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고층 빌딩들이 만드는 초강풍! ‘벤투리 효과’
바로 벤투리관(venturi pipe)이다. 벤투리관은 압력을 줄이고, 유체 또는 가스의 속도를 증가시키기 위해 관의 일정 부분을 좁게 만든 부품이다.
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Date Published: 7/16/2022
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벤츄리 효과 – Venturi effect – 네이버 블로그
벤츄리 관이란 배관의 굵기가 서서히 축소되었다가 확대되는 관을 말한다. 급격히 줄어드는 관은 오리피스라고 하고 이와는 구별된다.
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 6/13/2021
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벤츄리 효과 (Venturi effect) – [공학나라] 기계 공학 기술정보
파이프 내부의 흐름에서 단면적이 좁은 영역을 지날 때 압력이 작아지는 효과이다. 연속 방정식과 베르누이의 정리로 설명될 수 있다. (이탈리아 물리학자 …
Source: mechengineering.tistory.com
Date Published: 6/2/2022
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벤츄리관 / 벤츄리효과 / 벤츄리인젝터 – 고컴고캣 – 티스토리
벤츄리관은 흐르는 물체, 유체의 속도를 측정하기 위해 사용되는 관입니다. 유체의 흐름을 측정하기 위해 관의 내부에 병목형태의 관이 있고 이 부분을 …
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Date Published: 2/7/2022
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벤투리관(Venturi tube) | 과학문화포털 사이언스올
벤투리관(Venturi tube) … 흐르는 물체, 즉 유체의 속도를 측정하기 위해 사용되는 관을 말한다. 유체의 흐름을 측정하기 위해 관의 내부에 작은 병목 …
Source: www.scienceall.com
Date Published: 9/30/2021
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벤추리 효과 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
벤추리 효과(Venturi effect)는 유체가 파이프의 일부에서 압력을 변형하기 위해 제한되도록 설계된 특정 부분 또는 이러한 초크(choke-유체 흐름 조절 장치)를 통해 …
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Top 19 벤 투리 관 Top Answer Update
고층 빌딩들이 만드는 초강풍! · 벤츄리 효과 (Venturi effect) :: [공학나라] 기계 공학 기술정보 · 벤츄리관 / 벤츄리효과 / 벤츄리인젝터 · 벤추리 효과 – …
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벤츄리 효과(Venturi Effect) – 포소화약제 혼합장치
이탈리아 물리학자 벤츄리가 발견한 효과로, 유체가 상대적으로 좁은 면적을 지날 때 압력이 줄어드는 효과이다. 대표적인 차압식 유량계로 오리피스 …
Source: ikkujun.com
Date Published: 2/7/2022
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KR200294744Y1 – 역류 방지용 벤투리관 – Google Patents
벤투리관의 기반이 되는 베르누이 방정식은 다음과 같다. 상기 식에서 p, ρ,v, g, y는 각각 관 내에서의 유체의 압력, 밀도, 유속, 중력가속도, 기준점으로 부터의 높이를 …
Source: patents.google.com
Date Published: 11/9/2021
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- Date Published: 2020. 6. 7.
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고층 빌딩들이 만드는 초강풍! ‘벤투리 효과’
여름이 오면 어김없이 찾아오는 반갑지 않은 손님이 있다. 바로 태풍이다. 지난해 늦여름, 부산 해안가는 ‘마이삭’과 ‘하이선’이라는 이름의 태풍이 연이어 강타하면서 많은 피해를 보았다. 해운대와 광안리 주변에 위치한 고층 아파트들 창문이 강한 바람에 의해 수십 장씩 깨지며 그 일대가 아수라장이 된 것이다. 당시 전문가들은 창문이 깨진 상황에 대해 직접적 원인은 태풍에 있지만, 또 다른 원인으로 고층 건물 주변에서 발생하는 ‘빌딩풍’을 지목한 바 있다. 빌딩풍이란 넓은 공간에서 불던 바람이 고층 빌딩 사이의 좁은 공간으로 들어오면서 속도가 더 빨라지는 현상을 가리킨다.
빌딩풍에 의한 피해가 비단 우리나라만의 일이 아니다 보니 전 세계의 많은 국가들이 오래전부터 피해를 줄이기 위해서 다양한 대처방안을 연구해 왔다. 바람이 부는 방향과 반대로 창문을 설계하거나 건물의 모서리를 부드러운 곡선으로 만드는 이유도 바람의 피해를 줄이기 위해서이다. 대표적인 건물로는 아랍에미리트 두바이의 부르즈 할리파나 우리나라 잠실 제2 롯데월드 같은 건물 모양이다.
