항력만 재고 열전달을 맞힌다 — 레이놀즈 상사
Pr=7인 물에 보정 없는 Cf/2=St를 쓰면 열전달계수가 약 3.7배가 된다.
풍동에서 모형의 항력만 측정하고도 그 표면이 얼마나 빨리 식는지 계산할 수 있다. 황당하게 들리지만 실제로 항공기 날개와 터빈 블레이드의 열 설계에 쓰이는 방법이다. 마찰과 열전달이 같은 모양의 방정식을 따르기 때문이다. 닮은꼴이 어디서 나오는지 평판 코드로 맞춰 봤다. 끝나면 표면 마찰계수 하나로 열전달계수를 추정하는 식이 남는다.
경계층 두 개가 나란히 자란다#
벽 위를 유체가 지나가면 두 종류의 얇은 층이 생긴다. 하나는 속도가 0에서 자유류 값으로 회복되는 속도 경계층(momentum boundary layer)이다. 다른 하나는 온도가 벽 온도에서 자유류 온도로 바뀌는 열 경계층(thermal boundary layer)이다.
두 층은 같은 자리에서 시작해 함께 두꺼워진다. 그런데 두께가 항상 같지는 않다. 누가 더 빨리 퍼지는지를 결정하는 것이 Prandtl 수(운동량 확산도/열 확산도 비)다.
Pr 슬라이더를 0.1에서 10으로 밀면 열층과 속도층의 두께 비가 같이 바뀐다. log10 Re_L 슬라이더는 두 층의 절대 두께만 줄인다.
St · Pr^(2/3) = 1.050e-3 ← Pr≈1: C_f/2 = St
Pr을 1로 맞추면 두 곡선이 정확히 겹친다. Pr을 10까지 올리면 주황색 열 경계층이 파란색 속도 경계층 안쪽으로 얇아진다. 이 겹침이 상사(analogy)의 출발점이다.
무차원화하면 Re와 Pr만 남는다#
평판 위 정상 2차원 층류 경계층의 운동량·에너지 방정식은 이렇게 줄어든다.
여기서 는 속도 성분, 는 동점성계수(운동량 확산도), 는 열 확산도다.
좌표와 변수를 무차원화한다. , , 그리고 온도는 로 둔다. 는 벽 온도, 는 자유류 온도다. 대입하면 두 방정식 모두 단 두 개의 무차원 수로 표현된다.
는 Reynolds 수(관성력/점성력 비), 는 Prandtl 수다. 두 식의 모양이 거의 같다. 차이는 확산 항의 계수 하나뿐이다.
Prandtl 수 — 속도와 온도, 누가 더 두꺼운가#
Prandtl 수는 유체의 성질이다. 운동량이 퍼지는 속도와 열이 퍼지는 속도의 비를 잰다.
층류 평판에서 두 경계층 두께는 다음 관계를 따른다.
는 속도 경계층 두께, 는 열 경계층 두께다. 공기는 이라 두 층이 비슷하다. 물은 이라 열 층이 더 얇다. 엔진 오일은 이 수백이라 열 층이 매우 얇다. 수은 같은 액체 금속은 이라 열 층이 훨씬 두껍다.
공기의 이면 은 약 0.89다. 열층이 속도층보다 조금 두껍다. 물 이면 이라 열층이 절반 근처로 들어간다. 출력의 Nu가 그 비율이다. Pr 1에서 104.99, Pr 0.7에서 92.95(0.885배), Pr 7에서 200.50(1.91배). 은 Pr을 모른다. 마찰은 속도장 몫이고, 열은 그 위에 Pr만 얹는다. 운동론에서 μ와 k를 같이 뽑으면 Pr이 1.98배로 어긋나는 계수를 보면, Pr=1 가정이 어디서 갈라지는지 보인다.
