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무한한 두 평판 사이에 유제가 채워져 있고 한 평판은 정지해 있고 또 다른 평판은 일 상세 페이지

1[소방설비기사(기계) 필기] 24년 1회차

무한한 두 평판 사이에 유제가 채워져 있고 한 평판은 정지해 있고 또 다른 평판은 일정한 속도로 움직이는 Couette 유동을 하고 있다. 유체 A만 채워져 있을 때 평판을 움직이기 위한 단위면적당 힘을 τ1\tau_{1}이라 하고, 같은 평판 사이에 점성이 다른 유체 B만 채워져 있을 때 필요한 힘을 τ2\tau_{2}라 하면, 유체 A와 B가 반반씩 위아래로 채워져 있을 때 평판을 같은 속도로 움직이기 위한 단위면적당 힘에 대한 표현으로 옳은 것은?

1

τ1+τ22\dfrac{\tau_{1}+\tau_{2}}{2}

2

τ1+τ2\tau_{1}+\tau_{2}

3

τ1τ2\sqrt{\tau_{1}\tau_{2}}

4

2τ1τ2τ1+τ2\dfrac{2\tau_{1}\tau_{2}}{\tau_{1}+\tau_{2}}

해설

쿠에트 유동에서 두 유체가 위아래로 나뉘어 있어도 계면을 통해 전달되는 전단응력 τ\tau는 두 층에서 동일하고, 각 층의 속도차의 합이 평판 속도 UU가 된다.
간격을 hh라 하면 단일 유체일 때 τ1=μAUh\tau_{1}=\mu_{A}\dfrac{U}{h}, τ2=μBUh\tau_{2}=\mu_{B}\dfrac{U}{h}이고, 반반씩 채워지면 각 층 두께가 h/2h/2이므로 ΔUA=τh2μA=τU2τ1\Delta U_{A}=\dfrac{\tau h}{2\mu_{A}}=\dfrac{\tau U}{2\tau_{1}}, ΔUB=τU2τ2\Delta U_{B}=\dfrac{\tau U}{2\tau_{2}}이다.
두 값을 더하면 U=τU2(1τ1+1τ2)U=\dfrac{\tau U}{2}\left(\dfrac{1}{\tau_{1}}+\dfrac{1}{\tau_{2}}\right)이므로 τ=2τ1τ2τ1+τ2\tau=\dfrac{2\tau_{1}\tau_{2}}{\tau_{1}+\tau_{2}}, 즉 ④ 2τ1τ2τ1+τ2\dfrac{2\tau_{1}\tau_{2}}{\tau_{1}+\tau_{2}}가 정답이며 이는 두 값의 조화평균이다.
저항(두께/점성)이 직렬로 더해지는 구조이므로 ① 산술평균 τ1+τ22\dfrac{\tau_{1}+\tau_{2}}{2}은 성립하지 않는다.