공정시스템공학개론

소개글

공정시스템공학개론에 대한 보고서 자료입니다.

목차

대류∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 2
복사∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 6
전도 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 10
양력 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 15
대류 설명도 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 18
복사 설명도 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 19
전도 설명도 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 20
양력 설명도 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 21

본문내용

졌다. 하지만 직접 적용하기에는 무리가 있고, 베르누이식을 적용하려면 다음과 같은 가정을 따른다.
① 점성을 무시한다.
② 일반 정상 비행시 또한 시간의 영향을 받지 않는다.
③ 비압축성 성질이다.
④ 2차원이다. Flow Separation(흐름 분리)이 발생하지 않는다.
⑤ 경계층 (Boundary Layer) 영향은 무시한다.
⑥ 열교환이 없다.
비행기의 날개는 윗면이 곡선이고 밑면이 직선이므로 날개의 윗면을 따라 흐르는 공기는 밑면을 흐르는 공기보다 더 긴 거리를 지나야한다.
이때, 날개의 앞쪽에서 갈라진 공기는 뒤쪽에서 다시 만나려고 하는 성질이 있으므로 날개의 윗면을 따라 흐르는 공기의 속도는 밑면을 흐르는 공기속도보다 빠르다. 베르누이의 정리를 따르면 공기를 비롯한 모든 유체는 흐르는 속도보다 빠를수록 압력이 낮아지고 흐르는 속도가 느릴수록 압력이 높아진다. 따라서 위쪽보다 상대적으로 높아져 비행기를 위로 띄우는 힘, 즉 양력이 작용하게 된다.
양력의 기본적 원인이 되는 순환의 원리는 폐합된 경로를 따르는 흐름을 생각해보면, 경로상의 어떤 미소 부분에서든 유속은 경로에 접선인 방향 성분과 수직 방향 성분으로 분해할 수 있다. 접선 방향 유속 성분을 VL로 표시하기로 하자. VLdL을 전체 경로를 따라 선적분한 값을 순환이라 하고 그리스 문자 Γ로 표시한다. 접선 방향 유속 성분이 반시계 방향이면 음의 부호를, 시계 방향이면 양의 부호를 갖도록 한다. 비회전성 와류에 대한 순환을 다음과 같이 구한다. 접선 방향 유속은 어디서나 C/r 이다. 이때 C가 양이면 시계 방향의 회전을 뜻한다.
물리적으로 순환을 유발시키는 방법 중 하나는 실린더를 그 축 주위로 회전시키는 것이다. 이에 따라 발생되는 흐름 양상은 그림과 같다. 유체와 고체간에 성립되는 비활 조건 때문에 실린더 표면에 이웃한 유체의 유속은 실린더 표면의 속도와 같다. 그러나 실린더로부터 얼마간 거리가 떨어진 곳에서의 유속은 비 회전성 와류의 경우와 흡사하게 r에 따라 감소한다. 다음은 순환이 어떻게 양력을 발생시키는지를 알아보면 실린더 주위의 균일 흐름에 의하여 생성되는 유속장을 실린더 주위로 순환을 갖는 유소장에 중첩시키면 실린더 위쪽 면의 유속은 증가하고 반대쪽 면에서는 유속이 감소함을 볼 수 있다. 또한 두 개의 정체점이 모두 유속이 작은 면쪽으로 이동함을 관찰할 수 있다.
