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유체역학
김성덕 교수
중앙대학교 대학원 토목공학과 석사졸업
중앙대학교 대학원 토목공학과 박사졸업
중앙대학교 대학원 토목공학과 석사졸업
중앙대학교 대학원 토목공학과 박사졸업
중앙대학교
충북대학교
강원대학교
현) 유니와이즈 전임교수
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총 13개 챕터, 55강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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| 오리엔테이션 | ||
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[1강] 유체역학 오리엔테이션
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유체역학 개론 및 학습 로드맵
* 유체역학 기초: 유체의 정의, 구성 및 특성(표면장력) 학습을 통해 유체 거동 분석의 기본 원리 확립. * 유체 정역학 및 동역학: 압력, 중력을 포함한 정지 유체 분석 및 질량, 운동량, 에너지 보존 방정식을 활용한 유체 운동 해석. * 유체 응용 및 실험: 차원 해석, 상사 법칙으로 유동 현상을 모델링하고 관수로, 개수로 유동 등 실제 공학 문제에 적용. |
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| 1장. 서론 | ||
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[2강] 유체역학 서론(1)
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유체역학 서론 (1)
• 유체 특성 및 연속체 가정: 전단응력에 연속 변형되는 물질로서, 연속체 가정 기반 유체 거동의 기본 원리 이해 • 유체 물리량 계량 및 차원 분석: 압력, 전단응력, 중력 등 유체 힘을 MLT/FLT 차원 및 SI/BG 단위계로 표현하고 동차성 적용 • 유체 물질 특성 및 이상기체 법칙: 밀도, 비중량, 비중 정의 및 절대압력 기반 이상기체 법칙($p=\rho RT$)을 통한 압축성 유체 거동 분석 |
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[3강] 유체역학 서론(2)
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유체역학 점성 및 뉴턴 유체 특성
* 유체 점성 개념: 유체의 흐름 저항성인 동점성 정의, 전단응력·속도구배 관계 및 뉴턴 점성 법칙($\tau = \mu \frac{du}{dy}$) 이해 * 유체 종류 및 특성: 뉴턴 유체와 비뉴턴 유체(전단 희박/농후, Bingham Plastic) 분류, 점성의 온도 의존성 분석 * 유체 유동 분석: 절대/동점성 단위 이해, 레이놀즈 수 등 무차원수를 활용한 유체 거동 및 전단응력 계산 |
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[4강] 유체역학 서론(3)
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유체의 압축성, 음속, 증기압 및 표면장력
• 유체 압축성: 압축률, 체적계수를 활용해 등온/등엔트로피 과정의 유체 압축 특성 및 음속 발생 원리 분석 • 증기압/공동현상: 액체의 비등 조건과 공동현상 발생 원리 및 주변 구조물 손상 유발 메커니즘 파악 • 표면장력/모세관 현상: 액체 분자 간 인력 정의 및 모세관 현상 발생 메커니즘, 상승 높이 결정 요인 이해 |
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| 2장. 유체정역학 | ||
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[5강] 유체정역학(1)
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유체정역학: 압력 특성 및 변화 원리
• 유체정역학 기초 개념: 정지 유체 내 압력의 파스칼 원리 및 전단 응력 부재 특성 파악 • 압력장 기본 방정식: $\frac{dP}{dZ} = -\gamma$ 유도 및 정수압 분포($P=P_0+\gamma h$)를 통한 고도별 압력 변화 원리 분석 • 위압 및 위압수두: $P+\gamma z$와 $P/\gamma + z$ 정의 및 동일 유체 내 일정성 원리를 통한 유체 거동 분석 |
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[6강] 유체정역학(2)
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유체정역학에서의 압력 변화 및 측정
* 유체정역학 압력 변화: 비압축성/압축성 유체 및 표준대기 조건에서 고도에 따른 압력 변화 원리 및 관계식 이해 * 압력 측정 기준: 절대압력, 계기압력, 진공압력의 정의 및 기압계, 부르동 압력계 등 측정 장치 활용 * 액주계 원리 및 종류: 피에조미터, U자관, 경사관 액주계의 구조와 "Up and Down" 계산법 적용을 통한 압력 측정 |
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[7강] 평면에 작용하는 정수력
