노즐

1. 개요
2. 특성
3. 이론
4. 용도
5. 관련 문서

Nozzle

1. 개요

노즐은 흐르는 유체의 방향을 조절하고, 그 속도를 증가시키기 위한 장치이다. 그 반대로는 디퓨저가 있다.

2. 특성

노즐의 특징들을 적어보면 다음과 같다.

  • 출구의 단면적이 입구 쪽보다 작다.[1]
  • 출구의 속도가 입구 쪽보다 크다.
  • 출구 쪽의 압력이 입구 쪽보다 작다.
  • 출구의 엔탈피가 입구 쪽보다 작다.

3. 이론

노즐은 들어가는 유체의 압력을 희생시켜서 속도를 증가시킨다. 즉, (이상적인 노즐이라면) 압력을 줄임으로써 유체를 팽창시키는데, 이 과정에 아무런 일(과 열)이 발생하지 않는 장치라는 뜻이다.[2]

이를 수식으로 적어보면 다음과 같다.


1. 질량 보존의 법칙 (Conservation of Mass)노즐 내부를 control volume으로 잡고 단위시간당 들어오는 질량(m_i)과 나가는 질량(m_o)을 수식으로 나타내면 다음과 같다.\displaystyle \frac{dm_{cv}}{dt} = \sum \dot{m_i} - \sum \dot{m_o}
여기서 노즐의 크기는 변하지 않으므로 좌변항 = 0으로 하고 항을 넘기면,
\displaystyle \sum\dot{m_i} = \sum \dot{m_o}과 같이 되고, 여기서 유량(Mass flow)의 정의를 적용하면,
\dot{m} = \rho V A \;,(\rho = \text{밀도}, V = \text{속도}, A = \text{단면적})\displaystyle (\rho VA)_i = (\rho VA)_o \Longrightarrow \displaystyle (VA)_i = (VA)_o 이다. 여기서 A_i > A_o이므로, V_i < V_o 임을 알 수 있다.-2. 에너지 보존의 법칙 (Conservation of Energy)열역학 제1법칙을 열린 계에 적용시키면, \displaystyle \frac{dE_{cv}}{dt} = \dot{Q} - \dot{W} + \sum_i \dot{m} (h + \frac{v^2}{2} + gz) - \sum_o \dot{m} (h +\frac{v^2}{2} + gz) 이다. 여기서 위에서 표현한 특징들(노즐 내부의 에너지는 변하지 않음, 단열임, 일을 하지 않음, 입구와 출구가 한 개)을 적용시키고, 영향력이 미미한 요소들(위치에너지의 변화 등)을 정리하면 다음과 같다. \displaystyle \dot{m_i}(h_i + \frac{v_i^2}{2}) = \dot{m_o}(h_o + \frac{v_o^2}{2}) , (h = 엔탈피)여기서 위의 질량보존법칙을 적용해서 나온 결론(\dot{m_i} = \dot{m_o} )을 적용하면, \displaystyle \Delta h = \frac{\Delta v^2}{2} 가 도출된다.

4. 용도

추력을 발생시켜 로켓을 발사하거나, 터빈과 컴프레서를 조합시켜 제트엔진 등을 만든다. 또한, 유체의 속도를 엄청나게 가속시킬 수 있으므로 소방 호스의 말단이나 절단기와 같은 곳에도 쓰인다.

5. 관련 문서


  1. [1] 단, 초음속의 경우에는 반대로 출구쪽 단면적이 더 커야한다.
  2. [2] 모든 노즐이 그런 것은 아니다. 대표적으로 로켓의 경우엔 노즐을 이용한 추력으로 날아다닌다.

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