유체 역학 (개요): 기본, 용어 및 방정식

유체 역학에 대한 연구는 물리학에서 좁은 주제처럼 보일 수 있습니다. 일상적인 연설에서 액체, 특히 물의 흐름과 같은 것을 의미 할 때“유체”라고 말합니다. 그리고 왜 그렇게 평범한 무언가의 움직임을 보면서 그렇게 많은 시간을 보내고 싶습니까?

그러나 이러한 사고 방식은 유체 연구의 본질을 오해하고 유체 역학의 다양한 적용을 무시합니다. 유체 역학은 해류와 같은 것을 이해하는 데 유용 할뿐만 아니라 판 구조론, 항성 진화, 혈액 순환 및 기상학과 같은 분야에 적용됩니다.

핵심 개념은 엔지니어링 및 설계에도 중요하며 유체 역학에 대한 숙달은 항공 우주 공학, 풍력 터빈, 공조 시스템, 로켓 엔진 및 파이프와 같은 작업 네트워크.

하지만 이와 같은 프로젝트를 수행하는 데 필요한 이해를 얻기위한 첫 번째 단계는 유체 역학의 기초, 물리학 자들이 그것에 대해 말할 때 사용하는 용어 및 지배하는 가장 중요한 방정식 그것.

유체 역학의 의미는 문구에서 개별 단어를 분해하면 이해할 수 있습니다. "유체"는 액체 또는 비압축성 유체를 의미하지만 기술적으로는 가스를 의미 할 수도 있으며 이는 주제의 범위를 상당히 넓혀줍니다. 이름의 "역학"부분은 움직이지 않는 유체에 대한 연구 인 유체 정역학보다는 움직이는 유체 또는 유체 운동을 연구하는 것을 의미합니다.

유체 역학, 유체 역학 및 공기 역학 사이에는 밀접한 관계가 있습니다. 유체 역학은유체 운동유체 역학은 실제로 유체 역학의 절반을 구성합니다 (그리고 가장 지속적인 연구가 진행되고있는 부분입니다).

반면에 공기 역학은독점적으로유체 역학은 기체와 액체를 모두 포함합니다. 공기 역학 분야에서 일하고 싶다는 것을 알고 있다면 전문화하면 이점이 있지만 유체 역학은 해당 분야에서 가장 광범위하고 가장 활동적인 분야입니다.

유체 역학의 핵심 초점은유체의 흐름, 따라서 기본 사항을 이해하는 것은 모든 학생에게 중요합니다. 그러나 핵심 포인트는 직관적으로 간단합니다. 유체가 내리막으로 흐르고 압력 차이로 인해 흐릅니다. 내리막 흐름은 중력 위치 에너지에 의해 구동되며 압력 차이로 인한 흐름은 본질적으로 뉴턴의 두 번째 위치와 일치하는 한 위치와 다른 위치의 힘 사이의 불균형에 의해 법.

연속성 방정식은 상당히 복잡해 보이는 표현이지만 실제로는 매우 간단한 요점을 전달합니다. 유체 흐름 중에 물질이 보존됩니다. 따라서 지점 1을지나 흐르는 유체의 양은 지점 2를지나 흐르는 지점과 일치해야합니다.질량 유량일정합니다. 이 방정식은 이것이 의미하는 바를 구체적으로 쉽게 알 수 있도록합니다.

어디ρ밀도,ㅏ단면적이며V는 속도이고 아래 첨자 1과 2는 각각 점 1과 점 2를 나타냅니다. 유체 흐름을 고려하면서 방정식의 용어를 신중하게 생각하십시오. 단면적은 단일, 주어진 지점에서 유체 흐름의 2 차원 "슬라이스"및 속도는 단일 단면의 속도를 알려줍니다. 유체가 움직이고 있습니다.

