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Jun 04, 2023

유체 난류, 속도 및 흐름 측정에 대한 이해

인생에 대한 오랜 철학적 질문 중 하나는 냉장고 문을 닫으면 불이 꺼지는가 하는 것입니다. 프로세스 엔지니어에게 있어 더 깊은 질문은 무엇을 아는 것과 관련됩니다.

인생에 대한 오랜 철학적 질문 중 하나는 냉장고 문을 닫으면 불이 꺼지는가 하는 것입니다. 프로세스 엔지니어에게 있어 더 깊은 질문은 파이프 내부에서 어떤 일이 일어나는지 아는 것과 관련됩니다. 냉장고와 마찬가지로 내부를 보고 답을 확인하기가 어렵습니다. 이곳 저곳으로 흐르는 유체의 거동은 많은 경악을 불러일으켰으며 여전히 많은 사람들에게 미스터리로 남아 있습니다.

파이프를 통해 흐르는 액체를 균일한 기둥으로 상상하기는 쉽지만 우리는 그것이 전혀 그렇지 않다는 것을 알고 있습니다. 배관 특성이나 특징으로 인해 배관 전체에 다양한 속도가 발생합니다. 주요 원인은 마찰입니다. 흐름에 대한 저항이 별로 없어 보일 수도 있지만 이는 중요한 고려 사항입니다. 내부가 매끄러운 직선형 파이프에서도 벽에 가장 가까운 액체는 파이프 벽과 마찰을 일으키기 때문에 가장 느리게 이동합니다. 다음 레이어는 가장 바깥쪽 레이어에 의해 느려지고, 이런 식으로 계속됩니다. 결과적으로 파이프 중앙의 액체가 가장 빠르게 이동합니다(그림 1). 이는 뚜렷한 층이 유지되는 층류에 대한 설명입니다. 더 높은 속도에서 발생하는 난류 조건에서는 유체가 파이프 아래로 이동할 때 소용돌이와 소용돌이로 인해 이러한 층이 혼합됩니다. 파이프 내 유체 속도에 대해 이야기하면 평균이 완벽하게 균일한 기둥으로 움직이는 것처럼 설명하지만 그렇지 않습니다.

층류는 순수한 에너지 손실 관점에서 가장 효율적입니다. 그러나 이는 라인 크기가 흐름에 비해 매우 커야 하기 때문에 공정 배관에서 현실적으로 유지될 수 있는 흐름 방식이 아닙니다. 가장 점성이 높은 유체 흐름을 제외한 모든 흐름에서 난류가 발생합니다. 더 높은 유속으로 인한 난류를 흐름에 속도 구배를 추가하는 흐름 교란과 혼동해서는 안 됩니다. 이는 엘보우 및 밸브와 같은 배관 구성으로 인해 발생할 수 있습니다.

그림 1: 층류는 실제로 가장 빠르게 움직이는 유체가 중앙에 있는 속도 분포입니다.

무엇보다도 방향 변경(엘보우), 흐름 제어(밸브), 측정(서모웰)이 필요하기 때문에 배관 시스템에는 흐름 교란이 내재되어 있습니다. 이러한 방해 요소를 적절하게 설계하고 인식하는 것은 전체 프로세스가 기대에 부응하도록 보장하는 데 중요합니다. 교란의 원인은 배관에 다양할 수 있습니다.

흐름 및 배관과 관련된 모든 종류의 값을 계산하는 방정식이 많이 있으며, 이제 계측 및 모델링 소프트웨어 도구가 이러한 작업의 대부분을 처리하므로 공학 학생들을 고문하는 데 주로 사용됩니다. 실제 세계에서 목표는 일반적으로 흐름 교란을 최소화하는 것입니다. 즉, 가능하면 흐름 교란의 원인이 발생하지 않도록 하는 것입니다. 일부 장치는 원심 펌프 입구, 다양한 유형의 스프레이 노즐 및 대부분의 유량계와 같은 난류에 특히 민감합니다. 이 모든 문제에 대한 해결책은 장치 앞과 때로는 뒤에 일정 길이의 직선 파이프(종종 흐름 교정기와 함께)가 필요하다는 것입니다. 이것이 어떻게 작동하는지 생각해 봅시다.

수학적으로 너무 깊이 들어가지 않고도 흐름 체계에 영향을 미치는 두 가지 주요 변수는 파이프 직경과 유속입니다. 파이프 직경 측면을 개념화하는 것은 어렵지 않습니다. 액체 기둥의 직경이 증가함에 따라 속도 프로파일의 복잡성도 커지며, 이는 직선 파이프 요구 사항이 파이프 직경으로 표현되는 이유입니다.

유체 속도도 한 요인이지만 일반적으로 큰 범위로 가정됩니다. 파이프를 통해 액체가 느리게 이동할수록 흐름 프로필이 더욱 급격해집니다. 다시 말하지만, 이는 개념화하기 어렵지 않습니다. 느리게 움직이는 액체는 난류를 덜 생성하여 파이프 중심과 비교하여 파이프 벽 옆의 유체 속도 사이에 더 큰 차이를 허용합니다. 속도는 일반적으로 속도를 기준으로 유량을 처리하는 데 필요한 파이프 직경에 대한 지침 내에 속하기 때문에 이러한 논의에서 속도를 건너뛰는 경향이 있습니다. 액체에 대한 한 가지 경험 법칙은 중간 크기 파이프의 경우 초당 7피트(fps) 미만의 속도를 요구합니다. 1인치 미만의 직경과 같이 더 작은 직경에는 더 낮은 속도가 필요합니다.