유체란?

유체는 고체에 비해 모양이 일정하지 않다. 따라서, 모양이 쉽게 변하고, 자유성이 뛰어나, 쉽게 흐를 수 있는 것을 총칭한다. 그에 따라, 액체, 기체 및 플라즈마가 유체에 속한다. 그런 유체의 흐름 및 특성에 관하여 연구하는 학문이 유체역학이다.

유체는 점성에 따라 크게 두 가지로 나뉘는데, 뉴턴 유체와 비 뉴턴 유체이다.

뉴턴 유체는 아이작 뉴턴의 이름을 딴 용어로써, 전단변형률과 전단응력과의 관계는 선형적인 관계를 가지고 있으며, 그 관계 곡선이 원점을 지나는 유체를 말하는 것이다. 그와 관련된 비례 상수가 점성 계수이다. 

비 뉴턴 유체는 일정한 점도를 따르지 않는, 다시 말해, 뉴턴의 점성 법칙 및 응력에 무관한 유체를 뜻한다. 
비 뉴턴 유체에서의 점도는 힘이 강도에 따라서 더 액체 또는 더 고체로 변할 수 있다. 예를 들어 설명하자면, 녹고 있는 초콜릿, 꿀, 샴푸 등과 같이 우리 주변에서 흔히 사용되고 있는 물질들이 비 뉴턴 액체라고 말할 수 있다.

또한, 압축성에 따라 유체를 구분할 수도 있는데, 크게 압축성 유체와 비압축성 유체로 구분이 가능하다.

 

 

압축성 유체는 유체가 초음속이 되거나, 유체에 압력을 가하는 경우, 유체의 체적이 감소하거나, 유체의 밀도가 변하는 경우를 압축성 유체라고 말한다.

비압축성 유체는 유속이나 압력이 변함에 따라 체적이 변하지 않는 경우로, 밀도를 무시할 수 있는 유체를 말하며, 일반적인 예로 들면, 물과 기름과 같은 유체를 말한다.

뉴턴 유체와 비압축성 유체는 실제로 존재하지는 않으나, 이론적인 정립을 위해 있다고 가정하고 있으며, 그 과정으로 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)에 적용할 수 있다. 또한, 압축성과 점성의 영향을 무시하는 유체를 이상적 유체, 즉, ideal fluids라고 한다.

유체는 대중적으로 하기와 같은 물리적 특징을 가지고 있다.

1. 점성(외부 압력에 저항하는 특성)을 가지고 있고, 특수한 상황에서는 점성을 가지고 있지 않다.

2. 유동성을 가지고 있다는 특징이 있다.

유체는 고체와는 다른 특성을 가지고 있는데, 그 특징은 다음과 같다.

치밀성 및 강성을 가지고 있지 않으며 전단응력이 발생하는 경우에도 연속적(Continuity)으로 변형한다. 물질을 구성하는 분자들의 상호 간 거리를 비교해보면 고체에 비해 액체, 기체 순으로 거리가 증가한다.

또한, 유체역학을 잘 이해하기 위한 기본적인 물리량에 관하여 이야기하겠다.

1. 밀도(Density, kg/m3)
밀도는 물체의 내부에 물체를 구성하는 입자의 조밀도를 말하며, 채적내에 포함되어 있는 유체의 질량을 의미한다.

2. 압력(Pressure, N/m2)
압력은 단위면적 당 작용하는 힘으로, 계기압력과 절대압력으로 구분할 수 있다.
계기압력은 국소 대기압을 기준으로 측정한 압력을 뜻하며, 절대압력은 완전 진공을 기준으로 측정한 압력을 말한다.

3. 비체적(Specific Volume, m3/kg)
비체적은 밀도의 역수이며, 단위 질량당 유체가 차지하는 체적을 뜻한다.
여기서, 밀도는 주로 액체에서 활용하며, 비체적은 주로 기체에서 활용한다.

위와 같은 유체를 공부하는 학문이 바로 유체 역학이다.

유체역학이라는 학문은 액체 및 기체의 정역학과 동역학적인 측면에서 힘 및 에너지 등을 분석하는 학문으로, 조금 더 깊게 들어가면, 유체 정역학은 정수력과 부력을 다루는 학문이며, 움직임을 다루는 학문은 유체 동역학이다.
이 학문은 유압기기, 팬, 압축기, 터빈 등의 유체를 베이스로 하는 기계의 설계를 할 때의 필수적인 학문일 뿐만 아니라, 기계공학, 항공 역학, 토목공학 등에 널리 활용되고 있다.
유체역학을 기본으로 여러 학문이 파생되었으며, 대표적으로는 공기역학, 수력학, 기체역학, 다상유동 등이 있다. 

특히, 유체역학을 기본으로 하는 CFD는 다양한 유동 현상 등을 모사할 수 있다.
예를 들어, 정통 유체역학, 항공기, 플랜트, 기상 및 자동차와 같은 분야에서도 널리 활용된다. 

CFD에 관해서는 다음에 자세히 다뤄보도록 하겠다.

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