(전 영역에서 비회전성 흐름을 가정하면) Bernoulli 정리에 따라 유속이 큰 면에서의 압력은 유속이 작은 면에서의 압력보다 작다. 따라서 압력차가 존재하며, 이에 따라 실린더를 미는 힘, 즉 양력이 유발된다. 이상 유체 흐름 이론에 따르면 무한히 긴 실린더의 단위 길이 당 양력은 FL/l = ρV0Γ로 주어진다. 여기서 FL은 길이 l 인 부분에 작용하는 양력이다. 이러한 비회전성 이상 유체 흐름의 경우 실린더에 작용하는 항력은 없다. 실제 흐름의 경우 유선 분리의 점성 응력으로 인하여 항력이 생성되며, 이러한 점성효과는 양력을 얼마나 감소시킨다. 그렇지만 흐름이 회전하는 물체를 지나가거나 물체가 유체 속에서 회전하며 이동할 때에는 상당한 양력이 발생된다. 야구공에 전방 회전을 주어 던지면 \'커브\'가 되고, 탁구공에 전방 회전을 주며 \'드롭\'이 일어나는 것은 이러한 이유에서이다.
고형 물체의 회전에 의하여 양력이 발생되는 현상을 19세기 독일 과학자의 이름을 따서 Magnus 효과라 하는데, 그는 회전 물체에 작용하는 양력에 관한 초기의 연구를 수행한 바 있다. Metha의 논문은 회전하는 스포츠 공들의 운동에 관하여 흥미롭게 설명하고 있다.
우선 익형을 지나가는 이상 유체 (비점성, 비회전성)의 흐름을 생각해보면 이상 유체 흐름은 비회전성이다. 이 경우 실린더를 지나가는 비회전성 흐름의 경우와 마찬가지로 양력과 항력은 0 이다. 아랫면 선단 부근에 정체점이 하나 존재하고, 익형의 꼬리 부근에 또 하나의 정체점이 존재한다. 실제 흐름의 경우, 익형의 상류측 반쪽면 주위의 흐름은 이와 흡사하다. 꼬리 부근의 정체점이 익형의 위쪽 면에 있는 것은 유체가 꼬리 주변의 아랫면으로부터 정체점을 향하여 흘러야 함을 의미한다. 이러한 흐름은 양상은 날개의 꼬리 주변에서 모퉁이를 돌아야 하므로 유체 입자들은 유체입자들은 무한 가속도를 가져야 함을 의미하나 이를 물리적으로 불가능하다. 또한 뽀족한 모서리에서는 유선 분리가 일어나며, 그결과로 상류측 정체점은 꼬리로 이동한다. 익형의 위쪽으로부터 온 흐름과 아래쪽으로부터 온 흐름은 모두 꼬리에서의 익형 표면들과 평행하고 유연하게 익형을 떠나게 된다.
물리적으로 관측되는 현상과 이론을 합치시키기 위하여 하류측 정체점이 익형의 꼬리 끝으로 이동되어, 익형 끝에서의 흐름이 원활하게 익형을 떠날 수 있도록 적합한 크기의 익형 주위 순환이 유발되어야 한다는 가설이 도입되었다. 이러한 이론의 공기역학 이론의 선구자 중 하나인 kutta 의 이름을 따라 kutta 조건이라한다. 순환의 크기에 대한 이같은 가정을 포함시켜 분석을 하면, 2차원 익형 단면에 대한 양력뿐만 아니라 흐름 양상 및 압력 분포에 있어서 이론과 실험결과가 매우 잘 일치한다. 이상 유체 이론에 따르면, 영각이 작은 대칭형 익형에 대하여 뒤쪽의 정체점이 꼬리 끝에서 발생하도록 하기 위하여 요구되는 순환의 크기는 다음과 같이 주어진다. 실린더와 경우와 마찬가지로 무한히 긴 날개에 대한 단위 길이당 양력은 다음과 같다.
S는 날개의 면적이다. 2차원 익형을 지나는 비회전성 흐름에 대한 Cl은 다음과 같이 구해진다. 영각이 큰 경우에는 익형의 선단 근처에서 흐름 분리가 일어나므로 이상 유체 흐름 이론으로 구한 것과는 차이가 난다. 따라서 주어진 익형 단면의 성능을 평가하기 위하여 항상 풍동 실험이 수행된다. 영각 α가 증가하면 양력 계수가 증가하여 최대값에 도달하고 이후 α가 더 증가함에 따라 양력 계수가 감소함을 주목해야한다. 이와 같이 CL이 감소하기 시작할 때의 조건을 실속이라 한다. 실속은 익형 위쪽에서 흐름 분리가 시작됨에 따라 발생하는데, 이는 양력의 감소뿐만 아니라 항력의 증가를 가져오도록 압력 분포를 변화시킨다.

키워드

공정,   시스템,   공학,   개론