▲ 왼쪽부터 두바이 부르즈 할리파, 잠실 제2 롯데월드 타워
빌딩풍의 발생 원인을 설명하는 물리적 현상에는 ‘벤투리 효과(Venturi Effect)’가 있다. 벤투리 효과는 이탈리아의 물리학자인 ‘지오반니 벤투리(Giovanni Venturi)’가 ‘베르누이의 정리’를 이용하여 해석한 물리 현상이다. 굵기가 다른 관에 유체를 통과시킬 때, 넓은 관보다 좁은 관에서 유체의 속도가 빨라지는 대신에 압력은 낮아지게 되는 현상을 가리킨다. 빌딩들이 많은 도심의 바람은 빌딩들의 좁은 간격을 통과하면서 더 빠른 속도와 낮은 압력을 가지게 된다.
그렇다면 벤투리 효과는 태풍 같은 강한 바람이 불 때만 발생하는 물리적 현상일까? 아니다. 태풍이라는 이슈가 워낙 영향력이 크다 보니 벤투리 효과가 덩달아 부각되었지만, 사실 알고 보면 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 도구들의 작동 원리와 아름답게 지어진 건축물에도 벤투리 효과가 숨어 있음을 알 수 있다.
주유기가 알아서 주유를 끝낼 수 있는 것은 벤투리관 덕분이다?
▲ 벤투리관의 이상적인 흐름(출처: 위키피디아)
주유소에서 연료를 넣을 때 일정량이 주입되고 나면, 주유기에서 ‘탁’ 소리가 나는 것을 들은 적이 있을 것이다. 이 소리는 주유가 끝났다는 것을 알려주는 신호로서, 주유기는 주유소 유류 탱크에 저장되어 있는 연료를 자동차의 연료탱크로 공급하는 역할을 하는 장치다. 주유를 위해 주유기에 달려 있는 손잡이를 당기면, 노즐이 열리면서 자동차 연료탱크로 연료가 흘러 들어간다. 얼핏 보면 주유기로 연료를 주입하는 과정이 매우 단순한 것처럼 보이지만, 좀 더 자세히 주유기를 들여다보면 벤투리 효과를 비롯한 여러 가지 과학적 원리가 포함되어 있다는 것이 전문가들의 설명이다.
주유기의 단면을 살펴보면 손잡이와 노즐, 그리고 주유관 및 베어링 등과 함께 주목해서 봐야 할 부분이 있다. 바로 벤투리관(venturi pipe)이다. 벤투리관은 압력을 줄이고, 유체 또는 가스의 속도를 증가시키기 위해 관의 일정 부분을 좁게 만든 부품이다. 앞에서 언급한 것처럼 주유기로 자동차에 연료를 주입하다가 자동으로 멈출 수 있는 비결은 벤투리관 덕분에 가능하다. 주유기 아래를 잘 살펴보면 작은 구멍이 있는데, 이 구멍이 벤투리관의 입구이며 작은 파이프 형태로 주유기 내부의 빈 공간과 연결되어 있다.
주유를 시작하게 되면, 벤투리관에 공기가 유입된 후 차량 내 연료탱크로 기름과 함께 배출되는 과정이 반복적으로 이루어진다. 벤투리관으로 들어간 공기가 주유기 내부에 있는 부품 중 하나인 다이어프램(diaphragm)을 돌아서 다시 연료와 혼합되면서 자동차 연료탱크로 연료와 함께 주입되는 것이다. 이후 벤투리관을 통해 유입된 기름은 다이어프램 부분을 밀게 되고, 손잡이와 노즐에 힘이 가해지면서 연료 흐름을 차단하게 된다.
이를 물리학적으로 설명한다면, 기름의 밀도가 공기보다 높기 때문에 압력에 변화가 생기면서 연료 차단이 이루어지는 과정이라고 볼 수 있다. 주유기 외에도 벤투리 효과의 원리를 엿볼 수 있는 도구로는 도료를 칠할 때 사용하는 스프레이건이나 에어브러시 등이 있다. 두 도구 모두 벤투리관을 이용하여 통 속에 있던 도료가 딸려 올라와서 공기와 같이 분사되는 작동 방식을 갖고 있다.
빌딩풍을 활용하여 신재생에너지 자급자족
벤투리 효과는 주유기나 스프레이건처럼 주위에서 흔히 볼 수 있는 도구의 작동원리 외에도 고효율의 풍력발전 시스템에까지 적용되고 있어 눈길을 끌고 있다. 앞에서 언급했던 ‘빌딩풍’을 이용한 풍력발전 시스템이다. 대표적 사례로는 바레인이 자랑하는 랜드마크인 ‘바레인 세계무역센터(BWTC, Bahrain World Trade Center)’에 적용된 풍력발전 시스템을 꼽을 수 있다. 이 건물은 전체 높이 240m에 총 50층 규모로 지어진 빌딩으로 현재 비즈니스 센터와 호텔, 그리고 사무실 및 쇼핑몰 등으로 사용되고 있다.
