기체역학
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1. 개요
기체역학은 기체의 거동을 연구하는 역학의 한 분야로, 초음속 비행의 발달과 함께 발전해왔다. 기체역학은 기체가 브라운 운동을 하는 작은 입자라는 이론을 바탕으로, 온도, 압력, 밀도와 같은 기체의 거시적 특성이 입자 충돌의 결과임을 설명한다. 기체역학의 기본 개념으로는 유체의 정의, 실제 기체의 특징, 충격파, 마찰과 압축성 흐름 등이 있으며, 특히 압축성 유동, 비압축성 유동, 점성, 열전도율, 확산 등 유체의 세부적인 특성을 다룬다. 충격파는 초음속 유동장에서 유체 특성의 급격한 변화를 일으키는 현상으로, 수직 충격파와 사선 충격파로 구분되며, 정상 수직 충격파와 이동 수직 충격파의 특징을 연구한다.
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| 기체역학 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 분야 | 유체역학 |
| 하위 분야 | 기체의 운동을 다룸 |
| 관련 학문 | 열역학 통계역학 분자동역학 |
| 설명 | |
| 정의 | 기체의 흐름과 그 역학적 성질을 연구하는 물리학의 한 분야 |
| 연구 대상 | 기체의 압력 밀도 온도 속도 |
| 특징 | 기체의 압축성 점성 열전도율 |
| 적용 분야 | 항공기 설계 로켓 설계 엔진 개발 기상 예측 산업 설비 설계 |
| 역사 | |
| 기원 | 19세기, 증기 기관의 발달과 함께 시작 |
| 주요 연구자 | 에른스트 마흐 루트비히 프란틀 시오도어 폰 카르만 |
| 주요 개념 | |
| 마하 수 | 기체의 속도를 음속으로 나눈 값 |
| 충격파 | 초음속으로 움직이는 물체에 의해 발생하는 압력파 |
| 팽창파 | 기체가 팽창하면서 발생하는 압력 감소파 |
| 점성 | 기체의 흐름에 대한 저항 |
| 열전도율 | 기체를 통해 열이 전달되는 정도 |
| 관련 법칙 | |
| 기체 상태 방정식 | 기체의 압력, 부피, 온도 사이의 관계를 나타내는 식 |
| 나비에-스토크스 방정식 | 점성 유체의 운동을 기술하는 방정식 |
| 오일러 방정식 (유체역학) | 비점성 유체의 운동을 기술하는 방정식 |
| 참고 문헌 | |
| 서적 | E. 라타크리슈난, 《기체 역학》, 프렌티스 홀 오브 인디아 Pvt. Ltd, 2006, ISBN 81-203-0952-9 월터 G. 빈센티, 찰스 H. 크루거 주니어, 《물리 기체 역학 소개》, 크리거 출판사, 2002 (초판 1965), ISBN 0-88275-309-6 |
| 외부 링크 | |
| 참고 자료 | 기체역학 - 브리태니커 국제 대백과사전 |
2. 역사
기체역학의 발전은 초음속 비행의 발달과 함께 이루어졌다. 항공기가 더 빠르게 이동하면서 공기의 밀도가 변하기 시작했고, 음속에 접근하면서 공기 저항이 크게 증가했다. 이 현상은 풍동 실험에서 항공기 주변에 충격파가 형성되면서 발생하는 효과로 확인되었다.[3] 제2차 세계 대전 중 및 이후의 거동을 설명하기 위한 주요 발전이 이루어졌으며, 압축성 및 고속 흐름에 대한 새로운 이해가 기체역학 이론이 되었다.
