유체 역학

유체는 무작위로 배열된 분자들의 모임으로, 액체와 기체를 통칭한다. 공학적으로 유체는 연속체라는 가정하에 전단 응력에 따른 변형력을 수리적 또는 정량적으로 확인할 수 있는 물체로 기술된다. 유체의 주요 성질은 다음과 같다.

• 유동성: 물질이 흐르는 성질이다.
• 점성: 전단 응력 및 유체 마찰에 대한 저항을 나타내며, 유체의 끈적거리는 정도를 의미한다.
• 밀도 및 압력: 유체의 단위 부피당 질량과 단위 면적당 작용하는 힘이다.

유체 역학은 고대 농경사회에서 폭우와 홍수에 대비하기 위해 벽돌을 쌓거나 운하, 저수지, 하수도 등을 건설하면서 시작되었다. 초기에는 물의 흐름과 마찰에 대한 피상적인 연구인 수력학(Hydraulics) 수준이었으나, 이후 여러 과학자의 이론과 실험이 더해지며 현대의 유체 역학으로 발전하였다.

유체 역학은 유체의 상태와 종류에 따라 다음과 같이 분류된다.

상태에 따른 분류

• 유체 정역학: 정지 상태에 있는 유체의 압력 분포와 힘을 연구한다.
• 유체 동역학: 운동 중인 유체의 흐름과 물리적 현상을 연구한다.

대상에 따른 분류

• 수역학: 액체를 대상으로 하는 연구이다.
• 기체역학: 기체를 대상으로 하는 연구이다.

최근에는 컴퓨터 기술의 발달로 유체의 흐름을 수치적으로 해석하는 전산유체역학(CFD)이 널리 활용된다.

유체 역학의 운동을 기술하는 가장 대표적인 식은 나비에-스토크스 방정식이다. 이 방정식은 유체의 속도, 외력, 밀도, 압력, 점성 계수 간의 관계를 나타낸다.

$\frac{ \partial \mathbf{u}}{ \partial t}+\left( \mathbf{u} \cdot \nabla \right)\mathbf{u}=\mathbf{f}-\frac{1}{\rho}\nabla p + \nu \nabla ^{2}\mathbf{u}$

여기서 $\mathbf{u}$는 유체의 속도, $\mathbf{f}$는 단위 체적당 외력, $\rho$는 밀도, $p$는 압력, $\nu$는 점성 계수를 의미한다. 또한 유동 해석에서 에너지 보존을 다루는 베르누이 방정식도 중요한 위치를 차지한다.

유체 역학의 원리는 실생활과 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 응용된다.

• 기계 장치: 펌프, 송풍기, 팬, 압축기, 터빈 등.
• 운송 수단: 항공기, 선박, 자동차의 설계 및 공기역학적 해석.
• 생체 및 환경: 인체의 인공순환장치, 난방 배관, 골프공의 궤적 해석 등.
• 기타: 파이프 유동, 개수로 유동, 압축성 유동 해석.