3. 층류, 난류, 경계층

흐르는 유체의 거동은 벽의 영향의 유무에 따라 크게 달라진다.

이상유체의 경우 비압축성이고 점도가 0이다.
흐름 중에 순환이나 작은 와류(eddy)가 생기지 않아 irrotational flow라고도 한다.
마찰이 생기지 않아 기계적 에너지가 열로 손실되지 않는다.

일반 유체의 경우 유속이 아주 작고 점도가 크지 않다면,
경계벽의 영향은 인접한 경계층에서만 일어나고
그 외의 부분은 퍼텐셜 흐름이 된다.

하지만 일부 실제 흐름의 경우 유로 전체를 경계층이 차지할 수도 있다.
층류에서는 속력이 빠를수록 경계층 영역도 커진다.

경계층에 대하여 inertia force(관성력) $\rho u^{2} >> \mu u/D$ Viscous force(접착력)이라면
난류(Turbulent flow)가 형성된다.
그 기준은 Reynolds number $Re = \rho uD/\mu = uD/\nu$로 계산되며 4000을 넘으면 된다.
Re가 2100일 때의 유속을 임계속도라고 한다. (층류가 끝나는 지점)

난류는 일반적으로 흐름 중에 잠겨 있는 고체를 지나 흐를 때 발생한다.
이외에 정지 유체에 분사되는 제트흐름, 
고체 벽으로부터 생성된 경계층이 bulk 형태로 흐를 때 발생한다.

이러한 경우 고체 표면의 점성작용에 의해 유체의 기계적에너지는 열에너지로 변환되는데
이를 점성소산(viscous dissipation)이라고 한다. (+압력강하)

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이와 달리 축방향 혼합, 교차 흐름, 에디가 없는 흐름을 층류(laminar flow)라 한다.
단, no-slip이 있기에 관 벽과의 거리에 따라 속도분포가 다르다.

$\frac{du}{dy} = \lim_{\Delta y→0}\frac{\Delta u}{\Delta y}$

전단응력에 대해서는 $\tau = \frac{F_{s}}{A_{s}} \approx \frac{du}{dy}$로 표현된다.

Newton 유체에서 전단응력은 전단속도에 비례하며, 비례상수를 점도라고 한다.

$\tau = \mu\frac{du}{dy}$

동점도 : $u /\mu = 1/\nu$
1 m²/s = 104 Stoke (St: cm²/s) = 10.7639 ft²/s