목차Ⅰ.공동현상의 정의Ⅱ.공동현상의 종류-가.프로펠러에서의 공동현상-나.펌프에서의 공동현상Ⅲ.공동현상의 방지대책Ⅳ.요약 및 결론참고문헌Ⅰ.공동현상의 정의공동현상 또는 캐비테이션(cavitation)이란 유체의 속도 변화에 의한 압력변화로인해 유체 내에 공동이 생기는 현상을 말한다. 공동현상을 알아보기전에 비등현상(boiling)을 먼저 알아보면 액체내부에서 기포가 형성되는것인데, 액체 내부의 분자가 포화증기압에 도달해 기체 상태가 되어 기포가 형성된 것이다.공동현상은 비등현상에 포함되는데 주로 선박의 스크류, 프로펠러 등 액체 내에서의 고속 유동 시 발생하는 기포들을 설명하는 현상이다. 스크류에서 고속유동에 의해 국소압력이 포화증기압보다 낮아지는 경우가 발생하는데 이때 비등현상이 발생하게 된다. 공동현상이란 문자 그대로 이해하면 물속에 빈곳(공동, cavity)이 생긴다는 뜻이다. 이렇게 부르는 것은 물과 수증기의 밀도의 비가 약 1000:1인 것을 감안할 때 공동의 내부는 역학적 관점에서 상대적으로 빈곳이라고 부를 수 있기 때문이다. 정상상태에서 받음각 (angle of attack) α로 전진하는 수중익 주위의 유선에 대하여 베르누이 방정식을 쓰면,따라서 수중익의 표면에서는 속도 V가 증가하면 압력 P가 감소하게 되며, 속도 V가 계속 증가하면 압력 P가 포화증기압 P_v이하로 내려가게 되고 공동현상이 발생하게 되는 것이다.액체 흐름의 경우 캐비테이션 발생 경향은 아래와 같이 지정된 캐비테이션 수에 의해 구분된다. 여기서 p는 흐름 기준 압력(예: 유입구 압력)의 절대값이며, pv는 온도 및 압력에 따라 달라지는 재료 특성인 포화 증기 압력이다. 분모는 ρl이 액체 U∞가 자유 기류 속도인 흐름 동수낙차를 나타낸다. 따라서 캐비테이션 수가 감소됨에 따라 액체 흐름이 캐비테이션 발생 경향이 높다는 것을 나타낸다.Ⅱ.공동현상의 영향유체의 속도가 빨라짐으로 인해 발생한 기포가 다시 유체의 압력이 포화수증기압보다 높아질 경우 급격히 액체로 변하게 되는데, 그로 인해 높아진 압력에 의해 배의 프로펠러나 펌프의 임펠러 등에 충격을 주며 소음과 진동 및 마모 현상을 야기한다. 이러한 현상을 캐비테이션 부식(Cavitation Corrosion) 또는 캐비테이션 손상(Cavitation damage)이라고도 한다. cavitation으로 인해 나타나는 현상으로는 첫째. 소음과 진동이 있는데 발생한 기포가 고압영역으로 유입 기표의 급격한 붕괴로 인해 소음과 진동이 발생한다. 또 양정 및 효율곡선의 저하가 일어나는데 양정곡선이란 토출량과 전양정과의 관계를 나타내는 곡선이다. 이 두 곡선의 저하는 펌프의 성능 저하로 일어난다. 셋째, 임펠러의 손상이 발생하는데 침식발생이라고도 한다. 깃 표면 부근에서 기포붕괴 기포체적의 급격한 감소로 인해 유체압력이 급격히 증가하고 이로 인해 점침식을 일으킨다. 점침식이란 기포가 사라져 없어질 때, 기포의 부피가 급격히 축소됨에 따라 그 부분의 압력이 매우 커지며, 그것이 날개를 침식시키는 원인이 되는 침식이다. 또, 관정부식(파이프 관에 녹이 생김)같은 현상 등이 발생한다. 아래에서는 대표적으로 프로펠러와 펌프에서의 영향에 대해서 살펴보겠다.-공동현상에 의해 손상된 프로펠러Ⅱ-가 프로펠러에서의 공동현상공동현상에 의한 손상은 주로 프로펠러에서 일어나는데 아래와 같은 영향을 주게 된다.●프로펠러에서의 영향-캐비테이션의 생성 ? 성장 ? 붕괴 ? 소멸의 과정에서 수증기가 순간적으로 축소하면서 강한 충격력이 추진기 날개면에 가해지고 이는 추진기의 침식을 유발함.