공동현상 Cavitation

공동현상 Cavitation 

공동현상 (空洞現像, Cavitation, 케비테이션)은 빠른 속도로 유체가 흐르면서 유체 내부의 압력이 낮아져 포화증기가 발생하는 현상이다.

공동현상을 이해하기 위해서는 2가지를 먼저 이해해야 한다. 쉽게 물을 예를 들면,

1. 압력이 낮아질수록 물의 끓는점은 낮아진다.

높은 산에서는 낮아진 기압 때문에 물의 끓는 점도 낮아지는 것처럼

2. 유체 속도가 빨라지면 압력이 낮아진다.

베르누이 방정식을 이해한다면 쉽게 이해할 수 있다. 

위에 언급한 2가지를 조합하면,

유체 속도가 빨라지면 압력이 낮아지고 물의 끓는 점은 낮아진다.

이렇게 유체가 특정 속도 이상으로 빨라지면 물이 끓어버리는 공동현상이 발생하는 것이다.

배관내 최저 압력점(주로 임펠러 끝단)에서 압력이 그 지점에서 액체 온도에 대한 포화 증기압력보다 낮아지면 액체가 증발(비등)하면서 공동(기포)가 발생된다.

원인

• 펌프의 흡입양정이 높은 경우
• 액온도가 높아 포화증기압 이하로 된 경우
• 휘발성 유체로 증기압이 높은 경우
• 고속회전으로 임펠러 끝단에서 속도가 고속인 경우
• 소용량 흡입 펌프 사용시(양흡입형으로 변경 필요)
• 해발이 높은 고지역에서 대기압이 낮은 경우

유형

1) 이동(traveling) 공동현상

기포나 공동이 형성되어 하류로 휩쓸리고 없어짐

2) 고정(fixed) 공동현상

증기의 고정된 공동이 박리된 영역으로 존재한다. 박리영역은 물체에 다시 붙기도 하고 물체의 뒷부분을 둘러싸면서 주 유동에 의해 갇히게 된다. 이런 경우에는 슈퍼캐비테이션(supercaviation)이라고 부른다.

3) 와류(vortex) 공동현상

프로펠러를 떠나는 끝단 와류에서 볼 수 있는 고속, 저압 와류의 중심부에 나타난다.

4) 진동(vibratory) 공동현상

압력 파동이 액체를 지날 때 존재하게 된다. 압력 파동은 고압에 뒤따라 저압이 나타나는 압력 펄스를 구성한다. 파동(또는 진동)의 저압 부분에서 공동현상이 발생된다.

영향

• 소음, 진동 및 양수불능
• 공회전으로 모터 손상
• 펌프의 양정 저하, 효율 저하, 임펠러 하우징 손상
• 국부적으로 충격을 받는 부위에서 캐비테이션 침식 

대비책^[각주:1]

• 유효흡입양정을 소요흡입양정보다 크게 하여 펌프를 사용(1.3배 이상)
• 가능하면 흡입부가 정압(+)이 되도록 하고, 임펠러를 수중에 잠기게 함
• 펌프를 저회전수로 운전, 흡입측 배관 유속을 느리게 함
• 양흡입 펌프를 사용하고, 2대 이상의 펌프를 사용
• 펌프의 설치 위치를 될 수 있는 대로 낮추고 흡입관의 지름을 크게 함
• 펌프 흡입측 공기유입 방지, 수온 상승 방지, 흡입관 손실수두(마찰저항) 줄임
• 흡입측의 밸브를 개방한 상태에서 펌프 운전
• 배관 내 교축은 편심 리듀서를 이용하여 공기가 괴지 않도록 함

캐비테이션 수 (cavitation number) 

캐비테이션이 일어날 것인지를 판별할 때 사용된다. 

여기서, 는 자유유동의 절대압력,  증기압이다.

공동현상은 임계 캐비테이션 수() 보다 작을 때 발생하고 캐비테이션 수가 임계 캐비테이션 수보다 작아질 수록, 강도가 증가하고 이동 공동현상에서 고정 공동현상으로 그리고 슈퍼캐비테이션으로 변해 간다.

vena contracta 베나 축소부, 베나콘트랙타, 흐름목

급축소관 내의 최소 단면적 부분. 유체가 좁은 유로에 들어 서서 경계층의 분리 거리가 가장 커지는 단면

^[각주:2]

2014. 04. 21 작성

2014. 04. 30 추가

2014. 05. 22 유형 추가

참고 문헌 - CAVITATION AND BUBBLE DYNAMICS,  http://authors.library.caltech.edu/25017/4/content.htm

1. 공조냉동기계기술사, 일진사 [본문으로]
2. http://goo.gl/l8fVh7 [본문으로]