정상 상태 및 비정상 상태의 운동

오늘은 정상 상태에서의 운동 및 비정상 상태에서의 운동에 관하여 알아보도록 하자.

 

정상과 균일이라는 용어들은 공학에서 자주 사용되며, 따라서 이들의 의미를 분명히 이해하는 것이 중요하다. 정상(Steady)이라는 용어는 한 점에서 시간에 따른 상태량, 속도, 온도 등의 변화가 없음을 의미한다. 정방의 반대는 비정상(Unsteady)이다. 균일이라는 용어는 규정된 영역 전체에 대해 위치에 대해 위치에 따른 변화가 없음을 의미한다. 이러한 의미들은 그 단어들의 일상적인 용례와 일치한다.

비정상과 과도(Transient)라는 용어들은 종종 서로 바꿔 사용되지만, 이들 용어는 동의어가 아니다. 유체역학에서 비정상은 정상이 아닌 모든 유동에 대해서 적용되는 가장 일반적인 용어이지만, 과도는 발달하는 유동에 전형적으로 쓰인다. 예를 들면 로켓엔진이 점화될 때 엔진이 안정화되고 정상으로 운전될 때까지는 과도 효과가 나타난다. 주기적이라는 용어는 정상적 평균을 기준으로 유동이 진동하는 일종의 비정상 유동을 가리킨다.

터빈, 압축기, 보일러, 응축기 및 열교환기와 같은 많은 장치가 동일한 조건으로 장시간 운전될 경우, 이들은 정상유동 장치로 분류된다. 정상유동 중에 유체의 상태량들은 장치 내에서 위치에 따라 변할 수 있지만, 이들은 한 고정 점에서는 일정하게 유지된다. 그러므로 정상 유동 장치 또는 유동 단면의 부피, 질량 및 총에너지양은 정상운전에서는 일정하게 유지된다.

정상유동 조건은 발전소나 냉동시스템의 터빈, 펌프, 보일러, 응축기 및 열교환기와 같이 연속운전을 하도록 의도된 장치들에 의해 밀접하게 근사 될 수 있다. 왕복운동 엔진 또는 압축기와 같은 몇몇 주기적 장치들은 입구나 출구에서의 유동이 맥동하고 정상이 아니므로 정상유동 조건을 만족시키지 못한다. 그러나 유체 상태량은 시간에 따라 주기적으로 변화하며, 따라서 이러한 장치를 통과하는 유동은 상태량에 대한 시간 평균값을 이용함으로써 여전히 정상유동 과정으로 해석될 수 있다.

엔지니어의 가장 중요한 업무 중의 하나는 문제에 대한 시간 평균된 ‘정상’ 유동 특성만을 연구하는 것으로서 충분한지 또는 비정상 특성에 대한 보다 상세한 연구가 필요한지를 경정하는 것이다. 만약 엔지니어가 단지 유동장의 전반적인 상태량에만 관심이 있다면(시간 평균된 항력계수, 평균속도와 압력장 같은), 시간평균된 특성이나, 시간평균된 실험 측정 또는 시간 평균된 유동장의 해석적 혹은 수치적 계산으로 충분할 것이다. 그러나 엔지니어가 유동에 기인하는 진동, 비정상 압력맥동 또는 난류에디나 충격파로부터 방출되는 음파와 같은 비정상 유동장에 대한 세부적 특성에 관심이 있다면, 유동장에 대한 시간 평균된 서술은 충분치 않을 것이다.