닮은꼴 방정식이 되는 순간#
두 무차원 방정식을 다시 보자. 만약 압력 구배가 없고(), 이라면 어떻게 될까. 운동량 방정식과 에너지 방정식이 문자 그대로 같은 형태가 된다. 경계 조건도 같다. 벽에서 , 자유류에서 이다.
같은 방정식에 같은 경계 조건이면 해도 같다. 즉 다. 속도 분포와 온도 분포가 포개진다. 이것이 상사의 핵심이다. 두 과정이 같은 무차원 방정식을 따르면 서로 교환 가능하다.
레이놀즈 상사: Cf/2 = St#
벽에서의 기울기가 같으면 마찰과 열전달도 묶인다. 벽 전단응력에서 나오는 마찰계수와 벽 열유속에서 나오는 Nusselt 수가 같은 미분으로 정의되기 때문이다.
는 벽 전단응력, 는 대류 열전달계수, 는 유체 열전도도다. 이면 벽 기울기가 같으므로 다음이 성립한다.
Stanton 수(수정 Nusselt 수)를 도입하면 더 깔끔하다.
는 정압 비열이다. 이걸 위 식에 넣으면 레이놀즈 상사가 나온다.
마찰계수의 절반이 곧 Stanton 수다. 항력을 재면 열전달을 안다.
Pr이 1이 아닐 때 — Chilton-Colburn#
대부분의 유체는 이다. 다행히 작은 보정으로 살린다. 열 경계층 두께가 만큼 다른 점을 반영하면 다음 식을 얻는다.
이것이 Chilton-Colburn 상사(수정 레이놀즈 상사)다. 이면 이라 원래 식으로 돌아간다. 보정 지수 2/3은 두께 비 과 Stanton 분모의 Pr이 만나서 남는다. 이고 Nu가 에 비례하면 지수는 이다. 양쪽에 을 곱하면 Pr이 식에서 빠진다.
Python — 평판에서 마찰과 열을 함께 잰다#
상사를 숫자로 확인하자. Blasius 방정식으로 속도장을 풀어 를 얻는다. 같은 속도장으로 에너지 방정식을 풀어 를 얻는다. 그리고 이 와 맞는지 본다.
import numpy as np
def blasius_profile(eta_max=10.0, n=2000):
"""Blasius 방정식 f''' + 0.5 f f'' = 0 을 RK4 + 슈팅으로 푼다."""
deta = eta_max / n
def rhs(y): # y = [f, f', f'']
f, fp, fpp = y
return np.array([fp, fpp, -0.5 * f * fpp])
def integrate(s): # s = f''(0)
y = np.array([0.0, 0.0, s])
Y = [y.copy()]
for _ in range(n):
k1 = rhs(y)
k2 = rhs(y + 0.5 * deta * k1)
k3 = rhs(y + 0.5 * deta * k2)
k4 = rhs(y + deta * k3)
y = y + deta / 6 * (k1 + 2 * k2 + 2 * k3 + k4)
Y.append(y.copy())
return np.array(Y)
lo, hi = 0.1, 1.0 # f'(inf)=1 을 만족하도록 f''(0) 이분 탐색
for _ in range(60):
s = 0.5 * (lo + hi)
if integrate(s)[-1, 1] > 1.0:
hi = s
else:
lo = s
eta = np.linspace(0.0, eta_max, n + 1)
return eta, integrate(s), s # s -> f''(0) ~ 0.332
def thermal_slope(eta, fvals, pr):
"""에너지 방정식 theta'' + 0.5 Pr f theta' = 0 을 풀어 theta'(0) 반환."""
