난류 운동 에너지

유체의 운동에서 난류가 발생하게 되면 불규칙적인 변동 성분 이 발생하게 되어 유체의 흐름이 매우 복잡하게 나타나게 된다. 난류에서는 변동 성분에 의해 혼합(mixing)과 소산(dissipation)이라는 두 가지 큰 현상으로 에너지를 전달하고 소멸한다. 먼저 난류는 와류(Eddy)라는 불규칙한 소용돌이를 만들어낸다.

Eddies

Creation of Eddies

난류로 인해 만들어진 큰 와류는 다시 작은 와류를 만들어내고, 그 작은 와류는 또 더 작은 와류를 만들어낸다. 이런 와류와 불규칙한 유동으로 물질이나 에너지가 전체적으로 퍼져나가게 된다. 또한 와류가 작은 와류를 형성하는 과정에서 매우 작아지면, 유체의 점성(마찰)에 의해 에너지가 열 에너지로 전환되어 사라지게 된다. 난류는 이런 방식으로 불규칙적인 유속의 변동 성분을 통해 에너지가 생성되고, 대류하며, 소산되어 사라지게 된다. 그리고 유속의 변동 성분이 만들어내는 에너지를 난류 운동 에너지(Turbulence Kinetic Energy, TKE)라고 한다.

난류 운동 에너지

어떤 물질이 속도를 가지고 있으면 자연스럽게 운동 에너지를 가지게 된다. 일반적으로 다음과 같이 나타낸다.

움직이는 유체에도 운동에너지를 갖고 있고, 난류가 만들어내는 변동 성분 또한 운동 에너지를 만들어낸다. 난류가 만들어내는 난류 운동 에너지()는 난류 유동의 “세기”와 “에너지 규모”를 나타내는 물리량이라고 할 수 있다. 난류 우동 에너지를 수치적으로 나타내기 위해서 난류의 단위 질량 당 순간 에너지 운동을 나타내면 다음과 같다:

순간 운동 에너지를 난류를 위해 레이놀즈 시간 평균을 내게 되면 난류 운동 에너지()를 얻을 수 있다:

TKE

---

난류 운동 에너지의 해석

는 난류 운동을 분석하는데 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 난류의 세기를 추정하는 척도가 되기도 하고, 난류 운동을 해석하기 위한 난류 모델링 ( 모델링 또는 모델링)에 사용되기도 하며, 에너지 전달을 해석하는데 사용되기도 하는 등 매우 활발하게 사용되는 물리량이다.

1. 난류의 세기를 추정하는 척도

• 난류 운동 에너지 ()의 값이 크면 난류가 강하고, 이면 층류 또는 정지 상태이다.

2. 난류 모델링

• 모델링 (난류 운동 에너지-소산률 모델링) 또는 모델링 (난류 운동 에너지-난류 운동 에너지의 특성 주파수 모델링)에 사용된다.
• 또한 난류 운동 에너지를 통해 추가적으로 발생하는 운동량 확산 효과를 점성으로 보는 난류 점성 ()을 기술하는데 사용한다.

3. 에너지 전달 해석

• 난류 에너지가 “발생 → 수송 → 소산”하는 과정에서 난류는 소용돌이 형태의 유동으로 에너지를 저장하게 되는데, 이 에너지가 난류 운동 에너지() 이다.