침강분석에 의한 입자크기 측정 실험

문서 내 토픽

1. 침강(Settling)과 종말침강속도

유체에 함유된 입자가 중력이나 원심력에 의해 이동하는 현상을 침강이라 한다. 자유침강과 간섭침강으로 구분되며, 침강 초기에는 중력의 영향으로 속도가 가속되지만 항력이 증가하면서 결국 중력, 부력, 항력이 평형을 이루는 종말침강속도에 도달한다. 이때 입자는 등속운동을 진행하며, 스토크스 법칙을 이용하여 종말침강속도를 계산할 수 있다.
2. 항력(Drag Force)과 항력계수

항력은 유체 내에서 물체가 움직일 때 받는 저항력으로, 마찰항력과 압력항력으로 구분된다. 항력계수는 유체 내에서 물체가 받는 저항을 정량화하는 무차원 계수이며, 물체의 형태와 레이놀즈 수에 따라 결정된다. 항력 방정식은 Fd = (1/2)ρv²ACD로 표현되며, 레이놀즈 수가 1 미만일 때는 CD = 24/NR이다.
3. 부력(Buoyancy Force)과 중력

부력은 물체를 액체에 넣었을 때 중력과 반대 방향으로 작용하는 힘으로, 아르키메데스 원리에 따라 물체가 잠긴 부피만큼의 액체 무게와 동일하다. 구형 입자의 부력은 Fb = ρ유체(π/6)D³g이며, 부력과 중력의 관계에 따라 양성, 중성, 음성 부력으로 분류된다.
4. 레이놀즈 수(Reynolds Number)와 스토크스 법칙

레이놀즈 수는 관성력과 점성력의 비로 유체 흐름 상태를 정의하는 무차원 수이다. Re = ρ유체uD/μ로 계산되며, Re < 1일 때 스토크스 법칙이 적용된다. 스토크스 법칙에서 마찰력은 Fd = 3πμvD이며, 이를 이용하여 종말침강속도는 ut = D²g(ρ입자 - ρ유체)/(18μ)로 표현된다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 침강(Settling)과 종말침강속도

침강은 유체 내에서 입자가 중력에 의해 하강하는 현상으로, 환경공학과 수처리 분야에서 매우 중요한 개념입니다. 종말침강속도는 입자가 도달하는 최대 하강 속도로, 이때 중력과 항력이 평형을 이루게 됩니다. 이 개념은 침전지 설계, 탁도 제거, 슬러지 처리 등 실무 응용에서 핵심적인 역할을 합니다. 종말침강속도를 정확히 예측하면 처리 시설의 효율성을 크게 향상시킬 수 있으며, 입자의 크기, 밀도, 유체의 점도 등 여러 인자를 고려해야 합니다. 실제 현장에서는 입자의 형태가 불규칙하고 농도가 높아 이론값과 차이가 발생하므로, 실험적 검증이 필수적입니다.
2. 항력(Drag Force)과 항력계수

항력은 유체가 물체의 운동에 저항하는 힘으로, 침강 현상을 지배하는 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 항력계수는 물체의 형태, 표면 특성, 유동 조건에 따라 달라지는 무차원 수로, 정확한 침강 속도 계산에 필수적입니다. 구형 입자의 경우 항력계수가 비교적 일정하지만, 불규칙한 형태의 입자는 방향에 따라 항력계수가 크게 변합니다. 레이놀즈 수 범위에 따라 항력의 특성이 달라지므로, 층류, 과도 영역, 난류 조건을 구분하여 적용해야 합니다. 항력계수의 정확한 결정은 침강 시설 설계의 신뢰성을 크게 향상시킵니다.
3. 부력(Buoyancy Force)과 중력

부력은 유체가 물체에 작용하는 상향 힘으로, 아르키메데스 원리에 따라 배제된 유체의 무게와 같습니다. 침강 현상에서 순 하강력은 중력에서 부력을 뺀 값으로 결정되므로, 부력의 정확한 계산이 매우 중요합니다. 입자의 밀도가 유체의 밀도에 가까울수록 부력의 영향이 상대적으로 커져 침강 속도가 느려집니다. 특히 미세한 입자나 저밀도 입자의 경우 부력의 영향을 무시할 수 없으며, 이를 고려하지 않으면 침강 속도를 과대평가하게 됩니다. 중력과 부력의 관계를 정확히 이해하는 것은 침강 현상의 기본이 되는 필수 요소입니다.
4. 레이놀즈 수(Reynolds Number)와 스토크스 법칙

레이놀즈 수는 유동의 성질을 결정하는 무차원 수로, 관성력과 점성력의 상대적 크기를 나타냅니다. 스토크스 법칙은 저 레이놀즈 수 조건(Re < 1)에서 구형 입자의 항력을 정확히 계산하는 이론으로, 침강 속도 계산의 기초가 됩니다. 그러나 실제 환경에서는 레이놀즈 수가 1보다 크거나 훨씬 큰 경우가 많아, 스토크스 법칙의 직접 적용이 제한됩니다. 이러한 경우 Newton 법칙이나 중간 영역 공식을 사용해야 하며, 입자의 형태 계수도 고려해야 합니다. 레이놀즈 수를 기준으로 적절한 침강 속도 계산식을 선택하는 것이 정확한 설계의 핵심입니다.

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