비뉴턴유체 유변학 (Non-Newtonian Fluid Rheology)
쉽게 풀면
물이나 공기처럼 흔한 유체는 힘을 가하는 정도(전단속도)와 그에 저항하는 힘(전단응력)이 서로 비례하는데, 이런 유체를 뉴턴유체라고 부릅니다. 하지만 케첩, 치약, 전분물처럼 힘을 세게 가할수록 오히려 묽어지거나 반대로 뻑뻑해지는 유체들도 많이 있는데, 이런 유체를 비뉴턴유체라고 합니다. 유변학은 이렇게 유체가 힘을 받았을 때 흐르고 변형되는 방식을 연구하는 학문으로, 비뉴턴유체 유변학은 그중에서도 물처럼 단순하지 않은 유체들의 특이한 흐름 거동을 다룹니다. 케첩병을 흔들면 갑자기 잘 나오는 현상을 떠올리면 비뉴턴유체의 성질을 직관적으로 이해할 수 있습니다.
왜 중요한가
고분자 용액, 슬러리, 식품, 화장품 등 화학공학에서 다루는 많은 실제 유체가 비뉴턴 거동을 보이기 때문에, 배관 설계, 펌프 선정, 혼합 공정 설계 등에서 유변학적 특성을 정확히 파악하는 것이 중요합니다. 잘못된 뉴턴유체 가정으로 설계하면 실제 공정에서 큰 오차가 발생할 수 있습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
측정 장비를 이용해 비뉴턴유체의 점도가 전단속도에 따라 어떻게 변하는지 확인했다는 뜻입니다.
비뉴턴 거동을 반영한 모델로 반응기 안의 흐름과 혼합을 계산했다는 의미입니다.
조금 더 깊게 보면
비뉴턴유체는 거동 특성에 따라 전단희박화(shear-thinning), 전단농화(shear-thickening), 빙엄 소성 유체, 점탄성 유체 등으로 세분됩니다. 이러한 거동을 수식으로 표현하기 위해 파워로 법칙(power-law) 모델이나 빙엄 모델 등 다양한 구성방정식(constitutive equation)이 사용됩니다. 유변학적 물성은 레오미터나 점도계를 이용해 전단속도를 변화시키며 측정하는 것이 일반적입니다.
주의할 점
비뉴턴유체는 온도, 농도, 이전 전단 이력 등에 따라 물성이 크게 달라질 수 있어, 한 조건에서 측정한 값을 다른 조건에 그대로 적용하면 오차가 발생할 수 있습니다. 뉴턴유체용 설계식이나 상관식을 비뉴턴유체에 그대로 적용하는 것도 주의가 필요합니다.