Cavitation · Flashing · Choked Flow

1. 기포 발생 — 유속, 압력, 증기압

연속방정식에 따라 좁은 유로에서는 유속이 증가하며, 기계적 에너지 관점에서 정압이 감소한다. 원서 역시 압력을 포텐셜 에너지 형태로 설명한다(2213·2217쪽).

온도를 올리지 않아도 압력을 낮추면 기화할 수 있다. 온도가 높아지면 포화증기압은 높아지므로 오히려 플래싱 가능성이 커진다.

Re가 큰 산업 공정은 배경 설명으로 사용할 수 있지만 Re 자체가 기화의 필요·충분 조건은 아니다.

2. Cavitation과 Flashing의 분기점

원서 27.14.2는 유로 내부에서 최초로 기화하는 현상도 flashing이라고 부른다. 여기서는 하류에서 기포가 유지되는 플래싱과 재응축하는 캐비테이션을 구분한다. P₂ = Pv인 경계 상태는 운전 조건을 추가 확인해야 한다.

3. Cavitation — 왜 기포 붕괴가 Pitting을 만드는가?

금속 벽 가까이에서는 기포가 사방에서 똑같이 줄어들지 않을 수 있다. 한쪽이 더 빠르게 찌그러지는 비대칭 붕괴 중 고속 액체 제트(Microjet)가 형성되어 벽면을 때린다.

Pitting은 표면이 작게 패이는 손상이며, Pinhole(관통 구멍)과 반드시 같은 뜻은 아니다.

4. Flashing — 기포가 붕괴하지 않는데도 왜 Erosion이 생기는가?

기포는 액체 안의 증기 방울, 액적(Droplet)은 증기 속의 작은 액체 방울이다. 플래싱에서는 고속 증기·액체의 2상 유동이 형성되고, 액체가 액적으로 분산될 수 있다.

5. 기화잠열과 온도 — 단열은 등온이 아니다

기화에는 에너지가 필요하다. 외부에서 열을 공급하지 않는 감압 과정에서는 유체 자신의 에너지가 기화에 사용되므로, 일부 액체가 증기가 되면서 남아 있는 액체의 온도가 낮아질 수 있다.

단열은 외부 열 교환이 없는 것(Q = 0)이며, 등온은 온도가 일정한 것이다. 이상적인 단열 밸브 스로틀링에서는 운동·위치에너지 변화가 작으면 h₁ ≈ h₂(등엔탈피)로 근사한다.

PV = nRT는 이상기체 상태방정식이다. 액체 기화와 잠열을 이 식 하나만으로 계산할 수 없다.

6. Critical Flow = Choked Flow — 압력파와 유속

상류 압력 P₁과 밸브 개도를 일정하게 둘 때, 하류 압력 P₂를 더 낮춰도 유량이 거의 증가하지 않는 상태다(원서 2224~2225쪽).

음속(c)은 액체 자체가 흐르는 속도가 아니라, 유체 내부에서 작은 압력 변화가 전달되는 속도다. 유체가 하류로 속도 v로 흐를 때, 상류 방향 압력파는 관 기준으로 c − v의 속도로 움직인다.

• v < c : 하류의 작은 압력 변화가 상류로 전해질 수 있다.
• v = c : 해당 국부 구간에서는 상류로 전파하지 못하는 임계 상태가 된다.

기포가 섞인 혼합물은 압축되기 쉬워 혼합물의 음속이 크게 낮아질 수 있다. 다만 액체 밸브의 2상 Choked Flow는 기화·응축과 압력회복의 영향도 받으므로 언제나 v = c 하나만으로 판정하지 않는다. 캐비테이션에서도 기포가 존재하는 국부 구간에서 유량 한계가 생길 수 있다.

수격작용은 압력파가 상류로 전파되는 과도현상이다. ΔP = −ρaΔv(a: 배관에서의 압력파 속도). Choked Flow는 반대로 국부 임계 구간에서 하류 압력 교란이 상류로 전달되지 못한다는 관점과 연결된다.

7. 왜 저감 대책이 다른가?