홈 > 강의소개
열전달Ⅰ
심복철 교수
한양대학교 대학원 기계공학 석사과정
미국 뉴저지주립대학교 대학원 기계항공공학 박사졸업
한양대학교 대학원 기계공학 석사과정
미국 뉴저지주립대학교 대학원 기계항공공학 박사졸업
Rutgers-The State Univ.
한양대학교
현) 유니와이즈 전임교수
AI가 이끄는 스마트한 학습 경험, AI 튜터와 함께 더 빠르고, 더 깊게 학습하세요.
긴 강의 내용을 AI가 핵심만 요약하여 복습 시간을 단축시킵니다.
강의에서 가장 중요한 키워드와 개념을 자동으로 추출해 제공합니다.
학습한 내용을 바탕으로 AI가 생성한 퀴즈를 풀며 이해도를 점검합니다.
모르는 부분을 24시간 언제든 AI 튜터에게 질문하고 답변을 받습니다.
총 8개 챕터, 29강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
|---|---|---|
| 1장. 개론 | ||
|
[1강] 개론 (1)
|
1:
02:
22
|
|
|
열전달 개론: 열역학과의 차이, 전도·대류 기초 식 정리
• 열전달 및 열역학 구분: 열역학은 초기·최종 평형상태만, 열전달은 온도장이 시간·공간에 따라 변하는 비평형 과정 전체를 다루며 열에너지·온도차 개념을 중심으로 체계화 • 열전달 3모드 및 지배식: 전도·대류·복사로 구분되며, 전도는 Fourier 법칙 $q''=-k\nabla T$, 대류는 Newton 냉각법칙 $q''=h(T_s-T_\infty)$로 기술하고 열유속·열전달률($q, q', q'', q'''$)과 열전도율 $k$, 대류계수 $h$의 물리적 의미 정리 • 대류 메커니즘 및 경계층: 강제대류와 자연대류를 유동발생 원인(외력 vs 부력)에 따라 구분하고, 밀도차·중력에 의한 자연대류 형성, 속도·온도 경계층 구조와 그 결과로 정의되는 유효 대류열전달계수 $h$의 역할을 설명 |
||
|
[2강] 개론 (2)
|
0:
51:
25
|
|
|
복사 열전달 기본 개념과 열저항 정리
• 복사 열전달과 복사 특성: 전도·대류와 구분되는 전자파 기반 열전달 정의, 방사력 E·조사 G·흡수율 α·반사율 ρ·투과율 τ 및 블랙바디·방사율 ε·스테판-볼츠만 법칙을 통한 복사 정량화 • 복사 모델링과 열유속 식: 키르히호프 법칙(α = ε)과 그레이 서피스 가정으로 단순화된 복사 열유속식 $q_{rad}'' = \varepsilon \sigma (T_s^4 - T_{sur}^4)$ 및 등가 복사 열전달계수 $h_{rad}$를 이용한 $q_{rad}'' = h_{rad}(T_s - T_{sur})$ 표현 • 열저항과 열해로: 전도·대류·복사를 통합하는 열저항 정의 $R_{cond} = L/(kA)$, $R_{conv} = 1/(hA)$, $R_{rad} = 1/(h_{rad}A)$ 및 직렬·병렬 열해로를 통한 복합 열전달 시스템 해석 구조 정리 |
||
|
[3강] 개론 (3)
|
1:
05:
18
|
|
|
열전달과 열역학 제1법칙: 개방계 에너지 보존, 예제 및 표면 에너지 평형
