난류 유동은 유체가 불규칙한 (complex, un-structured), 비정상적 (unsteady)으로 흐르는 현상입니다. 유체의 속도, 압력 및 밀도와 같은 특성이 시간과 공간에 대해 불규칙적으로 변하는 것을 말합니다.
이러한 난류 유동 (turbulent flow)은 예측하기가 불가능에 가까우며, 그렇기 때문에 유체 역학 분야에서도 유동의 근사치를 추정하는 전산 수치해석 (computational fluid dynamics)이나 매우 제한된 범위에서 실험 (experiment)을 통해 연구하고 있습니다.
난류 유동의 특성
- 비정상적 (unsteady) : 난류는 예측하기 매우 어려운 유동입니다. 난류가 형성되는 메커니즘을 규명하거나, 난류 강도 및 스케일을 정확하게 예측하는 것은 불가능합니다.
- 에너지 손실 : 난류는 유체의 turbulent kinetic energy를 소산 (dissipation)하거나 분산 (diffuse) 시키는 원인입니다.
- 특이점 (singularity) 형성 : 난류 중 일부 영역은 특이점을 (구체적인 지점에서 속도나 압력 등이 불연속적으로 변화되는 지점)을 형성합니다.
- 불규칙성 (complexity) : 난류 유동은 매우 불규칙하며, 유체의 속도, 압력, 밀도 등이 시간과 공간에 대해 불규칙하게 변화됩니다.
- 스케일 다양성 : 난류는 다양한 크기와 스케일에서 나타납니다. 큰 규모의 난류는 작은 규모의 난류들이 모여 형성되기도 하며, 이러한 다양한 스케일 유동이 서로 상호작용하며 복잡한 구조를 형성 시킵니다.
- 확산 및 혼합 (mixing) : 유체의 확산과 혼합에 영향을 줍니다. 난류 유동 내 유체가 불규칙하게 혼합되므로, 두 유체가 만나는 지점에서 화학 반응이나 열 전달 등의 프로세스가 증가됩니다.
- 예측, 모델링의 어려움 : 앞서 언급한 대로, 예측하기가 매우 어렵고, 복잡하기에 이를 정확히 모델링 하거나 시뮬레이션 할 수 없습니다.
난류 연구는 난류를 완전히 이해하고 정확히 제어하는 것을 목표로, 전산 수치해석, 실험 연구, 이론적 접근 등을 통해 연구하고 있습니다. 난류 이해는 항공, 해양, 자동차, 에너지 생산 및 유통 등 다양한 산업에 영향을 미치며, 효율적인 시스템 설계 및 운영을 위해 중요한 역할을 합니다.
난류 유동 제어
- 장애물 및 형상 최적화 : 구조물의 형상 및 크기 등을 최적화하여 난류 발생을 최소화 하거나, 특정 방향으로만 유도하는 기술로 접목 가능합니다.
- 유체의 표면 처리 (surface treatment) : 특정 표면 처리 기술을 통해 유체와 표면 간 상호작용을 통한 난류도 억제 및 제어합니다. 핵심이 되는 파라미터는 아래와 같습니다.
- 표면 거칠기 (roughness)
- 표면 텍스쳐
- 진동제어 : 구조물에 미세한 진동을 가해 유체의 난류 생성을 억제하는 기술입니다. 이로 인해 난류 발생 주파수가 변화하거나, 난류 에너지가 분산 또는 소산되어 유동이 안정성이 향상됩니다.
- 유동제어 장치 사용 : 난류 유동을 조절하기 위해 다양한 제어 장치를 사용합니다. 예를 들어, 선박 슬롯, 스태커 또는 자동차 vortex generator 등을 통해 유동 박리 (flow separation)을 지연 시켜 후류 (wake) 영역 감소 및 항력 감소, 연비 증가 등의 효과를 모색 할 수 있습니다.
이러한 기술들은 난류 유동을 제어하거나 효율성을 향상 시켜, 예상치 못한 문제를 예방하는데 도움을 줄 수 있습니다. 그러나 난류는 복잡하고 다양한 특성을 가지므로, 특정 상황에 가장 적합한 제어 방법을 선택하고 개발하기 위해서는 오랜 기간의 심층적인 연구와 실험이 필요합니다.
마치며
오늘은 난류와 난류 유동에 대한 개념적인 설명 위주로 말씀드렸습니다. 심화 편에서는 이론석 설명을 바탕으로 기본 유체역학 수준의 난이도로 중요 지배 방정식 및 물리적 의미를 해석하도록 하겠습니다.