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유체역학 Ⅰ

구형모

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학습과목명 유체역학 Ⅰ
수강신청 2022-06-14 ~ 2022-07-11
교육기간 2022-07-12 ~ 2022-10-24(중간/기말고사 포함)
학점 3학점
수강료 250,000 원
샘플강의 샘플강의

학습과목정보

학습 과목명 유체역학 Ⅰ
운영 교수명 구형모
년도 / 학기 2022년 2 - 2학기
학점 / 이수시간 3학점 / 45시간

수업목표

유체의 물리적 성질과 단위 및 정지된 유체의 상태량 변화와 유동하는 유체의 연속 및 운동방정식을 학습함으로써 유체의 성질, 유체 정역학, 유동의 기본 방정식과 유동의 차원 해석에 대한 이론과 응용 사례를 이해한다. 유체들의 운동을 지배하는 기본방정식들을 유도하고 이를 주요 현상들에 적용하고 학습한다. 주요 학습 내용으로 유체의 물리적 성질, 질량, 운동량 및 에너지 보존방정식, 2차원 완전 유체운동, 3차원 완전 유체운동, 비압축성 점성 유체, 경계층류와 난류, 비점성 유체, 유체계측 등의 기초 이론과 응용 사례를 학습한다. 유체 역학을 학습함으로써 자동차, 항공등과 같은 유체와 밀접한 관계를 가지고 있는 공학의 여러 분야에 응용 및 연구할 수 있다.
유체란 “정지 상태에 있는 유체에서는 응력은 생각하는 면에 항상 직각이며, 게다가 서로 미는 듯한 방향을 갖는다.” 이것을 유체의 정의라고 할 수 있다. 유체역학은 유체 즉 기체 및 액체의 운동 및 균형을 논하는 역학의 한 부문이라고 할 수 있다. 이 강의를 통해서 유체역학을 새로운 시각으로 보고 물리적인 개념을 이해하고 수학적으로 유도할 수 있도록 하여 엔지니어가 경험하는 중요한 현상들을 이해하고 분석할 수 있도록 하는 것이 수업의 목표이다.

평가 및 수료기준

중간고사 기말고사 토론 쪽지시험 참여 과제 출석
20% 20% 10% 10% 5% 20% 15% 100%
※ 총점 60점 이상, 출석률 80% 이상 충족 시 수료

평가기간

  • -중간고사 : 2022-08-30 ~ 2022-09-02
  • -기말고사 : 2022-10-18 ~ 2022-10-21
  • -쪽지시험 : 2022-09-27 ~ 2022-09-30
  • -과제물 : 2022-09-13 ~ 2022-09-17
  • -토론 : 2022-08-09 ~ 2022-08-12
  • 성적 이의 신청기간

  • -중간고사 이의 신청기간 : 2022-09-13 ~ 2022-09-14
  • -기말고사 이의 신청기간 : 2022-10-28 ~ 2022-10-29
  • -성적 이의 신청기간 : 2022-10-28 ~ 2022-10-29
  • 강의목차

    주차 수강기간 차시별 강의내용 수업방법
    1주차 2022-07-12 ~
    2022-07-25

    1차시:서론 및 기본 개념 (1)

    • 강의주제 : 서론 및 기본 개념 (1)
    • 세부내용 :

      - 유체란 임의의 크기로 전단 응력을 받을 때, 연속적으로 변화하는 물질이다.
      - 압력, 속도 등 주요 유체의 성질은 유체 내부에서 연속적으로 변한다고 가정하고 이 유체를 연속체로 취급한다.
      - 단위 : 정량적 기술에서 수치뿐만 아니라 표현된 양을 비교하기 위한 기준

    2차시:서론 및 기본 개념 (2)

    • 강의주제 : 서론 및 기본 개념 (2)
    • 세부내용 :

      - 밀도: 단위 체적당 질량
      - 비중량: 단위 체적당 무게
      - 비중: 유체의 밀도와 특정 온도에서의 물의 밀도의 비
      - 이상기체 법칙을 학습한다.

