층류와 난류에 대해 말해 보십시오.

층류(laminar flow)란 유체가 평행한 층을 이루어 흐르며 이 층이 붕괴되지 않는 유동을 의미한다. 유체 내에서 모멘텀 확산(diffusion)이 잘 일어나고, 모멘텀 대류(convection)는 더디며, 압력 및 속도가 시간에 무관한 유동을 유체 동역학에서 층류라고 한다.

반면, 층류와 반대되는 개념인 난류(turbulent flow)는 무질서하고 비정상성을 가지는 유동이다. 난류 유동에서는 모멘텀 확산이 잘 일어나지 않고 모멘텀 대류는 활발하며 압력 및 속도가 시간 및 공간에 따라 빠르게 변화한다.

어떤 유동이 층류인지 난류인지를 기술하는 데에 중요한 인자가 되는 것이 무차원 수인 레이놀즈 수(Reynolds number)이다. 레이놀즈 수의 값이 크면 난류이고 그렇지 않으면 층류이다. 파이프 내의 유동과 같은 내부 유동(internal flow)에서는 레이놀즈 수가 약 2,300 보다 작으면 층류, 크면 난류로 생각한다. 그러나 이는 대략적인 값으로, 레이놀즈 수가 약 2100 이하이면 층류, 4000 이상이면 난류이고 그 사이 값은 천이 유동(transition flow)으로 고려하기도 한다.

일상에서 층류와 난류를 목격할 수 있는 예는 바람이 전혀 없는 조건에서 공중으로 올라가는 담배 연기의 예이다. 이런 조건에서 담배 연기는 처음 어느 정도의 높이까지는 수직으로, 흐트러짐이 전혀 없이 올라가다가(층류) 어느 순간 그 흐름이 흐트러지게 된다(난류). 또 다른 예로는 수도꼭지에서 흐르는 물을 예로 들 수 있다. 수돗물은 유량이 적을 때는 똑바로 떨어지지만(층류) 유량이 늘어나면 갑자기 흐트러지면서 나온다(난류). 생활 속에서 볼 수 있는 공기나 물의 유동은 거의 모두가 난류이다.