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

1[소방설비기사(기계) 필기] 21년 2회차

무한한 두 평판 사이에 유체가 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_1이라 하고 같은 평판 사이에 점성이 다른 유체 B만 채워져 있을 때 필요한 힘을 τ2\tau_2라 하면 유체 A와 B가 반반씩 위아래로 채워져 있을 때 평판을 같은 속도로 움직이기 위한 단위면적당 힘에 대한 표현으로 옳은 것은?

1

τ1τ2\sqrt{\tau_{1}\tau_{2}}

2

τ1+τ2\tau_{1}+\tau_{2}

3

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

4

τ1+τ22\dfrac{\tau_{1}+\tau_{2}}{2}

해설

두 유체가 위아래로 반반씩 채워지면 각 층이 직렬로 겹쳐진 형태이며, 정상 유동에서 두 층을 관통하는 전단응력 τ\tau는 서로 같다. 전체 간격을 hh, 판 속도를 UU라 하면 각 층 두께는 h/2h/2이다.
단일 유체일 때 τ1=μAUh\tau_1=\mu_A\dfrac{U}{h}, τ2=μBUh\tau_2=\mu_B\dfrac{U}{h}이고, 두 층을 겹치면 속도차의 합이 UU가 되어 U=τh2(1μA+1μB)U=\dfrac{\tau h}{2}\left(\dfrac{1}{\mu_A}+\dfrac{1}{\mu_B}\right)이다.
이를 정리하면 τ=2τ1τ2τ1+τ2\tau=\dfrac{2\tau_1\tau_2}{\tau_1+\tau_2}가 되어 정답은 ③이다. 이는 직렬 결합의 조화평균 형태이다.