공동현상(cavitation)에 대해 설명해보세요.

유체 내에 국부적으로 속도가 빠른 부분이 생기면 그 부분의 압력이 내려가 액체 중에 녹아 있던 기체가 기포가 되어 나타나는 현상이다. 유체의 유동장에서 국부적으로 압력이 낮아지면 기포가 발생하고 성장하여 캐비티(cavity)가 형성된다.

액체를 작동 유체로 하는 펌프, 수차, 프로펠러 등의 유체 기계의 익면 부근에서 국부적으로 유속이 빨라지면 압력이 낮아져서 기포가 성장하여 캐비티가 발생한다. 역으로 유동의 정압이 액체의 포화증기압보다 높아지면 캐비티가 급격히 축소하여 소멸되면 익면에 형성되어 있던 기포가 소멸하는 순간 액체가 익면에 충돌하게 된다. 이와 같이 유동중에 정압의 변동에 따른 반복적인 캐비티의 생성과 소멸은 유체기계의 성능에 부정적인 영향을 미치게 된다.

(1) 캐비티가 펌프관로에 미치는 영향

기포가 붕괴되는 부근의 재료표면에 손상을 주는 원인이 된다. 즉 캐비티의 생성과 소멸에 의한 반복 충격이 익면 재료의 피로파괴를 일으켜서 표면을 침식시킴으로 인하여 유체기계의 수명을 단축시킨다. 캐비테이션에 의한 익면의 손상은 대단히 치명적인 것이며 근본적으로 제거하기가 어려운 것이다. 캐비테이션이 발생하면 익면부근에 형성된 캐비티가 액체의 유동을 방해하여 성능을 급격하게 저하시킨다.

진동과 소음이 발생한다. 캐비테이션은 정상상태의 유동에만 영향을 미치는 것이 아니고 비정상유동이나 유동의 동적 반응에도 영향을 미친다. 이와 같은 영향은 불필요한 유동의 불안정을 유발하게 되며, 캐비티의 반복적인 소멸에 따른 심한 소음과 진동을 발생시킨다.

(2) 캐비테이션 발생 원리와 해결책

액체 속을 고속도로 움직이는 물체의 표면에는 '베르누이의 정리'에 의해 액압이 저하한다. 그러면 압력이 액체의 포화증기압보다 낮아진 범위에 증기가 발생하거나 액체 속에 녹아 있던 기체가 나와 공동을 이룬다. 이것은 수력터빈이나 선박용의 프로펠러를 운전할 때 일어나는 현상으로, 압력면에 발생하는 경우도 있지만, 주로 날개의 등(뒷쪽) 부분에 발생한다. 발생한 기포는 압력이 높은 부분에 오면 급격히 부서져 소음이나 진동의 원인이 되며, 터빈이나 프로펠러의 효율을 떨어뜨린다.

또 기포가 사라져 없어질 때 기포의 부피가 급격히 축소됨에 따라 그 부분의 압력이 매우 커지며, 그것이 날개를 침식시키는 원인이 된다. 공동현상에 의한 이러한 침식을 점침식이라고 하며, 미소한 알갱이에 의한 일반적인 침식과 구별된다.

[해결책]

터빈이나 프로펠러를 설계․제작할 때는 이의 발생을 방지하기 위하여 날개의 모양이나 면적의 선정 등에 주의해야 하며, 특히 선박용 프로펠러의 경우에는 선체 후반부의 모양도 중요하다. 최근에는 초고속용 프로펠러로서 공동현상에서 가동하는 슈퍼캐비테이션 프로펠러의 연구․개발도 진행되고 있다.

펌프의 경우 캐비테이션 발생을 방지하기 위해, 펌프의 설치위치를 가능한 낮게 하여 유효흡입수두를 크게 한다. 흡입손실수두를 최소로 하기 위하여 흡입관을 가능한 짧게 하고, 대용량 펌프 또는 흡상이 불가능한 경우에는 펌프를 흡입수면보다 작게 설치하거나, 압축 펌프로 하여 회전차의 위치를 낮춘다.

또한, 펌프 회전차의 회전수를 적게 한다. 회전수를 적게 하면 회전차 내에서 유속이 작고 압력은 커지므로 캐비테이션이 발생하기 어렵다. 액체의 온도는 가능한 낮추고 기포나 이물질이 포함되지 않도록 한다. 액체의 온도가 높으면 그만큼 포화증기압은 높아져서 캐비테이션이 발생하기 쉬우며, 기포나 이물질이 포함되면 이것을 핵으로 하여 기포가 성장하고 캐비테이션이 발생하기 쉬워진다.