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소개

"침강분석에 의한 입자크기 측정 예비레포트 [논문참고 A+ 1등]"에 대한 내용입니다.

목차

1. 실험 목적
2. 바탕 이론
3. 실험 기기 및 시약
4. 실험 방법
5. 참고문헌

본문내용

항력이란 동역학적 관점에서 유체 내부에서 물체가 움직이거나, 흐르는 유체 내에서 정지해 있을 때 유체에 의해 저항 받는 힘이다. 통상적으로 말하는 항력은 ‘형상항력’이며, 운동중인 물체의 형태나 유체의 점성에 영향을 받는다. 형상항력은 마찰항력, 압력항력 등의 합으로 표현될 수 있다. 항력은 압력과 마찰력으로 구분되며, 고체 물체가 운동할 때 항력은 유체와 동일한 방향으로 작용하는 모든 유체 역학적 힘의 합이다. 항력은 뉴턴의 제 3법칙에 의해 물체 운동의 반대 방향으로 나타난다.

유체의 흐름과 수평인 방향으로 감싼 고체 벽의 경우 전단응력만 존재하지만, 유체의 흐름과 각도를 이룬다면 벽에 가해지는 압력이 항력에 기여하게 된다. 따라서 항력은 벽의 미시면적에 작용하는 점성력과 전압력에 의한 힘을 합한 것을 알 수 있다. 아래 그림을 통해 알아보자.

참고자료

· 2023년도 3학년 1학기 단위조작 및 이론 실험노트
· MSDS
· 영상 해석 기법을 이용한 난류흐름 중 침강속도의 측정” / 국내석사학위논문 / 명지대학교 대학원 / 윤상훈 / 2001 / 경기도
· James O.Wilkes 저, Fluid Mechanics for Chemical Engineers, 2nd, p204~210
· 단위조작 p. 488 ~ 490 / 고완석 외 4명 / 보문당 / 2003
· 화학공학유체역학 p. 204 ~ 209 / James O. Wilkes / 한산
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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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