점진적으로 진행이 되므로 임계 레이놀즈수의 값은 대략적인 값으로 보아야 한다.

* 무차원 수란?

공학에서 자주 쓰이는 개념으로 차원이 없는 수이다. 여기서 차원이란 길이, 크기, 질량 등 물질의 성질을 표현하는 단위를 가리킨다. 예를 들어 길이의 차원은 [L] 이고, 시간의 차원은  [T] 이므로, 속도의 차원은 [L/T]로 나타낼 수 있다. 이렇게 차원이 있는 공식을 이리저리 조합해서 차원을 없앤 것이 무리수 인데, 차원을 없애는 근본적인 이유는 복잡한 차원을 제거함으로서 공식이 단순해지고 직관적이며 편리하기 때문이다. 대표적인 무차원수로는 마하가 있다. 마하는 물체의 속도를 음속으로 나눈 값인데 음속에 비해 속도가 몇배가 더 빠른지 직관적으로 인지할 수 있다. 마하가 1.5라고 한다면 음속에 비해 1.5배 빠르다는 사실을 직관적으로 알 수 있다. 많은 무차원수들 중에서도 특히 유체의 흐름 연구분야에서 무차원수가 사용되고 있는데, 이는 유체유동이 워낙 복잡하게 자연현상과 얽혀 있기 때문이다. 보통 무차원수 명칭은 이것을 발견한 사람의 이름을 붙인다. 에커르트수, 레이놀즈수, 마하수, 프루드수, 웨버수 등이 그 예이다.

3. 층류(laminar flow)와 난류(turbulent flow), 천이유동(transient flow)

층류란 입자가 확산되지 않고 진행방향으로 층을 이루며 움직이는 규칙적인 유체 흐름이다. 이것은 점성력이 지배적인 유동으로 인접한 층은 서로 교차하지 않고 평행한 방향으로 흐른다. 난류는 층류와 달리 확산되어 유동하며 해석과 예측이 어려운 불규칙한 유체흐름이다. 관성력이 재배적인 유동으로 인접한 층은 서로 교차하고 지그재그 무작위 방향으로 흐른다.

층류와 난류를 구분하는 기준은 층류는 레이놀즈수 2100미만, 난류는 레이놀즈수 4000초과의 기준으로 범위를 정하고 층류와 난류 사이의 레이놀즈수를 천이유동으로 정의한다. 층류는 점도가 높고 관경이 작으며 유속이 느리며, 난류는 점도가 낮고 관경이 크며 유속이 빠를 때 나타난다.

층류와 난류