화공기사 실기 필답형 - 유체의 유동

1. 유체 (fluid)

- 기체, 액체의 총칭으로, 기체는 압축성 유체, 액체는 비압축성 유체

 

- 변형에 의해 영구적으로 저항하지 않는 물질

 

- 외부의 힘에 의해 쉽게 변형될 수 있는 물질

 

- 형태가 바뀔 때 변형에 대응하는 전단응력이 생성되는 물질

 

 

 

2. 유체의 속도(u)

 

유체 속도 공식

 

이 유체속도 공식은 화공기사 문제를 풀 때 뿐만아니라 유속을 구하는 곳에서 아주 많이 사용되는 공식이다. 따라서 이 공식은 바로 나올수 있도록 체화하는 것이 좋다.

 

 

 

 

3. 유체의 유량(Q)

 

유량 공식

 

유량의 공식도 유속의 공식과 한 세트로 암기하는 것이 좋다.

 

 

 

4. 층류와 난류

(1) 층류 ( NRe < 2100 )

- 유체가 관벽에 직선으로 흐르는 흐름

 

- 유체의 흐름이 비교적 완만할 때 입자가 관벽과 평행하게 흐르고 서로 혼합되지 않는 흐름

 

(2) 난류 ( NRe > 4000 )

- 유체가 무질서하게 와류를 형성하며 빠르게 이동하는 흐름

 

- 벽난류 : 흐르는 유체가 고체 경계와 접촉했을 때 생성되는 난류

 

- 자유난류 : 두 층의 유체가 서로 다른 속도로 흐를 때 생성되는 난류

 

 

cf. 플러그흐름(Plug Flow)

- 유속의 분포가 항상 일정한 흐름 (u = umax = 일정)

 

 

 

 

 

5. 레이놀즈 수 (Reynolds Number)

: 유체의 흐름이 층류인지 난류인지를 나타내주는 정량적인 무차원 수

 

레이놀즈 수 공식

 

- NRe 가 작으면 점성력이 크고, NRe 가 크면 관성력이 큼

 

- 강제대류에 크게 작용하는 물성

 

- NRe 가 증가하면 관성력이 증가하여 유체 내 교란이 확산되 난류로의 전이가 발생

 

 

 

레이놀즈 수를 구하는 것은 화공기사에서 단골 출제문제이다. 위 공식을 암기하는 것은 물론 레이놀즈수가 의미하는 것이 무엇인지도 아는 것이 좋다. 점성력에 대한 관성력의 비를 의미하는데 점도항이 분모에 있으므로 이를 연관시키면 쉽게 외울 수 있다.

 

 

 

 

 

6. 유체의 최대속도

 

1. 층류 : u = 0.5 umax

 

2. 난류 : u = 0.8 umax

 

 

위 식을 보면 난류의 최대속도가 층류의 최대속도보다 더 빠른것을 알 수 있다.

 

 

 

cf. 관 속의 한 지점에서의 속도

관 속의 한 지점에서의 속도 u 공식

 

 

 

7. 전이길이 (Lt)

전이길이 (Lt)

- 완전 발달된 흐름이 될 때까지의 길이

 

- 층류 : Lt = 0.05 NRe D

 

- 난류 : Lt = 40~50 D

 

 

난류공식에는 레이놀즈 수가 없고 층류의 공식에는 레이놀즈 수가 들어있다. 이를 유의해서 기억하면 된다.