5급 공채 2차

2019년 5급 공채 기술 2차 전달현상

문제 4개 · 100점. 참고 답안·채점 기준은 앱에서 볼 수 있습니다.

제1문 (20점)

펌프를 사용하여 두 개의 매우 큰 탱크 사이에 직경이 4cm인 매끄러운 파이프 배관을 통하여 5kg/s의 질량 유량으로 물을 이송하고 있다. 다음 물음에 답하시오. (단, 물의 밀도와 점도는 각각 1,000kg/m3과 1cP이다) (총 20점)
[그림]
  1. (1) 파이프에서의 유동이 층류인지 난류인지를 판별하고, 이를 근거로 Fanning 마찰인자(friction factor) f_{{F}}를 구하시오. (단, Fanning 마찰인자는 층류에서 f_{{F}} = 16 / Re, 매끄러운 배관 내 난류에서 f_{{F}} = 0.079 Re^{{- 1 / 4}}이다) (10점)
  2. (2) 에너지 손실이 파이프 벽에서 점성 마찰에 의한 손실에 의해서만 고려될 때, 탱크 1과 탱크 2의 수위가 그림과 같이 일정하게 유지되면서 5kg/s으로 물을 이송하기 위한 펌프(효율＝1)의 일률[W]을 구하시오. (10점)

제2문 (20점)

그림과 같이 밀도(\rho)와 점도(\mu)가 일정한 비압축성 뉴톤 액체가 간격 d만큼 일정하게 떨어진 두 연직 평판 사이를 중력(\vec{{g}})에 의하여 연직방향으로 흐르고 있다. 왼쪽 평판은 고정되어 있고, 오른쪽 평판은 일정한 속도 V로 연직 상부 방향으로 움직일 때, 다음 물음에 답하시오. (단, 두 평판의 길이와 폭은 두 평판 사이의 간격에 비해 매우 크고, 유체의 흐름은 정상상태의 층류이다) (총 20점)
[그림]
\vec{{g}}↓
  1. (1) 흐름 방향의 속도 분포(v_{{y}})를 왼쪽 평판으로부터의 거리(x)의 함수[v_{{y}} = v_{{y}} ( x )]로 구하시오. (10점)
  2. (2) 두 평판 사이의 간격이 d＝1mm이고, 액체의 밀도 \rho＝900kg/m3, 점도 \mu＝50kg/m․s일 때, 액체의 순 유동량이 0이 되기 위한 오른쪽 평판의 속도 V_{0}[m/s]를 구하시오. (10점)

제3문 (30점)

그림과 같이 길이가 매우 긴 직경 D＝1cm의 원통형 휜(fin)을 통하여 T_{\infty}＝30°C의 공기 중으로 열이 방출되고 있다. 휜이 부착된 벽면(x＝0)의 온도는 T_{{w}}＝300°C로 일정하게 유지되며, 휜 끝단(x＝L)의 온도는 공기의 온도와 같다. 휜의 열전도도 k는 일정하고, 공기에 노출된 휜 표면에서의 대류열전달계수는 h＝30W/m2․K일 때, 다음 물음에 답하시오. (단, 휜 내부에서 x 방향으로의 1차원 정상상태의 열전달이 발생한다) (총 30점)
[그림]
T_{{w}}＝300°C
T_{{\infty}}＝30°C
h＝30W/m2․K
x＝0
x
x＝L
  1. (1) L→\infty일 때, 휜의 온도(T)를 휜의 길이(x)의 함수[T = T ( x )]로 구하시오. (10점)
  2. (2) 벽면으로부터 25cm 떨어진 지점에서 휜의 온도가 125°C라면, 이 휜의 열전도도 k[W/m․K]는 얼마인지 구하시오. (10점)
  3. (3) 휜 표면에서의 대류열전달계수가 휜의 직경에 관계없이 일정하고 다른 조건이 동일할 경우, 휜의 직경이 1cm에서 2cm로 바뀐다면 휜 표면으로부터 방출되는 열량은 몇 배로 증가되는지 구하시오. (10점)

제4문 (30점)

순수한 성분 A로 구성된 구형 액적이 298K, 1atm의 정체된 공기 중에서 서서히 증발한다. 다음 물음에 답하시오. (단, 공기 중 기체들은 액적에 용해되지 않으며 공기는 성분 A를 포함하지 않는 이상기체이다) (총 30점)
  1. (1) 액적이 증발하는 t시간 동안 액적의 반경이 R_{{i}}에서 R_{{f}}로 줄어들었다. 아래에 제시된 기호를 사용하여 시간 t를 R_{{i}}와 R_{{f}}의 함수로 구하시오. (20점)
    C \,: 기상의 총 농도
    D_{{AB}} \,: 공기 중 A의 확산도
    \rho_{{A}} \,: 액체 A의 밀도
    M_{{A}} \,: A의 분자량    		r \,: 액적 중심으로부터 임의의 거리
    N_{{Ar}} \,: r 방향으로 A성분의 절대 몰플럭스
    y_{{A}} \,: 기상에서 A의 몰분율
    y_{{A 0}} \,: 기상 측 계면에서 A의 몰분율
  2. (2) 액적이 물이고 초기 반지름이 5mm라면, 액적이 처음 크기로부터 완전히 사라지는 데 걸리는 시간[hr]을 구하시오. (단, 298K, 1atm에서 물의 증기압, 확산도, 밀도와 분자량은 각각 32mmHg, 0.260cm2/s, 1g/cm3과 18g/mol이다) (10점)