공동현상 베르누이 - gongdonghyeonsang beleunu-i

4. 공동현상 방지책

• 펌프의 설치위치를 낮추어 유효흡입수두를 크게한다.
• 펌프 회전수를 낮추고 흡입비속도를 적게한다
• 앙흡입 펌프를 사용하거나 1대의 펌프를 2대로 분할한다.
• 흡입관경을 크게 하고, 밸브, 플랜지 등 관이음류의 수를 줄여 손실수두를 줄인다.
• 임펠러 재질을 점 침식에 강한 재질(18-8 스테인리스강 등)로 변경한다.
• Cavitation 발생한계

유체에는 공기와 증기가 녹아 있는데 압력이 높을 때에는 유체속에 녹아 있지만, 압력이 떨어지면 공기나 증기가 발생한다. 유체중 물을 예로들면 물에 공기가 녹아있다. 공기는 밸브 1차측 압력이 높으므로 그대로 있으나 유체가 밸브를 통과하여 압력이 떨어지게 되면 기포가 발생한다.  발생된 기포는 압력이 회복되는 부분까지 이동하여, 기포가 터지게 되는데 이때 기포의 폭발로 압력이 상승하여 소음 발생이 일어나며, 이 현상으로 배관의 진동과 배관 부식의 침식, 부식마모가 일어난다. 

프로펠러 공동현상에 대해서

질문>

프로펠러 공동현상에 대해서 쉽게 설명해 주실 수 없나요?
책만 봐선 잘 이해가 되질 않네요
답변 부탁드립니다

답변>

캐비테이션(cavitation, 공동현상)은 수중에서 어떠한 원인으로 인하여 물이 기포화(증발)하고 다시 파괴됨으로써 구조물에 충격력이 가해져 구조물에 침식부식이 발생하는 것을 말합니다. 우선, 수중에서 기포가 발생할 수 있는 조건에 대해서 간답히 언급할께요~ 물이 기포화 즉, 증발하기 위해서는 가열되어 온도가 물의 비점이상으로 올라가거나, 압력이 낮아져서 물의 포화온도가 주변 온도보다 낮아지거나 하여야 합니다. 프로펠러 캐비테이션은 후자의 원리에 의해 기포화되며 온도상승에 의해 끓어서 증발한 기포와는 달리, 파괴되었을 경우, 강한 충격력을 갖습니다. 그 원리는 유체에너지 법칙 즉, 베르누이 법칙에서 유래하게 되는데요~ 베르누이 법칙을 간략하게 말하면, '유체는 고유한 에너지를 가지고 있는데 각각 위치, 압력, 속도 에너지의 합으로 정의된다'입니다. 기본적으로 유체는 더 높은 위치에 있을수록 이동속도가 빠를수록 압력이 높을수록 높은 에너지를 가집니다. 또 중요한 것은 동일한 계에서의 유체 에너지는 항상 그 합이 일정하다는 것이죠. 이 원리를 프로펠러 캐비테이션에 맞춰 재해석해 보겠습니다. 만약, 가만히 있는 수중에서 프로펠러가 회전하여 유체와 프로펠러 깃단간의 상대속도가 빨라진다고 가정하면 베르누이 법칙에 의거, 압력은 저하하게 됩니다. 이렇게 압력이 저하하여 그 수온에서의 포화압력까지 저하하게 되면 물은 증발합니다. 이 때, 기포는 아주 상당한 고압으로 형성되는데, 주변의 압력 변동에 의하여 기포가 파괴되면 주변의 구조물에 상당한 충격력을 가하는 것으로 알려져 있습니다. 주제에서 벗어난 이야기입니다만 이 원리를 응용한 것이 안경점에서 찌~~하고 소리나는 초음파 세척기입니다.
 케비테이션은 프로펠러의 회전수와 관계가 깊습니다. 왜냐하면 프로펠러이 회전이 빠르면 빠를수록 그 사이를 흐르는 유체의 유속은 빨라질 것이기 때문입니다. 그렇기 때문에 엔진 출력 대비하여 프로펠러를 설계하는 것이 매우 중요하며, 반드시 수중에서 사전 시험을 할 필요가 있다고 합니다. 프로펠러에 캐비테이션이 발생하게 되면, 표면이 균일하지 못하게 되어 프로펠러 회전 시 진동 및 소음이 발생하게 되고, 캐비테이션 효과를 촉진할 수 있으며 또한, 주변에 발생하는 와류 및 프로펠러 깃단의 손실에 의해 효율이 저하하게 됩니다. 그러므로 캐비테이션을 피하기 위해서는 엔진 부하를 적절히 유지할 필요가 있습니다. 그렇기 때문에 프로펠러는 기본적인 형태를 주조(casting)하여 얻게 되지만, 최종 가공은 수작업(grinding/polishing ect)을 통해 이뤄집니다. 프로펠러 회전 시, 최대한 물과의 접촉저항을 줄이기 위함이죠. 물을 밀어내는 추력으로 선체를 밀되, 물과의 접촉저항은 줄여 유체의 속도는 낮추는 개념입니다.
 캐비테이션은 프로펠러가 아니더라도 위에서 언급한 조건만 갖춰지면 발생할 수 있습니다. 쉽게 확인할 수 있는 것이 펌프 임펠러인데요, 펌프는 프로펠러보다 훨씬 빠른 속도로 회전하게 되기 때문이죠. 펌프의 경우, 캐비테이션을 피하기 위해서는 흡입수도를 높게 유지해줄 필요가 있습니다. 흡입수두가 낮으면 펌프의 회전에 의해 빨려들어가는 양이 많을 것이므로 자칫 부압이 형성될수 있기 때문입니다. 또한, 펌프의 회전수를 가급적 낮춰주는 것도 의미가 있을 수 있습니다.    

