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부산대학교현규유체역학및열전달 1
부산대학교 화공생명공학부현 규 (Kyu Hyun)
유체역학 및 열전달
부산대학교현규
유체역학 및 열전달 계획표 I
유체역학및열전달 2
• Text Book ; “단위조작”, “Unit operations of chemical engineering”
• Fluid Mechanics for chemical engineering• Fundamental of Momentum, Heat, and Mass Transfer
부산대학교현규
유체역학 및 열전달 계획표 II
유체역학및열전달 3
• 수업 목표
l 화학공학을 전공으로 하는 학생들에게 화학공정 해석에 관련되는 유체의 흐름과 열이 전달되는 현상을 이해한다.
l 특히 화학공정에 많은 파이프 속에서 흐르는 유체의 흐름 이라던지 공정에서 존재하는 열전달에 대한 핵심을 이해한다.
l 유체의 흐름과 열전달을 수학적 모델 (Differential equation &Vector & Tensor)을 이용하여 표현하는 방법을 이해한다(Conservation law).
l 수학적 모델을 실제로 존재하는 유체의 흐름과 열전달 현상에적용한다.
l 유체역학 및 열전달에 나오는 무차원수를 이해한다.
부산대학교현규
유체 역학
유체역학및열전달 4
• 기체와 액체 등 유체의 운동을 다루는 물리학의 한 분야이다. 공학의 여러부분과 밀접한 연관이 있으며, 다양한 방정식을 통해 기술한다. 힘과 가속도는나비에-스토크스(Navier-Stokes)방정식, 유체가 연속체임을 나타내는연속방정식, 열역학에서 에너지보존에 관한 식과 유체의 온도, 압력, 밀도사이의 관계는 상태방정식을 통해 기술한다.
• 유체역학은 옛날부터 역학의 일부분으로 발전되어 왔는데, 그것이 공학의여러 분야와 밀접한 관계를 가지고 있다는 것이 밝혀지면서 각각의 분야에서급격하게 발전하였다.
• 예를 들면• 기상학의 경우 대기의 운동, • 선박공학의 경우 배의 주행저항이나 안정성에 관한 문제, • 토목공학의 경우 개천이나 수로의 흐름,• 화학공학의 경우 반응 기체나 액체의 운동 등을 들 수 있다. • 특히 항공공학의 경우는 공기역학에 더 많은 노력을 기울였다. 20세기
유체역학의 발달은 대부분 항공공학과 관련되어 있다고 할 수 있다.
• [출처] 유체역학 [流體力學, hydrodynamics ] | 네이버 백과사전
부산대학교현규
화학공장 (Pipes)
유체역학및열전달 5
부산대학교현규
Chapter 1. Definitions and Principles (1)
유체역학및열전달 6
• Unit Systems• SI units (mass, length, time = kg, m, s)
• Force (F=d(mu)/dt), 1N (newton) = 1kg–m/s2
• Work and Energy, 1J (joule) = 1 N–m = 1 kg–m2/s2
• Pressure, 1Pa (pascal)
• CGS (centimeter-gram-second) units (g, cm, s)• 1 dyn = 1 g–cm/s2
• 1 erg = 1 dyn–cm = 1 Í 10-7 J• 1 cal = 4.184 J (물 1g을 1 oC올리는데 필요한 열량)
• FBS (foot-pound-second) engineering units (lbm, ft)• 1 hp (horse power) = 550 ft–lbf/s• 1 BTU (British thermal unit) = 778.17 ft–lbf = 252 cal (물
1lb를 1 oF올리는데 필요한 열량)
부산대학교현규
Chapter 1. Definitions and Principles (2)
유체역학및열전달 7
• CGS units
• FPS units
-Examaple 1.1
부산대학교현규
Units and Equations
유체역학및열전달 8
• Dimensionless equation and consistent units• Dimensionally homogeneous equation (차원 균일식) : equations
derived from the basic laws of the physical science• 각항의 단위가 동일하거나, 기본 단위의 복합 단위로 정의
• Dimensionless equation (무차원식) : 단위는 소거되고 수치만 남는 식
• Dimensional equations (dimensionally nonhomogeneous equations, 차원 불균일식) : equations derived by empirical methods
221
0 gttuZ +=
Zgt
Ztu
21
20 +=
2500
251
500 .
.
)(.
DT
Aq
¢D
=
)( )(
)( )/(
inDFT
ftAhBtuq
o
외경관의
온도차주위의관벽과
표면적관의
열손실속도
=¢=D
=
=
0
2
전도와 대류에 의해 대기 중의로손실되는 열
부산대학교현규
1.3. Dimensional Analysis
유체역학및열전달 9
• Many important engineering problems cannot be solved by theoretical or mathematical method.â This problems are common in fluid flow, heat-flowâ to obtain equation from empirical experimentation.â However, the procedure is laborious (painful), and it is difficult to
organize or correlate the results.
• There exists a method intermediate between formal mathematical development and a completely empirical study.â Dimensional analysis : 어떤 물리적 과정에 영향을 미치는
변수들의 상관관계를 나타낼 수 있는 이론식이 존재한다면, 그 식은차원 균일식 (dimensionally homogeneous)이 되어야 할 것이다. 그러면 관련 변수들을 몇 개의 무차원 군 (dimensionless group)으로 묶을 수 있으므로, 각 변수 대신에 무차원군의 조합으로된 간단한 최종 식을 얻을 수 있다.
부산대학교현규
Example 1.2 (page 17)
유체역학및열전달 10
• 길고 곧은 가열관 안에 액체가 난류로 흐르면서 가열된다. 흐름은정상적이며, 가열관 온도와 액체의 평균 온도 사이의 차는 일정하다고가정한다. 관벽으로부터 액체로의 열전달 속도를 추정할 수 있는관계식을 유도하라.
è1. 만약 이론식이 존재한다면 열전달 속도 (q/A)는 여러가지물성들의 함수가 될 것이다.
),,,,,,( TkcVDAq
p D= mry
Heating from outside
Stream of liquid in turbulent flow
Heating from outside
부산대학교현규
Example 1.2 (page 17)
유체역학및열전달 11
),,,,,,( TkcVDAq
p D= mry
Quantity symbol DimensionHeat flow per unit areaDiameter of pipe (inside)Average velocity of liquidDensity of liquidViscosity of liquidSpecific heat of liquidThermal conductivity of liquidTemperature difference between wall and fluid
q/ADVρμcpkΔT
HL-2t-1LLt-1ML-3
ML-1t-1HM-1T-1
HL-1t-1T-1
T
gfep
dcba TkcVDAq
D= mr
gfeedcfdbfdcbafe
gffffeeedddccbba
TMtLHTTtLHTMHtLMLMtLLtHL
+---+------++
-----------
=
=3
312
l Seven variables and five equation (Degree of freedom =2)
부산대학교현규
l Reynolds numberRe is small, it means that flow is laminar and Re become large, flow become turbulent.
l Prandtl numberPr is small, it means that heat diffuses very quickly compared to the velocity
Example 1.2 (page 17)
유체역학및열전달 12
111 TkcVDAq ee
pbebbb D= --- mr
ep
b
kcVD
TAkqD
úû
ùêë
éúû
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é=úû
ùêëé
D
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÷÷ø
öççè
æF
D=
kcVD
DTk
Aq pm
mr ,
mrVD
=Re
kc pm=Pr
부산대학교현규
Example of Dimensionless group (Appendix 2, page 1088)
유체역학및열전달 13