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流體動力學 (流體動力學)은 流體力學 의 한 分野로 움직이는 流體(液體나 氣體)를 다룬다. 流體 動力學 內에도 氣體力學 (움직이는 氣體를 다룸), 水力學 (理想 流體 流動을 다룸) 等의 細部 分野가 있다. 流體 動力學은 應用 範圍가 매우 넓어서, 航空機 에서의 힘 및 모멘트 의 計算, 파이프 라인 內의 石油 流量 計算, 날씨 豫測, 恒星間 空間에 存在하는 星雲의 理解 等에도 利用된다.

流體 動力學에는 實驗的인 法則이나 反實驗的인 法則까지도 包含되며, 流體 動力學을 利用함으로써 이러한 實用的 分野의 問題들을 解決할 수 있다. 流體 動力學은 一般的으로 流體의 速度 , 壓力 , 密度 , 溫度 等과 같은 流體의 여러 性質을 空間 및 時間의 函數로서 計算하는 問題를 다룬다.

主要 槪念 [ 編輯 ]

保存 法則 [ 編輯 ]

流體 動力學에서 基本이 되는 공리는 質量 保存의 法則 , 運動量 保存의 法則 (뉴턴의 第2法則), 에너지 保存의 法則 (熱力學 第1法則) 等의 保存 法則 이다. 이 法則들의 基礎가 되는 것은 古典力學 이다.

連續體 家庭 [ 編輯 ]

遺體는 連續體 家庭 을 滿足한다고 假定할 수 있어야 한다. 事實 遺體는 分子 로 이루어져 있어서 分子끼리 서로 衝突하거나 固體인 物體와 衝突한다. 그러나 連續體 家庭에서는 流體가 不連續的인 分子가 아닌 連續的인 것이라고 假定한다. 結果的으로 密度, 壓力, 溫度, 速度 等의 性質들을 아무리 작은 點에서라도 定義할 수 있으며, 이러한 性質들은 한 地點에서 다른 地點으로 갈 때 連續的으로 變化한다고 假定한다. 流體가 不連續的인 分子로 되어 있다는 事實을 無視하는 것이다.

全壓力, 靜壓力 및 動壓力 [ 編輯 ]

이 槪念은 움직이는 流體를 다루는 流體 動力學에서 반드시 必要한 槪念이다.

一般的으로 壓力(pressure) 이라 하면 靜壓力(static pressure) 을 가리킨다. 靜壓力이란, 靜止해 있는 流體가 加하는 壓力을 말한다.

그러나 流體가 움직이는 境遇, 그 움직이는 流體가 停止하는 支店에서는 流體의 運動에너지 가 모두 壓力 에너지로 轉換되어, 그 地點에서의 壓力은 靜壓力보다 더 높게 測定된다. 運動에너지가 壓力에너지로 轉換되는 만큼을 動壓力(dynamic pressure) 理라 하고, 靜壓力과 動壓力의 合을 全壓力(total pressure) 或은 正體 壓力(stagnation pressure) 理라 한다.

全壓力, 靜壓力 및 動壓力 사이의 關係를 베르누이 方程式 에서 確認할 수 있다.

壓縮性 流動 臺 非壓縮性 流動 [ 編輯 ]

實際로 모든 遺體는 어느 程度는 壓縮性(compressible) 이다. 壓縮性이라 함은, 壓力이나 溫度가 變하면 密度가 變한다는 것을 意味한다. 그러나 많은 境遇 壓力이나 溫度가 變할 때 密度의 變化가 너무 작아 無視할 수 있는 境遇가 있다. 이런 境遇 流動은 非壓縮性(incompressible) 流動 方程式으로 描寫할 수 있다. 그렇지 않다면 더 一般的인 壓縮性 流動 方程式을 使用하여야 한다.

非壓縮性은 數學的으로 流體 다발이 流動腸 內에서 움직일 때 그 密度 ${\displaystyle \rho }$가 變하지 않음을 의미하는 다음과 같은 式으로 表現된다.

${\displaystyle {d\rho \over dt}=0}$

이 式을 使用하면 支配 方程式을 單純化할 수 있다.

