난류

해류에 대한 내용은 난류(해류) 문서 참고하십시오.

1. 개요[편집]

---

난류(亂流, Turbulent flow)는 유체역학에서 통상적인 유체의 흐름에 대해 수직 방향의 속도를 가지는 다른 유체의 흐름을 총칭한다. 이를 쉽게 풀이하면 '유체의 흐름이 바르지 않고 상하좌우로 섞이면서 흐르는 것'이라 할 수 있다.

2. 특징[편집]

---

난류를 정확하게 정의하기는 어려우나, 난류의 특성으로는 '비규칙성(randomness)', '확산성(diffusivity)', '와도섭동성(vorticity fluctuation)', '소멸성(dissipation)' 등이 있다. 또한 난류는 비정상(unsteady)이고 3차원 유동(three-dimensional flow)적이며 일반적으로 높은 레이놀즈 수의 영역대이다. 반대로 주된 흐름방향으로만 똑바로 흘러가는 유체는 층층이 쌓아 올린 것처럼 흐른다 하여 층류라 부른다. 쉽게 생각하면 수도꼭지를 살짝 틀었을 때 물줄기의 투명도가 높고, 세게 틀었을 때 물줄기의 투명도가 낮은데, 살짝 틀었을 때 투명하게 흐르는 흐름이 층류에 가깝고, 세게 틀어서 물줄기의 방향이 불규칙적으로 나오는 흐름이 난류이다.

나비에-스토크스 방정식을 시간 평균하게 되면 비선형 항(convection term)에서 난류 응력(turbulent stress)항이 발생하며, 이 항의 비례계수를 난류 점성이라 한다. 이 수식의 엄밀해를 만들기 어렵게 하는 주범 중 하나. 사실 이 난류는 수학적으로 정확한 예측이 어려우며, 유체의 흐름을 컴퓨터로 예측하는 CFD 해석 시 난류 해석 풀이를 어떠한 수식을 쓸 것이냐에 따라 결과의 정확도가 천차만별로 달라진다.

물체 주변에 난류가 생기면 대체로 마찰 항력이 더 커진다. 난류가 생기지 않으려면 물체 표면이 매우 매끄러워야하며, 속도도 느리고 유체의 점성(끈적이는 정도)도 커야 한다. 그런데 아이러니하게도 난류가 물체의 항력을 줄이는 역할도 한다. 물체 표면을 따라 흐르던 유체가 물체 뒤쪽 부근에서 떨어져 나가는 현상을 흐름의 박리라 하는데, 이 현상이 생기면 물체 뒤쪽 압력이 급격히 낮아져서 물체를 뒤로 잡아당기는 힘, 즉 압력항력이 생긴다. 그리고 이 흐름의 박리현상은 난류보다 층류에서 더 잘 생긴다. 골프공의 곰보자국이나 상어의 우둘투둘한 피부는 일부러 주변에 난류를 만들어 흐름의 박리현상을 막기 위한 것이다. 항공기의 경우에도 흐름의 박리현상이 생기면 항력이 커지는 것은 물론 양력이 급격히 줄어들거나 진동, 소음이 생기는 경우가 있기 때문에 특정 부분에 일부러 난류를 만드는 구조물(Vortex Generator)을 설치하는 경우도 있다. 난류가 층류에 비해서 박리 저항이 큰 이유는 바로 난류의 특성 중 하나인 확산성이 크기 때문이다.

이러한 층류 및 난류의 발생여부는 위에 언급한 바와 같이 물체 주변의 거칠기나 유체의 속도, 점성 등에 따라 결정되며 이를 정의한 것을 레이놀즈 수라 한다. 보통 레이놀즈 수로 따졌을 때 유체가 층류가 될지 난류가 될지 경계가 되는 부분을 천이점이라 한다. 한편 물체의 형상이나 유체 상태에 따라서는 물체 앞부분에서는 층류가 생겼는데 뒤쪽에서는 난류가 생기는 경우도 있다.[1]

매우 복잡하기 때문에 해석적인 풀이가 알려져 있지 않다. 리처드 파인먼은 난류 문제를 고전역학의 가장 중요한 난제라고 칭했다. 이게 이렇게 복잡한 이유는 유체의 지배방정식인 나비에-스토크스 방정식이 상당히 골때리는 비선형 편미분방정식이기 때문이다. 특히 '관성항'이라고 불리는 <math>(\textbf{u} \cdot \nabla) \textbf{u}</math>가 난류현상의 주범이다. 반면 점성항인 <math>\nu \nabla^2\textbf{u}</math>가 지배적이면 층류가 일어난다.