• 에너지 보존법칙과 내부에너지·잠열: 검사체적 기반 적분형·미분형 제1법칙, 운동·위치·내부에너지 및 현열·잠열 정의와 상변화 에너지(잠열) 계산 구조 정리 • 개방계 에너지 방정식과 엔탈피 수지: 질량·체적 유량, 정상상태 개방계 제1법칙에서 엔탈피·유동일 포함 일반식과 이상기체·비압축성 유체에 대한 $\dot Q = \dot m c_p (T_{out}-T_{in})$ 형식 단순화 구조 정리 • 표면 에너지 평형과 응용 예제: 전도·대류·복사 에너지 평형식 $q_{cond}=q_{conv}+q_{rad}$ 기반 전기저항 가열 막대, 상변화를 포함한 얼음 융해 시간, 인체 피부/지방층 열손실 및 표면온도 계산 절차 정리 |
||
|
[4강] 개론 (4)
|
0:
48:
17
|
|
|
열역학 제2법칙과 열기관 효율, 열전달 해석 및 종합 요약
• 열역학 제2법칙·열기관 효율·Carnot 효율: 에너지 변환 방향성과 효율 한계, 가역/비가역 열기관, 열저항을 포함한 수정 효율식과 출력 정의를 통해 실제 열기관 효율 저하 구조 해석 • 열전달 기본 물리량·3대 메커니즘: 열량·열전달율·열유속·내부에너지·온도 정의와 단위, Fourier 법칙(전도)·Newton 냉각법칙(대류)·Stefan–Boltzmann 법칙(복사)을 통한 전도·대류·복사 지배식 및 해석 절차 정리 • 복합 열전달 사례 해석: 조사받는 평판과 보온병 모델에서 제어체적 설정, 에너지 보존식 수립, 조사·복사·대류·전도의 결합 해석과 복사 선형화·열저항 개념을 이용한 열손실 최소화·효율 향상 설계 원리 정리 |
||
| 2장. 전도 개론 | ||
|
[5강] 전도 개론
|
1:
12:
20
|
|
|
전도 개론: Fourier 법칙, 열확산 방정식, 경계·초기조건 정리
• Fourier 법칙과 열전달량: 전도 정의와 열유속 벡터(𝒒''=-k∇T), 직교·원통·구좌표계에서의 성분식 및 기하별 열전달율(q, q', q'') 표현 정리 • 열물성 및 열확산 방정식: 열전도율 k, 체적 열용량 ρCp, 열확산율 α=k/(ρCp)의 정의·경향과 에너지 보존으로부터 유도된 열확산 방정식(좌표계별 ∇²T 형태 포함) 구조 정리 • 경계조건·초기조건 체계: 열확산 방정식 해를 위한 Dirichlet·Neumann·Robin(대류·복사 포함) 경계조건과 초기온도분포(IC) 설정, 지배방정식+BC+IC 구성 절차 및 예제 적용 구조 정리 |
||
| 3장. 1차원 정상상태 열전도 | ||
|
[6강] 1차원 정상상태 열전도 (1)
|
1:
25:
23
|
|
|
1차원 정상상태 평면벽 전도와 열저항, 복합벽, 다공성 매질 정리
• 1차원 정상상태 열전도와 열저항: 열발생 없음·일정 k 조건의 선형 온도분포와 상수 열유속, 전도/대류/복사의 열저항(R=L/kA, 1/hA, 1/hrA) 및 열회로 등가 표현 정리 • 복합벽과 접촉 열저항, 총합열전달계수 U: 다층 평면벽의 직렬·병렬 열저항 합성, 접촉면 열저항을 포함한 전체 열저항 Rt,tot 계산과 q=ΔT/Rt,tot, q''=UΔT 관계를 이용한 열유속/열손실 해석 • 다공성 매질과 유효 열전도도, 설계 적용: 공극률 ε 기반 직렬·병렬 모델의 keff,min·keff,max 범위 정의, 잠수복 단열 및 칩–에폭시–Al 기판 예제에서 열회로를 이용한 두께·온도·열안전성 평가 절차 정리 |
||
|
[7강] 1차원 정상상태 열전도 (2)
|