-주기적인 케비테이션의 발생과 소멸은 선체 표면에 변동 압력을 가하여 선체 진동 및 소음 유발-추진 효율이 급격히 떨어져 추진 성능이 저하-공회전으로 인한 모터의 소손-Rudder, Shaft, Hull, Strut 등 선미 구조물에 충격-수중 방사 소음 유발로 군함에 있어서 소나 피탐율 증가 야기프로펠러의 날개는 2차원 날개단면이 연속적으로 분포되어 형성된다. 불균일한 선미 반류 중에서 작동하는 각각의 날개단면은 날개가 프로펠러 축심 주위로 회전함에 따라 받음각의 크기가 연속적으로 변하는 유입유동을 맞게 되며, 따라서 날개단면의 위치에 따라 서로 다른 공동현상이 발생된다. 공동현상은 그 발생 부위에 따라 그 거동이 프로펠러의 성능에 미치는 영향이 상이하므로 각기 다른 이름이 붙여져 있다.1.얇은층 공동현상(sheet cavitation)그리 크지 않은 받음각으로 작동하는 날개의 뒷면에 생성되는 음의 압력 때문에 날개 앞날에서부터 시작하여 얇은층 형상으로 발생하는 공동현상을 말한다. 이런 종류의 공동현상은 대체로 안정적이나 공동체적의 변화가 선체진동의 주요 원인이 된다.2.기포형 공동현상(bubble cavitation)고속 프로펠러의 경우 프로펠러 날개의 두께가 비교적 두껍고, 받음각이 작은 경우에 날개의 최대두께 위치 근처에서 기포형태의 공동현상이 발생한다. 이러한 공동현상은 매우 불안정하기 때문에 프로펠러의 성능 저하와 날개표면의 침식 등 손상의 원인이 된다. 이러한 공동현상이 공동시험 과정에서 관찰되면 반드시 회피하도록 프로펠러를 다시 설계해야 한다.3.앞면 공동현상(face cavitation)받음각이 비교적 작거나 음의 값을 가질 때, 날개 앞면 앞날 근처에 공동현상이 발생할 수 있다. 이러한 종류의 공동현상은 프로펠러의 허브 가까이의 날개단면에서 많이 관찰되며, 프로펠러 날개가 6시 방향위치에 있을 때 날개 끝부분에서 발생할 수 있다. 이러한 종류의 공동현상은 매우 불안정하여 날개 침식의 주요 원인이 된다.4. 줄꼴 공동 현상 (Streak Cavitation)- Chord 방향으로 길게 뻗어 나오는 형태이며 주로 날개 결함에서 기인한다.5. Chord Cavitation- 불안정한 Sheet Cavitation의 후반부에 뿌옇게 발생한다.6. Vortex Cavitation- Vortex Core의 낮은 압력에서 기인한다.Ⅱ-나 펌프에서의 공동현상펌프 내부에서도 흡상양정이 높거나, 유속의 급변또는 와류의 발생, 유로에서의 장애 등에 의해 압력이 국부적으로 포하증기압 이하로 내려가 기포가 발생되는 현상이 일어날 수 있는데, 이 현상을 캐비테이션이라 한다. 펌프에서는 회전차 입구부분에서 발생하는 경향이 크고, 생성된 기포가 액체의 흐름에따라 이동하여 고압부에 이르러 급격히 붕괴하는 현상이 되풀이됨에 따라 펌프의 성능이 저하되어, 진동, 소음을 수반하고 불안정한 상태를 나타내며 나중에는 양수 감소 또는 양수 불능이 된다.또한 캐비테이션이 오랜 기간 동안 계속되면 기포가 터질 때 생기는 충격의 되풀이에 의해 재료의손상이 발생된다. 이와 같이 캐비테이션의 발생은 펌프의 성능저하, 재료의 손상 등 해로운 영향이 있기때문에 캐비테애션 발생이 방지되도록 흡입 조건의결정에 각별한 주의가 필요하다. 기타 영향들은 아래와 같다.
유체역학 공동현상 (cavitation) 레포트
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