Vacuum Technology Book, Volume II

1.2.6 흐름의 유형

흐름 채널 직경에 대한 평균 자유 행로의 비율은 흐름의 유형 을 설명하는 데에 사용할 수 있습니다. 이 비율은 크누센 수 라고 부릅니다.

\[\mathit{Kn}=\frac{\bar l}d\]

공식 1-13: 크누센 수

$\bar l$ 평균 자유 행로 [m]
$d$ 흐름 채널의 직경 [m]
$\mathit{Kn}$ 크누센 수 dimensionless

크누센 수의 값은 기체 흐름의 유형을 특징지우면서 특별한 압력 범위에 할당합니다. 표 1.7은 진공 기술에서 다양한 유형의 흐름의 개요와 중요한 특성 파라미터를 제공합니다

흐름 영역의 다양한 유형들의 개요는 그림 1.6에서 볼 수 있 습니다

흐름 영역의 다양한 유형들의 개요

그림 1.6: 흐름 영역의 다양한 유형들의 개요

저진공에서의 점성 흐름

연속 흐름이라고도 알려진 점성 흐름에서는 기체 분자 사이 에서 빈번한 충돌이 일어나지만 용기 벽에서는 덜 빈번한 충 돌이 일어납니다. 이 경우 기체 분자들의 평균 자유 행로는 흐름 채널의 차원보다 훨신 더 짧습니다.

점성 흐름의 경우, 거리는 층류 흐름과 난류 흐름 사이에서 일 어납니다. 층류 흐름 또는 층이 있는 흐름에서 기체 입자들은 서로에게 항상 평행한 동일한 변위 층에 머물러 있습니다. 흐름 속도가 증가할 경우 이 층들은 깨지고 유체 입자들이 완 전히 무질서하게 서로에게 흘러듭니다. 이것이 이른바 난류 흐름입니다. 점성 흐름의 이 두 영역 사이의 경계는 다음과 같 이 레이놀즈 수라고 표현할 수 있습니다.

\[\RE = \frac{\rho\cdot\nu\cdot l}\eta\]

공식 1-14: 레이놀즈 수

$\RE$ 레이놀즈 수 무차원
$\rho$ 액체의 밀도 [kg m-3]
$\nu$ 흐름의 평균 속도 [m s-1]
$l$ 특징적 길이 [m]
$\eta$ 동적 점성 [Pa s]

Re(레이놀즈 수) < 2,300일 때까지는 층류 흐름이며, Re > 4,000이면 난류 흐름이 됩니다. 2,300 < Re < 4,000의 범위 에서는 흐름이 대부분 난류입니다. 층류 흐름도 가능하지만, 이 범위에서는 두 개의 흐름 유형이 모두 불안정해집니다.

진공 상태에서 난류 흐름은 대기압에서 또는 빠른 환기가 수 행될 때 냉매 회수 운전 시에만 발생합니다. 진공 시스템에서 파이프는 난류 흐름이 상대적으로 높은 압력에서만 짧게 발 생하도록 치수화됩니다. 왜냐하면 이 과정에서 방생하는 높 은 흐름 저항은 사용된 펌프가 반드시 더 높은 부피 유속을 만 들어내도록 강요하기 때문입니다.

중간 진공에서의 크누센의 흐름

크누센 수가 0.01에서 0.5 사이라면 이는 크누센의 흐름이라 할 수 있습니다. 많은 공정 압력이 중간 진공 범위에 있기 때 문에 이런 유형의 흐름은 대응하는 주파수와 함께 발생합니 다.

고진공 및 초고진공에서의 분자 흐름

$\mathit{Kn}$ > 0.5 의 크누센 수에서는 사실상 분자의 상호작용이 더 이 상 일어나지 않습니다. 우세한 것은 분자의 흐름입니다. 이 경 우 평균 자유 행로가 흐름 채널의 직경보다 훨씬 더 큽니다. 분자의 흐름에서 압력과 구성품 직경의 곱은 약 ≤ 1.3 · 10-2 hPa cm입니다.

압력과 구성품 직경의 곱에 따른 흐름 범위의 개요를 보여주 는 그래프가 그림 1.7에 나와 있습니다.

p·d에 따른 진공 산태의 흐름 범위

그림 1.7: p · d에 따른 진공 산태의 흐름 범위

이 그래프는 표 1.7에서도 볼 수 있듯이 압력에 따라 순수 하게 진공 범위로 분류하는 것이 무척 단순함을 보여줍니다. 하지만 이런 분류가 여전히 일반적으로 사용되고 있기 때문 에 여기서도 인용되고 있습니다.

  점성 흐름 크누센 흐름 분자 흐름
저진공 중간 진공 고진공/초고진공
압력 범위 [hPa] 103…1 1…10-3 < 10-3 bzw. < 10-7
압력 범위 [Pa] 105…10 2 102…10 -1 < 10-1 bzw. < 10-5
크누센 수 Kn < 0.01 0.01 < Kn < 0.5 Kn > 0.5
레이놀즈 수 Re < 2,300: laminar
Re > 4,000: turbulent
p · d [hPa cm] p · d > 0.6 0.6 > p · d > 0.01 p · d < 0.01

표 1.7: 흐름 영역의 유형들의 개요

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