개념 한 쪽
유체가 흐를 때와 잠겨 있을 때의 힘을 다루는 것이 유체 정역학의 출발점이다. 압축성 유체의 임계 상태, 곡면에 작용하는 전압력의 분해, 그리고 항력의 구성 성분을 구분해 두면 계산과 판단 문제를 함께 풀 수 있다.
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출제기준 단원 「유체 정역학」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 임계 특성 정의 판별 | 1 | 음속 도달 지점과 초음속 구간의 특성 구분 |
| 곡면 전압력 수평분력 | 1 | 투영면 도심 압력과 면적으로 수평분력을 구하는 원리 |
| 전이흐름 특성 판별 | 1 | 층류·난류 혼재 구간의 불안정성과 측정 난이도 |
압축성 유체가 유동할 때 유속이 음속에 도달하는 지점의 특성을 임계 특성이라고 한다. 이 지점에서는 질량 유량이 최대가 되고 초크 흐름이 나타난다. 임계 특성은 초음속 유동의 특성과 구별되므로, 초음속 구간의 성질을 임계 특성이라고 서술하면 틀린 설명이 된다. 축소 유로에서 얻을 수 있는 최대 유속은 음속이며, 초음속을 얻으려면 확대부가 필요하다.
원관 안의 유체 흐름은 레이놀즈 수에 따라 층류, 전이흐름, 난류로 나뉜다. 전이흐름은 층류와 난류가 혼재해 불안정하고, 흐름이 진동하며 압력 강하도 일정하지 않아 측정이 어렵다. 그래서 측정이 쉽고 특성이 뚜렷하다는 서술은 전이흐름의 성질과 어긋난다.
유체에 잠겨 있는 곡면에 작용하는 압력은 크기와 방향이 일정하지 않아 수평분력과 수직분력으로 나누어 다룬다. 곡면이 받는 전압력에서 수평 방향 성분은, 그 방향에 수직인 연직면에 투영한 투영면의 도심 압력과 투영면적을 곱한 값과 같다. 정수압력이 깊이에 따라 선형으로 커지므로, 투영면의 형상과 관계없이 도심 압력과 면적의 곱으로 총압력을 구할 수 있다. 수직분력은 그 방향의 체적 무게로 계산한다.
항력은 유체의 점성에 의한 마찰항력과 표면 형상에 의한 압력항력의 합으로 구성된다. 항력은 유체의 속도, 밀도, 물체의 형상 등 여러 요소에 영향을 받으므로 관의 거칠기만으로 결정되지 않는다. 거칠기를 유일한 요인으로 제한하는 서술은 틀린 설명이 된다.
게이트 밸브는 유체의 흐름을 완전히 끊거나 통과시키는 전개 또는 폐쇄용으로 설계된다. 완전히 열었을 때 유체 저항이 적어 압력 손실이 작지만, 게이트 위치를 정밀하게 제어하기 어려워 섬세한 유량 조절에는 적합하지 않다. 가정용 수도꼭지는 일반적으로 글로브 밸브나 커브 밸브의 원리를 사용한다.
이상유체는 점성이 0인 가상의 유체이므로 유체 내부나 벽면 사이에 마찰이 발생하지 않는다. 따라서 마찰력이나 전단응력은 이상유체에 작용하지 않는다. 반면 중력에 의한 힘, 압력차에 의한 힘, 관성력은 이상유체에도 작용한다.
베르누이 방정식은 비압축성·비점성 유체의 정상류에서 압력항, 속도항, 위치수두항의 합이 일정함을 나타낸다. 마찰 효과를 고려한 식은 에너지 손실을 포함하므로 이상적 가정과 다르다.
압축성 유체가 유동할 때에 대한 현상으로 옳지 않은 것은?
정답 ③ · 압축성 유체가 노즐 등을 통해 유동할 때 유속이 음속(Mach 1)이 되는 지점의 유동 특성을 임계특성이라고 합니다. 이는 유속이 음속에 도달하여 최대 질량 유량이 결정되는 지점(Choked flow)을 의미합니다.
임계 특성은 유속이 음속이 되는 지점의 특성을 말하며 초음속 유동 특성과는 구별된다.
원관에서 유체의 전이흐름에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
정답 ③ · 전이흐름(Transition flow)은 층류와 난류가 혼재하는 불안정한 구간(레이놀즈 수 약 2100~4000)을 말합니다. 이 구간에서는 유체의 흐름이 층류와 난류 사이에서 불규칙하게 진동하고, 그에 따라 압력 강하도 불안정하게 변동합니다.
전이흐름은 층류와 난류가 혼재해 불안정하므로 측정이 어렵고 특성이 뚜렷하지 않다.
유체에 잠겨 있는 곡면에 작용하는 전압력의 수평분력에 대한 설명으로 가장 올바른 것은?
정답 ④ · 유체에 잠긴 곡면에 작용하는 전압력의 수평분력에 대한 올바른 설명을 고르는 문제이다. 곡면에 작용하는 정수압력의 수평분력은 수평성분 방향에 수직인 연직면에 곡면을 투영한 투영면에 작용하는 전압력과 같으며, 이는 투영면 도심의 압력과 투영면적을 곱한 값으로 계산한다.
잠긴 곡면에 작용하는 전압력의 수평분력은 수평성분 방향에 수직인 연직면에 투영한 투영면의 도심 압력과 면적의 곱과 같다.
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