퍼즐의 나머지 조각 인 밀도는 이것이 다른 지점에서 유체의 압축 량과 균형을 이루도록합니다. 이것은 가스가 점 1과 점 2 사이에서 압축되면 점 2에서 단위 부피당 더 많은 양의 물질이 방정식에서 설명되기 때문입니다.

각면에있는 세 개의 항에 대한 단위를 결합하면 표현식의 결과 단위가 질량 / 시간 값 (예: kg / s)임을 알 수 있습니다. 이 방정식은 여정의 서로 다른 두 지점에서 물질의 흐름 속도와 명시 적으로 일치합니다.

Bernoulli의 원리는 유체 역학에서 가장 중요한 결과 중 하나입니다. 즉, 유체가 더 빨리 흐르는 영역에서 압력이 더 낮다는 것입니다. 그러나 이것이 베르누이 방정식의 형태로 표현 될 때 이것은에너지 보존유체 역학에 적용됩니다.

본질적으로 에너지 밀도 (즉, 부피 단위의 에너지)가 일정하거나 (동등하게) 주어진 지점 전후에이 세 항의 합계가 유지됩니다. 똑같다. 기호에서 :

첫 번째 항은 압력 에너지 (압력 =피), 두 번째 항은 단위 부피당 운동 에너지를 제공하고 세 번째 항은 위치 에너지를 제공합니다 (지= 9.81m / s² 과h= 튜브 높이). 물리학에서 에너지 보존 또는 운동량 방정식에 익숙하다면이 방정식을 사용하는 방법에 대해 이미 잘 알고있을 것입니다.

선택한 지점 이후의 파이프 및 유체에 대한 초기 값과 적어도 일부 세부 사항을 알고 있다면 방정식을 다시 정렬하여 나머지 값을 찾을 수 있습니다.

베르누이 방정식에 대한 몇 가지주의 사항에 유의하는 것이 중요합니다. 두 지점이 유선에 있고 흐름이 안정적이며 마찰이 없으며 유체의 밀도가 일정하다고 가정합니다.

이것은 공식에 대한 제한적인 제한 사항이며엄격히정확하고 움직이는 유체는 이러한 요구 사항을 충족하지 않습니다. 그러나 물리학의 경우와 같이 대부분의 경우는 이러한 방식으로 대략적으로 설명 할 수 있으며 계산을 훨씬 더 간단하게하려면 이러한 근사값을 만드는 것이 좋습니다.

Bernoulli의 방정식은 실제로 층류 (laminar flow)라고하는 것에 적용되며 본질적으로 부드럽고 유선형의 유동으로 움직이는 유체를 설명합니다. 변동, 소용돌이 및 기타 불규칙한 동작이있는 난류의 반대 방향으로 생각하는 것이 도움이 될 수 있습니다.

이 일정한 흐름에서 흐름을 특성화하는 데 사용되는 속도 및 압력과 같은 중요한 양은 일정하게 유지되며 유체 흐름은 층에서 발생하는 것으로 생각할 수 있습니다. 예를 들어 수평 표면에서 흐름은 일련의 평행 한 수평으로 모델링 될 수 있습니다. 물의 층, 또는 튜브를 통해 점점 더 작은 동심원으로 생각할 수 있습니다. 실린더.

층류의 몇 가지 예는 그것이 무엇인지 이해하는 데 도움이 될 것이며, 일상적인 예 중 하나는 수돗물 바닥에서 나오는 물입니다. 처음에는 드리블하지만 수돗물을 조금 더 열면 매끄럽고 완벽한 물의 흐름을 얻을 수 있습니다. 이것은 층류입니다.난류. 담배 끝에서 나오는 연기도 처음에는 부드러운 흐름 인 층류를 보여 주지만 끝에서 멀어 질수록 난류가됩니다.

층류는 유체가 느리게 이동하거나 점도가 높거나 통과 할 공간이 적을 때 더 일반적입니다. 이것은 Osborne Reynolds (Reynolds 수로 알려진)의 유명한 실험에서 입증되었습니다. 다음 섹션에서 자세히 설명합니다), 그는 유리를 통과하는 유체 흐름에 염료를 주입했습니다. 튜브.