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이번 포스팅에서는 베르누이 방정식에 대해 다뤄보겠습니다.

베르누이 방정식은

유체의 속도, 압력, 위치에너지 사이의 관계를 나타낸 식입니다.

유체에 대하여 하나의 유선(streamline) 상에서

모든 형태의 에너지 합은 항상 일정하다라는 점을 설명하고 있습니다.

여기서,

p: 해당 점에서의 압력

ρ: 유체의 밀도

v: 해당 점에서의 속도

g: 중력 가속도

h: 기준면에 대한 높이

C: 상수(Constant)

입니다.

다만, 이 방정식은 몇가지 가정이 있어야만 성립합니다.

 베르누이 방정식에서의 가정

베르누이 방정식이 만족되기 위해서는 크게 3가지 가정이 필요합니다.

1. 정상상태(steady state)여야 한다.

2. 비압축성(incompressible) 유체여야 한다.

3. 비점성(inviscid) 유체여야 한다.

 해석

위 식에서 각 항이 서로 선형 비례/반비례 관계에 있음을 확인할 수 있습니다.

특히, 속도의 제곱과 압력이 반비례함을 알 수 있는데요.

빠르게 돌아가는 선박의 프로펠러에서 기포가 발생하는 것을 본 적이 있을겁니다.

프로펠러 주변의 유체의 속도가 증가하면서 그에 따라 압력은 감소하고,

압력이 해당 온도에서의 포화수증기압보다 낮아지니

물이 기화하여 기포가 생기는 것이죠.

이를 공동현상(Cavitation)이라 합니다.

 정리

베르누이 방정식은 유체역학에 대한 질문을 할 때에 나오는 단골질문이며,

특히 공동현상(Cavitation)은 몇 해 전, 제가 취업을 위해 한참 면접을 보러 다닐 때

직무면접 단골질문이기도 했습니다.

식을 유도하는 방법까진 알 필요없지만,

베르누이 방정식에서 각 3개의 항(에너지)의 합이 일정하다는 것과,

그를 만족하기 위한 3가지 가정, Cavitation 현상 정도를 알아두면 좋을 것 같네요.

반응형

   액체에서 기체로의 변화, 즉 기화가 일어나는 현상은 크게 두 가지가 존재한다. 액체에서 기체로 변한다고 무조건 증발이 아니다. 액체 표면에서는 증발 현상, 액체 내부에서는 비등 현상이라고 한다. 고속 액체 유동(선박의 스크류)에서는 액체 내부에 하얗게 기포가 발생되는 것을 자주 볼 수 있는데, 이것을 공동 현상(Cavitation)이라 한다. 공동 현상은 쉽게 말해 고속 액체 유동에서 비등 현상이 일어나는 것이다.

​

theshipyardblog.com

 

​

​

(i) 증발(evaporation), 비등(boiling)

​

앞서 말했듯이 증발은 액체의 표면에서 발생하는 현상, 비등은 액체의 내부에서 발생하는 현상이다. 증발 현상(evaporation)의 원인은 공기에 대한 액체 분자의 분압(partial pressure)이 낮기 때문이다. 압력이 낮은 조건에서는 액체가 기체가 되는 포화증기압 또한 낮아지기 때문에 공기와 맞닿은 액체 표면의 분자들은 기체 상태가 된다.

​

반면 비등 현상(boiling)은 액체 내부에서 기포가 형성되는 것이다. 액체 내부의 분자가 포화증기압에 도달해(온도가 증가했든 어찌됬든) 기체 상태가 되어 기포가 형성된 것이다.

​

 

(ii) 공동(cavitation)

​

공동 현상(cavitation)이 비등 현상의 일종. 이라기보다는 비등 현상이라는 범주 안에 공동 현상이 포함된다고 보면 된다. 공동 현상은 선박의 스크류, 프로펠러 등 액체 내에서의 고속 유동 시 발생하는 기포들을 설명하는 현상이다. 고속 유동에 의해 국소 압력이 포화증기압보다 낮아지는 경우가 발생한다. 주로 액체와 맞닿는 스크류의 날 부분에서 국소 압력이 포화증기압보다 낮아지는데, 이때 비등 현상이 발생하게 된다. 온도가 낮은 바닷물임에도 불구하고 배가 지나가면 거품이 생기는 이유가 이것이다.

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​

스크류 날 부분에서 국소 압력이 포화증기압보다 낮아지는 현상은 직관적으로 이해할 수 있지만 조금 더 '수학적'으로 이해를 하기 위해서 유체역학의 기본적인 원리가 되는 베르누이 법칙을 사용할 수 있다. 속도V가 증가하면 압력p가 감소한다는 사실을 주목하자.

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​

공학자로서 공동 현상을 단지 고속 유동에 의해 기포가 생기는 간단한 현상으로만 받아들이기는 어렵다. 생성된 기포가 터짐(깨짐)에 의해 스크류 날이 침식 또는 파괴되고 소음도 유발하기 때문에 설계 시에 반드시 공동 현상을 최소화하는 구조로 디자인해야 한다.