▲ 바레인 세계무역센터(BWTC, Bahrain World Trade Center) (출처: 위키피디아, GN-z11), 두 동의 건물 사이에 설치되어 있는 세 대의 윈드 터빈(대형 풍력 발전 시스템)
이 건물이 세계적으로 주목을 받게 된 이유는 배의 돛을 형상화한 아름다운 디자인도 한몫을 했지만, 두 동의 건물과 이들 사이의 공중 연결 통로에 설치되어 있는 세 대의 대형 풍력 발전 시스템 덕분이다. ‘윈드터빈(wind turbine)’이라고 불리는 대형 풍력 발전 시스템은 페르시아만에서 불어오는 강력한 바람을 받아서 이 건물이 필요로 하는 전기를 공급한다. 그리고 두 건물은 ‘벤투리 효과’를 적용하기 위해 각각 45도씩 서로 기울어져 있는 상태로 설계되어 있어서 바다에서 불어오는 바람을 한곳에 모을 수 있는 역할을 한다. 다시 말해 바다에서 지상으로 바람이 불 때 최적의 풍속으로 윈드터빈을 통과시켜 풍력발전이 이루어지게끔 만드는 것이 주요 원리다. BWTC가 공개한 자료에 의하면 세 대의 윈드터빈을 가동하여 연간 약 1200MW의 전기를 생산 및 공급할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 건물에서 필요로 하는 전력수요의 약 11~15%에 해당하는 규모다.
벤투리 효과를 활용하면, 새로운 에너지원을 얻을 수 있다!
BWTC외에도 해외의 유명 건물들이 이런 벤투리효과를 통한 빌딩풍을 신재생 에너지 생산에 활용하고 있다. 2012년에 만들어진 71층 높이의 중국 광저우의 펄리버타워도 빌딩 1/3지점과 2/3지점에 풍혈을 만들어 풍력발전을 이용하고 있고, 영국 런던의 스트래타빌딩도 건물 꼭대기에 3개의 풍혈과 대형터빈을 설치해 건물 전체 에너지 사용량의 8%를 생산하는 것으로 알려졌다.
▲ 왼쪽부터 영국 런던에 위치한 Strata SE1(출처: 위키피디아, Colin), 중국 광저우 Pearl river tower (출처: 위키피디아, Bradwilkins)
빌딩풍으로 에너지를 생산하는 것은 소음 문제나 바람의 방향이 일정하지 않는 난류 등의 문제를 해결하기 위한 과제가 남아있다. 이런 해결점이 남아있긴 하지만, 최근 전세계적으로 ESG 경영이 확산되고 있는 만큼, 이런 빌딩풍을 이용한다면 연료 의존도를 줄이고 신재생에너지를 활용한 도시형 풍력 발전 분야에도 도움이 될 것으로 기대가 된다.
※ 이 칼럼은 해당 필진의 개인적 소견이며 삼성디스플레이 뉴스룸의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.
벤츄리 효과 – Venturi effect
벤츄리 관이란 배관의 굵기가 서서히 축소되었다가 확대되는 관을 말한다. 급격히 줄어드는 관은 오리피스라고 하고 이와는 구별된다. 유체가 규칙적으로 벤츄리 관을 통해 흐르는 경우, 배관의 통로가 넓은 곳에서는 압력이 높고 유체의 흐름속도는 느리다. 반대로 배관이 좁은 통로에서는 유체의 압력은 낮고 흐름속도는 빨라진다.
벤츄리 관의 넓은 통로와 좁은 통로의 아래부분에 가는 유리관을 연결하고 이를 관찰하면 배관이 넓은 쪽의 물기둥은 그 높이가 낮아지고, 좁은 쪽의 물기둥은 높이가 높아진다. 이것은 배관내의 넓은 통로에서의 압력과 좁아진 통로에서 낮아진 압력과의 압력차이로 인해 유체가 좁은 통로 쪽으로 빨려 올라가서 생기는 현상으로 이를 벤츄리 효과라고 하고 이를 수리학적으로 해석한 것을 베르누이 정리라고 한다.
벤츄리 효과 (Venturi effect)
벤츄리 효과
파이프 내부의 흐름에서 단면적이 좁은 영역을 지날 때 압력이 작아지는 효과이다. 연속 방정식과 베르누이의 정리로 설명될 수 있다. (이탈리아 물리학자 벤츄리 아재가 발견한 효과다.)