흐름이 더 느리면 염료는 직선 경로로 이동하고 더 빠른 속도에서는 전환 패턴으로 이동하고 훨씬 더 빠른 속도에서는 난류가됩니다.

난류는 유체가 통과 할 공간이 더 크고 점도가 낮은 고속에서 발생하는 경향이있는 혼란스러운 유동 운동입니다. 이것은 소용돌이, 소용돌이 및 깨어짐이 특징이며 혼란스러운 행동으로 인해 흐름의 정확한 움직임을 예측하기가 매우 어렵습니다. 난류에서 유체의 속도와 방향 (즉, 속도)은 지속적으로 변경됩니다.

바람, 강의 흐름, 물의 흐름을 포함하여 일상 생활에서 난류의 더 많은 예가 있습니다. 보트 여행의 여파, 항공기 날개 끝 주변의 공기 흐름 및 혈액 흐름 동맥. 그 이유는 층류가 실제로 특별한 상황에서만 발생하기 때문입니다. 예를 들어, 층류를 얻으려면 특정 양의 수도꼭지를 열어야하지만 임의의 수준으로 열면 흐름이 난류가 될 수 있습니다.

시스템의 레이놀즈 번호는 다음에 대한 정보를 제공 할 수 있습니다.전환점층류와 난류 사이, 유체 역학 상황에 대한보다 일반적인 정보. 레이놀즈 수의 공식은 다음과 같습니다.

어디ρ밀도,V속도입니다.엘특성 길이 (예: 파이프의 직경)μ유체의 동적 점도입니다. 결과는 유체 흐름을 특성화하는 무 차원 숫자이며, 흐름의 특성을 알고있을 때 층류 흐름과 난류 흐름을 구분하는 데 사용할 수 있습니다. 레이놀즈 수가 2,300 개 미만이면 흐름이 층류가되고 4,000을 초과하는 높은 레이놀즈 수가되면 난류가 발생하며 중간 단계는 난류입니다.

유체 역학에는 명백한 것부터 그다지 분명하지 않은 것까지 수많은 실제 응용 프로그램이 있습니다. 더 기대되는 응용 분야 중 하나는 배관 시스템의 설계로, 모든 것이 의도 한대로 작동하도록하기 위해 유체가 파이프를 통해 흐르는 방식을 고려해야합니다. 실제로 배관공은 유체 역학에 대한 이해없이 작업을 수행 할 수 있지만 일반적으로 파이프, 코너 및 배관 시스템 설계에 필수적입니다.

해류 (및 대기 해류)는 유체 역학이 중요한 역할을하는 또 다른 영역이며, 물리학 자들이 연구하고 작업하는 특정 영역이 많이 있습니다. 바다와 대기는 모두 회전하고 계층화 된 시스템이며 둘 다 그들의 행동에 영향을 미치는 수많은 복잡성을 가지고 있습니다.

그러나 서로 다른 해양 및 대기 흐름을 일으키는 원인을 이해하는 것은 특히 지구 기후 변화 및 기타 인위적 요인으로 인한 추가 도전과 함께 현대 시대 영향. 그러나 시스템은 일반적으로 복잡하므로 이러한 시스템을 모델링하고 이해하는 데 전산 유체 역학이 자주 사용됩니다.

좀 더 친숙한 예는 유체 역학이 물리적 시스템을 이해하는 데 기여할 수있는 소규모 방법 인 야구의 커브 볼을 보여줍니다. 드로우에 스핀을 주면 스핀에 대항하여 움직이는 공기의 일부를 늦추고 스핀과 함께 움직이는 부분의 속도를 높이는 효과가 있습니다.

이것은 Bernoulli의 방정식에 따라 공의 다른 측면에 걸쳐 압력 차이를 생성합니다. 공을 저압 영역 (공의 방향으로 회전하는 운동).