[소방유체역학] 동수력학-02. 레이놀즈 수(Reynold's Number)

 

레이놀즈 수의 정의

레이놀즈 수는 다양한 유체 현상을 기술하는 데에 있어 유체의 흐름을 예측하는 데 사용하는 숫자이며, 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비로 나타낸다. 레이놀즈 수는 유체 동역학에서 가장 중요한 무차원 수 중 하나이다.

유동의 종류: 층류와 난류 (출처 : 한국물리학회)

 

 보는 바와 같이 레이놀즈 수가 낮을 때 유체는 층상의 흐름을 보이는 층류(laminar flow)를 보이며, 높을 때는 난류(turbulent flow)) 현상을 보이게 된다. 레이놀즈 수는 파이프 속의 액체 흐름에서부터 항공기 날개 위의 공기 흐름까지 광범위한 적용이 가능하며, 보통 층류에서 난류 유동으로의 전환을 예측하는데 주로 사용된다.

이 개념은 1851년 조지 스톡스(George Stokes)에 의해 소개되었고 이후 1908년, 아놀드 조머펠트(Arnold Sommerfeld)가 1883년에 이 개념을 대중화시킨 오스본 레이놀드(Osborne Reynolds, 1842-1912)의 이름을 따 명명하였다.

 

 

레이놀즈 수 계산식

 

 

어떤 표면에 대하여 유체가 상대적인 움직임을 보이는 상황에 대하여, 레이놀즈 수는 유체 특성 (유체의 밀도 및 점성 계수), 유체의 속도 및 특성 길이에 의존한다. 특성 길이는 원이나 구일 경우는 반지름이나 지름, 항공기나 선박의 경우 길이나 폭 등을 사용할 수 있다. 실제로 동일한 레이놀즈 수 자체만으로는 유체 흐름의 유사성을 담보할 수 없지만, 레이놀즈 수가 일치할 때 유사한 유체 흐름 패턴이 나타나는 경우가 많기 때문에 매우 중요한 지침으로 사용된다.

 

 

레이놀즈 수에 의한 유체의 분류

 

구분	층류	천이류(임계영역)	난류
Re수의 범위	Re < 2,100	2,100 < Re < 4,000	4000 < Re

1. 층류 :

- 유체의 규칙적인 흐름으로, 흐트러지지 않고 일정하게 흐르는 것이다. 난류와 반대되는 개념이다.

- 유체의 마첼계수가 레이놀즈 수에만 관계한다.

 

2. 천이류(임계영역)

- 층류와 난류가 상호 전환 되는 유동이다.

- 마찰계수는 레이놀즈 수와 상대조도와의 함수이다.

 

3. 난류

- 유체역학에서 난류는 유체(fluid)의 유동(flow) 중에 무질서하고 비정상적인 변화로 특징 지어진다.

- 난류 유동에서는 압력 및 속도가 시간과 공간에 따라 급작스럽게 변화하며, 유체가 평행 층으로 흐를 때 발생하는 층류 (laminar flow)와 대조적이다.

 

- 거친 관 : 상대조도가 관계하는 영역으로 레이놀즈 수와는 무관

- 매끈한 관 : 레이놀즈 수만의 함수