아래 그림에서 파이프 (단면적 A1 > A2) 내부를 흐르는 유동은 1점의 압력보다 2점의 압력이 낮다는 효과 (압력 p1 < p2) 이다. 1점보다 2점이 압력이 낮으니 물기둥 (액주계)의 높이가 2점이 더 낮다. 벤츄리 노즐은 아래 그림에서 단면적이 좁아졌다가 넓어지는 부분 까지를 말한다. 이 벤츄리 노즐을 이용해서 유량을 측정하기도 한다. 벤츄리 노즐의 특징을 잘보면 단면적이 서서히 변한다 (급격히 변화하면 웨이크 (wake) 가 생겨 유량 측정에 오류가 커지게 된다). 보통 입구각은 30도, 출구각은 5도 정도를 유지한다. 벤츄리 효과와 벤츄리 노즐 위 그림의 실사판 원리 (이론 설명) 연속 방정식을 적용하면 유량이 일정하므로 1점보다는 2점에서 속도가 빨라진다. * 연속 방정식은 일종의 질량 보존 법칙으로 단면적 A1을 지나는 질량 유량 (질유량) 이 단면적 A2를 지나는 질유량과 같다는 것이다. 이를 수식으로 나타내면 밀도가 일정하다고 가정하고 부피의 연속 방정식 (부피 보전의 법칙) 을 적용하면 (속도 v, 부피 유량 Q) A1 > A2 이므로 v1 < v2 좀 더 쉽게 설명하면 넓은 길에서 좁은 길로 사람들이 지나갈때 좁은 길에서는 좀 더 빨리 지나가야 한다는 것. 아래 그림을 보면 좀 더 쉽게 이해가 간다. 하얀색 입자를 보면 단면적이 좁은 곳에서 빨리 움직이는 것을 알 수 있다. 베르누이 정리를 적용하면 (베르누이 정리를 다시 간단히 설명하면 마찰이 없으면 "정압력 + 동압력"은 일정하다는 것이다.) v1 < v2 이므로 p1 > p2 가 된다.
벤츄리 노즐의 이용
위 연속 방정식과 베르누이 정리 식을 연립해서 풀면 아래와 같은 수식이 나오는데 두 지점의 압력차, 단면적, 밀도를 알면 부피유량 Q를 구할 수 있다.
벤츄리효과 / 벤츄리관 / 벤츄리인젝터 정의
출처 : 사이언스올
벤츄리효과를 알기 위해서는 벤츄리관의 원리를 알 필요가 있습니다. 벤츄리관은 배관의 굵기가 점점 좁혀졌다가 다시 천천히 넓어지는 형태의 관을 말합니다. 벤츄리관은 흐르는 물체, 유체의 속도를 측정하기 위해 사용되는 관입니다. 유체의 흐름을 측정하기 위해 관의 내부에 병목형태의 관이 있고 이 부분을 경계로 양쪽의 압력차를 이용해 베르누이의 정리로 양쪽의 유량을 계산할 수 있도록 만들어진 관입니다.
베르누이의 정리
간혹 오리피스와 헷갈릴 수 있는데 오리피스의 경우는 관이 급격하게 줄어드는 형태를 말하기 때문에 엄연히 다른 형태입니다. 유체가 규칙적으로 벤츄리관을 통해 흐르는 경우 넓은 관에서는 유체의 압력은 높고 속도는 느립니다. 하지만 반대로 좁은 관에서는 유체의 압력은 낮으며 속도는 빨라집니다. 이 때문에 배관내의 넓은 통로에서의 높은 압력과 좁아진 통로에서의 낮은 압력과의 차이로 인해 유체가 좁은통로 쪽으로 빨려 들어가면서 생기는 현상을 벤츄리효과라고 부릅니다. 그리고 이것을 수학적으로 정리한 것이 베르누이의 정리입니다. 벤츄리관은 주로 자동차의 기화기와 다양한 산업분야에서 이용되고 있습니다.
출처 : 위키피디아
출처 : https://www.scienceall.com https://www.wikipedia.org
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벤투리관(Venturi tube)
흐르는 물체, 즉 유체의 속도를 측정하기 위해 사용되는 관을 말한다. 유체의 흐름을 측정하기 위해 관의 내부에 작은 병목 부분이 있는 관으로서 그 부분을 경계로 양쪽의 압력차를 이용하여 베르누이의 정리를 통해 양쪽의 유량을 계산할 수 있도록 만든 관이다. 이탈리아 조반니 바트스타 벤투리에 의해 만들어진 이 벤투리관은 그의 이름에 따라 벤투리관으로 명명 되어졌다. 자동차의 기화기에 널리 이용되며 다른 여러 분야에도 널리 이용되고 있다.
