공동 현상 (cavitation)

공동 현상 (cavitation)

공동현상이란 유체의 속도가 증가하여 압력이 "급격히" 저하되고 유체 내에 공동이 생기는 현상이다. 공동은 유체의 속도가 빨라지면 압력이 낮아져 (베르누이의 정리를 생각해보자) 증기압 이하가되면 액체가 기체로 바뀌기 때문에 발생한다.

증기 기포가 벽에 닿으면 부식이나 소음 등이 발생하므로 설계자는 공동현상을 피하도록 설계해야 한다. 

수중 프로펠러에 공기방울이 생기는 모습

기포의 압력이 다시 포화증기압보다 높아질 경우 기포는 급격히 액체로 변하게 되는데 이 때 강렬한 충격파 (shock wave) 가 발생하고 배의 프로펠러나 펌프의 임펠러 등에 충격을 주며 소음과 진동 및 마모 현상을 야기한다 (물론 피로 파괴가 될 수 도 있다). 이러한 현상을 캐비테이션 부식 (Cavitation Corrosion) 또는 캐비테이션 손상 (Cavitation damage) 이라고도 한다.

공동현상에 의해 손상된 프로펠러

프로펠러나 펌프의 설계할 때 공동현상이 발생하지 않게 하는 것은 유체 역학의 주요 분야 중 하나이다 (중요하다구...). 

펌프 설계 시에는 NPSH 라는 걸 사용한다. 

이외에 유동의 공동현상 가능성을 특징하는데 쓰는 무차원화수로 Cavitation Number 라는 것도 있다. 증기압과 국부적인 압력의 차이를 단위 부피당 운동에너지로 나눈 값이다. 상식적으로 보아도 쉽게 알수 있는데 이 값이 작을수록 공동 현상이 발생하기 쉽다.

 

p : 압력

pv : 증기압

rho : 밀도

v : 속도

참고문헌

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B3%B5%EB%8F%99%ED%98%84%EC%83%81

https://en.wikipedia.org/wiki/Cavitation

https://en.wikipedia.org/wiki/Euler_number_(physics)