NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 6, 2015 … 669
신기술 소개
난류흐름의 시작
(The rise of fully turbulent flow)
Barkley et al. Nature 526, 550 (2015) DOI:10.1038/nature15701
화학공학에서 유체흐름에 대한 이해는 중요하 다. 특히 파이프나 덕트안의 유체흐름은 벽면 때문 에 전단흐름이 가해지고 무차원수인 레이놀즈수(Re) 가 증가할수록 층류에서 난류로 넘어가게 된다. 난 류에 대한 이해는 화학공학에서 여러 가지 면에서 중요하지만, 아직까지 이론적인 접근은 부족한 편 이다. Barkley et al.은 파이프와 덕트에서 작은 왜란 이 발생하였을 때, 층류, 전이, 그리고 난류 영역에 서 어떻게 발달하는지, 실험 및 간단한 이론모델을 이용한 수칙해석을 통하여 해석하였다. 층류와 난류 가 공존하는 영역을 풀기위한 수학 모델은 반응-확 산(reaction-diffusion)모델이다. 반응은 두 가지의 안 정화된 (bistable) 상태를 나타내고 확산은 두 개의 안 정화된 상태사이의 의사소통(communication)을 나
타낸다. Barkley et al.은 여기에 advection(이류)를 도 입하여서, 층류에서 난류로의 전이가 일어나는 영역 을 모사하였다. 실험적으로 인위적인 난류왜란을 발 생시켰을 때 난류왜란이 다양한 Re영역에서 어떻게 발전하는지 실험으로 살펴보고 이를 그들의 모델로 잘 설명하였다 (그림 1). 이러한 간단한 수학적 모델 (advection-enhanced reaction diffusion model)에는 분 명히 한계가 존재하지만, 층류와 난류가 전이되는 영역을 수학모델로 나타낼 수 있다는 것에 큰 의미 를 둘 수 있을 것이다. 그리고 이러한 수학모델은 뉴 튼유체 이외에 비뉴튼유체의 층류에서 난류의 전이 에 대한 해석에도 물론 쉽지는 않겠지만 큰 도움이 될 수 있을 것이다.
그림 1. (a) In the laminar regime of smooth and steady flow, externally introduced perturbations soon disappear. (b) In the transitional regime, perturbations evolve into puffs — turbulent regions whose upstream and downstream fronts propagate at the same speed. The puffs travel without spreading. (c) In the turbulent regime, a localized perturbation spreads until it overruns the laminar flow that surrounds it. [Barkley et al. Nature 6, 8643 (2015) DOI:10.1038/nature15701]