5급 공채 2차

2024년 5급 공채 기술 2차 전달현상

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

제1문 (20점)

그림과 같이 지점 ①에서 지점 ②로 펌프를 사용하여 물을 0.02m3/s의 부피 유량으로 수송하고 있다. 지점 ①의 내경(D_{1})은 0.2m이고 지점 ②의 내경(D_{2})은 0.1m이다. 높이는 동일하며 수은 마노미터를 이용하여 압력차를 측정하였을 때 마노미터의 높이가 0.4m이다. 다음 물음에 답하시오. (단, 물의 밀도는 1,000kg/m3, 수은의 밀도는 13,600kg/m3, 중력가속도는 9.8m/s2이다) (총 20점)
[그림]
  1. (1) 지점 ①과 지점 ②간의 압력차[Pa]를 구하시오. (5점)
  2. (2) 모든 마찰 손실을 무시할 수 있다고 할 때, 펌프의 일률[W]을 구하시오. (15점)

제2문 (30점)

그림과 같이 서로 평행하지 않은 넓은 두 평판으로 구성된 채널 사이에 점도 \mu의 뉴튼 유체가 채워져 있다. 이때 상부판은 고정되어 있고, 하부판은 일정한 속도 U \,로 움직여서 채널 내에 유체가 정상 상태의 완전 발달 층류 흐름을 보이고 있다. 다음 물음에 답하시오. (단, 압력은 y축 방향으로 변하지 않고, L > > h ( x )이다) (총 30점)
[그림]
  1. (1) Reynolds 수, Re < < 1일 때 속도 분포 u ( x , y )를 \frac{{dP ( x )}}{{dx}}와 h ( x ), y, U, \mu의 식으로 나타내시오. (10점)
  2. (2) P_{{x = 0}}와 P_{{x = L}} \,의 압력이 P_{0}로 같을 때, 유량 Q \,를 속도 U \,와 채널의 형상인 h_{{0}}, h_{{L \,}}에 관한 식으로 나타내시오. (10점)
  3. (3) h_{{0}} = \, 2 h_{{L \,}}일 때, 채널 내에서 최대 압력을 \mu, L, U, h_{{0}}, P_{{0}}의 식으로 나타내시오. (10점)

제3문 (20점)

입구 온도(T_{{i n}})가 70°C인 뜨거운 오일을 1m/s 속도로, 길이 2,000m인 파이프 라인을 통해 그림과 같이 공급한다. 이때 파이프 라인의 내경은 0.5m이며 땅속 2m 깊이에 묻혀 있다. 그리고 땅속 2m 주위 온도는 0°C이다. 파이프 벽면 두께에 의한 열저항은 무시할 수 있으며 파이프 라인은 직선으로 되어 있다. 다음 물음에 답하시오. (총 20점)
오일의 물성치는 다음과 같다.
○밀도 \rho＝877kg/m3
○점도 \mu＝0.25Nㆍs/m2
○열전도도 k＝0.14W/(mㆍK)
○비열 C_{{p}}＝1,995J/(kgㆍK)
○Prandtl 수 {P} \, {r}＝3,400
○Nusselt 수 N u = 3.66 + \frac{{0.065 ( D / L ) ReP \, r}}{{1 + 0.04 [ ( D / L ) ReP \, r ]^{{2 / 3}}}}

[그림]
  1. (1) 파이프 라인의 출구 온도 T_{out}[°C]을 구하시오. (10점)
  2. (2) 파이프 라인을 통과하면서 땅으로 손실되는 열전달 속도[kW]를 구하시오. (10점)

제4문 (30점)

상온에서 지름이 5mm인 기포가 물속에서 일정한 속도로 상승하고 있다. 상승 중인 기포는 구형 모양을 유지하고 크기의 변화는 무시한다. 기포 내부에서 빠른 순환이 이루어지며 기포 중의 산소가 0.2의 몰분율을 차지하고 산소가 액체 속으로 확산해 나갈 때 Sherwood 수(S \, h)는 S \, h = 1.13 Re^{{1 / 2}} S \, c^{{1 / 2}}로 Reynolds 수(Re)와 Schmidt 수(S \, c)의 함수로 표현된다. 물의 밀도가 1,000kg/m3, 점도가 1cP이고 공기의 밀도는 1.2kg/m3이다. 산소의 액체 속 확산도 D_{{v}}는 2.5×10-5cm2/s이고 기포와 액체의 계면에서 산소의 헨리 상수는 액상 몰분율당 4×104atm이다. 다음 물음에 답하시오. (총 30점)
  1. (1) 상승하는 기포의 항력계수가 0.4일 때, 기포의 상승 속도[cm/s]를 구하시오. (5점)
  2. (2) 액상 경막 내 산소의 물질전달계수[cm/s]를 구하시오. (10점)
  3. (3) 액체에 용존 산소가 없고 기포 내 압력이 1기압이라고 가정할 때, 기포 속 산소가 액체로 전달되는 속도[mol/s]를 구하시오. (15점)