점성(Viscosity) 과 레이놀즈 수 (Reynolds Number) - 기구설계 이론 18

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점성(Viscosity)

어떤 물질의 흐름을 방해하려는 성질을 점성(Viscosity)이라고 말합니다. 예를 들어 꿀을 물보다 점성(Viscosity)이 훨씬크기 때문에 물에 비해 동일한 조건에서 그 흐름이 매우 둔한 것을 볼 수 있습니다. 유체의 흐름은 한 부분이 움직일 때 인접한 다른 부분이 같이 따라 움직이기 때문에 점성은 분자들 사이의 내적 마찰이라고 생각 할 수 있습니다. 이때 마찰은 유속의 분포에 차이가 생기는 것을 저지하려는 힘을 말합니다.

점성은 유체를  윤활유로 사용하거나 파이프 라인을 통해 운반할 때 생기는 저항력을 산출 할 때 고려해야할 ㅜ요 항목입니다. 대부분의 유체에 있어 흐름을 유발시키는 전단응력 (Shear Stress)은 전단 변형률(Shear Strain)에 정비례하는 관계를 가지고 있습니다. 즉, 전단응력 (Shear Stress)를 전단 변형률(Shear Strain)으로 나눈 값은 같은 액체일 경우 주어진 온도에서는 일정한 값을 가지게 됩니다. 이 일정한 값을 동적 점성계수 (Kinematic viscosity), 또는 절대 점성계수 (Absolute viscosity)라고 합니다.

이와 같은 방식으로 움직이는 유체의 유동을 최초로 수학적으로 공식화한 영국 과학자 뉴튼 (Newton)의 이름을 따서 뉴튼 유체 (Newtonian Fluid)라고 부릅니다. 액체의 점성계수(Viscosity)는 온도가 올라가면 급속히 감소하고, 반대로 기체의 점성성계수(Viscosity)는 온도가 올라가면 증가하는 성질을 지니고 있습니다. 그러므로 열을 가하면 액체의 유동속도는 빨라지지만 기체의 속도는 더 늦어집니다. 동적 점성계수(Kinematic viscosity)의 크기는 단위 면적당 힘에 시간을 곱한 값으로 점섬의 단위는 [하중x시간]/[면적]입니다.

실용적인 측면에서 운동 점성계수(Kinematic viscosity)가 절대 점성계수(Absolute viscosity)보다 더 유용하게 사용되고 있습니다. 운동 점섬계수(Kinematic viscosity)는 유체의 절대 점성계수(Absolute viscosity)를 그 물질의 질량(Density)로 나눈 값입니다. 따라서 운동 점성계수(Kinematic viscosity)의 단위는 [면적]/[시간]으로 표현됩니다.

또한 유체의 종류에 따라서 안정적인 유체는 층류(Laminar Flow)를 이루며 이동하게 됩니다. 그러나 불안정한 유체의 경우 난류(Turbulent Flow)를 형성하면서 급변하는 이동을 하게됩니다. 유체의 상대적 안정도를 비요하기 위해 레이놀드수(Reynolds Number)를 사용하여 유체의 성질을 나타내게 됩니다

 

레이놀즈 수 (Reynolds Number)

유속에 의한 관성력(Inertia Force)과 유속의 변화율에 따른 점성력(Viscous Force)은 유체 유동의 특성을 결정짓는 주요한 물리량 입니다. 왜냐하면 유동에 의해 발생되는 관성력(Inertia Force)과 점성력(Viscous Force)이 차지하는 상대적인 비중에 따라 유동의 특성이 완전히 달라지기 때문입니다. 속도가 낮은 경우에는 관성력(Inertia Force)보다 점성력(Viscous Force)이 지배적이며, 유동은 단순한 층류 유동 (laminar Flow)를 나타내게 되지만, 유속이 빠른 경우에는 점성력(Viscous Force)보다 관성력(Inertia Force)이 지배적이게 되어 매우 복합한 난류 유동(Turbulent Flow)를 나타내게 됩니다.

점성력(Viscous Force)과 관성력(Inertia Force)의 상대적인 비중을 나타내는 레이놀즈 수(Reynolds Number)는 단위를 가지지 않은 무차원 인자 (Dimensionless Parameter)로 레이놀즈 수(Reynolds Number)가 유체역학 분야에서 매우 광범위 하게 사용되고 있습니다. 레이놀즈 수(Reynolds Number)는 점성력(Viscous Force)에 대한 관성력(Inertia Force)의 상대적인 비율로 정의되며, 보다 구체적으로는 (유체밀도 x 유속^2)/(유동 속 물체의 특성길이)로 계산되는 값입니다. 레이놀즈 수(Reynolds Number)는 수학자겸 물리학자인 영국의 스톡스 (George Stokes, 1918 ~ 1903)에 의해 최초로 소개 되었으며, 그 이후 영국의 물리학자 레이놀즈 (Osborne Reynolds 1842~1912)에 의하여 대중화 되었습니다.

레이놀즈 수(Reynolds Number)는 유체역학 분야에서 풍동실험(Wind Tunnel Experiment)과 같은 축소모형 실험의 결과를 실제 유동현상에서의 결과로 변환시키기 위한 차원해석(Dimensional analysis)에 빠짐없이 등장하는 주요 유체유동 인자입니다. 대표적으로 레이놀즈 수(Reynolds Number)는 파이프 속의 액체 흐름에서부터 항공기 날개 위의 공기 흐름까지 광범위하게 적용이 가능하며, 보통 층류에서 난류 유동으로 전환되는 현상을 예측하는데 많이 사용됩니다.