공동현상

공동현상이란

공동현상은 국부 압력이 증기압 이하로 떨어져 기포가 생기고 붕괴하는 현상이다.

흐름 속도가 큰 구간에서 표면 요철이 저압부를 만들어 기포가 생기기 쉽다.

기포가 고압부에서 터지며 콘크리트 표면을 깎아 내므로 여수로와 수로터널에서 중요하다.

발생 원리

공동현상은 흐름이 장애물이나 표면 불규칙을 지날 때 시작된다.

표면 요철 뒤편에서 흐름이 떨어져 나가며 국부 압력이 떨어진다.

압력이 증기압 이하로 내려가면 액체가 기체로 바뀌어 기포가 생긴다.

기포가 압력 높은 하류로 옮겨 가 붕괴하면서 충격압이 콘크리트를 때린다.

반복된 충격이 표면을 깎아 내는 침식으로 이어진다.

캐비테이션 지수

흐름의 위험도는 캐비테이션 지수 σ로 판단한다.

σ는 압력 여유를 동압으로 나눈 값이다. 분자는 압력 여유, 분모는 동압이다.

가상의 예로 p=60 kPa, pv=2.34 kPa, V=20 m/s를 넣으면 σ는 약 0.29다.

같은 조건에서 V=25 m/s로 높이면 σ는 약 0.18로 작아진다.

유속이 커질수록 σ가 작아져 공동현상 위험이 커진다.

대책

공동현상 대책은 세 방향으로 묶어 설명한다.

첫째는 압력 저하를 줄이도록 표면을 매끄럽게 마감하고 요철을 없애는 것이다.

둘째는 유속을 낮추거나 경계 압력을 높이는 것이다. 셋째는 내침식 재료를 쓰고 공기 혼입 장치로 충격을 줄이는 것이다.

공기 방울이 기포 붕괴 충격을 완충하는 방법이다. 공기가 흐름을 막는다고 설명하면 감점된다.

공기 혼입 장치

공기 혼입은 흐름에 공기를 섞어 공동현상 손상을 줄이는 방법이다.

물속 공기 방울이 기포 붕괴의 충격을 흡수하므로 같은 압력 저하에서도 충격이 줄어든다.

후버댐은 1983년 홍수 때 손상이 생겨 여수로에 폭기 장치를 설치했다.

장치의 위치는 기포 붕괴 구간을 덮도록 정해야 한다.

직접 풀기

방금 배운 공기 혼입의 원리를 적용해 보자.

화면을 멈추고 답을 골라 보자.

정답은 공기가 기포 붕괴의 충격을 완충하는 것이다.

공기가 흐름을 막는다고 설명하면 감점된다.

정리

정리하면 공동현상은 국부 압력이 증기압 이하로 떨어져 생기는 기포의 붕괴 현상이다.

원인은 고속 흐름과 표면 요철이고, 손상은 콘크리트 침식과 라이닝 파손이다.

대책은 유속 저감, 표면 평활화, 내침식 재료, 공기 혼입으로 묶어 설명한다.