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평면에 작용하는 정수력 해석
* **정수력 정의**: 유체 정역학에서 평면에 작용하는 합력의 크기($F_R$)와 압력중심($y_R, x_R$) 위치를 산정하는 기본 원리 학습. * **합력 크기($F_R$) 계산**: $F_R = \gamma h_c A$ 공식을 통해 자유수면부터 도심까지의 수직거리 $h_c$와 면적 $A$를 활용하여 산정. * **압력중심 위치($y_R, x_R$) 산정**: $y_R = y_c + \frac{I_{xc}}{y_c A}$ 및 $x_R = x_c + \frac{I_{xyc}}{y_c A}$ 공식을 도심, 단면 2차 모멘트, 관성상승 모멘트, 평행축 정리에 기반하여 적용. |
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[8강] 압력프리즘, 곡면에 작용하는 정수력
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압력 프리즘 및 곡면 정수력
• 압력 프리즘: 수직 평면 정수력의 합력 및 작용점 계산을 위해 압력 분포를 체적으로 해석하는 원리. • 곡면 정수력: 수평($F_H$) 및 수직($F_V$) 성분으로 분해하여 합력과 작용선 위치를 결정하는 방법. • 정수력 합력 산정: 압력 프리즘 및 곡면 정수력을 통해 최종 합력과 작용선 위치를 결정하고, 압력 중심과 도심의 차이 이해. |
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[9강] 부력, 부체와 안정성
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부력, 부체 및 안정성
* 부력 개념: 아르키메데스 원리에 따라 유체에 잠긴 물체에 작용하는 상향 유체력 정의 및 배제된 유체 무게 계산 원리. * 부체 안정성: 부심(C)과 무게중심(G)의 상대적 위치 변화가 복원 또는 전복 모멘트를 유발하여 부체의 평형 유지 경향 분석. * 경심고(GM): 수면선 단면 2차 모멘트($I_{OO}$), 배수 체적($V_D$), 부심-무게중심 거리($\overline{CG}$)로 계산되며, 부체 안정성을 정량화하는 핵심 지표. |
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[10강] 강체운동을 하는 유체 내의 압력변화
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유체 강체운동 내 압력 변화
* 유체 강체운동: 유체가 가속도나 회전운동 시 변형 없이 강체처럼 움직이며, 일반 운동방정식으로 압력 변화를 분석하는 원리. * 직선 가속운동: 유체 내 자유표면 기울기와 등압선 기울기($-\frac{a_y}{g+a_z}$)를 통해 압력 분포를 예측하는 방식. * 강체 회전운동: 유체 내 자유표면 포물선 형태($Z = \frac{r^2 \omega^2}{2g} + \text{상수}$)와 회전 중심으로부터의 반경 방향 압력 증가 현상 분석. |
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| 3장. 유체동역학-Bernoulli 방정식 | ||
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[11강] 유체동역학-Bernoulli 방정식(1)
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유체동역학 - 베르누이 방정식(1)
* 베르누이 방정식: 비점성, 비압축성, 정상유동 유선에서 정압, 동압, 위치압의 합이 일정하게 보존되는 유체동역학 원리. * 유선 방향 F=ma 적용: 유선 경로 상 압력, 중력, 가속도 관계를 통합하여 베르누이 방정식 유도. * 베르누이 방정식 활용: 유체 속도, 압력, 높이 간 상호 관계 분석 및 정체점 등 특정 유동 현상 예측. |
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[12강] 유체동역학-Bernoulli 방정식(2)
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유체동역학 - 베르누이 방정식 개론
* **베르누이 방정식**: 비점성, 비압축성, 정상 유동 조건에서 유선을 따른 압력·속도·위치 에너지 합의 일정성 및 유선 법선 방향 곡률 효과 설명. * **유체 압력 해석**: 정압, 동압, 정체압, 전압 개념 정의와 압력·속도·위치 수두를 통한 유체 에너지 상태의 물리적 해석. * **베르누이 방정식 응용**: 피토정압관을 활용하여 정압과 정체압 차이로부터 유속을 측정하는 원리 및 절차 이해. |
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[13강] Bernoulli방정식의 응용 예
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베르누이 방정식 응용 예제 및 유량 측정
* 베르누이 방정식: 유체 에너지 보존 원리(압력, 속도, 높이)를 연속 방정식과 통합하여 유동 속도 및 유량 계산에 필수 적용. * 공동현상: 유체 압력 감소로 증기압 도달 시 기포 형성 및 와해로 손상을 유발하며, 유량 측정 시 수축 계수 등 실제 흐름 보정 계수 고려. * 유량 측정 장치: 오리피스, 벤투리미터, 수문, 위어 등에 베르누이 및 연속 방정식 적용 시 게이지/절대 압력 구분 및 실험적 계수 활용. |