1:
14:
51
|
|
|
전도해석 대체풀이, 원통·구 좌표계 전도, 열발생 포함 1차원 전도 정리
• 1차원 정상상태 전도와 q 일정 조건: 카르테시안·원통·구 좌표에서 열발생 없음·정상상태·1차원 조건하 q=const를 이용해 온도분포, 열유량, 전도 열저항(평면·원통·구 껍질) 공식을 구조적으로 정리 • 원통·구 좌표계 전도 해석: 원통 좌표에서 T(r)∝ln r, 구 좌표에서 T(r)∝1/r 형태 해와 경계조건 적용 절차, 열유량 식 및 R_cond,cyl, R_cond,sph로 표현되는 열저항-옴의 법칙 구조 정리 • 열발생 포함 1차원 전도와 복합벽: 열발생이 있는 평면벽의 포물선형 온도분포, 대칭/단열·대류 경계조건 처리, 복합 평면벽(열발생층+무발생층+대류)의 에너지 방정식·열저항 회로·에너지 수지를 통합한 T(x), T_0·T_1·T_2 계산 절차 정리 |
||
|
[8강] 1차원 정상상태 열전도 (3)
|
0:
35:
02
|
|
|
원통·구 좌표 열발생 전도와 핀(확장표면) 에너지식 핵심 정리
• 열발생 1차원 전도(원통·구 좌표) : 고체·중공 원통 및 구형 고체에서의 지배방정식 형태, 부피·면적 표현, 대칭(단열)·전도=대류 경계조건을 이용한 2계 미분방정식 해와 온도분포·표면온도 결정 구조 정리 • 중공 원통·구 문제 공통 구조 : $(1/r)d/dr(r\,dT/dr)+q'''/k=0$, $(1/r^2)d/dr(r^2 dT/dr)+q'''/k=0$ 형태와 두 개의 경계조건(내·외부 단열·대류·지정온도)을 통한 적분상수 결정 및 전체 에너지 수지에 의한 표면온도 계산 절차 정리 • 핀(확장표면) 열전달 : 1차원 정상상태 가정, 에너지 보존식 기반 전도·대류 열유량 수지로부터 일반 핀 지배방정식 $d/dx(kA_c dT/dx)-hP(T-T_\infty)=0$ 및 균일 단면 핀 표준식 $d^2T/dx^2-m^2(T-T_\infty)=0,\ m^2=hP/(kA_c)$ 도출과 관련 개념(핀 효율·핀 효과) 구조 정리 |
||
|
[9강] 1차원 정상상태 열전도 (4)
|
1:
15:
01
|
|
|
확장표면(핀) 열전달, 온도분포·열전달률·성능 정리
• 균일·비균일 단면 핀 에너지 방정식: 1차원 정상상태 전도에서 kA_c d²T/dx² − hP(T−T∞)=0, m²=hP/(kA_c) 정의 및 경계조건(대류·단열·지정온도·무한핀)에 따른 온도분포·열전달률 해석, 비균일 단면·환형핀의 Bessel 함수 기반 해법 구조 정리 • 핀 열전달률·무한핀 조건: 베이스 전도열량 q_b와 핀 대류열량 q_f의 일치, 무한핀 가정에서 θ(x)=θ_b e^(−mx), q_f=√(hPkA_c)θ_b 표현 및 재료 열전도도·핀 길이에 따른 온도분포·열손실·무한핀 유효 길이 조건(mL≈2.65) 구조화 • 핀 성능 지표: 핀 효과성 ε_f=q_f/(hA_c,bθ_b), 핀 효율 η_f=q_f/(hA_fθ_b)=tanh(mL)/(mL, 단열 끝단) 및 총합 표면 효율 η_0=(Nη_f A_f + A_b)/A_t 구조를 통해 h·k·형상·배열에 따른 핀 적용 위치, 길이, 개수 선정 원리 정리 |
||
|
[10강] 1차원 정상상태 열전도 (5)
|
1:
07:
37
|
|
