개념 한 쪽
유체가 관이나 평판을 지날 때 속도와 압력은 벽면 근처에서 달라진다. 경계층은 그 변화가 나타나는 영역이고, 마찰손실은 흐름 상태에 따라 계산 방식이 갈린다. 펌프와 밸브는 유체를 다루는 장치로서 각각 정해진 역할을 가진다.
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출제기준 단원 「유체 동역학」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 경계층 두께 정의 | 1 | 자유류 속도의 몇 퍼센트 도달 지점을 두께로 보는지 가리기 |
| Darcy 마찰손실 계산 | 1 | 관로 손실수두를 공식에 값 대입해 산출하기 |
| 역류 방지 밸브 | 1 | 유체를 한 방향으로 수송할 때 쓰는 밸브를 가리기 |
경계층은 고체 표면 근처에서 점성의 영향으로 유속이 느려지는 영역이다. 벽면에서 멀어질수록 속도가 커지며, 외부 자유류 속도(Vmax)의 99%에 도달하는 지점까지를 경계층 두께로 정의한다. 50%나 90%는 경계층 내부의 특정 지점일 뿐 두께의 기준이 되지 않는다.
관로에서 마찰손실 수두는 Darcy-Weisbach 식 hf=f(L/D)(V²/2g)로 구한다. 지름 D는 반드시 미터 단위로 환산해 대입한다. 흐름이 층류인지 난류인지에 따라 마찰계수 f를 구하는 방법이 달라진다.
층류에서 마찰계수는 f=64/Re로 정의되고, 레이놀즈수 Re는 평균유속 V에 비례한다. 따라서 층류의 마찰계수는 평균유속에 반비례한다. 압력차는 층류에서 유속에 정비례하므로, 유속 제곱에 비례한다는 설명은 층류 조건에서 성립하지 않는다.
마하 수는 압축성 유체의 유속을 나타내는 무차원 수로, 유체 속도를 음속으로 나눈 값이다. 이 값이 1보다 작으면 아음속, 1보다 크면 초음속으로 구분한다.
펌프는 유체를 밀어내는 방식에 따라 특성이 갈린다. 실린더 안에 액체를 끌어들여 밀폐한 뒤 높은 압력으로 밀어내는 왕복펌프는 압력 상승이 크고 유량이 작다. 원심력을 이용하는 사류펌프와 축류펌프는 유량이 많고 압력이 상대적으로 낮다. 밸브 중에서는 체크 밸브가 유체를 한 방향으로만 흐르게 하고 역류를 자동으로 차단한다.
유체 동역학 문제는 정의와 공식의 적용 조건을 뒤바꾼다. 경계층 두께를 90% 도달 지점으로 정의한다고 하면 틀리다. 층류에서 마찰계수가 유속에 비례한다고 하거나, 압력차가 유속 제곱에 비례한다고 하면 층류 조건과 어긋난다.
계산 문제에서는 단위 환산이 함정이 된다. 마찰손실 수두를 구할 때 지름을 cm 그대로 대입하거나, 전수두에서 압력 2kgf/cm²를 kgf/m²로 환산하지 않으면 오답에 이른다. 1kgf/cm²를 10⁴kgf/m³로 바꾸는 환산을 빠뜨리지 않는다.
장치의 역할을 바꾸는 선지도 함정이다. 역류 방지 밸브를 게이트 밸브나 글로브 밸브로 바꾸거나, 고압·소유량 장치를 축류펌프로 바꾸면 기능 분류가 어긋난다. 급폐쇄 시 충격파와 소음이 관내를 왕복하는 현상은 워터해머이며, 공동현상이나 서어징과 구분한다.
일반적으로 경계층은 유체속도가 자유흐름속도 Vmax의 몇 % 이하가 되는 영역을 뜻하는가?
정답 ④ · 유체역학에서 경계층(Boundary layer)은 고체 벽면 근처에서 점성의 영향으로 유속이 크게 감소하는 유체 영역을 의미합니다. 일반적으로 벽면에서의 유속이 0이고, 벽면에서 멀어질수록 유속이 증가하여 자유흐름속도(Vmax)에 도달하게 되는데, 학문적으로는 자유흐름속도의 99%에 도달하는 지점까지의 영역을 경계층 두께로 정의합니다.
경계층 두께는 벽면에서 유속이 외부 자유류 속도의 99%에 도달하는 지점까지를 정의한다.
내경이 40㎝, 길이가 500m인 관에 평균 속도가 1.5m/s로 물이 흐르고 있을 때 Darcy식을 사용하여 마찰손실 수두를 구하면 약 몇 m인가? (단, Darcy 마찰계수 f는 0.0422이다.)
정답 ② · Darcy-Weisbach 공식을 이용하여 관의 마찰손실 수두를 구하는 문제입니다. 공식은 hf = f × (L/D) × (V² / 2g)입니다.
다arcy 마찰손실 수두는 hf=f(L/D)(V²/2g) 공식으로 계산하며, 단위 통일 후 대입한다.
역류를 방지하고 유체를 한 방향으로 수송시킬 때 사용하는 밸브는?
정답 ① · 역류 방지용 밸브를 묻는 기본 문제이다. 체크 밸브는 유체가 한 방향으로 흐를 때만 열리고 역류가 생기면 자동으로 닫혀 역류를 차단하는 밸브로, 스프링이나 플랩 등의 기구에 의해 작동한다.
유체의 역류를 방지하고 한 방향으로만 흐르게 하는 밸브를 체크 밸브라고 한다.
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