1. 유체의 정의
유체(Fuild)란 전단응력(Shear Stress)을 지지하지 못하는 물질로, 어떠한 전단응력이 가해지면 변형되는 특성을 가짐
- 전단응력(Shear Stress)과 응력(Stress)
응력(Stress)은 물체가 변형을 저항하기 위해 생성하는 내부 저항력의 단위 면적당 크기
*압력(Pressure) = 힘(F) / 면적(A)
응력은 수직응력(Normal Stress)과 전단응력(Shear Stress)으로 구분됨
수직응력: 벽면을 누르는 힘, 면에 수직하고 길이, 면적, 체적을 변화시킴
전단응력: 벽면을 스치듯 작용하는 힘, 면에 평행하고 형상(각도)을 변화시킴
2. 유체역학의 기본개념
- 제어체적(Control Volume, CV)
관심 있는 특정 유체 영역을 제어체적으로 설정하여 분석함
- 스케일(Scale)
미시적 관점(Microscopic): 국소적인 유체 변화 분석
거시적 관점(Macroscopic): 전체적인 유체 거동 분석
예시: 밀도의 변화를 측정할 때, 미시적 관찰자는 밀도가 변하는 그래프를 도출하지만 거시적 관찰자는 밀도가 일정한 것으로 본다.
- 속도(Velocity)
속도는 위치 변화율, 즉 단위 시간당 위치의 변화량을 의미함
유체역학에서는 유량(Flow Rate, Q)을 다음과 같이 표현함
부피 유량(Volume Flow Rate) $Q = V \times A$
질량 유량(Mass Flow Rate) $ \rho Q = m $
운동량 유량(Momentum Flow Rate) $ \rho V^2 A $
- 플럭스(Flux)
단위 시간당 단위 면적을 통과하는 양으로 정의됨
유체역학에서는 부피, 질량, 운동량에 대해 적용할 수 있음
부피 $ Q/A = V $
질량 $ \rho Q/A = \rho V $
운동량 $ \rho V^2 $
3. 점성(Viscosity)
유체의 흐름에 대한 저항(Resist to Flow)을 의미함
같은 전단응력이 가해졌을 때, 점성이 낮은 물질(예: 물)은 빠르게 흐르고, 점성이 높은 물질(예: 꿀)은 천천히 흐름
- 뉴턴 유체(Newtonian Fluid) vs. 비뉴턴 유체(Non-Newtonian Fluid)
뉴턴 유체: 전단응력이 속도 구배(velocity gradient)에 대해 선형적으로 증가함, 즉 점성이 일정함
비뉴턴 유체: 점성이 일정하지 않고, 속도 구배에 따라 변함
4. 베르누이 방정식(Bernoulli Equation)
역학적 에너지 보존 법칙을 유체에 적용한 식
기본 에너지 보존식: $Fs + \frac{1}{2}mV^2 + mgh = 일정 $
단위: J (줄)
- 유체역학에서의 변형
양변을 부피(Volume)로 나누면: $P + \frac{1}{2} \rho V^2 + \rho gh = 일정$
단위: Pa (압력)
각각 세 변수를 정압, 동압, 위치압으로 부름
비중량 $ \gamma = \rho g $으로 나누면: $ \frac{P}{\rho g} + \frac{V^2}{2g} + h = 일정 $
단위: m (길이)
각각 세 변수를 압력수두(Pressure Head), 속도수두(Velocity Head), 위치수두(Elevation Head)로 부름
이때 계산문제를 풀때는 양변을 부피로 나눈
$P + \frac{1}{2} \rho V^2 + \rho gh = 일정 $ 식을 일반적으로 사용함