위키백과, 우리 모두의 백과사전
벤추리 효과(Venturi effect)는 유체가 파이프의 일부에서 압력을 변형하기 위해 제한되도록 설계된 특정 부분 또는 이러한 초크(choke-유체 흐름 조절 장치)를 통해 흐를 때 발생하는 유체 압력의 감소를 가리킨다.[1] 이러한 벤추리 효과(Venturi effect)를 기능적으로 보여주도록 설계한 유량측정기(flow meter)를 벤추리 미터(Venturi meter)라고 한다.벤추리 효과(Venturi effect) 또는 벤추리 미터(Venturi meter)는 발견자인 조반니 바티스타 벤추리(Giovanni Battista Venturi)의 이름을 따서 명명되었다.[2][3][4][5][6]
작동원리 [ 편집 ]
(예시)첫 번째 측정 튜브 점1(1)의 압력(p 1 )은 두 번째 제한된 부분 점2(2)에서의 압력(p 2 )보다 높고 (1)의 유체 속도(v 1 )는 (2)의 유체 속도(v 2 )보다 낮다. (1)의 단면적(A 1 )이 (2)에서 A 2 보다 크기 때문이다. (h) 차압, (ρ) 유체밀도
같이 보기 [ 편집 ]
Top 19 벤 투리 관 Top Answer Update
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참고[편집] 벤추리 효과 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
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벤츄리 효과(Venturi Effect) – 포소화약제 혼합장치
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Most searched keywords: Whether you are looking for 벤츄리 효과(Venturi Effect) – 포소화약제 혼합장치 이탈리아 물리학자 벤츄리가 발견한 효과로, 유체가 상대적으로 좁은 면적을 지날 때 압력이 줄어드는 효과이다. 대표적인 차압식 유량계로 오리피스 … 벤츄리 효과(Venturi Effect) 이탈리아 물리학자 벤츄리가 발견한 효과로, 유체가 상대적으로 좁은 면적을 지날 때 압력이 줄어드는 효과이다. 대표적인 차압식 유량계로 오리피스 미터와 벤츄리 미터가 있다. 우..
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벤츄리 효과(Venturi Effect) – 포소화약제 혼합장치
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KR200294744Y1 – ìë¥ ë°©ì§ì© 벤í¬ë¦¬ê´
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– Google Patents 벤투리관의 기반이 되는 베르누이 방정식은 다음과 같다. 상기 식에서 p, ρ,v, g, y는 각각 관 내에서의 유체의 압력, 밀도, 유속, 중력가속도, 기준점으로 부터의 높이를 … …
– Google Patents 벤투리관의 기반이 되는 베르누이 방정식은 다음과 같다. 상기 식에서 p, ρ,v, g, y는 각각 관 내에서의 유체의 압력, 밀도, 유속, 중력가속도, 기준점으로 부터의 높이를 … … Most searched keywords: Whether you are looking for KR200294744Y1 – ìë¥ ë°©ì§ì© 벤í¬ë¦¬ê´
– Google Patents 벤투리관의 기반이 되는 베르누이 방정식은 다음과 같다. 상기 식에서 p, ρ,v, g, y는 각각 관 내에서의 유체의 압력, 밀도, 유속, 중력가속도, 기준점으로 부터의 높이를 …
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makersweb – 벤추리관(Venturi tube)에 흐르는 유체의 유량
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고층 빌딩들이 만드는 초강풍! ‘벤투리 효과’