기체가 브라운 운동을 하는 작은 입자라는 구성이 널리 받아들여지고 온도, 압력 및 밀도와 같은 기체의 거시적 특성이 움직이는 입자의 충돌의 결과임을 확인하는 수많은 정량적 연구가 이루어졌다.[3] 기체 동역학 연구는 기체역학의 점점 더 통합된 부분이 되었다. 기체역학에 대한 현대적인 서적과 수업은 종종 동역학 이론의 소개로 시작되었다.[2][4] 분자 모델링이 컴퓨터 시뮬레이션에 등장하면서 동역학 이론은 오늘날 기체역학 연구에서 매우 중요한 주제가 되었다.[5][6]
2. 1. 초음속 비행과 기체역학
기체역학의 발전은 초음속 비행의 발달과 함께 이루어졌다. 항공기가 더 빠르게 이동하면서 공기의 밀도가 변하기 시작했고, 음속에 접근하면서 공기 저항이 크게 증가했다. 이 현상은 풍동 실험에서 항공기 주변에 충격파가 형성되면서 발생하는 효과로 확인되었다.[3] 제2차 세계 대전 중 및 이후의 거동을 설명하기 위한 주요 발전이 이루어졌으며, 압축성 및 고속 흐름에 대한 새로운 이해가 기체역학 이론이 되었다.기체가 브라운 운동을 하는 작은 입자라는 구성이 널리 받아들여지고 온도, 압력 및 밀도와 같은 기체의 거시적 특성이 움직이는 입자의 충돌의 결과임을 확인하는 수많은 정량적 연구가 이루어졌다.[3] 기체 동역학 연구는 기체역학의 점점 더 통합된 부분이 되었다. 기체역학에 대한 현대적인 서적과 수업은 종종 동역학 이론의 소개로 시작되었다.[2][4] 분자 모델링이 컴퓨터 시뮬레이션에 등장하면서 동역학 이론은 오늘날 기체역학 연구에서 매우 중요한 주제가 되었다.[5][6]
2. 2. 기체 운동 이론
3. 기체역학의 기본 개념
기체역학은 분자가 포함된 구조를 무시하지 않고, 두 기체 분자가 충돌하는 거리의 평균값을 개괄적으로 다룬다. 이 분야는 기체 운동 이론에 대한 상당한 지식과 실용적인 적용을 필요로 하며, 기체가 표면과 어떻게 반응하는지에 대한 연구를 통해 기체 운동 이론과 고체 물리학을 연결한다.
유체는 엄청난 양의 응력 하에서 영구적으로 변하지 않는 물질이다. 고체는 많은 응력 하에서 평형을 유지하기 위해 변형되는 경향이 있다. 유체는 액체와 기체 모두로 정의되는데, 유체 내부의 분자가 고체에 포함된 분자보다 훨씬 약하기 때문이다. 액체의 관점에서 유체의 밀도를 언급할 때, 압력이 증가함에 따라 액체의 밀도는 작은 비율로 변화한다. 유체가 기체로 언급되는 경우, 기체의 상태 방정식(p=ρRT)에 따라 가해지는 압력의 양에 따라 밀도가 크게 변한다. 액체의 흐름 연구에서 밀도의 작은 변화를 언급할 때 사용되는 용어는 비압축성 흐름이라고 한다. 기체의 흐름 연구에서 압력 증가로 인한 급격한 증가는 압축성 흐름이라고 한다.[8]
실제 기체는 압축성(z)으로 특징지어지며, 이는 식 ''PV'' = ''zn''0''RT''로 나타낼 수 있다. 압력 ''P''를 온도 ''T''가 일정할 때 부피 ''V''의 함수로 설정하면, 이상 기체에서 나타나는 쌍곡선 관계가 시작되어 온도가 매우 높아진다. 그래프의 기울기가 0이 되어 유체의 상태가 액체와 증기 사이에서 변할 때 임계점에 도달한다. 이상 기체의 성질에는 점성, 열전도도, 확산 등이 있다.[4]
기체의 점성은 기체 분자들이 층에서 층으로 서로를 지나면서 발생하는 분자 이동의 결과이다. 기체는 서로를 통과하는 경향이 있으므로, 더 빠르게 움직이는 분자의 속도(운동량 형태)가 더 느리게 움직이는 분자의 속도를 증가시킨다. 더 느리게 움직이는 분자가 더 빠르게 움직이는 분자를 통과하면, 더 느리게 움직이는 입자의 운동량이 더 빠르게 움직이는 입자의 속도를 감소시킨다. 분자들은 마찰 항력이 두 분자의 속도를 같게 만들 때까지 계속 작용한다.[4]
기체의 열전도율은 기체의 점성 분석을 통해 찾을 수 있지만, 분자는 정지해 있고 기체의 온도만 변하는 경우를 가정한다. 열전도율은 특정 면적을 통해 특정 시간 동안 전달되는 열의 양으로 정의된다. 열전도율은 항상 온도 기울기의 반대 방향으로 흐른다.[4]
기체의 확산은 기체가 정지된 상태에서 기체의 균일한 농도로 구성되는 현상이다. 확산은 두 기체 간의 농도 기울기가 약해지면서 두 기체 간의 농도 변화를 의미한다. 확산은 시간의 경과에 따른 질량 수송이다.[4]
