개념 한 쪽
산업위생관리기사 유체흐름의 기본개념 — 흐름의 성질을 가르는 수
유체흐름의 기본개념 세트는 흐름의 성질을 수로 가르고, 그 흐름이 만드는 손실을 계산한다. 레이놀즈수와 층류 임계, 연속방정식의 근거, 스토크스 침강속도, 덕트 마찰손실과 확대관 손실, 후드 정압, 송풍기 형식, 그리고 계산의 전제가 되는 비압축성 가정까지 한 줄로 이어진다.
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뜻
레이놀즈수는 관성력과 점성력의 비다. Re = ρVD/μ로 계산하며, 직경 30cm·유속 10m/s·공기밀도 1.2kg/m³·점성계수 1.8×10⁻⁵kg/(s·m)를 넣으면 200,000이 된다. 같은 관에서도 속도와 직경이 커지면 관성의 몫이 커진다.
층류로 흐를 수 있는 한계는 임계레이놀즈수로 판정한다. 임계레이놀즈수가 2,100이고 동점성계수가 1.5×10⁻⁵m²/s이면 임계유속은 v = Re·ν/D로 구하고, 여기에 단면적을 곱해 최대 유량을 낸다. 직경 10cm 관에서는 약 0.148m³/min이 된다.
연속방정식은 질량보존의 법칙에서 나오고, 정상류에서 ρAV가 일정하다는 관계를 말한다. 스토크스 법칙의 중력침강속도는 v = g(ρs−ρa)d²/(18μ)로, 입자 지름의 제곱과 밀도차에 비례하고 점성계수에 반비례한다.
덕트의 마찰손실은 길이와 속도압에 비례하고 직경에 반비례한다. 확대관에서는 속도압 차이에 손실계수를 곱해 압력손실을 구하며, 확대각 10도일 때 손실계수 0.28이 제시된다. 후드의 정압은 −(ρv²/2)÷유입계수²로 구하고, 유입계수 0.82·기류속도 18m/s·공기밀도 1.2kg/m³이면 약 −29.5mmH₂O다.
송풍기는 공기가 축방향으로 들어와 경사방향으로 나가며 원심력과 양력을 함께 쓰는 사류팬처럼 형식별 흐름이 다르다. 계산의 전제로 공기는 비압축성 유체로 가정하며, 수분 포화 상태를 가정하면 밀도 변화가 복잡해져 전제로 성립하지 않는다.
예제
출제 패턴은 네 가지다. ① 무차원수 — 레이놀즈수를 ρVD/μ로 계산하고, 임계값으로 층류 한계 유량을 구한다. ② 원리 — 연속방정식은 질량보존에서 나온다. ③ 손실 계산 — 마찰손실은 길이·속도압에 비례하고 직경에 반비례하며, 확대관은 속도압 차이에 손실계수를 곱하고, 후드는 정압 공식에 유입계수를 넣는다. ④ 개념 판단 — 사류팬의 흐름과 비압축성 가정을 옳고 그름으로 가른다.
자주 묻는 물음
- 레이놀즈수는 어떻게 계산하나요?
- Re = ρVD/μ입니다. 직경 30cm, 유속 10m/s, 공기밀도 1.2kg/m³, 점성계수 1.8×10⁻⁵kg/(s·m)를 넣으면 200,000이 됩니다. 관성력과 점성력의 비를 나타냅니다.
- 층류로 흐를 수 있는 최대 유량은 어떻게 구하나요?
- 임계레이놀즈수 2,100과 동점성계수로 임계유속 v = Re·ν/D를 구한 뒤, 여기에 단면적을 곱합니다. 직경 10cm 관에서 동점성계수가 1.5×10⁻⁵m²/s이면 임계유속은 약 0.315m/s이고 최대 유량은 약 0.148m³/min입니다.
- 후드의 정압은 어떻게 구하나요?
- 정압 = −(ρv²/2)÷유입계수²로 구합니다. 유입계수 0.82, 기류속도 18m/s, 공기밀도 1.2kg/m³이면 약 −29.5mmH₂O가 됩니다.
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