|
확장표면 총합 효율과 생체열 방정식
• 확장표면 총합 효율과 접촉열저항: 핀 효율·핀/베이스 면적을 이용한 총합 표면 효율식과 열저항 회로(베이스-핀 병렬, 접촉열저항 직렬)를 통해 전체 열전달량과 보정계수로 접촉열저항 효과를 평가하는 구조 • 환형 핀 열전달 증대 해석: 오토바이 실린더 환형 핀의 기하(베이스 면적·핀 면적·전체 면적)와 핀 효율을 이용해 핀 장착 전후 열전달량 차이를 계산하고, 확장표면 설계에 따른 열전달 증대 효과를 정량 평가하는 절차 • 생체열 방정식과 인체 열손실 모델: 신진대사·혈액 관류를 포함한 생체열 방정식을 fin 방정식 형식으로 변환해 근육층 온도분포와 열유량을 구하고, 피부/지방층 열저항 회로(전도 + 대류·복사 병렬)와 열유량 연속 조건을 사용해 경계온도와 공기/물 환경에서의 인체 열손실을 비교 분석하는 방법 |
||
|
[11강] 1차원 정상상태 열전도 (6)
|
0:
43:
18
|
|
|
열전소자 발전과 마이크로/나노 전도, 열전도 방정식 정리
• 열전소자 및 모듈 특성: Seebeck·Peltier 효과, Joule 열발생, p–n pair와 N쌍 모듈의 유효 Seebeck 계수·전기·열전도 저항 및 전력·열유동식 구조 정리 • 마이크로·나노 전도 특성: 평균자유경로와 두께 비에 따른 매크로/마이크로 전도 구분, 분자–분자·분자–벽 열저항 분해와 유효 열전도율 감소 관계 정리 • 열전도 지배 방정식 응용: 일반 열전도 방정식과 1차원 정상상태(열원 유/무) 해, 열저항 회로, 확장표면(핀) 해, 생체열 방정식(Pennes) 구조 및 구성 항 정리 |
||
| 4장. 2차원 정상상태 열전도 | ||
|
[12강] 2차원 정상상태 열전도 (1)
|
0:
59:
50
|
|
|
2차원 정상상태 열전도: 변수분리법·형상계수·무차원 열전달률 정리
• 2차원 정상상태 열전도 및 해법 분류: Laplace 열방정식, 등온선·열유선 개념, 해석적·도식적·수치적(특히 FDM·FEM·BEM) 접근법 구조 정리 • 변수분리법 및 해석해 구조: 비균질 경계조건의 무차원화·균질화, θ(x,y)=X(x)Y(y) 가정, 분리상수·직교함수 이용한 모드 해 및 계수 결정 절차 정리 • 전도 형상계수 S와 무차원 전도 열전달률 q_ss*: q=Sk(T₁−T₂), R_cond와의 관계, q_ss* 정의(q_ss* = q_ss /[kA_c(T₁−T₂)/L_c]), 무한·반무한 매질 테이블 값 활용 및 매설 구형 용기 온도 계산 적용 |
||
|
[13강] 2차원 정상상태 열전도 (2)
|
0:
55:
47
|
|
|
유한차분법을 이용한 2차원 정상상태 열전도 방정식과 경계조건 차분화 핵심 정리
• 유한차분법 및 에너지 평형법: 2차원 정상상태 열전도(라플라스/포아송 방정식)를 격자(m,n) 기반 중심차분과 컨트롤 볼륨 에너지 보존식으로 이산화해 내부 절점 온도에 대한 선형 대수방정식 집합으로 표현 • 경계조건 차분화: 대류 경계(뉴턴 냉각법칙), 지정 열유속·균일 열유속 경계, 단열 경계에서 전도·대류·열유속 항을 에너지 평형식에 포함하여 계수 구조가 변형된 경계 절점용 유한차분식 유도 • 열생성 및 열저항 모델링: 균일 체적 열생성률과 단열·대류 경계 조합 시 생성항 가중 포함, 재료 경계 및 접촉열저항(면적당 열저항, 직렬 합성)을 통해 계면 열유속과 온도 강하를 반영한 접촉 절점 유한차분식 구성 |
