개념 한 쪽
덕트 설계에서는 유량과 단면적의 관계를 통해 공기 속도를 구하고, 속도압과 마찰계수를 이용해 마찰손실을 산정한다. 덕트 형상과 표면 조도는 마찰손실에 영향을 주며, 곡관부의 부속 장치나 베나수축 등의 현상도 설계 고려사항에 포함된다.
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출제기준 단원 「닥트의 직경과 원주」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 베나수축 붕괴 거리 판단 | 1 | 베나수축이 붕괴되는 거리 기준을 묻는다 |
| 상대조도 정의 확인 | 1 | 상대조도의 정의와 계산식을 묻는다 |
| 덕트 형상·설계 부적합 지문 찾기 | 1 | 원형과 사각형 덕트 특성 비교로 부적절 문장을 가리기 |
덕트 내 유동에서 기본이 되는 관계식은 Q = A·V로, 유량 Q와 단면적 A로부터 속도 V를 구한다. 직경이 주어진 원형 덕트의 단면적은 직경의 제곱에 원주율을 곱한 값으로 계산한다.
속도압은 유체의 운동에너지에 기인하며 속도의 제곱에 비례한다. 마찰손실은 주어진 마찰손실계수와 길이를 곱하고 속도압 등을 반영한 형태로 계산하는 것이 일반적이다. 문제 재료에서는 마찰손실이 계수×길이×속도항의 형태로 정리되어 있다.
덕트의 상대조도는 절대 표면조도를 덕트 직경으로 나눈 무차원 수로 정의된다. 상대조도는 마찰계수 산정에 중요한 인자로 작용한다.
곡관과 같은 형상변화부에서는 추가 저항이 발생한다. 곡관부에 새우곡관과 같은 유도깃을 설치하여 흐름을 원활히 하면 마찰손실을 줄일 수 있다. 베나수축 현상은 덕트 시작점에서 발생하며 일반적으로 덕트 직경의 약 2배 지점에서 붕괴가 일어난다.
원형 덕트는 같은 단면적에서 외주가 짧아 마찰손실이 적고 내부 유속 분포가 비교적 균일하므로 사각형 덕트보다 유체역학적으로 유리한 특성을 가진다.
직경 200mm(0.2m) 원형 덕트를 통해 분당 100m³의 공기를 송풍할 때 10m당 마찰손실을 구하는 절차는 다음과 같다. 1) 단면적 A = π·(d²)/4 ≈ 3.14·(0.2²)/4 = 약 0.0314m²로 계산한다. 2) 속도 V = Q/A = (100m³/min ÷ 60s) ÷ 0.0314m²로 초당 약 53m/s가 됨을 확인한다. 3) 속도에 비례하는 속도압을 구하고, 주어진 마찰손실계수 0.005와 길이 10m, 공기 비중량 1.2kg/m³를 적용하여 마찰손실을 산정한다. 재료 해설에 따른 계산 결과 마찰손실은 약 43mmH2O로 도출된다. 이 계산에서 유량과 단면적의 단위 일치와 속도압의 제곱 의존성을 확인하는 것이 중요하다.
덕트의 시작점에서는 공기의 베나수축(vena contracta)이 일어난다. 배나 수축이 일반적으로 붕괴되는 지점은?
정답 ② · 질문은 덕트 시작부에서 발생하는 베나 수축(vena contracta)이 보통 어디쯤에서 붕괴되는지를 묻고 있다. 베나 수축은 유입 후 유속과 압력 분포가 재정렬되면서 유동이 재부착되는 거리를 의미하며 일반적으로 덕트 직경의 약 2배 지점에서 안정화되어 수축 현상이 사라진다.
덕트 내 공기 흐름에서 베나 수축 현상은 유동이 안정화되며 약 2배 지점에서 붕괴된다.
덕프의 조도를 나타내는 상대조도를 가장 알맞게 기술한 것은?
정답 ④ · 덕트의 상대조도(Relative Roughness)를 정의하는 문제입니다. 덕트 내부 표면의 절대 표면조도(ε)와 덕트의 직경(D)의 비율로 정의되는 무차원 수입니다.
상대조도는 무차원 수로, 절대 표면조도를 덕트 직경으로 나눈 값으로 정의된다.
다음 중 덕트의 설계에 관한 사항으로 적절하지 않은 것은?
정답 ② · 문제는 덕트 설계 관련 설명 중 부적절한 것을 고르는 문제이다. 원형 덕트는 유속 분포가 더 균일하고 마찰손실이 적어 일반적으로 선호되므로 사각형이 더 균일하다는 진술은 잘못된 내용이다.
원형 덕트가 유속 분포가 더 균일하므로 사각형 덕트 사용 권장 오류.
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