개념 한 쪽
유체 흐름의 기본 원리는 환기 배관 설계와 오염물 거동 예측의 기초가 된다. 레이놀드수는 흐름 상태를 판단하고, 입자 침강 속도는 미세입자 거동을 예측하며, 기체의 상태방정식과 비중 가중치는 혼합가스의 물성 추정에 사용한다. 이 개념들은 산업환기 문제 풀이의 핵심 도구가 된다.
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출제기준 단원 「유체의 역학적 원리」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 배관 유동 상태 판단 | 1 | 산업환기 덕트의 레이놀드수 범위를 보고 흐름 상태를 가리기 |
| 입자 침강 속도 계산 | 1 | 주어진 직경·비중의 입자에 Stokes 법칙 적용해 침강속도 구하기 |
| 기체 상태 변화 계산 | 1 | 온도·압력 변화에 따른 기체의 최종 부피를 이상기체 관계로 구하기 |
레이놀드수(Re)는 관성력과 점성력의 비율을 나타내는 무차원 수로, Re = ρVD/μ의 형태로 정의된다고 설명한다. 여기서 밀도(ρ), 속도(V), 특성길이(관의 직경 D)가 분자에 위치하고 점성계수(μ)가 분모에 위치한다고 정리한다. 레이놀드수의 크기에 따라 층류와 난류를 구분할 수 있으며, 산업환기 덕트는 대체로 고속 흐름이므로 높은 Re 범위에 해당한다고 설명한다.
입자의 침강 속도는 Stokes 법칙을 사용하여 구한다는 점을 설명한다. Stokes 법칙은 V = (ρ·g·d²)/(18·η)의 형태이며, 입자 직경(d)의 제곱에 비례하므로 단위 환산이 매우 중요하다고 강조한다. 매우 작은 직경의 입자(예: 1μm)는 공기 중에서 매우 느린 속도로 침강한다고 정리한다.
혼합가스의 전체적 비중은 각 성분의 비중에 그 성분이 차지하는 혼합비를 곱해 더한 가중평균으로 산출한다고 설명한다. ppm 단위는 백만분율이므로 비율로 바꿔 계산해야 하고, 공기 비중을 1.0으로 놓고 혼합비를 적용하면 간단히 계산된다고 정리한다.
기체의 부피 변화 문제는 이상기체 상태방정식(PV=nRT)을 기반으로 접근해야 한다고 설명한다. 온도는 반드시 절대온도(K)로 변환하여 사용하고, 압력과 온도의 변화가 동시에 일어날 때에는 P1V1/T1 = P2V2/T2 관계를 이용하여 부피 변화를 구한다고 정리한다.
1) 레이놀드수 적용 예: 산업 환기 배관에서는 유속이 크므로 레이놀드수가 보통 10^5~10^6 범위로 완전 난류 상태에 해당한다고 판단하여 난류 유동 가정으로 열손실과 마찰손실을 평가한다.
2) 기체 상태와 비례관계 계산 예: 27℃(300K), 1기압에서 부피 2L인 산소가 327℃(600K), 2기압으로 상태가 변하면 P1V1/T1 = P2V2/T2를 이용하여 V2 = 2 × (600/300) × (1/2) = 2L로 초기 부피와 같아진다고 계산한다.
3) 입자 침강 속도 계산 예: 직경 1μm, 비중 2.0인 입자는 Stokes 법칙을 적용하여 약 0.006cm/s 정도의 느린 침강 속도를 보인다고 정리한다.
일반적인 산업환기 배관 내 기류 흐름의 Reynold수의 범위로 가장 알맞는 것은?
정답 ④ · 문제는 산업 환기 배관 내 흐름의 레이놀즈 수 범위를 묻는다. 산업용 배관은 보통 속도와 관경이 커서 완전 난류 상태가 되며 레이놀즈 수는 대개 10^5에서 10^6 수준에 해당한다.
산업 환기 배관의 레이놀즈 수는 일반적으로 10^5에서 10^6 범위의 완전 난류 상태이다.
입자의 직경이 1㎛이고, 비중이 2.0인 입자의 침강 속도는 얼마인가?
정답 ② · 입자의 침강 속도(V)는 스토크스(Stokes)의 법칙을 따르며, 공식은 V = (ρ × g × d²) / (18 × η) 입니다. 밀도(ρ)는 비중 2.0에 물의 밀도 1g/cm³을 곱하여 2.0g/cm³, 중력가속도(g)는 980cm/s², 직경(d)은 1㎛(0.0001cm), 공기의 점도(η)는 약 1.81×10^-4 Poise(g/cm·s)를 대입합니다.
입자 침강 속도는 스토크스 법칙 V=(ρgd²)/(18η)으로 계산하며, 직경 제곱에 비례하므로 단위 환산에 주의해야 한다.
다음 중 일반적인 산업환기 배관 내 기류 흐름의 Reynolds수 범위로 가장 올바른 것은?
정답 ④ · 문제는 산업환기 배관 내 기류의 전형적인 레이놀즈수 범위를 묻는다. 산업 환기설비는 비교적 높은 유속과 관경을 가지므로 난류 영역에 해당하며 일반적으로 레이놀즈수는 10^5에서 10^6 범위에 있다.
산업환기 배관 내 기류는 고속 흐름이 일반적이므로 레이놀즈수 범위는 10^5 ~ 10^6이다.
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