안녕하세요. 유니스터디 담당자입니다.
타교수님의 강의에 관한 질문을 답변드리기는 어렵습니다.
다만, 질문하신 내용에 관하여
아래의 답변이 혹시 도움될까 하여 공유드립니다.
열전달(heat transfer) 문제에서 계(system 또는 control volume)를 설정할 때 Tₛᵤᵣᵣ (주변 온도, ambient temperature)와 T∞ (무한대 온도, free‐stream temperature)의 차이를 명확히 이해하는 것은 중요합니다.
정의(definition)
• Tₛᵤᵣᵣ: 계의 경계(boundary) 외부에 있는 고정된 환경(environment)의 온도입니다. 예를 들어 실험실 전체 챔버 내 공기 온도나 벽면 온도 등이 될 수 있습니다.
• T∞: 유동(fluid flow)이 충분히 계 밖으로 멀어졌을 때 측정되는 온도로, 유체의 자유류(free‐stream) 조건을 나타냅니다. 대기 중으로 흐르는 가스나 액체가 계로 접근하기 전의 온도라고 볼 수 있습니다.
차이점(difference)
• 경계 위치: Tₛᵤᵣᵣ는 계 바로 외부 경계면(surface)에 접한 환경 온도, T∞는 그보다 훨씬 멀리 떨어진 영역에서 균일하게 존재하는 온도입니다.
• 열전달 해석: 대류(convection) 열전달계수(h)가 알려진 경우, 계산식 q = h·A·(Tₛᵤᵣᵣ – Tₛ) 또는 h·A·(T∞ – Tₛ)를 쓸 수 있는데, 여기서 어떤 온도를 기준으로 정의했는지(h의 기준 환경)에 따라 Tₛᵤᵣᵣ과 T∞가 달라집니다.
• 실험 vs. 이론: 실험실에서는 Tₛᵤᵣᵣ를 잘 제어·측정하지만, 유동 해석이나 CFD(computational fluid dynamics)에서는 경계조건(boundary condition)으로 T∞를 지정해 자유류 조건을 모사합니다.
Participating Media 개념
일반적인 복사(radiation) 해석에서 매질(medium)이 투명(transparent)하다고 가정하면, 중간 매질에서 에너지 흡수(absorption)·방사(emission)·산란(scattering)이 없습니다.
• Participating Media: 빛이나 열복사(radiative heat transfer)가 매질 내에서 흡수·방사·산란되는 매질을 의미합니다. 예) 고온의 가스(이산화탄소·수증기)나 유체 내의 입자(안개·먼지)가 복사 강도(intensity)에 영향을 줍니다.
• 방정식(equation): 방사 에너지 전파를 기술하는 방정식(RTE, Radiative Transfer Equation)을 풀어야 하며, 흡수 계수(absorption coefficient), 방출 계수(emission coefficient), 산란 계수(scattering coefficient) 등을 고려합니다.
계 설정 예시
• 고체 막대 수진열 실험: 챔버 안 공기 온도 = Tₛᵤᵣᵣ, 자유류가 없으므로 T∞ 개념 대신 Tₛᵤᵣᵣ만 사용
• 풍동(wind tunnel) 시험: 시험 구간 유입구에 지정된 공기 온도 = T∞, 실험챔버 벽 온도 = Tₛᵤᵣᵣ
<3줄 요약>
Tₛᵤᵣᵣ는 계 경계 바로 바깥 환경 온도, T∞는 계 밖 자유류에서 균일한 온도입니다.
대류 열전달계수(h) 기준에 따라 Tₛᵤᵣᵣ 또는 T∞를 사용하며, 실험과 이론(유동 해석)에서 달리 적용됩니다.
Participating Media는 매질 내 흡수·방사·산란을 고려하는 복사 해석 개념으로, RTE 풀이가 필요합니다.
<추가로 생각해볼 질문>
특정 대류 열전달 문제에서 h를 결정할 때 Tₛᵤᵣᵣ와 T∞ 중 어떤 온도를 기준으로 해야 할까?
Participating Media를 고려한 복사 해석에서 흡수 계수와 산란 계수를 실험적으로 측정하는 방법은?
복사와 대류가 복합(conjugate)된 문제에서 계 설정과 경계 조건 지정 방법은 어떻게 달라지는가?