허남건 서강대 기계공학과 교수
일상생활에서 기체와 액체와 같은 유체가 움직이는 유동현상은 주변에서 쉽게 찾아 볼 수 있다. 이러한 유동현상은 마이크로ㆍ나노 크기의 작은 유동에서부터 목성의 대적점과 같은 큰 유동까지 다양한 크기로 나타나며, 유체가 존재하는 어느 장소에서나 발생하는 물리적인 현상이다. 이 같은 유동 현상을 분석하는 학문을 유체역학이라고 한다.
유체역학은 공학 중 가장 오래된 학문으로 실생활뿐 아니라 산업ㆍ과학현장에서 매우 중요하기 때문에 많은 공학자 및 과학자들에 의해 활발히 탐구가 이루어지고 있다.
유체는 눈에 잘 보이지 않고 일정한 모양을 가지고 있지 않기 때문에, 유체의 움직임을 예측하고 측정하는 것이 쉽지 않다. 예로부터 이러한 유체의 움직이는 특성에 대해 이론 및 실험 등을 이용한 다양한 연구들이 진행되고 있다.
최근에는 IT기술의 발전에 힘입어 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 유체역학을 분석하는 기술이 수행되고 있다. 이러한 시뮬레이션의 가장 큰 장점은 실험을 대체 할 수 있다는 것이다. 시뮬레이션을 이용하면 실험에 비해 개발 시간과 비용을 감축시킬 수 있으며, 실험보다 안전하게 연구를 수행할 수 있다.
이러한 시뮬레이션은 비행기ㆍ풍차ㆍ터빈ㆍ팬과 같은 유체기계의 유동현상을 분석하는데 사용된다. 대표적으로 비행기의 경우 유체역학을 고려한 날개의 설계가 매우 중요한데, 이를 연구하기 위해 가상의 풍동 장치를 구성하여 시뮬레이션을 수행한다. 이처럼 최근에는 시뮬레이션을 이용하여 유동현상을 분석함으로써 유체기계의 성능을 개선하고자 하는 연구들이 많이 진행되고 있다.
또한 시뮬레이션을 바탕으로 다양한 물리 현상이나 자연 현상, 생물학적 현상들을 연구할 수 있다. 물방울의 충돌 및 전기 습윤 현상, 스프레이에서 분사되는 액체의 움직임과 액체의 기화와 같은 물리 현상이 그 예이며, 화산에서 용암의 움직임, 도심에서의 공기 흐름과 같은 현상 역시 포함된다.
이외에도 혈관 안에서 혈액의 흐름과 같은 인체 내부의 생물학적 현상도 유체역학적 현상으로 시뮬레이션을 통한 연구가 진행되고 있다.
일상생활에서 보고 즐기는 스포츠 역시 유체역학을 응용하여 발전해오고 있는 분야이다. 야구에서 투수가 변화구를 던질 수 있는 것도 손목을 이용한 공의 회전이 유체역학적으로 공에 영향을 주기 때문이다. 또한 수영선수들이 입는 전신수영복은 상어의 비늘을 보고 제작된 것으로 상어 비늘의 배열이 물의 저항을 감소시켜주는 원리에 착안한 것이다.
이외에도, 해인사의 장경판전에 보관되어 있는 팔만대장경이 수백 년에 달하는 기간 동안 변질되지 않고 유지 될 수 있었던 것 역시 유체역학의 도움을 통해 이루어진 것이다. 장경판전 내부는 유체역학적으로 자연적인 환기가 잘 이루어지도록 설계가 되어 있으며, 이 같은 설계 덕분에 장경판전 내부는 항상 최적의 조건이 유지되고 있다. 이러한 사실은 유체역학을 고려한 건물 설계가 가지는 중요성을 나타내고 있으며, 이를 통해 우리 선조의 건축 기술에 대한 지혜를 엿볼 수 있다.
일반적으로 자연현상 및 산업현장에서 볼 수 있는 많은 유체 시스템은 단순한 유체의 움직임뿐만 아니라 다양한 물리적 현상을 포함하는 복합적인 특성을 보인다.
이와 같이 유체 시스템은 유체-유체, 유체-고체 사이의 다중의 역학 관계, 각종 화학반응 및 전기력의 작동 등 다중의 물리현상과 나노ㆍ마이크로ㆍ매크로의 다양한 스케일을 포함하는 현상들에 의해 상호 유기적으로 영향을 받게 된다. 따라서 보다 정확하고 신뢰성 있는 연구를 수행하기 위해서는 유동해석에만 국한된 종래의 연구에서 탈피하여 다중현상에 대한 복합적이고 통합적인 연구가 필요하다.
