김*희

유체역학에서는

Laminar flow와
Turbulent flow를
Reynolds#(관성력과 점성력의 상관관계)를 이용해서 정의하는데

유체가 흐르는 속도에 비해서
점성력이 상대적으로 커서
유체를 구성하는 각 분자들이
서로 층(=lamina)을 이루며
부드럽게 흐를 때
우리는 이를 Laminar flow라고 말하고,

유체가 가지는 점성력에 비해서
흐르는 속도가 상대적으로 커서
유체를 구성하는 각 분자들이
서로 불규칙적으로 부딪히고 엉키면서
복잡하게 흐를 때
우리는 이를 Turbulent flow라고 말합니다.

어떤 dimension에서 흐르냐에 따라
이를 구분하는 Re수가 달라지는데
보통 Re수가 클 때 Turbulent라고 할 수 있습니다.

질문하신 내용에서
Steady flow와
Unsteady flow가 나오는데

Steady라는 말의 의미는
시간에 따라서 열역학적 상태량이 변하지 않는다는 것입니다.

즉, 어떤 포인트를 하나 붙잡고
내가 계속 관찰할 때
그 지점에서의 압력이나 속도, 온도 등이
시간에 따라 변하지 않고 일정한 상황일 때
우리는 이 상태가 steady하다고 합니다.

반대로, 어떤 포인트를 하나 붙잡고
내가 계속 관찰할 때
그 지점에서의 상태량이
시간에 따라 계속 변하고 불규칙하여 예측이 어렵다면
우리는 이 상태를 undsteady하다고 말할 수 있겠습니다.

이제 우리가
Laminar/Turbulent/Steady/Unsteady라는 개념을 모두 정리했기 때문에

Laminar/Turbulent
그리고
Steady/Unsteady

이 2*2가지 정의를 하나하나 연결시켜볼 수 있습니다.

일단, 학생분께서 질문주신 것과 같이
Turbulent는
점성력에 비해 속도가 커서
불규칙하고 vortex등의 복잡한 흐름이 생긴다는 것을 고려할 때
Turbulent flow는 unsteady flow라는 것을 쉽게 알 수 있을 겁니다.
(번역으로 Turbulent flow를 난류라고 부르는 이유기도 하죠.)

문제는 Laminar flow인데
Laminar는
관성력에 비해 점성력이 상대적으로 커서
분자 입자들이 층을 이루며 부드럽게 흐르는 양상을 띠는 것으로 볼 때
Laminar flow를 steady flow라고 하는 것이 당연할 것 같습니다.

그러나 혹시 질문하신 것처럼
Laminar flow인데 unsteady할 수 있을까요?

이는 매우 모순적으로 들리기는 합니다.

제가 유체 전공이 아니라서 잘 모르겠는데
조금 검색을 해보니
유체 전공을 하는 사람들 중에
unsteady한 laminar flow를 연구하는 사람이 있는 것 같기도 합니다.

저는 이게 상당히 모순적으로 들리지만,
그분들 입장에서는
Re수가 엄청 작은데도 불구하고
vortex shedding등의 현상이 나오는 경우를
Turbulent flow라고 지칭하기 보다는
Unsteady lamniar flow라고 말하는 것이 통용되는 것으로 보입니다.

참고: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0377025709000731

질문에 대한 답이 될지는 모르겠지만
저라면 너무 복잡하게 생각하지 않고
Laminar = Steady
Turbulent = Unsteady
라고 생각할 것 같습니다.

이후에 유체전공을 하시게 되면
필요에 따라서 재정리하시면 될 것입니다.

아무쪼록 제 답변이 학습에 도움이 되었기를 바랍니다.

제가 참고했던 다른 자료도 아래에 첨부드리니
영어가 편하시다면 아래의 논의 또한 참고해보세요.

감사합니다.

https://www.quora.com/What-is-an-unsteady-laminar-fluid-flow 

• 2022-05-15
• 2024-12-12 수정