【유체역학】 캐비테이션(공동현상)의 간략 설명

"I belive that one of life's greatest risks is never daring to risk." - Oprah Winfrey

"조금도 위험을 감수하지 않는 것이 인생에서 가장 위험한 일일 것이라 믿는다." - 오프라 윈프리

안녕하세요. 이번 포스팅에서는 기계공학 中, 유체역학 파트에서 나타나는 개념인 '공동현상(캐비테이션)'에 대해서 포스팅하고자 합니다. 대학 수준 정도로 간략하게 설명하였으니 참고만 하시길 바랍니다. 일반기계기사 수준이며, 이해를 위한 관련 영상 1개를 첨부하였습니다.

1. 공동현상(캐비테이션, cavitation)이란?

 : 유체의 속도 변화에 의한 압력변화로 인해 유체 내에 공동이 생기는 현상을 말한다. 공동현상은 빠른 속도로 액체가 운동할 때 액체의 압력이 증기압 이하로 낮아져서 액체 내에 증기 기포가 발생하는 현상이다. 증기 기포가 벽에 닿으면 부식이나 소음 등이 발생하므로 설계자는 공동현상을 피하도록 설계해야 한다. 공동현상이란 문자 그대로 인해하면 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.

  공동은 유체의 속도가 빨라지면 관내의 압력이 낮아지고 유체의 압력이 포화 수증기압 이하로 낮아지게 되어 액체가 기체로 바뀌기 때문에 발생한다. 이 현상은 관내 유로의 직경이 바뀌는 노즐에서 실험적으로 쉽게 확인할 수 있다. 그런데 유체의 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, 캐비테이션 손상이라고도 한다.

 - 출처 : 위키백과 '공동현상'

즉 한 줄로 요약하자면, 공동현상이란 일정하게 흐르는 유체의 일부분에서 압력이 낮아지면서 액체 상태의 유체가 기체가 되면서 설계 상태에서 예측하지 않았던 비정상상태의 유체가 흐르는 것임. 그래서 유체 내 밀도가 달라지면서 유체 내 분자들의 힘의 방향 자체가 달라지면서 유동이 거칠어지고 소음, 충격 등을 수반합니다.

2. 공동현상의 특징

2-1. 발생조건

① 펌프와 흡수면 사이의 수직거리가 부적당하게 길 때

② 펌프에 물이 과속으로 인하여 유량이 증가할 때

③ 관 속을 유동하고 있는 물 속의 어느 부분이 고온도일수록 포화증기압에 비례해서 상승할 때

2-2. 토오마(thoma)의 캐비테이션계수(σ)

2-3. 방지법

① 펌프의 설치높이를 낮추어 흡입양정을 짧게

② 배관을 완만하고 짧게

③ 입축펌프를 사용하고, 회전차를 수중에 완전히 잠기게

④ 펌프의 회전수를 낮추어 흡입비교 회전도를 적게

⑤ 마찰저항이 적은 흡입관 사용

⑥ 양흡입펌프 사용

⑦ 두 대 이상의 펌프 사용

2-4. 공동현상 발생에 따르는 여러 현상

① 소음, 진동

② 양정곡선, 효율곡선의 저하

③ 깃의 부식, 침식

④ 펌프 효율 감소

⑤ 심한 충격 수반함

3. 공동현상 이해를 돕기 위한 동영상

- 출처 : YouYube 'Dan Stefanescu'