레이놀즈 수:층류 및 난류 이해

레이놀즈 수는 강제 흐름을 설명하기 위한 무차원 유사성 매개변수입니다. 그것이 알미나 흐름이든 난류이든 상관없습니다.

점도의 정의는 유체의 운동이 서로 반대 방향으로 이동하는 개별 층으로 나누어질 수 있음을 의미합니다. 이러한 계층화된 흐름 층류라고도 합니다. . 그러한 흐름에 도입되는 질량 없는 입자를 생각으로 상상한다면, 이들은 흐름과 함께 직선 경로를 따라 움직일 것입니다. 이러한 가상 흐름 경로는 유선이라고도 합니다. .

유선형은 질량이 없는 입자가 유체 속에서 움직이는 가상의 흐름 경로입니다!

그러나 유속이 높으면 유체에 난류가 발생하여 더 이상 층류가 발생하지 않습니다. 이 경우 난류에 대해 이야기합니다. . 난류는 항상 존재하는 질서정연한 흐름의 교란으로 인해 발생합니다. 그러나 이러한 교란은 유체의 상대적으로 강한 내부 응집력에 의해 어느 정도 보상될 수 있으므로 흐름은 층류로 유지됩니다.

그러나 유속이 높으면 관성력 유체 입자의 크기가 너무 커서 응집력으로 교란을 더 이상 보상할 수 없습니다. . 교차 흐름 주 흐름을 방해하여 소용돌이가 형성됩니다. 이러한 소용돌이나 난류가 생성되는 유속은 동점도에 의해 결정됩니다. 결국, 높은 동점도는 유체의 상대적으로 강한 내부 응집력을 의미하며, 이는 교란을 보상할 수 있습니다.

레이놀즈 수

흐름 유형 (즉, 층류인지 난류인지)는 유체의 관성과 점도의 비율에 따라 결정됩니다. 이 비율은 소위 레이놀즈 수로 표현됩니다. 다시. 이는 유체의 (평균) 유속 v와 동점도 ν(그리스어 소문자 Nu)에 의해 결정됩니다. 반면, 레이놀즈 수는 흐름의 공간적 차원에 의해 결정됩니다. 파이프의 경우 이는 파이프 직경 d입니다. 이러한 맥락에서 일반적으로 소위 특성 길이라고 말합니다. .

동점도는 밀도에 따른 동점도와 관련이 있으므로 레이놀즈 수는 동점도 θ로 표현될 수도 있습니다.

\begin{정렬}
&\boxed{Re:=\frac{v \cdot d}{\nu} =\frac{v \cdot d \cdot \rho}{\eta} } ~~\text{레이놀즈 수} ~~~~ [Re]=1 \\[5px]
\end{정렬}

레이놀즈 수는 강제 유동에 대한 유동 과정을 설명하기 위한 무차원 유사성 매개변수입니다. 레이놀즈 수가 동일해야만 시스템 크기에 관계없이 물리적으로 유사한 흐름 프로세스를 얻을 수 있습니다.

레이놀즈 수는 모든 종류의 흐름에 매우 중요합니다. 예를 들어, 화학 산업에서는 기체 및 액체 물질이 파이프라인을 통해 펌핑되는 경우가 많습니다. 그러나 화학 플랜트를 실제 규모로 건설하기 전에 먼저 소규모 규모(예:실험실 또는 파일럿 플랜트)에서 테스트하거나 연구합니다. 나중에 실제 규모에서와 동일하거나 "유사한" 흐름 동작을 얻으려면 레이놀즈 수가 모든 규모에서 동일해야 합니다. 따라서 레이놀즈 수는 소규모로 결정된 다음 실제 규모에 적용됩니다.

레이놀즈 수는 풍동이나 수로의 모델 테스트에도 매우 중요합니다. 여기에도 다음이 적용됩니다. 모형 실험의 레이놀즈 수가 실제 레이놀즈 수와 일치해야 모형 실험에서 유효한 결과를 얻을 수 있으며 현실로 옮길 수 있습니다. 흐름이 발생하는 물체의 경우 레이놀즈 수를 계산하기 위한 특성 길이 L은 흐름 방향의 물체 길이에 해당합니다.

\begin{정렬}
&\boxed{Re=\frac{v \cdot L}{\nu} =\frac{v \cdot L \cdot \rho}{\eta} } \\[5px]
\end{정렬}

교반 용기의 레이놀즈 수

화학에서는 액체를 패들과 혼합할 때 생성되는 교반 탱크의 흐름도 매우 중요합니다. 발생하는 흐름 유형은 패들이 액체를 휘젓는 속도에 따라 달라집니다.

속도의 기준점은 패들의 가장 바깥쪽 부분입니다. 따라서 이 속도는 회전 패들의 직경 D와 주파수 f(v~D⋅f)에 따라 달라집니다. 이것이 유체의 실제 유속이 아니더라도 실용적인 이유로 이 속도는 여전히 유속으로 사용됩니다. 레이놀즈 수를 정의합니다. 교반 용기의 특별한 경우 레이놀즈 수 Rev는 다음과 같이 결정됩니다(주파수는 초당 회전수 단위로 제공됩니다). ):

\begin{정렬}
&\boxed{Re_\text{v}=\frac{f \cdot D^2}{\nu} =\frac{f \cdot D^2 \cdot \rho}{\eta} } ~~\text{교반 용기의 레이놀즈 수} \\[5px]
\end{정렬}

임계 레이놀즈 수(층류에서 난류로의 전환)

층류에서 난류로의 전이는 다양한 종류의 흐름에 대해 경험적으로 연구되었습니다. 파이프 흐름의 경우 층류에서 난류로의 전환은 레이놀즈 수 약 2300에서 발생합니다. 이를 임계 레이놀즈 수라고도 합니다. . 층류에서 난류로의 전환 범위는 레이놀즈 수 10,000까지 가능합니다.

임계 레이놀즈 수는 층류가 난류로 변할 것으로 예상되는 레이놀즈 수입니다!

유체가 평판 위로 흐를 때 레이놀즈 수가 100,000보다 크면 난류가 예상됩니다. 교반 용기에서 임계 레이놀즈 수는 약 10,000입니다. 이 경우 난류는 단점이 될 필요는 없지만 본질적으로 빠른 혼합에 기여합니다!

그러나 자동차나 비행기의 경우 난류는 궁극적으로 에너지가 소실된다는 점에서 일반적으로 불리합니다. 그렇기 때문에 이러한 개체는 유선형으로 디자인되어 난류가 발생하지 않아야 합니다.

파이프 흐름의 일반적인 레이놀즈 수

공학에서는 파이프를 통한 흐름을 다루는 경우가 많습니다. 예를 들어 건물의 수도관이나 가스관을 생각해 보세요. 이러한 파이프에서 물의 유속은 1m/s 정도입니다. 수도관의 내경은 약 20mm입니다. 1mPas(밀리파스칼초)의 물의 동적 점도와 1000kg/m3의 밀도를 사용하면 이미 20,000 정도의 레이놀즈 수를 얻을 수 있습니다!

직경이 2.5mm인 천연가스 파이프라인에 대해서도 유사한 결과가 얻어집니다. 50mm 및 유속 5m/s. 밀도가 0.7kg/m3이고 동적 점도가 11μPas인 경우 레이놀즈 수는 15,000입니다. 이러한 예는 난류 파이프 유동이 층류 유동보다 기술적으로 훨씬 더 자주 발생한다는 것을 보여줍니다!