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[14강] 에너지선과 수력구배선, 방정식의 사용에 대한 제한조건
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에너지선, 수력구배선 및 베르누이 방정식 제한조건
• 에너지선(EGL)과 수력구배선(HGL): 유동의 에너지 상태와 관내 압력을 시각화하며, 속도수두만큼 차이나는 관계 분석. • 베르누이 방정식 기본 원리: 비점성, 비압축성, 정상, 비회전 유동에 적용되는 유체 에너지 보존 원리. • 베르누이 방정식 제한 조건 확장: 압축성(마하수 0.3 이하), 비정상(국소 가속도 항 추가), 회전(유선 방향) 유동에서 적용 범위 및 방식 정의. |
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| 4장. 유체운동학 | ||
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[15강] 속도장
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유체운동학: 속도장 및 유동선 개념
• 유체운동학 핵심: 유체 입자 움직임 분석을 위한 속도장 개념 및 Euler/Lagrange 기술법의 정의와 적용. • 유동 분류 및 시각화: 유동의 차원, 정상/비정상 유동 기준 분류와 유선, 유맥선, 유적선의 정의 및 기능. • 유동선 특성 비교: 정상 유동에서 유선, 유맥선, 유적선 일치 및 비정상 유동에서 상이한 궤적의 특징 분석. |
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[16강] 가속도장
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유체역학 가속도장 및 물질도함수 개념
• 유체역학 가속도장: 유체 입자 속도 변화율을 물질도함수로 정의하며, 국소·대류·구심 가속도의 구성 요소를 분석 • 국소가속도: 고정된 위치에서 유동 변수의 시간 변화율; 대류가속도: 유동 변수의 공간적 변화로 인한 가속 및 감속 발생 원리 설명 • 유선좌표계 가속도: 유선 방향 가속도($a_s$)와 법선 방향 구심가속도($a_n=V^2/R$)로 유동 경로에 따른 가속도 성분 분리 |
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[17강] 검사체적과 시스템의 개념, Reynolds 수송정리 (1)
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검사체적, 시스템, Reynolds 수송정리 및 유도
* 검사체적 및 시스템 개념: 유체 유동 분석을 위한 공간적 관점(검사체적)과 물질 관점(시스템)의 정의 및 관계 이해. * Reynolds 수송정리: 시스템의 확장성 물리량(B) 변화율을 검사체적 내 축적 변화율과 검사표면을 통한 순 유출입률로 정량화하여 유도. * RTT 응용: 질량, 운동량, 에너지 보존 법칙을 검사체적 관점에서 유도하고 연속방정식 등 유체역학의 핵심 기본 방정식 도출. |
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[18강] Reynolds 수송정리 (2)
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Reynolds 수송정리 심화 및 적용
• Reynolds 수송정리: 시스템의 Extensive 특성($B$) 변화율을 검사체적 내 축적 변화와 검사표면을 통한 순 유출입으로 정량 분석. • RTT 적용: 정상/비정상 효과 및 고정/움직이는 검사체적에 따라 방정식 형태 결정되며, 움직이는 검사체적에서는 상대속도($V_r$) 개념 활용. • 유체 역학 원리: RTT는 질량, 운동량 보존 법칙 등 유체 역학의 핵심 원리를 Extensive/Intensive 특성($B, b$)으로 해석하는 기반. |
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| 5장. 유한 검사체적 해석 | ||
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[19강] 질량보존법칙-연속방정식(1)
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유체역학 질량보존법칙 연속방정식 유도 및 적용
• 연속방정식: 질량보존법칙 기반, Reynolds Transport Theorem으로 유도; 검사체적 내 질량 변화율 및 순 질량 유동률 균형 원리. • 연속방정식 간소화: 정상유동, 비압축성 유체 조건 적용; 질량 유량($\rho VA$) 및 체적 유량($VA$) 개념을 통한 유동 분석. • 유동 조건별 연속방정식: 비정상유동 시 검사체적 질량 변화 고려; 압축성, 비균일 속도 유동 문제 해결 원리. |
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[20강] 질량보존법칙-연속방정식(2), Newton 제2법칙(1)
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유체역학 질량보존법칙과 선형운동량