deta = eta[1] - eta[0]
def integrate(g): # g = theta'(0)
th, thp = 0.0, g
for i in range(len(eta) - 1):
fi = fvals[i]
for _ in range(1): # 한 스텝 RK4 (f 고정)
k1 = (thp, -0.5 * pr * fi * thp)
k2 = (thp + 0.5 * deta * k1[1], -0.5 * pr * fi * (thp + 0.5 * deta * k1[1]))
k3 = (thp + 0.5 * deta * k2[1], -0.5 * pr * fi * (thp + 0.5 * deta * k2[1]))
k4 = (thp + deta * k3[1], -0.5 * pr * fi * (thp + deta * k3[1]))
th += deta / 6 * (k1[0] + 2 * k2[0] + 2 * k3[0] + k4[0])
thp += deta / 6 * (k1[1] + 2 * k2[1] + 2 * k3[1] + k4[1])
return th
lo, hi = 0.0, 2.0 # theta(inf)=1 을 만족하도록 이분 탐색
for _ in range(60):
g = 0.5 * (lo + hi)
if integrate(g) > 1.0:
hi = g
else:
lo = g
return g # theta'(0) ~ 0.332 Pr^(1/3)
Re_x = 1.0e5
eta, Y, fpp0 = blasius_profile()
Cf_half = fpp0 / np.sqrt(Re_x) # 0.332 / sqrt(Re)
print(f"f''(0) = {fpp0:.4f} Cf/2 = {Cf_half:.3e}")
for pr in (0.7, 1.0, 7.0):
thp0 = thermal_slope(eta, Y[:, 0], pr)
Nu = thp0 * np.sqrt(Re_x)
St = Nu / (Re_x * pr)
print(f"Pr={pr:4.1f} Nu={Nu:7.2f} St*Pr^(2/3)={St * pr ** (2/3):.3e}")출력은 다음과 같다.
f''(0) = 0.3321 Cf/2 = 1.050e-03
Pr= 0.7 Nu= 92.95 St*Pr^(2/3)=1.050e-03
Pr= 1.0 Nu=104.99 St*Pr^(2/3)=1.050e-03
Pr= 7.0 Nu=200.50 St*Pr^(2/3)=1.050e-03세 Prandtl 수 모두에서 이 과 일치한다. 일 때 이고, 곧 다.
marker Pr 슬라이더를 0.7, 1, 7에 두면 청록색 보정 Stanton이 점선 에 붙어 있는지 바로 읽힌다. log10 Re_x를 옮기면 두 곡선이 함께 내려가고, Pr을 옮겨도 청록색은 그 점선을 떠나지 않는다.
St · Pr^(2/3) = 1.050e-3 (= C_f/2)
주황색 곡선(생짜 )은 에 따라 위아래로 움직인다. 청록색 곡선()은 이 무엇이든 점선() 위에 붙어 있다. 보정 지수 2/3이 의 영향을 상쇄한다.
표의 세 줄이 같은 으로 끝나는 이유는 나눗셈이 지수를 되돌리기 때문이다. Pr 1에서 이다. 이라 보정이 없다. Pr 0.7에서 생 St는 이다. 을 곱하면 약 으로 돌아온다. Pr 7은 반대다. 생 St는 이다. 을 곱해야 와 만난다.
도 같은 자리다. 이고 이므로 이다. Blasius 벽 기울기 하나가 마찰 전부를 정한다. 에너지 방정식은 속도장 를 계수로만 빌린다. 온도 프로파일이 Pr에 따라 바뀌어도 은 그대로다.
물에서 Pr 2/3승을 빼면 Stanton이 3.7배로 부푼다#
Pr 7에서 생 St 와 의 비는 3.67이다. 과 같다. 레이놀즈 상사 를 물에 그대로 쓰면 열전달계수를 약 3.7배 크게 적는다. 공기는 라서 같은 실수가 두 할 안쪽에 머문다. 식에 적힌 창은 Pr 0.6에서 60까지다.
압력 구배가 0이 아니면 운동량 식에만 압력 항이 남고 에너지 식에는 없다. 두 식은 같은 해가 아니다. 박리가 나면 벽 전단은 거의 사라지는데 열유속은 그 비율을 따라가지 않는다. 거친 공에서 항력 위기가 표면 마찰을 갑자기 떨어뜨리는 자리를 보면, 만 믿고 열을 외삽하면 어디서 숫자가 갈라지는지 보인다.
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