개념 한 쪽
산업환기에서 공기와 유체의 거동을 이해하는 것은 덕트 설계와 환기 성능 판단의 기초가 된다. 본 개념은 유체역학의 기본 수식과 공기 상태 기준을 통해 환기 설계의 근거를 제시한다.
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출제기준 단원 「산업 환기의 의미와 목적」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 레이놀즈 수 변수 판정 | 1 | 유체 흐름 상태 판정에 필요한 변수 구분 |
| 베르누이 정리 적용 조건 | 1 | 베르누이 정리의 전제조건을 고르는 능력 |
| 베르누이 정리의 의미 | 1 | 베르누이 정리의 물리적 해석을 설명으로 가리는 능력 |
베르누이 정리는 유체 흐름에서 에너지 보존 개념을 적용한 법칙으로, 압력 에너지·위치 에너지·운동 에너지의 합이 일정하다고 보는 원리이다. 이 정리는 마찰 손실이나 점성 효과를 무시한 이상유체를 가정하므로 비점성·비압축성 조건 등 적용 조건을 확인해야 한다고 본다.
레이놀즈 수는 흐름이 층류인지 난류인지를 판별하는 무차원 수로서 속도, 관의 직경, 동점도 계수를 사용해 계산한다. 레이놀즈 수 공식에는 관의 길이가 포함되지 않으므로 흐름 상태 판단 시 필요한 변수만을 정확히 구분해야 한다고 본다.
공기의 상태를 정할 때에는 기준이 되는 표준공기를 사용하여 계산의 일관성을 확보한다. 산업환기에서의 표준공기는 온도 21℃, 압력 1기압(760mmHg) 상태로 정의한다는 점을 명확히 한다.
기체의 상태 변화 문제는 이상기체 상태방정식(P1V1/T1 = P2V2/T2)을 적용하여 푼다. 온도는 절대온도(K)로 변환하고 압력 단위를 통일하여 대입하는 절차를 반드시 지켜야 한다고 본다.
예시 1 — 레이놀즈 수 판정 방법을 적용한다: 관경 D, 평균 유속 V, 동점도 ν가 주어지면 Re = V·D/ν로 계산하여 층류·난류 여부를 판단한다는 절차를 따른다. 관의 길이는 이 계산에 포함되지 않으므로 선택지에서 길이가 제시되더라도 정답 후보에서 제외한다.
예시 2 — 상태방정식 계산 절차를 보여준다: 초기 상태 P1, V1, T1(절대온도로 변환)와 목표 상태 P2, T2가 주어지면 V2 = (P1·V1·T2) / (P2·T1)로 계산한다는 과정을 따른다. 계산 과정에서 온도를 섭씨로 그대로 사용하거나 압력 단위를 통일하지 않으면 오차가 발생한다는 점을 강조한다.
레이놀즈(Reynolds)수 계산에 필요치 않은 것은?
정답 ④ · 문항은 레이놀즈 수 계산에 필요하지 않은 항목을 고르는 것이다. 레이놀즈 수는 무차원수로 관경(또는 직경), 유체 속도, 동점도(또는 운동점성계수)를 이용하여 Re = V D / nu로 계산하므로 관의 길이는 공식에 포함되지 않는다.
레이놀즈 수는 관경, 유속, 동점도 계수로 계산되므로 송풍관 길이는 필요치 않다.
동일 유선상에서 정상상태로 흐르는 유체에 대한 베르누이 정리의 적용조건은?
정답 ④ · 문제는 정상상태로 흐르는 유체에 베르누이 정리를 적용할 수 있는 조건을 묻고 있다. 베르누이 정리는 마찰(점성)이 없고 밀도의 변화가 없는 이상유체, 즉 비점성·비압축성 유체에 대해 적용된다.
베르누이 정리는 마찰 손실(점성)이 없고 밀도 변화(압축성)가 없는 이상적인 유체에 적용되는 정리이므로 비압축성 비점성 유체가 조건이다.
다음 중 베르누이 정리를 가장 적절하게 설명한 것은?
정답 ④ · 문제는 베르누이 정리가 어떤 물리법칙을 나타내는지 묻고 있다. 베르누이 정리는 마찰이나 점성 등의 손실이 없는 이상유체의 정상 흐름에서 에너지 보존이 성립한다는 원리로, 단위 질량당 압력에너지·운동에너지·위치에너지가 유입과 유출에서 동일하다는 관계로 기술된다.
베르누이 정리는 마찰 손실 등을 무시한 이상 유체의 에너지 보존 법칙이다.
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