• 유체역학 질량보존법칙: 움직이거나 변형하는 검사체적의 연속방정식 적용 원리 및 상대속도 개념 정립 • 선형운동량 방정식 유도: 레이놀즈 수송 정리 기반 운동량 방정식 도출 및 검사체적 작용 힘의 분류 • 선형운동량 방정식 적용: 유동 시스템의 힘 평형 분석, 운동량 플럭스 및 벡터 성분별 해석 방법론 |
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[21강] Newton 제2법칙(2)
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선형운동량방정식의 적용 예제 분석
* 선형운동량 방정식: 뉴턴 제2법칙 기반 유체 유동 해석 원리로, 검사체적의 힘과 운동량 유동을 통해 고정력, 마찰력, 압력 강하 등을 분석. * 자유 물체도 및 정상 유동 분석: 유체에 작용하는 힘(압력, 중력, 외력)을 설정하고, 압력(절대/계기압력) 및 밀도(상태 방정식)를 고려하여 유동 문제 해결. * 비균일 유동 시 운동량 계수($\beta$) 활용: 층류, 난류 등 유동 특성에 따른 운동량 유동 보정으로 현상을 정밀 모델링. |
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[22강] Newton 제2법칙(3)
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유체 동역학: 운동량 방정식 및 모멘트 방정식
• 움직이는 검사체적 운동량 방정식: 상대 속도 개념 기반 유체 시스템의 힘 분석 및 운동량 변화 계산 • 운동량 모멘트 방정식: 토크 정의 및 뉴턴 제2법칙 기반 유도, 유체 시스템 회전 운동 및 모멘트 분석 • 축토크 및 축동력: 회전 유체 기계의 동력 계산 원리 및 실제 시스템 적용 방법 학습 |
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[23강] Newton 제2법칙(4), 열역학 제1법칙(1)
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유체역학: 축동력 및 에너지 방정식 유도
• 축동력: 운동량 모멘트 방정식 기반 유도, 유체 기계(펌프/터빈) 작용별 부호 규약 및 단위 질량당 축일 개념 정리 • 에너지 방정식: 열역학 제1법칙 적용 검사체적 유도, 운동/위치/내부 에너지 및 일 전달률(축일, 유동일) 구성 • 유동일률: 압력 응력 및 법선 속도 기반 정의, 검사체적 에너지 균형을 분석하는 통합 방정식 구조 제시 |
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[24강] 열역학 제1법칙-에너지방정식(2)
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열역학 제1법칙 에너지방정식 적용 및 확장
* 열역학 제1법칙 에너지 방정식: 1차원 정상 유동 분석에 활용, 엔탈피·축일·열 전달률을 통합하여 시스템 동력과 손실을 계산. * 확장 베르누이 방정식: 마찰 및 축일 고려, 수두 개념을 통해 펌프·터빈·팬의 효율·손실을 정량적으로 분석. * 에너지 방정식과 베르누이 방정식 비교: 마찰과 손실 유무로 구별되며, 운동 에너지 계수로 비균일 유동 적용 가능. |
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[25강] 열역학 제2법칙-비가역유동
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열역학 제2법칙: 비가역유동
* 열역학 제2법칙: 비가역 유동에서 마찰로 인한 유용 에너지 손실 및 엔트로피 생성 원리 분석. * 에너지 방정식 및 TdS 식: 반-미소 검사체적에 적용하여 비가역 유동의 엔트로피 생성 및 손실 항 정량화. * 열역학 제1법칙 및 제2법칙 결합: 유동 손실을 포함한 통합 에너지 방정식 도출, 가역 유동 시 베르누이 방정식으로 귀결. |
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| 6장. 유동의 미분해석 | ||
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[26강] 유체요소의 운동학, 질량보존법칙
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유체요소 운동학 및 질량보존법칙
• 유체요소 운동학: 유동장 속도 구배를 활용, 병진·선형 및 각변형·회전 등 미시적 운동 특성 분석 • 질량보존법칙: 미분형 연속방정식을 통해 유체 밀도·속도 변화 관계를 정의하고 비압축성 유동 특성 이해 • 유동함수: 2차원 비압축성 유동 해석을 간소화하며, 속도 성분, 유선, 체적 유량과의 관계를 규명 |
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[27강] 선형운동량 방정식, 비점성유동
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유체역학 선형운동량 방정식 및 비점성유동
* Cauchy 방정식: 유체 체적력·표면력을 통합한 연속체 일반 운동량 미분형 방정식 원리 * Euler·Bernoulli 방정식: 비점성·정상·비압축성 유동 조건에서 유선을 따르는 유체 운동 및 에너지 보존 관계 분석 * 비회전 유동·속도 퍼텐셜: 와도 제로 유동의 속도 벡터를 스칼라 함수로 표현, Laplace 방정식 통한 포텐셜 유동 해석 |
