유체 시뮬레이션에서 유체의 물리적 특성은 유체의 거동을 예측하고 시뮬레이션하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 주요 유체의 물리적 특성은 다음과 같다:

밀도 ($\rho$)

밀도는 단위 부피당 질량으로 정의된다. 밀도는 물질의 유형에 따라 다르며, 유체의 압력이나 온도에 의해서도 변할 수 있다. 밀도의 단위는 주로 킬로그램 퍼 세제곱 미터(kg/m³)로 표기된다.

여기서 $m$은 질량, $V$는 부피이다.

점성 ($\mu$)

점성은 유체의 내부 저항을 나타내는 물리적 특성으로, 유체가 흐를 때의 마찰력을 의미한다. 점성이 높은 유체는 천천히 흐르고, 점성이 낮은 유체는 쉽게 흐릅니다. 점성은 다이내믹 점성(dynamic viscosity)과 운동 점성(kinematic viscosity)으로 분류된다.

다이내믹 점성의 단위는 파스칼 초(Pa·s)이며, 운동 점성의 단위는 제곱미터 퍼 초(m²/s)이다.

다이내믹 점성 ($\mu$)와 밀도 ($\rho$)를 통해 운동 점성 ($\nu$)을 다음과 같이 정의할 수 있다:

압력 ($p$)

압력은 유체 내의 단위 면적당 작용하는 힘이다. 압력의 단위는 주로 파스칼(Pa)로 표기된다. 1 Pa는 1제곱미터당 1뉴턴의 힘이다.

여기서 $F$는 힘, $A$는 면적이다.

표면 장력 ($\gamma$)

표면 장력은 유체의 표면에서 작용하는 힘으로, 유체가 최소한의 표면적을 가지려고 하는 경향을 나타낸다. 이는 유체의 분자 간 인력으로부터 기인한다. 표면 장력의 단위는 뉴턴 퍼 미터(N/m)이다.

여기서 $F$는 표면에 작용하는 힘, $L$은 길이이다.

압축성

압축성은 유체가 외부 압력 변화에 대해 부피를 변화시키는 정도를 나타낸다. 압축되지 않는 물질을 비압축성(non-compressible)이라 하며, 이상적으로 유체는 비압축성으로 간주되는 경우가 많다. 반면, 실제 대부분의 유체는 압축성을 가지고 있다.

압축률($\beta$)은 일반적으로 다음과 같이 정의된다:

여기서 $V$는 부피, $p$는 압력이다.

다른 물리적 특성

여기에는 온도, 열전도율, 확산 계수 등이 포함되며, 이들 모두 유체의 거동에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 온도에 따라 유체의 밀도나 점성이 달라질 수 있다.

흐름의 종류

유체 흐름은 다음과 같은 종류로 분류될 수 있다:

1. 층류(Laminar Flow): 유체 층이 서로 미끄러지듯이 규칙적으로 흐르는 상태이다. 층류에서는 유체의 입자가 평행한 경로를 따라 이동하며, 난류에 비해 점성이 큰 상황에서 자주 발생한다.

2. 난류(Turbulent Flow): 유체 흐름이 불규칙하고 난잡한 상태이다. 난류는 고속 흐름이나 장애물이 있을 때 발생하며, 흐름 속에 소용돌이와 난기류가 많이 발생한다.

3. 전이 흐름(Transitional Flow): 층류에서 난류로 또는 그 반대로 전이되는 상태이다.

열역학적 특성

유체의 열역학적 특성도 중요하다. 이는 유체의 물리적 거동과 에너지 교환을 이해하는 데 도움을 준다.

1. 비열 수용률 ($C_p$): 단위 질량의 물질을 1도 상승시키는 데 필요한 에너지이다. 단위는 주로 J/(kg·K)이다.

2. 열전도율 ($\kappa$): 열이 유체를 통해 전달되는 능력이다. 단위는 W/(m·K)이다.

3. 엔탈피 (H): 물질의 에너지 상태를 나타내는 척도이다. 단위는 주로 J/kg이다.

유체의 기호와 단위

유체 역학에서는 다양한 기호와 단위가 사용된다. 다음은 주요 기호 및 단위이다:

• 밀도 ($\rho$): kg/m³
• 점성 ($\mu$, $\nu$): Pa·s, m²/s
• 압력 (p): Pa
• 표면 장력 ($\gamma$): N/m
• 온도 (T): K
• 비열 수용률 ($C_p$): J/(kg·K)
• 열전도율 ($\kappa$): W/(m·K)
• 엔탈피 (H): J/kg

단위 변환

실제 사용에서는 단위 변환이 필요할 수 있다. 예를 들어, 압력은 종종 바(bar)나 아트모스피어(atm)로도 표현된다.

사람들이 다양한 단위를 사용하므로, 언제나 단위 변환을 정확하게 하는 것이 중요하다.