||
|
[14강] 2차원 정상상태 열전도 (3)
|
0:
37:
06
|
|
|
유한차분 방정식 해법과 Gauss-Seidel, 격자 독립성 및 요약 정리
• 유한차분 방정식과 행렬 방정식: 2차원 정상상태 전도 지배방정식을 유한차분 5점식으로 이산화하여 $[A][T]=[C]$ 형태의 연립 대수·행렬 방정식으로 구성하고, 계수행렬·해 벡터·상수 벡터 구조를 통해 수치해를 정의함 • Gauss-Seidel 반복법과 수렴 판정: 대규모 희소 행렬에서 직접 역행렬법의 한계를 대신해 Gauss-Seidel 갱신식을 이용해 해를 반복 갱신하고, 초기 추정값·수렴 오차 기준 $|T_i^{(k)}-T_i^{(k-1)}|\le\varepsilon$으로 수렴 여부를 판정하여 근사 해를 계산함 • 해 정확도 검증과 격자 독립성: 검사체적 에너지 평형과 경계조건 유한차분화로 해의 보존성을 점검하고, 격자 크기를 점진적으로 축소하며 해 변화가 거의 없는 격자 독립 상태를 확인해 Truncation Error를 관리하며 해석적·수치적 해법 간 신뢰도 있는 비교·요약 정리를 수행함 |
||
| 5장. 과도 열전도 | ||
|
[15강] 과도 열전도 (1)
|
0:
54:
17
|
|
|
과도 열전도와 집중열용량법, Biot수와 시간상수 정리
• 과도 열전도·집중열용량법: 시간에 따라 변하는 온도장 과도 해석, 고체 내부 온도 균일 가정하에 $\rho cV\,\frac{dT}{dt}=-hA(T-T_\infty)$ 지배방정식과 $T(t)=T_\infty+(T_i-T_\infty)e^{-t/\tau_t}$ 해 도출 • 열적 시간상수·열저항·열용량: 열적 시간상수 $\tau_t=\frac{\rho cV}{hA}=R_tC_t$ 정의, 대류 열저항 $R_t=1/(hA)$·집중 열용량 $C_t=\rho cV$ 로 과도 응답 속도 및 센서 응답지연 특성 규정 • Biot수·Fourier수와 적용성: Biot수 $Bi=hL_c/k$ 및 Fourier수 $Fo=\alpha t/L_c^2$ 로 무차원화해 $\theta/\theta_i=e^{-Bi\cdot Fo}$ 표현, $Bi\le 0.1$ 조건에서 집중열용량법 타당성 판정 및 열전대 구 접점과 같은 소형 센서 설계·검증에 활용 |
||
|
[16강] 과도 열전도 (2)
|
0:
52:
53
|
|
|
집중용량법에서 복사·대류·공간적 영향 해석 핵심 정리
• 집중용량 에너지 방정식: 대류·복사·내부발열·입출력 열유속을 포함한 비선형 1계 비제차 ODE로 구성되며, 복사 우세·복사 무시 조건에 따라 해석 가능 형태(θ 치환, 시정수 이용) 또는 수치해석 필요 여부를 구분함 • Lumped system 적용 조건과 예제 해석: Biot 수(Bi<0.1) 기준으로 열전대·축열 구·병원균 입자에 대해 등온 가정, 에너지 저장 비율(Qst/Qmax), 시정수(τ=ρcV/hA), 시간의존 주위온도 T∞(t)를 사용하는 선형 비제차 ODE 해법으로 정상상태·과도응답·파괴 여부를 평가함 • 비온수·푸리에수 기반 평판 해석: Bi가 작지 않은 경우 1차원 비정상 열전도 방정식에 대해 무차원 온도 θ, 위치 x*, 시간 Fo, 비온수 Bi를 정의하여 ∂θ/∂Fo=∂²θ/∂x*²와 무차원 경계조건으로 축약하고, 해를 θ=f(x*,Fo,Bi) 형태의 보편적 온도분포로 구조화함 |
