층류

Laminar flow
말발굽 폭포의 가장자리에는 부드럽고 맑은 층류 흐름과 거품을 동반한 난류가 보인다.
층류 흐름과 관련된 속도 프로파일은 카드 한 벌과 유사합니다.파이프 내 유체의 이 흐름 프로파일은 유체가 서로 미끄러지는 층으로 작용함을 보여줍니다.

유체역학에서 층류(layer flow)는 층에서 매끄러운 경로를 따르는 유체 입자로 특징지어지며, 각 층은 거의 또는 전혀 [1]섞이지 않고 인접 층을 부드럽게 통과합니다.저속에서는 유체가 가로 방향으로 섞이지 않고 흐르는 경향이 있으며, 인접한 층이 카드놀이처럼 서로 미끄러집니다.흐름 방향에 수직인 교차 전류도 없고 [2]유체의 소용돌이도 없습니다.층류에서 유체 입자의 움직임은 고체 표면에 가까운 입자가 그 [3]표면과 평행하게 직선으로 이동하면서 매우 질서정연하다.층류란 높은 운동량 확산과 낮은 운동량 대류를 특징으로 하는 흐름 상태입니다.

유체가 파이프와 같은 폐쇄 채널을 통과하거나 두 개의 평판 사이를 흐를 때 유체의 속도와 점도에 따라 층류 또는 난류 중 하나의 흐름이 발생할 수 있습니다.층류 흐름은 흐름이 난류가 되는 임계값보다 낮은 속도에서 발생합니다.속도는 레이놀즈 수라고 하는 흐름을 특징짓는 무차원 매개변수에 의해 결정되며, 유체의 점도, 밀도 및 채널의 치수에 따라 달라집니다.난류의 흐름은 불규칙한 흐름으로 에지드 또는 작은 유체 입자의 패킷이 특징이며, 이로 인해 [2]횡방향 혼합이 발생합니다.비과학적인 관점에서 층류 흐름은 매끄럽지만 난류 흐름은 거칠다.

레이놀즈 수와의 관계

스토크스 흐름의 구체는 레이놀즈 수치가 매우 낮습니다.유체 속을 이동하는 물체는 운동과 반대 방향으로 드래그력을 경험한다.

채널의 유체에서 발생하는 흐름의 유형은 유체 역학 문제에서 중요하며, 그 후 유체 시스템의 열과 질량 전달에 영향을 미칩니다.무차원 레이놀즈 수치는 완전히 발달된 흐름 조건이 층류인지 난류인지를 설명하는 방정식의 중요한 매개 변수입니다.레이놀즈 수치는 유체의 전단력에 대한 관성력의 비율입니다. 즉, 유체 시스템의 규모에 관계없이 유체가 얼마나 빠르게 움직이는지에 비해 점성이 높습니다.층류는 일반적으로 오일이 느리게 움직이거나 오일이 매우 점성이 높을 때 발생합니다.유체의 유속을 증가시키는 등 레이놀즈 수가 증가하면 유체의 작은 교란 수준이나 유체의 불완전함에 따라 레이놀즈 수의 특정 범위인 층류에서 난류 흐름으로 흐름이 전환됩니다.레이놀즈 수치가 1보다 훨씬 작은 매우 작은 경우, 유체는 스토크스, 즉 유체의 점성력이 관성력을 지배하는 포복성 흐름을 보일 것입니다.

레이놀즈 수의 구체적인 계산과 층류가 발생하는 값은 흐름 시스템과 흐름 패턴의 형상에 따라 달라집니다.일반적인 예는 파이프를 통과하는 흐름입니다. 여기서 레이놀즈 번호는 다음과 같이 정의됩니다.

여기서:

D는H 파이프의 유압 직경(m)이다.
Q는 체적 유량(m3/s)이다.
A는 파이프의 단면적(m2)이다.
u는 유체의 평균 속도입니다(SI 단위: m/s).
μ는 유체의 동적 점도(Pa·s = N·s/m2 = kg/(m·s))이다.
이 액체의 ν은 동적 점도, ν).mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion{디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac.num,.mw-parser-output.sfrac .den{디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-parser-output. .sfrac .den{border-top:1px 고체}.mw-parser-output .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}μ/ρ(m2/s);.
θ는 유체의 밀도(kg3/m)이다.

이러한 시스템의 경우 레이놀즈 수치가 임계값 약 2,040 미만일 때 층류 현상이 발생하지만 일반적으로 천이 범위는 1,800에서 2,100 [4]사이입니다.

유체 내에 부유된 과거 물체와 같은 외부 표면에서 발생하는 유체 시스템의 경우 레이놀즈 숫자에 대한 다른 정의를 사용하여 물체 주위의 흐름 유형을 예측할 수 있습니다.예를 들어, 입자 레이놀즈 수p Re는 유동 유체 중에 부유된 입자에 사용됩니다.파이프의 흐름과 마찬가지로 층류 흐름은 일반적으로 레이놀즈 수치가 낮을 때 발생하는 반면 난류 흐름 및 소용돌이 제거와 같은 관련 현상은 레이놀즈 수치가 높을 때 발생합니다.