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유체역학은 공학 중 가장 오래된 학문으로 실생활뿐 아니라 산업ㆍ과학현장에서 매우 중요하기 때문에 많은 공학자 및 과학자들에 의해 활발히 탐구가 이루어지고 있다.
유체는 눈에 잘 보이지 않고 일정한 모양을 가지고 있지 않기 때문에, 유체의 움직임을 예측하고 측정하는 것이 쉽지 않다. 예로부터 이러한 유체의 움직이는 특성에 대해 이론 및 실험 등을 이용한 다양한 연구들이 진행되고 있다.
최근에는 IT기술의 발전에 힘입어 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 유체역학을 분석하는 기술이 수행되고 있다. 이러한 시뮬레이션의 가장 큰 장점은 실험을 대체 할 수 있다는 것이다. 시뮬레이션을 이용하면 실험에 비해 개발 시간과 비용을 감축시킬 수 있으며, 실험보다 안전하게 연구를 수행할 수 있다.
이러한 시뮬레이션은 비행기ㆍ풍차ㆍ터빈ㆍ팬과 같은 유체기계의 유동현상을 분석하는데 사용된다. 대표적으로 비행기의 경우 유체역학을 고려한 날개의 설계가 매우 중요한데, 이를 연구하기 위해 가상의 풍동 장치를 구성하여 시뮬레이션을 수행한다. 이처럼 최근에는 시뮬레이션을 이용하여 유동현상을 분석함으로써 유체기계의 성능을 개선하고자 하는 연구들이 많이 진행되고 있다.
또한 시뮬레이션을 바탕으로 다양한 물리 현상이나 자연 현상, 생물학적 현상들을 연구할 수 있다. 물방울의 충돌 및 전기 습윤 현상, 스프레이에서 분사되는 액체의 움직임과 액체의 기화와 같은 물리 현상이 그 예이며, 화산에서 용암의 움직임, 도심에서의 공기 흐름과 같은 현상 역시 포함된다.
이외에도 혈관 안에서 혈액의 흐름과 같은 인체 내부의 생물학적 현상도 유체역학적 현상으로 시뮬레이션을 통한 연구가 진행되고 있다.
일상생활에서 보고 즐기는 스포츠 역시 유체역학을 응용하여 발전해오고 있는 분야이다. 야구에서 투수가 변화구를 던질 수 있는 것도 손목을 이용한 공의 회전이 유체역학적으로 공에 영향을 주기 때문이다. 또한 수영선수들이 입는 전신수영복은 상어의 비늘을 보고 제작된 것으로 상어 비늘의 배열이 물의 저항을 감소시켜주는 원리에 착안한 것이다.
이외에도, 해인사의 장경판전에 보관되어 있는 팔만대장경이 수백 년에 달하는 기간 동안 변질되지 않고 유지 될 수 있었던 것 역시 유체역학의 도움을 통해 이루어진 것이다. 장경판전 내부는 유체역학적으로 자연적인 환기가 잘 이루어지도록 설계가 되어 있으며, 이 같은 설계 덕분에 장경판전 내부는 항상 최적의 조건이 유지되고 있다. 이러한 사실은 유체역학을 고려한 건물 설계가 가지는 중요성을 나타내고 있으며, 이를 통해 우리 선조의 건축 기술에 대한 지혜를 엿볼 수 있다.
일반적으로 자연현상 및 산업현장에서 볼 수 있는 많은 유체 시스템은 단순한 유체의 움직임뿐만 아니라 다양한 물리적 현상을 포함하는 복합적인 특성을 보인다.
이와 같이 유체 시스템은 유체-유체, 유체-고체 사이의 다중의 역학 관계, 각종 화학반응 및 전기력의 작동 등 다중의 물리현상과 나노ㆍ마이크로ㆍ매크로의 다양한 스케일을 포함하는 현상들에 의해 상호 유기적으로 영향을 받게 된다. 따라서 보다 정확하고 신뢰성 있는 연구를 수행하기 위해서는 유동해석에만 국한된 종래의 연구에서 탈피하여 다중현상에 대한 복합적이고 통합적인 연구가 필요하다.
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