여름이 오면 어김없이 찾아오는 반갑지 않은 손님이 있다. 바로 태풍이다. 지난해 늦여름, 부산 해안가는 ‘마이삭’과 ‘하이선’이라는 이름의 태풍이 연이어 강타하면서 많은 피해를 보았다. 해운대와 광안리 주변에 위치한 고층 아파트들 창문이 강한 바람에 의해 수십 장씩 깨지며 그 일대가 아수라장이 된 것이다. 당시 전문가들은 창문이 깨진 상황에 대해 직접적 원인은 태풍에 있지만, 또 다른 원인으로 고층 건물 주변에서 발생하는 ‘빌딩풍’을 지목한 바 있다. 빌딩풍이란 넓은 공간에서 불던 바람이 고층 빌딩 사이의 좁은 공간으로 들어오면서 속도가 더 빨라지는 현상을 가리킨다. 빌딩풍에 의한 피해가 비단 우리나라만의 일이 아니다 보니 전 세계의 많은 국가들이 오래전부터 피해를 줄이기 위해서 다양한 대처방안을 연구해 왔다. 바람이 부는 방향과 반대로 창문을 설계하거나 건물의 모서리를 부드러운 곡선으로 만드는 이유도 바람의 피해를 줄이기 위해서이다. 대표적인 건물로는 아랍에미리트 두바이의 부르즈 할리파나 우리나라 잠실 제2 롯데월드 같은 건물 모양이다. ▲ 왼쪽부터 두바이 부르즈 할리파, 잠실 제2 롯데월드 타워 빌딩풍의 발생 원인을 설명하는 물리적 현상에는 ‘벤투리 효과(Venturi Effect)’가 있다. 벤투리 효과는 이탈리아의 물리학자인 ‘지오반니 벤투리(Giovanni Venturi)’가 ‘베르누이의 정리’를 이용하여 해석한 물리 현상이다. 굵기가 다른 관에 유체를 통과시킬 때, 넓은 관보다 좁은 관에서 유체의 속도가 빨라지는 대신에 압력은 낮아지게 되는 현상을 가리킨다. 빌딩들이 많은 도심의 바람은 빌딩들의 좁은 간격을 통과하면서 더 빠른 속도와 낮은 압력을 가지게 된다. 그렇다면 벤투리 효과는 태풍 같은 강한 바람이 불 때만 발생하는 물리적 현상일까? 아니다. 태풍이라는 이슈가 워낙 영향력이 크다 보니 벤투리 효과가 덩달아 부각되었지만, 사실 알고 보면 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 도구들의 작동 원리와 아름답게 지어진 건축물에도 벤투리 효과가 숨어 있음을 알 수 있다. 주유기가 알아서 주유를 끝낼 수 있는 것은 벤투리관 덕분이다? ▲ 벤투리관의 이상적인 흐름(출처: 위키피디아) 주유소에서 연료를 넣을 때 일정량이 주입되고 나면, 주유기에서 ‘탁’ 소리가 나는 것을 들은 적이 있을 것이다. 이 소리는 주유가 끝났다는 것을 알려주는 신호로서, 주유기는 주유소 유류 탱크에 저장되어 있는 연료를 자동차의 연료탱크로 공급하는 역할을 하는 장치다. 주유를 위해 주유기에 달려 있는 손잡이를 당기면, 노즐이 열리면서 자동차 연료탱크로 연료가 흘러 들어간다. 얼핏 보면 주유기로 연료를 주입하는 과정이 매우 단순한 것처럼 보이지만, 좀 더 자세히 주유기를 들여다보면 벤투리 효과를 비롯한 여러 가지 과학적 원리가 포함되어 있다는 것이 전문가들의 설명이다. 주유기의 단면을 살펴보면 손잡이와 노즐, 그리고 주유관 및 베어링 등과 함께 주목해서 봐야 할 부분이 있다. 바로 벤투리관(venturi pipe)이다. 벤투리관은 압력을 줄이고, 유체 또는 가스의 속도를 증가시키기 위해 관의 일정 부분을 좁게 만든 부품이다. 앞에서 언급한 것처럼 주유기로 자동차에 연료를 주입하다가 자동으로 멈출 수 있는 비결은 벤투리관 덕분에 가능하다. 주유기 아래를 잘 살펴보면 작은 구멍이 있는데, 이 구멍이 벤투리관의 입구이며 작은 파이프 형태로 주유기 내부의 빈 공간과 연결되어 있다. 주유를 시작하게 되면, 벤투리관에 공기가 유입된 후 차량 내 연료탱크로 기름과 함께 배출되는 과정이 반복적으로 이루어진다. 벤투리관으로 들어간 공기가 주유기 내부에 있는 부품 중 하나인 다이어프램(diaphragm)을 돌아서 다시 연료와 혼합되면서 자동차 연료탱크로 연료와 함께 주입되는 것이다. 이후 벤투리관을 통해 유입된 기름은 다이어프램 부분을 밀게 되고, 손잡이와 노즐에 힘이 가해지면서 연료 흐름을 차단하게 된다. 이를 물리학적으로 설명한다면, 기름의 밀도가 공기보다 높기 때문에 압력에 변화가 생기면서 연료 차단이 이루어지는 과정이라고 볼 수 있다. 주유기 외에도 벤투리 효과의 원리를 엿볼 수 있는 도구로는 도료를 칠할 때 사용하는 스프레이건이나 에어브러시 등이 있다. 두 도구 모두 벤투리관을 이용하여 통 속에 있던 도료가 딸려 올라와서 공기와 같이 분사되는 작동 방식을 갖고 있다. 빌딩풍을 활용하여 신재생에너지 자급자족 벤투리 효과는 주유기나 스프레이건처럼 주위에서 흔히 볼 수 있는 도구의 작동원리 외에도 고효율의 풍력발전 시스템에까지 적용되고 있어 눈길을 끌고 있다. 앞에서 언급했던 ‘빌딩풍’을 이용한 풍력발전 시스템이다. 대표적 사례로는 바레인이 자랑하는 랜드마크인 ‘바레인 세계무역센터(BWTC, Bahrain World Trade Center)’에 적용된 풍력발전 시스템을 꼽을 수 있다. 