||
|
[17강] 과도 열전도 (3)
|
0:
46:
31
|
|
|
대류가 있는 평면벽의 과도 1차원 열전도 해석 요약
• 과도 열전도 지배방정식과 무차원화: Fourier 수·무차원 좌표·Biot 수를 이용해 1차원 비정상 열전도 방정식과 대칭·대류 경계조건을 설정하고 변수분리로 시간·공간 방정식 분리 • 고유값 문제와 무한급수 해: 대류 경계 조건에서 고유값 방정식 ζₙtanζₙ=Bi 도출, 직교성을 이용해 계수 Cₙ 결정 후 θ(x*,Fo)=∑Cₙcos(ζₙx*)exp(-ζₙ²Fo) 형태의 무한급수 해 구성 및 Fo>0.2 에서 1항 근사 사용 • 무차원 에너지 및 테이블 기반 해석: 무차원 총 에너지 Q/Q₀=1−(1/V)∫θdV 관계로 정의하고 1항 근사 해를 대입해 평면벽·원통·구 기하에 대한 온도장·방출 열량을 Biot 수별 고유값·계수 테이블로 계산 |
||
|
[18강] 과도 열전도 (4)
|
0:
43:
01
|
|
|
대류가 있는 반지름방향 시스템: 무한 원통·구의 비정상 전도와 예제 해석
• 반지름방향 1차원 전도 및 무한 원통·구 개념: L/r0>10 조건의 1차원 언스테디 전도 지배방정식과 중심 대칭·표면 대류 경계조건, 무차원 온도·Biot 수·Fourier 수 정의 및 Bessel/구형 모드 기반 무한급수 해 구조 정리 • n=1 모드 근사해 및 총에너지 전달: Fo>0.2에서 1모드 근사해 사용 조건, 표에서 Biot 수에 따른 C1·ζ1 선택 후 무차원 온도 및 Q/Q0 무차원 총에너지 계산을 통해 시간에 따른 온도장·에너지 전달량 평가 절차 정리 • 적용 예제(두꺼운 강관 가열·구의 2단계 냉각): Biot 수로 럼프드 용량법 적용 여부 판단 후 평면벽·원통·구 해석모델 선택, 표준해(또는 럼프드식)를 이용한 표면/중심 온도, 열유속 q'', 단위길이당 에너지 q' 및 단계별 냉각 시간 계산 절차 훈련 |
||
|
[19강] 과도 열전도 (5)
|
1:
15:
09
|
|
|
반무한 고체, 표면 조건에 따른 비정상 전도 및 열침투 개념 정리
• 반무한 고체 전도 해석: 1차원 비정상 전도 지배방정식에 유사변수 η=x/(2√αt)을 도입해 오류함수·여오차함수 형태의 온도분포 및 표면 열유속 엄밀해 도출 • 표면 경계조건 유형: 반무한 고체에 대해 표면 일정온도(Case 1), 표면 일정 열유속(Case 2), 표면 대류 경계(Case 3)의 온도장·열유속 표현과 h→∞ 극한에서의 Case 1 수렴 관계 정리 • 열침투 및 응용: 열침투 깊이 δp≈2.3√(αt)로 반무한 가정 타당성 평가, 두 반무한 고체 접촉 시 접촉면 온도 T_s=(β_A T_Ai+β_B T_Bi)/(β_A+β_B) 사용, 유한 고체의 초기 Fo<0.2 구간에서 반무한 해를 이용한 온도·열유속 및 무차원 열전달률 q* 근사 활용 |
||
|
[20강] 과도 열전도 (6)
|
0:
43:
44
|
|
|
