2 상류 또는 다상유동의 개념

 

오늘은 2 상류에 관하여 알아보도록 하자.

1. 공동현상
밀폐된 진공 용기 속에 액체를 조금 넣은 후 전부 증발시켰을 때 나타나는 압력을 증기압이라고 한다. 그곳에 액체를 더 주입하면 드디어 증발이 멈추고 평형 상태가 된다. 이때의 증기압을 포화증기압(Saturated vapor pressure)이라고 하며, 이 포화 증기압은 온도가 증가하면 상승한다. 또 어떤 액체의 절대 압력이 그 액체의 온도에 대한 포화 증기압 이하로 낮아지면, 비등한다. 따라서 그 부분에 기포가 발생하는데, 이 현상을 공동현상 (Cavitation)이라 한다. 이 기포는 가시적으로 작다. 

 

물속에는 용해된 공기와 용해되지 않은 채로 작은 공기포가 존재한다. 압력의 저하에 따라 우선 작은 기포(공기)가 발생하고 다음에는 수증기가 발생하게 된다. 따라서 물속에 함유된 공기가 공동현상의 발생에 영향을 준다. 즉, 함유된 공기의 상태가 미소 공기포로 존재하는지, 물에 용해되어 있는지에 따라 공동현상의 발생 조건이 달라진다. 물론 물은 공기를 함유하고 있지 않아도 정압이 저하하여 그때의 수온에 대한 포화증기압과 같아지면 증기 포가 발생하여 공동현상이 발생하지만, 일반적으로 물은 공기를 용해하고 있으므로, 정압이 물의 포화증기압까지 저하하기 전에 공동현상이 발생하게 된다. 
유체의 흐름 속에 물체가 놓여있을 때, 물체의 표면 또는 그 근처의 압력이 저하하면 설명한 바와 같이 공동현상이 발생한다. 이 발생한 공기포는 압력이 더욱 저하하면 성장한다. 그러나 하류 측에서 압력이 회복되면 공기포가 소멸하면서 충격압력(초음파) 가 발생한다. 이 현상이 반복되면 물체 표면에 부식이 생기며, 소음 및 진동이 발생한다. 장기간에 걸쳐 부식이 생기면 관로가 피로파괴에 이르게 되고, 수력기계에서는 성능의 저하와 운전의 불안정을 일으켜 사고의 원인이 된다. 공동현상의 발생에 대하여 그 기준으로 사용되는 것으로 캐비테이션 계수(Cavitation Number)가 있다. 이 계수는 공동현상의 시작 상태, 즉 공동현상의 처음 생김 또는 발생의 상태를 표시하는 데 사용된다. 캐비테이션 계수는 펌프 및 수차 등의 유체기계에 널리 이용되고 있다.

2. 2 상류
공동현상에 의하여 관로 내의 유체가 기체와 액체의 2상을 이루면서 흐를 때 기, 액 2 상류라 한다. 이러한 흐름에서는 기체와 액체의 유량 비율에 따라 흐름의 상태가 달라진다. 기체의 체적유량이 액체의 체적유량에 비하여 상당히 작은 경우에는 액체 속에 약간의 기포가 섞여 흐르는 상태가 된다. 기체의 유량이 많아지면 기포는 하나로 합쳐져 큰 유로 면적을 차지하게 된다. 기체 유량이 좀 더 많아지면 액체는 관 벽에 액 막을 이르면서 흐르며, 관의 중앙 부분에는 기체가 액적을 동반하면서 흐른다. 이 현상을 대표하면 기체의 유량이 증가함에 따라 기포류, 슬러그류, 환상류로 흐름의 상태가 달라진다.

 

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