이 건물은 전체 높이 240m에 총 50층 규모로 지어진 빌딩으로 현재 비즈니스 센터와 호텔, 그리고 사무실 및 쇼핑몰 등으로 사용되고 있다. ▲ 바레인 세계무역센터(BWTC, Bahrain World Trade Center) (출처: 위키피디아, GN-z11), 두 동의 건물 사이에 설치되어 있는 세 대의 윈드 터빈(대형 풍력 발전 시스템) 이 건물이 세계적으로 주목을 받게 된 이유는 배의 돛을 형상화한 아름다운 디자인도 한몫을 했지만, 두 동의 건물과 이들 사이의 공중 연결 통로에 설치되어 있는 세 대의 대형 풍력 발전 시스템 덕분이다. ‘윈드터빈(wind turbine)’이라고 불리는 대형 풍력 발전 시스템은 페르시아만에서 불어오는 강력한 바람을 받아서 이 건물이 필요로 하는 전기를 공급한다. 그리고 두 건물은 ‘벤투리 효과’를 적용하기 위해 각각 45도씩 서로 기울어져 있는 상태로 설계되어 있어서 바다에서 불어오는 바람을 한곳에 모을 수 있는 역할을 한다. 다시 말해 바다에서 지상으로 바람이 불 때 최적의 풍속으로 윈드터빈을 통과시켜 풍력발전이 이루어지게끔 만드는 것이 주요 원리다. BWTC가 공개한 자료에 의하면 세 대의 윈드터빈을 가동하여 연간 약 1200MW의 전기를 생산 및 공급할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 건물에서 필요로 하는 전력수요의 약 11~15%에 해당하는 규모다. 벤투리 효과를 활용하면, 새로운 에너지원을 얻을 수 있다! BWTC외에도 해외의 유명 건물들이 이런 벤투리효과를 통한 빌딩풍을 신재생 에너지 생산에 활용하고 있다. 2012년에 만들어진 71층 높이의 중국 광저우의 펄리버타워도 빌딩 1/3지점과 2/3지점에 풍혈을 만들어 풍력발전을 이용하고 있고, 영국 런던의 스트래타빌딩도 건물 꼭대기에 3개의 풍혈과 대형터빈을 설치해 건물 전체 에너지 사용량의 8%를 생산하는 것으로 알려졌다. ▲ 왼쪽부터 영국 런던에 위치한 Strata SE1(출처: 위키피디아, Colin), 중국 광저우 Pearl river tower (출처: 위키피디아, Bradwilkins) 빌딩풍으로 에너지를 생산하는 것은 소음 문제나 바람의 방향이 일정하지 않는 난류 등의 문제를 해결하기 위한 과제가 남아있다. 이런 해결점이 남아있긴 하지만, 최근 전세계적으로 ESG 경영이 확산되고 있는 만큼, 이런 빌딩풍을 이용한다면 연료 의존도를 줄이고 신재생에너지를 활용한 도시형 풍력 발전 분야에도 도움이 될 것으로 기대가 된다. ※ 이 칼럼은 해당 필진의 개인적 소견이며 삼성디스플레이 뉴스룸의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.
벤츄리 효과 (Venturi effect)
벤츄리 효과 파이프 내부의 흐름에서 단면적이 좁은 영역을 지날 때 압력이 작아지는 효과이다. 연속 방정식과 베르누이의 정리로 설명될 수 있다. (이탈리아 물리학자 벤츄리 아재가 발견한 효과다.) 아래 그림에서 파이프 (단면적 A1 > A2) 내부를 흐르는 유동은 1점의 압력보다 2점의 압력이 낮다는 효과 (압력 p1 < p2) 이다. 1점보다 2점이 압력이 낮으니 물기둥 (액주계)의 높이가 2점이 더 낮다. 벤츄리 노즐은 아래 그림에서 단면적이 좁아졌다가 넓어지는 부분 까지를 말한다. 이 벤츄리 노즐을 이용해서 유량을 측정하기도 한다. 벤츄리 노즐의 특징을 잘보면 단면적이 서서히 변한다 (급격히 변화하면 웨이크 (wake) 가 생겨 유량 측정에 오류가 커지게 된다). 보통 입구각은 30도, 출구각은 5도 정도를 유지한다. 벤츄리 효과와 벤츄리 노즐 위 그림의 실사판 원리 (이론 설명) 연속 방정식을 적용하면 유량이 일정하므로 1점보다는 2점에서 속도가 빨라진다. * 연속 방정식은 일종의 질량 보존 법칙으로 단면적 A1을 지나는 질량 유량 (질유량) 이 단면적 A2를 지나는 질유량과 같다는 것이다. 이를 수식으로 나타내면 밀도가 일정하다고 가정하고 부피의 연속 방정식 (부피 보전의 법칙) 을 적용하면 (속도 v, 부피 유량 Q) A1 > A2 이므로 v1 < v2 좀 더 쉽게 설명하면 넓은 길에서 좁은 길로 사람들이 지나갈때 좁은 길에서는 좀 더 빨리 지나가야 한다는 것. 아래 그림을 보면 좀 더 쉽게 이해가 간다. 하얀색 입자를 보면 단면적이 좁은 곳에서 빨리 움직이는 것을 알 수 있다. 베르누이 정리를 적용하면 (베르누이 정리를 다시 간단히 설명하면 마찰이 없으면 "정압력 + 동압력"은 일정하다는 것이다.) v1 < v2 이므로 p1 > p2 가 된다. 벤츄리 노즐의 이용 위 연속 방정식과 베르누이 정리 식을 연립해서 풀면 아래와 같은 수식이 나오는데 두 지점의 압력차, 단면적, 밀도를 알면 부피유량 Q를 구할 수 있다.