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[28강] 기본적인 평면 퍼텐셜유동
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평면 퍼텐셜 유동의 기본 유형 분석
• 평면 퍼텐셜 유동 기본 원리: Laplace 방정식을 통해 속도 퍼텐셜, 유동 함수로 비회전/비압축성 유동을 해석 • 주요 퍼텐셜 유동 유형: 균일유동, 소스/싱크, 와류, 더블릿의 정의, 특징 및 관련 속도 퍼텐셜/유동 함수 표현 • 유동 중첩 원리 및 특이점: 기본 유형 조합으로 복합 유동을 모델링하며, 각 유형의 특이점과 순환 개념 이해 |
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[29강] 기본적인 평면 퍼텐셜유동들의 중첩
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평면 퍼텐셜유동 중첩
• 평면 퍼텐셜유동 중첩: 균일유동, 소스, 싱크, 더블릿, 와류 등 개별유동 조합을 통해 고체경계면 유동장 분석. • 고체경계면 유동 해석: 반체, Rankine 오벌, 원주 주위의 유선, 속도, 압력 분포를 예측하는 방법론. • 퍼텐셜유동 이론 한계: 비점성 가정으로 박리, 후류, 항력 예측 불가(d'Alembert의 역설), Magnus 효과를 통한 양력 발생 설명. |
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[30강] 점성유동, 층류, 점성, 비압축성 유체 유동의 단순해 (1)
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점성유동, 층류 및 점성 비압축성 유체 유동의 단순해
• 점성유동 응력-변형 관계: 유체 점성 계수와 변형률에 따른 수직/전단응력 발생 및 특성 이해 • Navier-Stokes 방정식: 운동량 및 연속 방정식 기반의 점성 유동 운동 해석 기본 방정식 유도 • 층류 단순해: 고정 평판 유동의 포물선형, Couette 유동의 선형 속도 분포 등 특정 경계 조건 적용 해석 |
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[31강] 층류, 점성, 비압축성 유체 유동의 단순해 (2), 기타 미분해석
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층류, 점성, 비압축성 유체 유동 및 기타 미분해석
• Hagen-Poiseuille 유동: 원형 튜브 및 동심관 내 층류, 점성, 비압축성 유체 유동의 속도 분포, 유량, 압력 강하 계산 원리 학습 • Navier-Stokes 방정식: 점성 유체 유동의 해석해와 수치해 비교, 유체 입자 가속도, 와도, 연속 방정식 등 미분해석 핵심 개념 이해 • 유동 함수 및 속도 퍼텐셜: 비압축성·비회전 유동 분석을 위한 라플라스 방정식과 퍼텐셜 유동 관련 개념 정리 |
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| 7장. 차원해석, 상사 및 모델링 | ||
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[32강] 차원해석, 상사 및 모델링(1)
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차원해석, 상사 및 모델링 개요
* 차원해석: 복잡한 유체 현상 변수를 무차원 그룹으로 축소하여 실험 효율성 증대 및 결과 일반화에 활용. * Buckingham의 pi 정리: 변수 간 관계를 이용한 무차원곱 도출 절차로, 반복변수 선택 및 지수 비교를 통해 pi항을 결정. * 주요 무차원수: 레이놀즈, 프로드, 율러 등 특정 물리력의 비를 나타내 유동 특성 분석 및 상사 법칙 적용. |
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[33강] 차원해석, 상사 및 모델링(2)
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유체역학 차원해석, 상사 및 모델링(2)
• 차원해석 및 Buckingham의 pi 정리: 무차원수 도출과 실험 데이터 상관관계 분석. • 모델링과 상사 이론: 원형 유동 특성 예측을 위한 모델 설계 조건(기하학적, 운동학적, 동역학적 상사) 정의. • 주요 상사: 닫힌 유동의 Reynolds 상사, 자유표면 유동의 Froude 상사 적용 및 지배 미분방정식을 통한 동역학적 상사 원리 확장. |
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| 8장. 파이프 내 점성유동 | ||
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[34강] 파이프 유동의 일반적인 특성, 완전 발달 층류(1)
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파이프 유동의 일반적인 특성 및 완전 발달 층류(1)
* 파이프 유동 기본: 레이놀즈 수로 층류/난류를 구분하고, 경계층 발달을 통한 입구 영역 및 완전 발달 유동 특성 분석 * 완전 발달 층류 해석: F=MA 원리로 전단응력(반지름 선형)과 포물선형 속도 분포 유도 및 이해 * Poiseuille 법칙: 파이프 직경 4제곱 등 인자에 따른 층류 유량 결정과 경사진 파이프 적용 원리 파악 |