    [원격]
    2주차 2022-07-19 ~
    2022-08-01

    1차시:서론 및 기본 개념 (3)

    • 강의주제 : 서론 및 기본 개념 (3)
    • 세부내용 :

      - 유체 내부에 발생하는 전단 응력은 유체의 점성 때문이다.
      - Newton의 점성 법칙에 대하여 학습한다.
      - 점성 계수의 단위에 대하여 학습한다.
      - 표면 장력 = 자유표면에너지 / 생성된 자유 표면의 면적

    2차시:서론 및 기본 개념 (4)

    • 강의주제 : 서론 및 기본 개념 (4)
    • 세부내용 :

      증발된 증기 분자가 액체 표면 상부 공간 속에서 분압을 형성하는데 이 분압을 증기압이라 한다.
      - 음속 : 유체 내 교란에 의해 생기는 압력파의 전파 속도
      - 유선 : 유동장에서 유체 흐름의 어느 순간에 각 점에서 속도 벡터의 방향과 접선 방향이 일치하도록 그려진 가상 곡선

    [원격]
    3주차 2022-07-26 ~
    2022-08-08

    1차시:유체 내의 압력분포 (1)

    • 강의주제 : 유체 내의 압력분포 (1)
    • 세부내용 :

      - 전단 응력이 존재하지 않는 한, 정지 상태 또는 운동 중에 있는 유체 내부 한 점에서의 압력이 방향과 무관하다.

    2차시:유체 내의 압력분포 (2)

    • 강의주제 : 유체 내의 압력분포 (2)
    • 세부내용 :

      - 피에조미터: 유체의 압력을 정지하고 있는 액주의 무게와 평행시켜 압력을 측정하는 장치로서 기본형으로 U자 형태
      - 차압 액주계: U자형 액주계의 액체가 압력을 측정하려고 하는 유체와 다른 경우의 액주계

    [원격]
    4주차 2022-08-02 ~
    2022-08-15

    1차시:유체 내의 압력분포 (3)

    • 강의주제 : 유체 내의 압력분포 (3)
    • 세부내용 :

      - 물에 잠겨 있는 장치나 물체의 설계를 위하여 평면에 작용하는 힘의 크기나 위치에 대한 계산에 대하여 학습한다.

    2차시:유체 내의 압력분포 (4)

    • 강의주제 : 유체 내의 압력분포 (4)
    • 세부내용 :

      - 수평 성분: 곡면을 수평 방향으로 투영한 평면에 작용하는 힘과 같다.
      - 수직 성분 : 곡면을 밑으로 하는 물기둥의 무게와 같다.
      - 곡면에서의 전압력을 구해본다.

    3차시:유체 내의 압력분포 (5)

    • 강의주제 : 유체 내의 압력분포 (5)
    • 세부내용 :

      - 유체 속에 잠긴 물체가 받는 부력의 크기는 그 물체를 밀어낸 유체의 무게와 같다.
      - 부력은 밀도에 비례하며, 공기와 같은 낮은 밀도의 기체가 가하는 부력은 무시한다.
      - 절대 안정 조건은 경심이 무게 중심보다 위쪽에 있어야 한다.

    [원격]
    5주차 2022-08-09 ~
    2022-08-22

    1차시:검사체적에 대한 적분 관계식 (1)

    • 강의주제 : 검사체적에 대한 적분 관계식 (1)
    • 세부내용 :

      - 계의 질량은 일정하다.
      - 계에 전달된 열 전달률에서 제가 행한 일률을 빼면 계 내의 에너지 변화율과 같다.
      - 계에 작용하는 힘의 합력은 계의 운동량의 변화율과 같다.
      - 계에 작용하는 합력 모멘트는 계의 각 운동량의 변화율과 같다.

    2차시:검사체적에 대한 적분 관계식 (2)

    • 강의주제 : 검사체적에 대한 적분 관계식 (2)
    • 세부내용 :

      - 유체역학의 기본 물리 법칙을 알아본다.
      - 질량보존의 법칙을 학습한다.

    3차시:검사체적에 대한 적분 관계식 (3)

    • 강의주제 : 검사체적에 대한 적분 관계식 (3)
    • 세부내용 :

      - Reynolds 이동정리에 대하여 학습한다.
      ① 가상변수 ② 고정된 검사체적 ③ 1차원 입구/출구
      - 밀폐된 검사면에 작용하는 순수 압력에 의한 힘에 대한 검사체적의 표면에 작용하는 표면력에 대하여 학습한다.

