관로내 유체의 흐름

1) 층류와 난류

관로내 흐름에는 층류와 난류가 있고, 층류는 유체가 관로내를 흐를때 층을 유지한채 흐르는 상태를 말하며,

보통 유량이 적은 경우에 나타나는 현상이고,난류는 흐름중 와류 등을 발생시키는 흐름으로 유량이 크거나 압력

강하가 적은 경우에 나타난다.

관로중의 일정구간에서 2점의 압력 취출공으로부터 취출된 압력 강하와 유량과의 특성관계을 보면은 압력강하와 유량과 비례하는 범위에서의 흐름을 층류라하고, 유량의 2승에 비례하는 유량이 큰 범위에서의 흐름을 난류라

한다.

실제로 원통형 관내의 유속분포를 측정하여 보면 점도가 높은 경우 관 벽과 유체의 마찰력은 크게 작용함으로

유속분포는 변화한다. 유속이 느릴 때는 점도가 낮은 유체가 흐르는 것과 같은 유속분포를 가진다.

즉, 관로내의 흐름이 층류일때는 관의 단면에서 본 유속은 거의같은 유속분포가 된다. 즉,유체의 흐름이 층류로

부터 난류로 되는 것은 유량의 크기에 의하나 그것은 유체의 점성의 크기에 좌우됨을 알수 있다.
유량의 어떤값을 초과하고, 층류가 난류로 변화되는 한계의 값은 유체의 밀도,점도,관로 내경에 의해서 달라지게 된다. 즉 관로내 흐름상태를 수치로 표현한 것이 레이놀즈수이며, 층류 난류로 구분하는 경계치는 2320이다.

ReD =

(Q : 체적유량 ρ: 체적의 밀도 η: 체적의 점도 D : 관로의 직경)

2) 유속분포와 평균유속

유체는 점성이 있으므로 관로내 흐르는 유체중 관로벽과 마찰하며 흐르는 유체는 관벽과의 점성에 의해 유속이 늦어지고 관로의 중심으로 갈수록 유속이 증가하여 관 중심에서는 최대가 되는 것으로 관로내의 유체의 유속은 동일하며,관로 단면상에 있어서도 위치에 따라 달라진다.
원형 단면을 갖는 관로내의 유속분포는 관내의 유속 분포 그림과 같다.

또한 층류에서는 레이놀즈수가 변화해도 유속분포는 항상 일정하나 난류에서는 레이놀즈수에 따라 유속 분포는

변한다. 주의할 점은 층류나 난류도 앞서 설명한 대로 되는 것은 아니다. 그렇게 되는 조건은 직관부를 흐르는 경우로서, 만일 곡관이나 유속이 빠른 난류에서는 그와 같은 법칙이 성립되지 않으므로 충분한 직관부를 통한 흐름이 요구되는 것이다.

유속 변화의 영향을 받는 유량계에서는 유량계의 전후단에 대해 적당한 길이의 직관부를 필요로 하게 된다.

3) 레이놀즈수

기하학적으로 상이한 몇 개의 물체가 있을때 그 주위의 유체 흐름의 역학적 모양을 비교하는 경우등에 표시되는 중요한 무차원의 수로서 각각의 물체에 있어서 계산된 레이놀즈수가 같을때 그때의 유체의 흐름은 역학적으로 같게 된다. 레이놀즈수를 구하는 방식은 산출 방법에 따라 여러가지가 있다.

가) 유로의 흐름중에 있는 임의 물체의 대표적인 길이를 L 이라 하고, 유체의 유속(관벽으로 부터 충분히

떨어진 위치에 있는 유속)을 v, 유체의 η,밀도는ρ,동점도를 ν라 하면 레이놀즈수 Rd는 다음과 같다