외부유동 실험 레포트

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목차

I. Purpose

II. Theory
(1) 외부유동 (External Flow)
(2) 경계층 (Boundary layer)
(3) 유동박리 (Flow Separation)

III. Data & Result

Ⅳ. Discussion

본문내용

I. Purpose
Steady flow에 둘러 쌓여있는 물체 주변의 흐름 패턴을 시각화 한다.

II. Theory
(1) 외부유동 (External Flow)

외부유동은 열린 공간에서 존재하는 흐름이다. 내부유동의 경우 입출구를 제외하고 사방이 벽면으로 둘러 쌓여 경계층이 자유롭게 성장하지 못하고 제한을 받게 되지만, 외부유동은 경계층이 자유롭게 성장할 수 있다. 또한 경계층 외부에서는 속도, 온도 및 농도 구배를 무시할 수 있는 영역이 존재하고 경계층 내부에서는 특히 도입부에서 점성효과에 의한 성장이 잘 나타난다.

(2) 경계층 (Boundary layer)

흐르는 유체 중간에 물체가 있을 때 물체와 유체 간의 마찰력이 발생한다. 이 마찰로 인해 속도에 영향을 받은 유체는 물체에 가까울수록 영향을 더 받게 되고 멀어질수록 영향을 받지 않게 된다. 이때 이 구간을 나누는 경계가 경계층이다. 보통 유체의 본 진행 속도의 99%가 되는 지점을 경계층이라 말한다. 레이놀즈 수에 따라 경계층의 두께와 경계층 내 속도 분포는 달라진다.

(3) 유동박리 (Flow Separation)

물체의 표면에서는 전단응력(Shear-stress)이 작용하기 때문에 no-slip condition에 의해 유체의 속도가 0이다. 유체는 경계층 내부에 한해 나비에-스토크스 방정식을 따르는 속도 구배를 갖고, 2차원 비압축성 점성 유동에 대해서 물체 표면의 수직 방향에 대한 압력구배는 0이라고 무시할만하다는 것이 층류, 전이, 난류 등의 흐름에 대해 타당하다고 실험적으로 입증되었다. 유체의 흐름은 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 압력차에 의해 나타난다.

참고 자료

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김경천 외 6인역, 유체역학(Hibbeler원저), 시그마프레스, 2016, p. 600 ~ 627
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화학공학유체역학, James O. Wilkes, 한산, 2008
Fluid dynamics, Ruban, Oxford University, 2015