흐름의 기초원리

개요

 정지하고 있는 유체에는 두 가지 종류의 힘, 즉 질량력과 압력이 작용한다. 유체가 운동하는 경우에는 이 두 가지 힘 외에 유체가 점섬을 가지고 있기 때문에 유지하고 있는 형태를 변형시키려는 힘에 대한 반작용 힘으로 내부마찰력이 작용하게 된다. 물이나 공기는 대단히 작은 점성을 가지고 있으므로, 점성의 영향을 무시하는 경우도 적지 않다. 이렇게 취급의 편의를 위해 점성의 영향을 무시한 유체를 완전유체, 점성의 작용을 고려한 유체를 점성유체라 한다. 실제로 완전유체는 존재하지 않으나, 물과 같이 점성이 작고 부착력이 작은 유체를 완전유체에 가깝다고 보고 취급하게 된다.

 또한 유체 중에서도 특히 기체는 압축되어 밀도가 변화한다. 이 밀도의 변화를 무시하는가, 무시하지 않는가에 의해 압축성 유체(compressible fluid)  또는 비압축성 유체(incompressible fluid)로 구분한다. 물은 압력에 의해 거의 압축되지 않으나, 약간의 압축은 있기 때문에 압축률이 작은 물체로 취급한다. 압축률이 거의 없는 유체를 비압축성 유체라 한다. 대부분의 물의 흐름과 음속에 비해 작은 속도로 흐르는 공기는 비압축성 유체에 속하며, 음속 부근 또는 음속을 초과하는 공기의 흐름은 압축성 유체에 속한다.

 

흐름의 종류

 유체의 운동을 흐름(flow)이라 하고, 흐름의 속도를 유속(velocity of flow)이라 한다. 흐름의 주축 방향에 대해 수직인 단면, 즉 횡단면적을 유수단면적 또는 유적(cross sectional area)이라 한다. 이 유적을 지나서 단위시간 내에 통과하는 유체의 질량(비압축성 유체이면 체적)을 유량(discharge of flow)이라 한다. 유속은 장소에 따라 다르며, 한 단면 내에서도 일반적으로 균일하지 않다. 따라서 v=Q/A로 정의되는 v는 그 단면을 통과하는 흐름의 평균유속(mean velocity)이다.

 또한, 하천의 흐름이나 하수도의 흐름과 같이 자유수면을 갖지 않는 흐름을 관수로 흐름(pipe flow)이라 한다. 유적의 주위는 일반적으로 자유수면과 관벽 또는 하상과 같은 고정벽으로 되어 있다. 이 고정벽의 길이를 윤변 P라 하고, 유적 A를 윤변 P로 나눈 양, 즉 A/P를 경심(hydraulic radius) R이라고 한다. 특히 개수로에서는 유수단면적 내에서 자유수면에 직교하는 깊이를 일반적으로 수심(depth of flow)이라 한다.

 흐름은 장소, 시간 및 흐름의 지배 요소인 유속, 유량, 압력, 외력 등에 따라 변화한다. 따라서 어느 단면을 지나는 유량이 시간이 변화하여도 일정할 때, 이 흐름을 정상류 또는 정류(steady flow)라 하고, 시간의 변황 따라 유량이 변동하는 흐름을 비정상류 또는 부정류(unsteady flow)라 한다. 정류의 흐름 가운데 특히 어느 단면적에서나 유속과 유수단면적이 일정할 때를 등류(uniform flow)라고 하고 단면에 따라 유량이 시간에 따라 일정하나 유수단면적과 유속이 변화하는 흐름을 부등류(nonuniform flow)라고 한다. 하천의 흐름은 상세히 관측하면 끊임없이 유속이 변화하므로 부정류라 생각되나, 평생시에는 그 변화가 매우 느리므로 정류로서 취급하고 홍수 때의 흐름이나 하구에서 조석의 영향을 받는 하천의 흐름은 부정류로서 취급할 필요가 있다. 또 균일한 단면형을 가진 직선상의 긴 관이나 단면형, 경사 등이 균일한 직선상의 긴 인공개수로로 일정한 유량이 흐르게 할 때는 등류가 일어나지만 그 밖의 경우에는 거의 부등류이다.

 이상은 흐름을 지배하는 요소를 장소 및 시간의 함수로서 분류하였는데, 흐름의 있어서 유체입자의 운동이 정연한 층상을 이루며 흐르는가 또는 유체입자가 상, 하, 좌, 우로 뒤섞여서 흐르는가에 따라 층류(laminar flow)와 난류(turbulent flow)로 분류된다. 또 개수로의 흐름에서 수면에 미소한 변동을 주면 그 변동은 장파(long wave)의 전파속도로 전달되는데 유속이 이 전파속도보다 큰가 작은가에 따라 흐름을 사류(supercritical flow or rapid flow)와 상류(subcritical flow or tranquil flow)로 분류한다.

 

유선과 유적선

 어떤 유체가 운동할 때 움직이는 분자들의 운동을 각 순간순간마다 속도벡터가 접선이 되는 곡선을 그려 그 연결한 곡선을 그릴 수 있다. 이 곡선을 유선(steam line)이라고 한다. 이에 대하여 한 유체입자가 운동을 하면서 하나의 궤도를 그리는데 그 경로를 유적선(path of particle)이라고 한다.