주기적 가열, 과도 2차원 전도와 유한차분법(Explicit/Implicit) 핵심 정리
• 과도 열전도 기본 개념: 주기적 가열 평판의 1차원 과도 전도 지배방정식·경계/초기조건 설정, 열침투깊이·온도 진폭 감쇠·위상 지연 및 표면 열유속·평균 열전달량 해석 구조 정리 • 유한차분법(Explicit/Implicit) 수치 해석: 2차원 과도 전도식의 공간·시간 이산화, explicit 차분식과 Fourier 수 정의 및 안정성 조건(Fo≤1/4), 1차원 연료소자 평판 예제를 통한 내부 열발생·대류 경계조건 처리, implicit 방법의 연립방정식(행렬식, 반복해법)과 무조건 안정 특성 정리 • 비정상 열전달 무차원수: Biot 수(Bi=hL_c/k)를 통한 내부 온도구배 평가와 집중 용량법 적용 조건(Bi<0.1), Fourier 수(Fo=αt/L_c^2)를 통한 무차원 시간·급수해 근사 사용 기준(Fo>0.2) 및 과도 전도 해석에서 Bi/Fo의 물리적 의미와 활용 원리 정리 |
||
| 6장. 대류의 입문 | ||
|
[21강] 대류의 입문 (1)
|
1:
04:
51
|
|
|
대류 경계층과 국소·평균 대류계수 핵심 정리
• 경계층 개념(속도·온도·농도 경계층) : 표면 근처에서 점성·온도차·농도차로 형성되는 얇은 유동 구역으로, 각각 속도·온도·농도 구배를 통해 전단응력·열유속·물질유속을 결정하는 기본 구조 • 국소·평균 대류계수(열전달·물질전달) : 국소 대류계수는 위치별 플럭스와 구동력(온도차·농도차)의 비, 평균 대류계수는 전체 표면 플럭스의 적분을 면적과 평균 구동력으로 나눈 값으로, 평판에서 적분관계(예: $\bar{h}=\frac1L\int_0^L h_x dx$)로 상호 연결 • 열·물질전달 형식적 유사성 : 푸리에 법칙과 Fick 법칙을 기반으로 $q''=h(T_s-T_\infty)$와 $N_A''=h_m(C_{A,s}-C_{A,\infty})$가 동일 구조를 가지며, 경계층 두께 증가 → 표면 구배 감소 → 국소 계수 감소 경향이 열전달과 물질전달에서 공통적으로 적용됨 |
||
|
[22강] 대류의 입문 (2)
|
1:
09:
58
|
|
|
층류·난류 경계층과 무차원수 및 상사 해석 요약
• 층류·난류 경계층 구조와 전이 조건: 평판 위 속도·열·농도 경계층 형성, 점성층·버퍼층·완전 난류층 구분, 국소 Reynolds 수 기반 층류–전이–난류 구간 및 난류 시 열·물질전달 증대 특성 정리 • 경계층 지배방정식과 보존 법칙: 질량·운동량·에너지·종 보존으로부터 2차원 경계층 방정식 유도, 압력구배·점성 확산·대류항 구조 및 점성 소산·x-방향 확산 무시 등의 단순화 가정 체계화 • 무차원수와 상사 해석: Re·Pr·Sc·Le·Nu·Sh·Bi 정의와 물리적 의미, 마찰·열·물질전달 계수의 무차원 표현 및 동일 형상에서 Re·Pr·Sc 일치 시 속도·온도·농도장의 상사 원리를 이용한 실험 결과 스케일링 방법 정리 |
||
|
[23강] 대류의 입문 (3)
|
0:
55:
32
|
|
|
경계층의 상사성과 열·물질전달 아날로지 요약 (Lewis number, Reynolds 상사 중심)