    [원격]
    6주차 2022-08-16 ~
    2022-08-29

    1차시:검사체적에 대한 적분 관계식 (4)

    • 강의주제 : 검사체적에 대한 적분 관계식 (4)
    • 세부내용 :

      - 유선상의 임의의 한 점에서 단위 중량당의 유체가 가지는 속도, 압력, 위치에너지는 일정하다
      - 무마찰유동 : Bernoulli 방정식을 유도한다.
      - Bernoulli 방정석에 주어진 제약에 대하여 알아본다.

    2차시:검사체적에 대한 적분 관계식 (5)

    • 강의주제 : 검사체적에 대한 적분 관계식 (5)
    • 세부내용 :

      - 검사체적에 대한 적분 관계식중 에너지 방정식에 대하여 학습한다.

    [원격]
    7주차 2022-08-23 ~
    2022-09-05

    1차시:유체 유동의 미분 관계식 (1)

    • 강의주제 : 유체 유동의 미분 관계식 (1)
    • 세부내용 :

      - 유동의 해석 방법을 알아본다.
      - 유체의 운동을 기술하는 방법을 알아본다.
      ① Lagrange의 기술 방법
      ② Euler의 기술 방법

    2차시:유체 유동의 미분 관계식 (2)

    • 강의주제 : 유체 유동의 미분 관계식 (2)
    • 세부내용 :

      - 오일러 방정식에 대하여 학습한다.
      - 나비에-스토크스 방정식에 대하여 학습한다.

    [원격]
    8주차 2022-08-30 ~
    2022-09-12

    중간고사주간 (시험은 시작 주 4일동안 진행됩니다.)

    [온라인시험]
    9주차 2022-09-06 ~
    2022-09-19

    1차시:유체 유동의 미분 관계식 (3)

    • 강의주제 : 유체 유동의 미분 관계식 (3)
    • 세부내용 :

      - 에너지의 미분방정식에 대하여 학습한다.
      - Fourier 열전도 법칙을 학습한다.
      - 미소체적에 대한 열유동에 대하여 학습한다.
      - 기본방정식, 일정한 상태량을 갖는 비압축성 유동, 비점성 유동의 근사에서의 경계조건을 학습한다.

    2차시:유체 유동의 미분 관계식 (4)

    • 강의주제 : 유체 유동의 미분 관계식 (4)
    • 세부내용 :

      - 와도에 대하여 학습한다.
      - 회전유동, 비회전 유동에 대하여 학습한다.
      - 마찰이 없는 비회전 유동에 대하여 학습한다.

    [원격]
    10주차 2022-09-13 ~
    2022-09-26

    1차시:덕트 내의 점성 유동 (1)

    • 강의주제 : 덕트 내의 점성 유동 (1)
    • 세부내용 :

      - 배관의 기본적 문제에 대하여 학습한다.
      - Reynolds 수에 따른 유동 형태에 대하여 학습한다.
      - Pipe 흐름의 속도 변화에 따른 압력강하 (Hagen)에 대하여 학습한다.
      - 내부 및 외부 점섬유동에 대하여 학습한다.
      - 수도손실-마찰계수에 대하여 학습한다.
      - 원형 층류 파이프 유동에 대하여 학습한다.

    2차시:덕트 내의 점성 유동 (2)

    • 강의주제 : 덕트 내의 점성 유동 (2)
    • 세부내용 :

      - 난류 모델링에 대하여 학습한다.
      - 대수 복층법칙에 대하여 학습한다.
      - 전단 응력 (Reynolds 응력)에 대하여 학습한다.
      - 프란틀의 혼합거리를 알아본다.

    3차시:덕트 내의 점성 유동 (3)

    • 강의주제 : 덕트 내의 점성 유동 (3)
    • 세부내용 :

      - 난류 파이프 유동에 대하여 학습한다.
      - Prandtl 의 7승근 법칙을 알아본다.
      - Karman이 제시한 매끈한 파이프에서 난류의 속도 분포에 대하여 학습한다.

    [원격]
    11주차 2022-09-20 ~
    2022-10-03

    1차시:잠긴 물체 주위의 유동 (1)

    • 강의주제 : 잠긴 물체 주위의 유동 (1)
    • 세부내용 :

      - 외부 유동은 한정되어 있지 않으므로 점성층이 두꺼워져도 자유롭게 움직인다.
      - 경계층 두께: 유체 속도가 상류 속도를 기준으로 한 어떤 값이 되는 지점과 표면 사이의 거리를 구해본다.