3. 1. 유체의 정의
유체는 엄청난 양의 응력 하에서 영구적으로 변하지 않는 물질이다. 고체는 많은 응력 하에서 평형을 유지하기 위해 변형되는 경향이 있다. 유체는 액체와 기체 모두로 정의되는데, 유체 내부의 분자가 고체에 포함된 분자보다 훨씬 약하기 때문이다. 액체의 관점에서 유체의 밀도를 언급할 때, 압력이 증가함에 따라 액체의 밀도는 작은 비율로 변화한다. 유체가 기체로 언급되는 경우, 기체의 상태 방정식(p=ρRT)에 따라 가해지는 압력의 양에 따라 밀도가 크게 변한다. 액체의 흐름 연구에서 밀도의 작은 변화를 언급할 때 사용되는 용어는 비압축성 흐름이라고 한다. 기체의 흐름 연구에서 압력 증가로 인한 급격한 증가는 압축성 흐름이라고 한다.[8]3. 1. 1. 압축성 흐름과 비압축성 흐름
유체는 엄청난 양의 응력 하에서 영구적으로 변하지 않는 물질이다. 고체는 많은 응력 하에서 평형을 유지하기 위해 변형되는 경향이 있다. 유체는 액체와 기체 모두로 정의되는데, 유체 내부의 분자가 고체에 포함된 분자보다 훨씬 약하기 때문이다. 액체의 관점에서 유체의 밀도를 언급할 때, 압력이 증가함에 따라 액체의 밀도는 작은 비율로 변화한다. 유체가 기체로 언급되는 경우, 기체의 상태 방정식(p=ρRT)에 따라 가해지는 압력의 양에 따라 밀도가 크게 변한다. 액체의 흐름 연구에서 밀도의 작은 변화를 언급할 때 사용되는 용어는 비압축성 흐름이라고 한다. 기체의 흐름 연구에서 압력 증가로 인한 급격한 증가는 압축성 흐름이라고 한다.[8]3. 2. 실제 기체
실제 기체는 압축성(z)으로 특징지어지며, 이는 식 ''PV'' = ''zn''0''RT''로 나타낼 수 있다. 압력 ''P''를 온도 ''T''가 일정할 때 부피 ''V''의 함수로 설정하면, 이상 기체에서 나타나는 쌍곡선 관계가 시작되어 온도가 매우 높아진다. 그래프의 기울기가 0이 되어 유체의 상태가 액체와 증기 사이에서 변할 때 임계점에 도달한다. 이상 기체의 성질에는 점성, 열전도도, 확산 등이 있다.[4]
3. 2. 1. 압축성 (Compressibility)
(내용 없음)3. 2. 2. 점성 (Viscosity)
기체의 점성은 기체 분자들이 층에서 층으로 서로를 지나면서 발생하는 분자 이동의 결과이다. 기체는 서로를 통과하는 경향이 있으므로, 더 빠르게 움직이는 분자의 속도(운동량 형태)가 더 느리게 움직이는 분자의 속도를 증가시킨다. 더 느리게 움직이는 분자가 더 빠르게 움직이는 분자를 통과하면, 더 느리게 움직이는 입자의 운동량이 더 빠르게 움직이는 입자의 속도를 감소시킨다. 분자들은 마찰 항력이 두 분자의 속도를 같게 만들 때까지 계속 작용한다.[4]3. 2. 3. 열전도율 (Thermal Conductivity)
기체의 열전도율은 기체의 점성 분석을 통해 찾을 수 있지만, 분자는 정지해 있고 기체의 온도만 변하는 경우를 가정한다. 열전도율은 특정 면적을 통해 특정 시간 동안 전달되는 열의 양으로 정의된다. 열전도율은 항상 온도 기울기의 반대 방향으로 흐른다.[4]3. 2. 4. 확산 (Diffusion)
기체의 확산은 기체가 정지된 상태에서 기체의 균일한 농도로 구성되는 현상이다. 확산은 두 기체 간의 농도 기울기가 약해지면서 두 기체 간의 농도 변화를 의미한다. 확산은 시간의 경과에 따른 질량 수송이다.[4]4. 충격파
충격파는 초음속 유동장 내의 압축 전선으로 묘사될 수 있으며, 전선을 통과하는 유동 과정은 유체 특성의 급격한 변화를 초래한다. 충격파의 두께는 유동장 내 기체 분자의 평균 자유 경로와 유사하다.[1] 즉, 충격파는 온도, 압력 및 속도에 큰 기울기가 발생하고 운동량 및 에너지의 수송 현상이 중요한 얇은 영역이다. 수직 충격파는 유동 방향에 수직인 압축 전선이다. 그러나 다양한 물리적 상황에서 유동에 대해 특정 각도로 기울어진 압축파가 발생한다. 이러한 파동을 사선 충격파라고 한다. 실제로 외부 유동에서 자연적으로 발생하는 모든 충격파는 사선 충격파이다.[9]
4. 1. 충격파의 특징
