유동유체 속에 있는 고체의 고유진동수 (바람과 물 또는 스팀 속에 있는 횡으로 가로지르는 튜브나 배관 등의 고유주파수 산출방법)

유동유체 속에 있는 고체의 고유진동수 (바람과 물 또는 스팀 속에 있는 횡으로 가로지르는 튜브나 배관 등의 고유주파수 산출방법)

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고체와 유체간의 마찰에 의해 발생하는 자려진동(Self-Excited)이 있다. 스스로 가진되는 진동을 말하지만 진정한 의미는 유체의 유동력에 기인(Flow induced)한다. 이 자려진동은 비선형 진동의 일종으로서 예측이 어렵고 다양한 원인과 결과를 동반한다. 근본원인은 유체에도 동하중(질량과 속도)이 존재하기 때문이다. 예를 들면, 바람 속에 흔들리는 프래카드나 전기줄(Galloping), 비행기날개(Flutter), 물속에서 흔들리는 프로펠러나 노, 열교환기 스팀속에서 특이속도가 될 경우 강하게 진동이 유발되는 튜브(Tube)나 밸브(Valve)가 모두 해당된다. 자세히 살펴보면 어떠한 고유한 주파수와 관계가 있음을 알 수 있다.

유동유체속 횡봉의 고유주파수

유체의 거동이 발생하여 어떠한 법칙으로 특정용기나 물체가 가지고 있는 고유주파수(natural frequency)를 건드리게 되면 진동이나 소음이 발생되고 배관의 길이나 다른 고유주파수 또는 기타 송풍기 및 펌프 등의 회전주파수 등과 일치하게 되면 공명 또는 공진이라 하여 더욱 강한 소음 또는 진동을 유발하게 된다. 예를 들어, 원형봉을 유체의 흐름에 횡방향으로 배치했을 경우 원형봉의 지름과 유체의 속도에 따라 크게 흔들릴 때가 있는데 이 것을 설명할 수 있다.

즉, 유체의 흐름을 저해하는 고체의 후면 중심방향으로 회전하여 흐르는 와류에 의해 일정주파수에서 고체가 강하게 진동하는 현상을 와유기 현상을 Karman vortex라고 한다. 흔들려서 강

하게 진동하는 이때를 Lock-in되었다고도 한다. 이는 다음의 규칙을 따른다. 이때 스트로홀수(St)는 고체의 단면형상이나 고체간 배열을 통해 정해지는 상수로서 실험이나 해석을 통해 유추할 수 있다.

이 현상이 발생하면 고체의 피로파괴는 순식간에 진행이 되므로 실험과 해석을 통해 설계상 대책을 세우는 것이 적절한 방법이다. 이 때 대책으로는 고체단면의 형상을 Fairing(덮게)과 같은 유선형 타입으로 설계하거나 Strake(가이드) 등 다양한 설계를 통해 고체의 유속마찰을 줄이는 방법이 있다.

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