    2차시:잠긴 물체 주위의 유동 (2)

    • 강의주제 : 잠긴 물체 주위의 유동 (2)
    • 세부내용 :

      - 경계층 박리: 유체가 가능한 한도까지 압력 증가를 이겨내며 유동하다가 결국 경계층이 표면에서 이탈하는 현상
      - 물체 주위에 생성되는 유동의 특성은 Reynolds 수의 함수이다.
      - 양력 계수로 무차원화 되는 양력은 물체의 형상에 큰 영향을 받는다.

    [원격]
    12주차 2022-09-27 ~
    2022-10-10

    1차시:압축성 유동 (1)

    • 강의주제 : 압축성 유동 (1)
    • 세부내용 :

      - 음속: 음파가 어떤 속에서 전파되는 속도
      - 임의의 매체속에서 압력파의 전파는 매우 빠른 속도로 이루어지며 이 변화를 단열 과정으로 가정하고 임의의 매체를 이상 기체로 취급하여 음속을 구할 수 있다.

    2차시:압축성 유동 (2)

    • 강의주제 : 압축성 유동 (2)
    • 세부내용 :

      - 면적변화가 있는 등엔트로피 유동에 대하여 학습한다.
      - 아음속 흐름 : M<1, dA/dV<0
      - 초음속 흐름 : M>1, dA/dV>0

    [원격]
    13주차 2022-10-04 ~
    2022-10-17

    1차시:압축성 유동 (3)

    • 강의주제 : 압축성 유동 (3)
    • 세부내용 :

      - M1=1이면, M2=1이 되고 충격파는 존재하지 않는다.
      - M1>1 이면, M2<1이 되고 수직충격파가 초음속 유동을 아음속 유동으로 전환시킨다.
      - M1<1이면, M2>1이 되고 아음속 유동은 수직충격파에 의해 초음속 유동으로 변환될 수 있다. 그러나 이 가능성은 열역학 제2법칙에 의해 발생할 수 없으며, 이는 고립된 계에서의 엔트로피의 감소를 요구하기 때문에 불가능하다.

    2차시:압축성 유동 (4)

    • 강의주제 : 압축성 유동 (4)
    • 세부내용 :

      - 음속 흐름 : M =1이며 dA/dV=0. 단면적의 변화가 없는 노즐 목 부분에서 음속을 얻는다.
      - 초음속 흐름: M1>1 이며, dA/dV>0이 된다. dV<0이면 dA>0이 된다. 즉 속도를 증가시키려면 단면적을 증가시켜야 한다.
      - 아음속 유동 : M1<1의 경우이며 dA/dV <0이 된다. dV>0이면 dA<0이어야 함. 속도를 증가시키려면 단면적을 감소시켜야 함.

    3차시:압축성 유동 (5)

    • 강의주제 : 압축성 유동 (5)
    • 세부내용 :

      - 경사 충격파의 경사각 β와 굴절각 θ의 관계에 대하여 학습한다.
      - 주어진 굴절각 θ에 대해 M1이 특정 곡선에 대한 최소값보다 작을 경우 경사 충격파는 존재하지 않는다. 주어진 M1값에 대해 충격파의 분리를 야기하는 충분히 큰 값의 θ가 존재한다.

    [원격]
    14주차 2022-10-11 ~
    2022-10-24

    1차시:개수로 유동 (1)

    • 강의주제 : 개수로 유동 (1)
    • 세부내용 :

      - 개수로 유동의 개념에 대하여 학습한다.
      - 자유표면 깊이의 변화에 따른 유동의 분류를 알아본다.
      ① 균일유동, uniform flow
      ② 완만하게 변화하는 유동, GVF
      ③ 급격하게 변화하는 유동, RVF
      - 균일유동 : Chezy 공식에 대하여 학습한다.

    2차시:개수로 유동 (2)

    • 강의주제 : 개수로 유동 (2)
    • 세부내용 :

      - 정상류, 균일 유동은 단면이 일정하고 경사가 일정하고 경사가 일정한 긴 수로의 개수로에서 중력의 유동 방향 성분과 마찰 저항이 평형 상태에 있는 유동이다.
      - 수력 도약은 초임계 상태에서 흐르는 유체가 급작스럽게 천이를 거쳐 아임계를 겪는 현상이다.

    [원격]
    15주차 2022-10-18 ~
    2022-10-31

    기말고사주간 (시험은 시작 주 4일동안 진행됩니다.)

    [온라인시험]
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