교과목개요
정지하고 있는 유체를 취급하는 것은 유체정역학, 움직이는 유체를 다루는 것은 유체동역학이다. 유체의 종류로서 공기를 대상으로 하는 것을 공기역학, 물을 대상으로 하는 것을 수역학이라고 한다. 유체역학은 옛날부터 역학의 일부분으로 발전되어 왔는데, 그것이 공학의 여러 분야와 밀접한 관계를 가지고 있다는 것이 밝혀지면서 각각의 분야에서 급격하게 발전하였다. 예를 들면 기상학의 경우 대기의 운동, 선박공학의 경우 배의 주행저항이나 안정성에 관한 문제, 토목공학의 경우 개천이나 수로의 흐름, 화학공학의 경우 반응 기체나 액체의 운동 등을 들 수 있다. 특히 항공공학의 경우는 공기역학에 더 많은 노력을 기울였다. 20세기 유체역학의 발달은 대부분 항공공학과 관련되어 있다고 할 수 있다.
유체역학 이론은 몇 개의 기초방정식을 기본으로 한다. 우선 힘과 가속도의 관계식은 나비에-스토크스방정식이라 한다. 다음으로 유체는 연속체임을 나타내는 연속방정식이 있고, 열역학에는 에너지보존에 관한 식이 있다. 또 유체의 온도·압력·밀도 사이의 관계를 나타내는 상태방정식이 있다. 그러나 이들을 사실대로 해석하는 것은 불가능하므로, 수학적인 어려움을 줄이기 위해 적당히 단순화한 후, 근사계산을 하고 있다. 완전유체(이상유체)에 관한 역학은 가장 간단한 것으로, 여기서는 유체에 점성도 압축성도 없다고 가정한다. 이 경우 기초방정식은 해석하기 쉬운 형태가 되므로, 그 결과를 통하여 물체 주위의 흐름을 파악할 수 있다. 물론 이것은 근사한 수치이지만, 비행기 날개가 받는 양력의 계산 등은 실험결과와 잘 일치하므로 중요한 성과로 간주한다.
그러나 이 이론에 의하면 물체에 저항이 작용하지 않는다는 결론을 얻는다. 이것이 달랑베르의 패러독스이다. 점성유체에 대한 역학은 점성력이 무시할 수 없을 정도로 큰 경우를 선택하여 다룬다. 흐름에 대한 레놀즈수가 매우 작은 경우에는 관성력이 점성력에 비하여 작으므로, 운동방정식 결과를 쉽게 구할 수 있으며, 계산한 물체의 저항은 실험값과 잘 일치한다.
그러나 레이놀즈수가 커지면 관성력이 작아진다고 할 수 없다. 이 경우 사용하는 것이 L.프란틀이 제안한 경계층이론이다. 프란틀은 물체와 매우 가까운 곳의 경계층이라고 하는 얇은 층에 한해 점성력이 작용한다고 가정하여, 운동방정식을 단순화하였다. 그 후 이 이론이 발전하여 흐름이 층흐름인 경우, 특별한 형태의 물체를 제외하고 물체 주위의 경계층을 계산하여, 유체와의 마찰에 의해 물체가 받는 힘을 알 수 있게 되었다. 그러나 흐름이 층흐름으로 유지되는 경우는 매우 적다. 레놀즈수가 커지면 층흐름은 난류로 변한다.
난류의 발생에 대해서는 층흐름 안정의 이론이 있다. 흐름이 난류로 바뀌고 나서의 경우를 취급하는 난류이론은 수학적으로 어려움이 있으므로 아직 발전 초기단계에 머물러 있다. 가장 단순한 등방성 난류에 관한 이론조차도 불완전한 점이 많고, 더구나 난류경계층처럼 복잡한 것에 대해서는 실험적인 이론밖에 없다. 유속이 음속 또는 그 이상이 되면 유체 압축성의 영향이 강하게 나타난다. 이 경우에는 유체의 밀도·온도가 변하므로 상태는 매우 복잡해진다. 그러나 우선 유체의 점성을 무시하면 운동방정식은 간단하게 된다.
흐름 속에 아음속(亞音速)인 부분과 초음속인 부분이 동시에 존재할 경우에는, 아음속인지 초음속인지에 의해 유체에 주어진 교란의 전달방법이 달라지므로 해를 구하는 것이 어려워진다. 그러한 흐름을 조사하는 것이 천음속공기역학이다. 그리고 흐름이 전 영역에 걸쳐 음속을 초과하는 경우를 조사하는 것을 초음속공기역학이라고 한다.
이들 이론은 이상유체의 경우와 마찬가지로 대략 흐름의 모양을 아는 데 도움이 된다. 또 날개이론에 적용하여 성과를 얻었다. 압축성 유체 속에서 폭발이 일어나거나 많은 교란이 집적하면, 충격파가 발생하여 그 전후 과정에서 압력·온도·밀도 등에 급격한 변화가 생긴다. 이러한 충격파의 형태·전달·성장·감쇠 등을 조사하는 것이 충격파이론이다. 유속이 빨라져서 음속의 수 배나 십수 배가 되면 점성을 생략하고 취급하는 것이 아무 의미가 없다. 물체 앞쪽에서 나온 충격파가 물체 표면의 경계층과 강하게 간섭하기 때문이다. 이 범위를 연구대상으로 하는 것이 극초음속 공기역학이다.
압축성 유체의 경계층은 층흐름에 관해서는 많은 것이 알려져 있지만, 전이 또는 난류경계층에 관한 것은 거의 알려져 있지 않다. 또 극초음속 범위에서는 경계층 속에서 온도가 매우 높아지므로, 기체분자의 일부가 해리되거나 이온화한다. 이 경우에는 분자론적으로 취급해야 한다. 유체가 도전적(導電的)인 경우, 유체의 운동은 전기장·자기장에 의해 영향을 받는다. 행성 사이의 물질이나 태양 내에 있는 물질의 운동을 연구하는 경우에는 그들이 이온화되어 있다는 것을 고려해야 하는데, 이러한 유체의 운동을 조사하는 것이 전자기유체역학이다.
교수목표
주요 학습내용 및 수업진행방법
일상에서 자주 접하게 되는 자연현상을 통해 유체역학에 관심을 갖도록 유도한다.
교과서를 중심으로 강의식 수업을 진행하며 이론의 응용사례를 예제문제와 관련된 비디오를 활용하여 이해도를 향상시킨다.
학습 성과 평가방법
평가는 출석, 시험, 과제를 종합해서 평가하며 각 항목의 비율은 다음과 같다.
* 중간고사 40%
* 기말고사 40%
* 출석 10%
* 과제 10%
교재 및 참고문헌
교재 : "Engineering Fluid Mechanics 9h", Roberson/Crowe저