충격파는 초음속 유동장 내의 압축 전선으로 묘사될 수 있으며, 전선을 통과하는 유동 과정은 유체 특성의 급격한 변화를 초래한다. 충격파의 두께는 유동장 내 기체 분자의 평균 자유 경로와 유사하다.[1] 즉, 충격파는 온도, 압력 및 속도에 큰 기울기가 발생하고 운동량 및 에너지의 수송 현상이 중요한 얇은 영역이다. 수직 충격파는 유동 방향에 수직인 압축 전선이다. 그러나 다양한 물리적 상황에서 유동에 대해 특정 각도로 기울어진 압축파가 발생한다. 이러한 파동을 사선 충격파라고 한다. 실제로 외부 유동에서 자연적으로 발생하는 모든 충격파는 사선 충격파이다.[9]4. 2. 정상 수직 충격파 (Stationary Normal Shock Waves)
정상 충격파는 유동 방향의 수직 방향으로 진행하는 것으로 분류된다.[10] 예를 들어, 피스톤이 튜브 내부에서 일정한 속도로 움직이면 튜브 아래로 이동하는 음파가 생성된다.[10] 피스톤이 계속 움직이면 파동이 합쳐지기 시작하여 튜브 내부의 기체를 압축한다.[10] 정상 충격파와 함께 제공되는 다양한 계산은 충격파가 포함된 튜브의 크기에 따라 달라질 수 있다.[10] 수렴-발산 노즐 및 면적이 변화하는 튜브와 같은 이상 현상은 부피, 압력 및 마하 수와 같은 계산에 영향을 미칠 수 있다.[10]4. 3. 이동 수직 충격파 (Moving Normal Shock Waves)
정지된 수직 충격파와 달리, 움직이는 수직 충격파는 실제 상황에서 더 흔하게 발생한다. 예를 들어, 대기권에 진입하는 둔탁한 물체는 움직이지 않는 기체 매체를 통해 전달되는 충격을 받는다. 움직이는 수직 충격파에서 발생하는 기본적인 문제는 정지된 기체를 통과하는 수직 충격파의 순간이다. 움직이는 충격파의 관점은 이를 움직이는 충격파 또는 정지된 충격파로 특징짓는다. 대기권에 진입하는 물체의 예는 충격파와 반대 방향으로 이동하는 물체를 묘사하며, 이는 움직이는 충격파를 발생시키지만, 만약 물체가 충격파를 타고 우주로 발사된다면, 이는 정지된 충격파로 보일 것이다. 움직이는 충격파와 정지된 충격파의 속도 및 충격비와 관련된 관계와 비교는 광범위한 수식을 통해 계산할 수 있다.[11]4. 3. 1. 한국의 우주 개발과 충격파
(내용 없음)5. 마찰과 압축성 흐름
마찰력은 덕트 내 압축성 흐름의 유동 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 계산에서 마찰은 포함되거나 배제된다. 마찰이 포함되면 압축성 흐름의 분석은 마찰이 포함되지 않은 경우보다 더 복잡해진다. 마찰이 분석에서 배제되면 특정 제한이 가해진다. 압축성 흐름에 마찰이 포함되면, 마찰은 분석 결과가 적용될 수 있는 영역을 제한한다. 가변적인 크기나 노즐과 같은 덕트의 형태는 마찰과 압축성 흐름 사이의 다양한 계산에 영향을 미친다.
참조
[1]
서적
Gas Dynamics
Prentice Hall of India Pvt. Ltd
[2]
서적
Introduction to Physical Gas Dynamics
Krieger publishing company
[3]
논문
Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen
[4]
서적
Gas Dynamics: Theory and Applications
J. Wiley
[5]
간행물
Studies in Molecular Dynamics. I. General Method
[6]
간행물
Correlations in the Motion of Atoms in Liquid Argon
[7]
문서
Rarefied Gas Dynamics: from Basic Concepts to Actual Calculations
Cambridge UP
[8]
문서
Gas Dynamics
Prentice Hall
[9]
서적
Applied Gas Dynamics, 2nd Edition
Wiley
[10]
문서
Gas Dynamics
Prentice Hall
[11]
문서
Gas Dynamics
Prentice Hall
[12]
문서
Gas Dynamics
Prentice Hall
[13]
웹사이트
気体力学
2022-09-06
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