機體 流動에서 壓縮性 式을 쓸지 非壓縮性 式을 쓸지는 流動의 마하 수 로 決定한다. 嚴密한 基準은 아니지만, 마하 數가 約 0.3 未滿일 때에는 壓縮性 效果를 無視할 수 있다. 液體에 對해서는 非壓縮性 家庭이 有效한지는 流體의 性質(特히 流體의 臨界 壓力 및 臨界 溫度 ) 및 流動 條件(實際 流動 壓力이 얼마나 臨界 壓力에 가까운가)에 따라 左右된다.

音響學 的인 問題에는 恒常 壓縮性이 考慮되어야 한다. 왜냐하면 音波 란 매질 內에서 傳播할 때 壓力과 密度가 變化하는 압축파이기 때문이다.

粘性 流動 對 非粘性 流動 [ 編輯 ]

流動에서 流體의 摩擦力 이 가지는 效果를 無視할 수 없다면 이는 粘性(viscous) 流動 이 된다. 어떤 流動이 粘性 流動인지 아닌지는 레이놀즈 수 를 使用하여 判斷할 수 있다.

慣性力에 비하여 粘性 效果가 매우 작아서 無視할 수 있는 境遇, 이 流動은 非粘性(invisid) 流動 으로 假定할 수 있다. 非粘性 流動을 描寫하는 方程式이 오일러 方程式 이다. 오일러 方程式을 有線 (streamline) 을 따라 積分하면 베르누이 方程式 이 나온다. 流動이 非回轉(irrotational), 非粘性이면 流動腸 全體에 對해 베르누이 方程式을 쓸 수 있다. 이러한 流動을 퍼텐셜 流動 이라고 한다.

正常 流動 代 非正常 流動 [ 編輯 ]

주어진 流動腸이 時間에 對한 變化가 없으면 이 流動을 正常(steady) 流動 理라 하며, 그렇지 않은 境遇를 非正常(unsteady) 流動 理라 한다. 주어진 流動이 正常이냐 非正常이냐 하는 것은 觀測界(frame of reference)에 따라 달라질 수 있다.

時間에 따라 週期的인 性質을 가진 流動은, 嚴密히 말하면 非正常 流動이지만, 頂上 流動 問題를 푸는 것과 같은 技法으로 풀 수 있다.

層流 流動 臺 暖流 流動 [ 編輯 ]

暖流(turbulent) 流動 이란 再循環 (recirculation) 流動, 에디 (eddy), 任意性(randomness)에 依해 支配되는 流動이다. 暖流性을 보이지 않는 流動을 層流(laminar) 流動 理라 한다. 그러나 에디나 再循環이 있다고 해서 반드시 暖流 유동인 것은 아니고, 이러한 現象은 層流 流動에서도 나타날 수 있다.

暖流 流動은 나비에-스토크스 方程式 을 따르는 것으로 여겨지고 있다. 非壓縮性 나비에-스토크스 方程式을 利用한 直接 數値 模寫法 (Direct Numerical Simulation; DNS)을 使用하면 中間 程度의 레이놀즈 數에 該當하는 暖流 流動을 模寫하는 것이 可能한데, 그 模寫 結果는 試驗 데이터와 一致한다.

그러나 關心의 對象이 되는 大部分의 流動은 레이놀즈 數가 너무 높아 DNS를 使用할 수가 없다. 例를 들어 에어버스 의 A300 이나 보잉 의 747 의 날개 流動은 4千萬 程度이다. 이러한 實質的인 問題를 풀기 위해서는 暖流 모델 의 導入이 必須的이다.

뉴턴 流體 및 非뉴턴 流體 [ 編輯 ]

뉴턴은 물이나 空氣 等 많은 流體에 對하여 變形率과 剪斷 應力이 線形的인 關係가 있음을 밝혔다. 이러한 流體를 ' 뉴턴(Newtonian) 流體 '라 하며, 變形率과 剪斷 應力 사이의 係數가 바로 粘性 이다. 이 粘性 은 流體에 따라 다르다.

그러나 어떤 遺體는 應力과 變形率의 關係가 線形的이지 않고 더 複雜하며, 이러한 流體를 ' 非뉴턴(non-Newtonian) 流體 '라 한다.

主要 方程式 [ 編輯 ]

• 異常 氣體 狀態 方程式
• 베르누이 方程式
• 오일러 方程式
• 나비에-스토크스 方程式

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流體動力學