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[35강] 완전 발달 층류(2), 완전 발달 난류(1)
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완전 발달 층류 및 난류의 유체 유동 분석
• 완전 발달 층류: Navier-Stokes 방정식, 차원 해석, 에너지 방정식을 활용한 유량, 압력 강하, 마찰 계수 등 유동 특성 분석 • 완전 발달 난류: Reynolds 수 천이, 난류 강도, Reynolds 응력 및 와점성계수 모델 기반 유동 특성 및 전단 응력 해석 • 유체 유동 이론 및 모델링: 층류와 난류의 핵심 개념, 이론적 접근법 및 전단응력 모델링 비교 학습 |
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[36강] 완전 발달 난류(2), 파이프 유동의 차원해석(1)
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55:
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완전 발달 난류 및 파이프 유동 차원해석
• 완전 발달 난류: 점성저층, 중복층, 외부 난류층으로 구성된 속도 분포와 전단응력 모델을 이해. • 파이프 직관 손실: Darcy-Weisbach 방정식을 활용, 마찰 계수를 Reynolds 수 및 상대 거칠기로 산정하고 Moody 선도와 경험식 적용. • 파이프 부차적 손실: 밸브, 입구, 단면 변화 등 유체 기기 부품에 따른 손실 계수($K_L$)를 활용하여 손실 수두 정량화. |
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[37강] 파이프 유동의 차원해석(2), 파이프 유동의 예(1)
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유체 파이프 유동 해석 및 손실 계산 예제 풀이
* 유체 파이프 유동 해석: 마하수 기반 비압축성 유동 가정 및 에너지 방정식으로 수두손실 분석, 비원형 덕트에는 수력직경을 활용. * 유동 손실 계산: 무디 선도를 통한 마찰 계수 결정 후, 직관 마찰 손실 및 부차적 손실을 통합하여 적용. * 단일 파이프 유동 문제 해결: 유량, 압력, 직경 유형별로 시행착오법을 통해 마찰 계수와 미지수를 도출. |
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[38강] 파이프 유동의 예(2), 파이프 유량 측정
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파이프 유동의 예 및 유량 측정
• 복합 파이프 배관계: 직렬/병렬 유동의 유량·손실수두 관계를 해석하고, 분기형 시스템 유량 계산에 시행착오법 적용. • 파이프 유량 측정: 연속·에너지·베르누이 방정식 기반으로 유동 축소부의 압력차를 이용한 유량 계산 원리 학습. • 오리피스·노즐·벤투리 유량계: 각 장치의 송출 계수($C_o, C_n, C_v$)를 통해 실제 유량을 보정하고 측정 원리 및 특징 비교. |
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| 9장. 물체 주위의 유동 | ||
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[39강] 외부유동의 일반적인 특성, 경계층의 특성(1)
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외부유동 및 경계층 특성
* 외부유동 기초: 물체 주위 유동의 항력/양력 발생 원리와 레이놀즈수 등 무차원 변수에 따른 유동 특성. * Prandtl 경계층 이론: 고 레이놀즈수 유동에서 경계층 발달, 박리 및 층류-난류 천이 과정 분석. * 경계층 두께 정의: 경계층, 배제두께, 운동량두께 개념 및 질량·운동량 보존과 항력 계산 적용. |
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[40강] 경계층의 특성(2)
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경계층의 특성 – Prandtl/Blasius 해와 운동량 적분
* Prandtl/Blasius 경계층 이론: Navier-Stokes 방정식 단순화를 통해 평판 층류 유동의 경계층 두께와 벽면 전단 응력을 정밀 분석. * 운동량 적분 경계층 방정식: 검사 체적 기반 운동량 두께 및 속도 분포 가정을 활용하여 전단 응력과 항력을 근사적으로 계산. * 경계층 마찰 계수 분석: Blasius 해와 운동량 적분 방식의 결과 비교를 통해 유체 유동의 국소 및 전체 마찰 특성 계수 도출. |
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[41강] 경계층의 특성(3)
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경계층의 특성: 층류-난류 천이, 난류경계층 유동, 압력구배 영향
• 경계층 천이 및 난류 특성: 임계 레이놀즈 수에 따른 층류-난류 변화와 난류의 평평한 속도분포 및 높은 전단력 이해 • 경계층 박리 원리: 곡면의 역압력구배로 인한 에너지 손실과 벽면 전단응력 0점 형성, 난류경계층은 박리 지연 • 경계층 유동 해석: 층류 및 난류에 적용 가능한 운동량 적분 방정식과 압력구배 항을 통한 유동 분석 |
