단면이 원형 또는 비원형 내부 유체 유동은 우리 생활에서 자주 볼 수 있습니다.
가정에서 쓰는 애수 또는 온수는 파이프를 통해 공급됩니다.
도시에서 물은 광대한 배관망을 통해 분배됩니다. 기름과 천연가스는 대형 파이프 공급라인을 통해
수백 마일 이송되고, 몸에서 피는 동맥과 정맥을 통해 운반됩니다. 엔진 냉각수는 호스를 통하여 방열기의 파이프에
공급되고 그 곳에서 냉각됩니다.
유체 유동은 표면 위를 흐르는지 또는 관내를 흐르는지에 따라 외부유동와 내부유동으로 구분됩니다.
내부유동과 외부유동은 매우 다른 특성을 보입니다.
파이프나 덕트 내부를 흐르는 액체나 기체는 냉난방 및 유량 분배 계통에서 널리 사용 됩니다.
이 경우 유동은 팬이나 펌프에 의하여 발생됩니다. 유체가 파이프나 덕트 내부를 흐를 때는 마찰에 의해
압력강하 또는 수두손실이 발생하는 사실에 주목하영야 합니다.
이때 나타나는 압력강하로부터 소요 펌프동력을 계산할 수 있습니다. 일반적인 파이프 시스템은 여러 구경의
파이프와 접합부, 엘보우, 밸브, 그리고 유체의 압력을 높이기 위한 펌프 등으로 구성됩니다.
파이프, 덕트, 도관은 혼용되기도 하나, 단면이 원형일 경우(특히 액체가 흐를 경우) 파이프라 부르고 단면이 비원형일 경우(특히 기체유동의 경우) 덕트라 부릅니다.
파이프 구여이 작을 때는 튜브라 부리도 합니다.
대부분의 유체 유동에는 원형 파이프가 널리 쓰이는데, 이는 원형 파이프가 파이프의 내부와 외부 사이의 큰 압력차를 심각한 변형 없이 견딜 수 있기 때문입니다. 비원형 파이프는 빌딩 냉난방과 같이 압력 차가 비교적 작고 제조 및 설치비가 적게 요구되고 설치공간이 제한된 곳에 일반적으로 사용됩니다.
유체 유동에 관한 이론은 비교적 잘 알려져 있지만, 이론적 해는 원형 파이프 내부에서
완전발달된 층류유동과 같이 몇몇 단순한 경우에만 가능합니다.
따라서 대부분의 경우 닫힌 형태의 해석해 보다는 실험식이나 경험식에 의존하여야 합니다. 그러나 실험의 경우 작은 실험조건의 차이에도 그 결과가 달라질 수 있기 때문에 엄밀한 결과를 기대하기는 힘듭니다.
파이프 내의 유속은 점착 조건에 의해 벽면에서 영이고 중심에서 최대가 됩니다.
비압축성 유동에서는 파이프 단면이 일정하면 그 값이 일정한 평균속도 V_avg를 사용하는 것이 편리합니다.
(아래 그림 참고)
냉난방의 경우는 온도에 따른 밀도 차로 평균속도가 다소 변할 수 있으나, 대부분의 경우 평균 온도에서의 유체 상태량을 사용하는 것이 훨씬 편리 합니다.
또한 유동 중 파이프 내부 유체 입자들간의 마찰에 의해 기계적 에너지가 열에너지로 변환됨에 따라 유체 온도가 다소 상승하기도 합니다.
그러나 마찰가열에 의한 온도 상승은 일반적으로 매우 작아 대부분의 계산에서 무시됩니다.
예를 들어 파이프 내부를 흐르는 물이 가열이나 냉각되지 않으면 입출구 온도는 거의 변하지 않습니다.
이상 파이프 내에 흐름에 대해서 알아보았으며, 구체적인 내용은 다음에 이야기 하겠습니다.
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