벤츄리효과 / 벤츄리관 / 벤츄리인젝터 정의 출처 : 사이언스올 벤츄리효과를 알기 위해서는 벤츄리관의 원리를 알 필요가 있습니다. 벤츄리관은 배관의 굵기가 점점 좁혀졌다가 다시 천천히 넓어지는 형태의 관을 말합니다. 벤츄리관은 흐르는 물체, 유체의 속도를 측정하기 위해 사용되는 관입니다. 유체의 흐름을 측정하기 위해 관의 내부에 병목형태의 관이 있고 이 부분을 경계로 양쪽의 압력차를 이용해 베르누이의 정리로 양쪽의 유량을 계산할 수 있도록 만들어진 관입니다. 베르누이의 정리 간혹 오리피스와 헷갈릴 수 있는데 오리피스의 경우는 관이 급격하게 줄어드는 형태를 말하기 때문에 엄연히 다른 형태입니다. 유체가 규칙적으로 벤츄리관을 통해 흐르는 경우 넓은 관에서는 유체의 압력은 높고 속도는 느립니다. 하지만 반대로 좁은 관에서는 유체의 압력은 낮으며 속도는 빨라집니다. 이 때문에 배관내의 넓은 통로에서의 높은 압력과 좁아진 통로에서의 낮은 압력과의 차이로 인해 유체가 좁은통로 쪽으로 빨려 들어가면서 생기는 현상을 벤츄리효과라고 부릅니다. 그리고 이것을 수학적으로 정리한 것이 베르누이의 정리입니다. 벤츄리관은 주로 자동차의 기화기와 다양한 산업분야에서 이용되고 있습니다. 출처 : 위키피디아 출처 : https://www.scienceall.com https://www.wikipedia.org 하트♥공감 버튼을 눌러주시면 포스팅에 큰 힘이 됩니다.
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벤츄리 효과(Venturi Effect) – 포소화약제 혼합장치
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벤츄리 효과(Venturi Effect)
이탈리아 물리학자 벤츄리가 발견한 효과로, 유체가 상대적으로 좁은 면적을 지날 때 압력이 줄어드는 효과이다.
대표적인 차압식 유량계로 오리피스 미터와 벤츄리 미터가 있다. 우리가 유체역학에서 배웠던 벤츄리 미터와 이번 포스팅에서 다룰 벤츄리 효과는 사실상 동일한 것이다.
다만 벤츄리를 유량계로 활용하느냐 아니냐의 차이일 뿐이다. 벤츄리 효과는 베르누이 방정식으로 쉽게 설명이 가능하다.
https://ikkujun.com/97 – 베르누이 방정식
벤츄리 미터를 개략적으로 나타낸 그림이다.
베르누이 방정식을 가져와 보면
$\frac{P_1}{\rho g} + \frac{1}{2}\frac{u_1^2}{g} + h_1 = \frac{P_2}{\rho g} + \frac{1}{2}\frac{u_2^2}{g} + h_2$
여기서 1점과 2점은 유선이 같으므로 베르누이 방정식을 적용할 수 있다.
두 지점의 위치는 같으므로 높이항은 없앨 수 있다.
$\frac{P_1}{\rho g} + \frac{1}{2}\frac{u_1^2}{g} = \frac{P_2}{\rho g} + \frac{1}{2}\frac{u_2^2}{g} $
그러면 압력항과 속도항만 남게 된다. 여기서 위 그림이 정상상태(Steady State)라면 유량이 일정하고, 단면적에 따라 유속이 변할 것이다. 2번 지점의 단면적이 더 작으므로 유속이 더 클 것이다.
$u_2 > u_1$ 이므로 베르누이 방정식이 만족하려면 $P_1 > P_2$ 이어야 한다. $P_1-P_2$ 차이만큼 물기둥 높이 차이(h)가 생기는 것이다. (그림참고)
즉, 벤츄리 부분에서 유속이 증가하면서 압력이 낮아지는 것이다. 이를 활용한 것 중에 하나가 포소화약제 혼합장치이다.
포소화설비에는 크게 4가지가 있다.
1) 펌프 프로포셔너(Pump Proportioner)
2) 라인 프로포셔너(Line Proportioner)
3) 프레져 프로포셔너(Pressure Proportioner)
4) 프레져 사이드 프로포셔너(Pressure Side Proportioner)
각 소화설비는 추후 포스팅에서 자세히 다뤄보겠다.
이 중에서 라인 프로포셔너(Line Proportioner), 프레져 프로포셔너(Pressure Proportioner)에는 포소화약제 혼합장치가 있다.
▲ 좌 – 라인프로포셔너 우 – 프레져 프로포셔너
벤츄리 효과에 의해 약제탱크로부터 약제가 올라오게 된다. 그러면 약제가 어떻게 올라오는 것일까?
바로 위에서 언급했던 압력차이 때문이다.
흡입기와 혼합기에는 벤츄리가 장착되어 있다. 흡입기와 혼합기로 물이 빠르게 흐르게 되면 벤츄리 쪽의 압력이 낮아진다. 그러면 상대적으로 고압인 약제탱크에서 저압인 벤츄리 쪽으로 약제가 이동하게 된다.
유체의 속도만으로 추가적인 설비가 필요없이 약제를 물과 손쉽게 혼합하여 포를 형성하여 방출할 수 있는 것이다.
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유체역학 #050 #벤튜리관 #1
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