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[42강] 항력(1)
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항력의 종류 및 영향 인자 분석
• 항력 개념: 유체 저항력으로, 마찰항력과 압력항력의 구성 원리 및 발생 메커니즘 분석. • 항력계수($C_D$) 결정 인자: 레이놀즈수, 마하수, 프루드수, 물체 형상, 표면 거칠기 영향과 변화 양상 이해. • 레이놀즈수 유동 특성: 저Re 유동의 점성 지배, 고Re 유동의 경계층 천이 및 박리점 이동에 따른 항력 변화. |
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[43강] 항력(2), 양력
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항력과 양력의 원리 및 응용
* **항력 및 양력 원리**: 복합물체 항력 계산, 표면 압력 분포 및 베르누이 방정식을 통한 양력 발생 메커니즘 이해. * **에어포일 성능 및 제어**: 에어포일의 받음각에 따른 양력 생성, 실속 현상 방지 및 플랩을 활용한 비행 제어 기술 분석. * **고급 유동 이론**: 순환 이론을 통한 양력 예측, 와류(말굽/윙팁)의 유도 항력 영향, 회전 물체의 Magnus 효과 원리. |
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| 10장. 개수로유동 | ||
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[44강] 개수로유동(1)
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개수로 유동의 분류, 표면파 및 비에너지 개념 분석
* 개수로 유동 분류: 프루드수(Fr) 기반 초임계·임계·아임계 유동 특성 및 흐름 변화 원리 분석 * 표면파 파속도: 연속·운동량 방정식으로 파속도(c) 유도 및 수심, 프루드수에 따른 파동 거동 이해 * 비에너지 개념: 수심과 속도수두 합인 비에너지(E)를 정의하고, 비에너지 선도를 통한 임계 수심(yc) 및 유동 상태 판단 |
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[45강] 개수로유동(2)
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개수로 유동의 균일유동 및 점진변화유동
• 균일유동: 수심 변화율이 0인 흐름 정의, Chezy식과 Manning식으로 평균 유속 및 유량 산정 • 최상수력단면: 수력반경 최대화를 통한 유량 효율 최적 단면, 직사각형 $b/y=2$ 조건 적용 • 점진변화유동: 점진적 수심 변화 흐름 정의, Froude 수 포함 지배방정식으로 수심 거동 예측 |
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[46강] 급속변화유동
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급속변화유동 이론 및 응용
• 급속변화유동 정의: 수심 급변 개수로 유동의 Froude수 기반 초임계·아임계 분류 및 특성 이해. • 수력도약 원리: 초임계 유동의 에너지 손실 현상과 전후 수심비, 수두 손실 계산 공식 적용. • 위어 및 복류수문 응용: 유량 측정(예봉·광봉 위어) 및 조절(복류수문) 장치의 유량 공식과 계수 산정 원리 학습. |
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| 11장. 압축성유동 | ||
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[47강] 압축성유동(1)
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압축성유동(1) 이상기체 열역학 및 정체 물성치
• 이상기체 열역학: 내부에너지, 엔탈피, 비열 등 핵심 물성치 정의와 기체상태 방정식, 비열 관계식을 통한 압축성 유동 기초 확립. • 엔트로피와 등엔트로피 유동: 무질서도 개념, Tds 방정식, 가역 단열 조건 하 등엔트로피 과정의 온도·압력·밀도 관계식($p/\rho^k=\text{상수}$) 분석. • 정체 물성치: 유동 정지 시의 물성치 정의, 정적 물성치 및 유동 속도 기반의 정체 온도·압력·밀도 관계식($T_0=T+V^2/2c_p$)으로 고속 유동 기준 확립. |
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[48강] 압축성유동(2)
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유체역학: 압축성 유동의 Mach수와 음속
• Mach수와 음속 정의: Mach수는 유동 압축성 척도($V/c$), 음속은 압력파 속도($\sqrt{kRT}$)로 정의 및 유도 과정을 학습함. • 압축성 유동 분류: Mach수에 따른 비압축성, 아음속, 음속, 초음속 등 유동 특성 및 압력파 전달 방식(도플러 효과, 마하파, 충격파)을 분석함. • 등엔트로피 유동 원리: 정체 물성치와 흐름 물성치 관계, Mach파 및 충격파 형성 원리(Mach 원추각)와 유동 가시화 방법을 이해함. |