예

액체 중의 이동판의 경우, 그 이동판과 함께 이동하는 층(라미나)과 정지판 옆에 정지 상태의 액체층이 있는 것을 알 수 있다.
  1. 층류의 일반적인 용도는 튜브 또는 파이프를 통해 점성이 있는 액체가 부드럽게 흐를 때 사용됩니다.이 경우 유속은 벽면의 0에서 용기의 단면 중심을 따라 최대까지 변화한다.튜브 내 층류 흐름의 흐름 프로파일은 흐름을 얇은 원통형 요소로 나누어 [5]점성력을 가함으로써 계산할 수 있다.
  2. 또 다른 예는 항공기 날개 위의 공기 흐름이다.경계층은 날개 표면(및 항공기의 다른 모든 표면) 위에 놓여 있는 매우 얇은 공기 시트이다.공기에는 점성이 있기 때문에 이 공기층은 날개에 달라붙는 경향이 있습니다.날개가 공기를 통해 앞으로 이동함에 따라 처음에는 경계층이 날개의 유선형상 위를 부드럽게 흐른다.여기서 흐름은 층상이고 경계층은 층상이다.프란틀은 1904년에 [6][7]층계층의 개념을 에어포일에 적용했다.
  3. 매일의 예로는 부드러운 [8]방벽 위를 흐르는 얕은 물의 느리고 매끄럽고 광학적으로 투명한 흐름이 있습니다.
  4. 물이 작은 힘으로 수돗물을 떠나면 먼저 층류(layernar flow)를 나타내지만, 곧바로 중력에 의한 가속이 시작됨에 따라 흐름의 레이놀즈 수가 증가하여 층류가 난류로 이행할 수 있다.그 후, 광학 투과성이 저하되거나 완전히 없어집니다.
  5. 폭포의 층류와 난류의 조합.빅토리아 폭포의 층류(정확히 산등성이 위)와 난류(흰 거품이 있는 바로 하류)
    폭포에서는 3번과 4번의 대규모 버전이 발생하는데, 이제 폭포가 부드럽게 흐르는 넓은 시트가 능선이나 폭포 가장자리에 떨어집니다.즉시 난류로의 이행은 가속(레이놀즈 수치는 난류의 문턱을 넘나들며)에 의해 시작되며, 거품 같은 공기성 물은 하강 흐름을 가린다.

층류 장벽

층류 반응 화학반응을 연구하기 위한 실험실.

층류 기류는 공기량을 분리하거나 공기 중의 오염물질이 지역으로 유입되는 것을 방지하기 위해 사용됩니다.층류 후드는 과학, 전자 및 의학 분야의 민감한 공정에서 오염 물질을 배제하는 데 사용됩니다.에어 커튼은 가열되거나 냉장된 공기가 출입구를 통과하는 것을 방지하기 위해 상업적인 환경에서 자주 사용됩니다.층류반응로(LFR)는 층류를 이용하여 화학반응과 프로세스 메커니즘을 연구하는 원자로이다.질병 관리를 위한 쥐의 동물 사육을 위한 층류 설계는 1971년 벨 외 연구진에 의해 개발되어 당시 동구권을 [10]포함한 전 세계의[9] 표준이 되었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Streeter, V.L.(1951-1966) 유체역학, 섹션 3.3(4판)맥그로힐
  2. ^ a b Geankoplis, Christie John (2003). Transport Processes and Separation Process Principles. Prentice Hall Professional Technical Reference. ISBN 978-0-13-101367-4. Archived from the original on 2015-05-01.
  3. ^ Noakes, Cath; Sleigh, Andrew (January 2009). "Real Fluids". An Introduction to Fluid Mechanics. University of Leeds. Archived from the original on 21 October 2010. Retrieved 23 November 2010.
  4. ^ Avila, K.; Moxey, D.; de Lozar, A.; Avila, M.; Barkley, D.; Hof, B. (July 2011). "The Onset of Turbulence in Pipe Flow". Science. 333 (6039): 192–196. Bibcode:2011Sci...333..192A. doi:10.1126/science.1203223. PMID 21737736. S2CID 22560587.
  5. ^ Nave, R. (2005). "Laminar Flow". HyperPhysics. Georgia State University. Archived from the original on 19 February 2011. Retrieved 23 November 2010.
  6. ^ Anderson, J. D. (1997). A History of Aerodynamics and Its Impact on Flying Machines. Cambridge University Press. ISBN 0-521-66955-3.
  7. ^ Rogers, D. F. (1992). Laminar flow analysis. Cambridge University Press. ISBN 0-521-41152-1.
  8. ^ sovereign578. "Laminar Flow in Nature". YouTube. Retrieved 17 December 2019.
  9. ^ Faith, Robert E.; Hessler, Jack R. (2006). "10. Housing and Environment". In Suckow, Mark A.; Weisbroth, Steven H.; Franklin, Craig L. (eds.). The Laboratory Rat (2 ed.). Amsterdam Boston: American College of Laboratory Animal Medicine (AP). p. 304/pp. 304–337/xvi+912. ISBN 978-0-08-045432-0. OCLC 162569241. ISBN 9780120749034 ISBN 0120749033
  10. ^ Trávníček, J.; Mandel, L. (1979). "Gnotobiotic techniques". Folia Microbiologica. Czechoslovak Society for Microbiology (Springer). 24 (1): 6–10. doi:10.1007/bf02927240. ISSN 0015-5632. PMID 374207. S2CID 6421827.

외부 링크

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