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[49강] 압축성유동(3)
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충격파와 등엔트로피 유동 개념 및 특성
• 수직 충격파: 초음속 유동이 아음속으로 전환될 때 정체 온도 유지, 정체 압력 감소, 엔트로피 증가 특성 분석. • 등엔트로피 유동: 마찰·열전달·충격파 없는 이상적 조건에서 모든 정체 물성치가 일정하게 유지되는 원리. • 임계상태: Mach 수 1인 조건에서의 물성치 관계, 비압축성 유동은 Mach 수 0.3 미만에서 베르누이 방정식으로 근사. |
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[50강] 단면적이 변하는 덕트에서의 1차원 유동(1)
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단면적이 변하는 덕트에서의 1차원 유동 (1)
• 단면적 변화 덕트 유동: 마하수에 따른 속도-단면 관계 분석 및 아음속/초음속 특성 이해 • 등엔트로피 유동: 면적-마하수 관계 및 음속 유동(Ma=1)의 최소 면적 발생 조건 • 질식(Choking) 현상: 덕트 목 Ma=1 도달 시 질량 유량의 최대 제한 및 압축성 유동 한계 |
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[51강] 단면적이 변하는 덕트에서의 1차원 유동(2)
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단면적 변화 덕트 1차원 유동: 노즐 작동 분석
• 축소 노즐 및 축소-확대 노즐: 배압 변화에 따른 마하수, 질량 유량 분포 및 작동 원리 분석 • 노즐 초킹 현상: 축소 노즐 출구와 축소-확대 노즐 목에서 음속 도달 시 최대 유량 조건과 임계 압력비 이해 • 축소-확대 노즐 유동: 충격파 발생, 4가지 유동 영역 및 등엔트로피/비등엔트로피 과정 특성 학습 |
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[52강] 단면적이 일정하고 마찰이 있는 덕트유동
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Fanno 유동: 일정 단면적 및 마찰이 있는 덕트 유동 요약
• Fanno 유동 및 T-s 선도: 단열·일정 단면적·벽면 마찰 조건의 압축성 유동 정의와 엔트로피 최대점(마하수 1) 수렴 특성 요약 • 질식 유동(Choking) 및 수직 충격파: 마찰에 의한 속도 변화(아음속 가속·초음속 감속)와 임계 길이 도달 시 유량 제한 및 충격파 발생 메커니즘 정리 • 지배 방정식 및 물성 매개변수: 운동량 방정식 중심의 마찰 계수-덕트 길이($L^*$) 상관관계와 비가역적 정체 압력($P_0$) 손실 및 상태 변화 분석 |
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[53강] 압축성유동, 개수로유동, 2차원 초음속유동
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Rayleigh 유동 및 초음속 유동 특성 분석
• Rayleigh 유동 개념: 마찰 없는 덕트 내 가열/냉각 효과, Mach수 $Ma=1$에서의 열 초킹 및 엔트로피 변화 분석 • Rayleigh선 및 Fanno선: 열전달 및 마찰 유동 특성 비교, 수직 충격파를 통한 초음속 유동의 아음속 전환 메커니즘 학습 • 초음속 유동 현상: 압축성/개수로 유동의 유사성 이해, 2차원 초음속 유동의 Mach파, 팽창파, 경사 충격파 원리 규명 |
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| 12장. 터보기계 | ||
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[54강] 터보기계(1)
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유체역학 터보기계 및 원심펌프 분석
* 터보기계는 유체-기계 에너지 변환 장치로, 각운동량 보존 및 Euler식 기반의 동력 전달 원리 및 펌프/터빈 작동 방식을 분석합니다. * 원심펌프 성능은 수두(이상/실제), 효율, 날개 형상으로 특성화되며, NPSH(유효흡입수두)를 통해 공동현상을 방지하는 설계 기준을 확립합니다. * 펌프-시스템 매칭은 펌프 성능 곡선과 시스템 곡선의 작동점 분석으로 최적 유량과 수두를 결정하며, 직렬/병렬 시스템 구성으로 성능을 확장합니다. |
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[55강] 터보기계(2)
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터보기계 무차원 파라미터와 상사법칙
* 터보기계 무차원 파라미터: 유량, 수두, 동력 계수 및 상사법칙을 통해 펌프/터빈 성능 예측 및 설계 원리 학습. * 비속도 개념: 펌프 및 터빈의 특정 운전 조건에서 최적 형식 선정 및 효율 분석 지표 (원심, 축류, 혼류 펌프/터빈). * 충동/반동 터빈 및 압축성 유동 기계: 작동 원리, 반동도, 전압비 등 특성을 통한 압축기/터빈 성능 이해. |
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김성덕 교수님
유체역학