• 열전달–물질전달 상사성: 속도·온도·농도 지배방정식과 경계조건의 유사성으로 Nu–Sh–Cf 상관, Lewis 수(Le=Pr/Sc)와 h–h_m 관계를 통해 열전달 해로부터 물질전달 계수·농도 분포·증발 플럭스 예측 • 증발냉각과 에너지·물질 수지: 증발계면에서 q''_{conv}=q''_{evap}=n_A''h_{fg} 관계와 h_m 기반 물질 플럭스식을 적용해 증발냉각 표면온도(T_s) 결정, 이상기체식과 Le, n≈1/3 가정을 사용해 T_s에 대한 2차 방정식 도출 • Reynolds 상사·Stanton 수·Colburn 아날로지: Pr=Sc≈1, 무압력구배 가정에서 Cf/2=St=St_m=Nu/(RePr)=Sh/(ReSc) 유도, 실제 유체에서는 Colburn j-인자 j_H=StPr^{2/3}≈Cf/2, j_M=St_mSc^{2/3}≈Cf/2를 사용하여 층류·난류 경계층의 열·물질전달 상관 정리 |
||
| 7장. 외부유동 | ||
|
[24강] 외부유동 (1)
|
1:
14:
05
|
|
|
평판 상의 외부유동에서의 대류·마찰 상관식 정리
• 외부유동 경계층 구조와 상사해: 평판 주위 속도·온도·농도 경계층 형성, 레이놀즈수에 따른 층류·난류·혼합경계층 구분, Blasius 상사해 기반 경계층 두께·마찰계수 기본식 도출 • 대류·물질전달 상관식 체계: 경험적 Nu·Sh·마찰계수 상관식(층류/난류/혼합, UST/USF, 비가열 시작길이 포함)의 일반형 Nu,Sh = C Re^m Pr^n/Sc^n 구조와 국소–평균 계수(2배 관계) 정리 • Heat–Mass Analogy와 상관식 적용 절차: Pr–Sc, Nu–Sh 대응을 이용한 열·물질전달 상사성, 무차원수 계산과 유동상태 판정, 형상·경계조건별 적절한 Nu·Sh·C_f 상관식 선택 및 h, h_m, q, 물질 플럭스 산정 절차 정리 |
||
|
[25강] 외부유동 (2)
|
0:
49:
39
|
|
|
평판 외부유동 대류열전달 예제 정리: 평균/국소 Nu 활용
• 평판 외부유동 대류 해석 절차: 막온도 기준 물성 선정, 압력 보정 후 Reynolds 수·유동상태(층류/난류/전이) 판정, 조건별 평균/국소 Nusselt 수 상관식으로 h·q′ 계산 • 층류–난류 전이 및 혼합경계층 상관식: 임계 Re로 전이 위치 x_c 결정, 층류 Nu(0.664Re^{1/2}Pr^{1/3})와 혼합경계층 평균 Nu(0.037Re^{4/5}-871)로 전체 구간 평균 h 평가 후 구간 차이로 스트립별 열손실 Q_i 산정 • 스트립 가열 평판 열손실 분포: 반복 스트립 가열 평판에서 스트립별 Re·Nu 기반 Q_i 비교로 최대 열손실/전기입력 위치 결정, 전이 이후 난류 발달 구간(예: 6번째 스트립)에서 Q 최대 발생 원리 이해 |
||
|
[26강] 외부유동 (3)
|
1:
23:
19
|
|
|
원통·구 주변 직교유동, 관군·충돌제트·충전층 열전달 요약
• 원통·구 주변 외부유동: 경계층 발달·전이·박리·후류에 따른 압력·속도 분포와 항력계수(C_D) 변화, 평균 Nusselt 수 상관식(원통 Churchill–Bernstein, 구 Nu=2+… 포함)으로 열전달계수와 열전달률 계산 • 관군을 가로지르는 유동: 정렬·지그재그 배열에서 최대속도 V_max와 Re_{D,max} 정의, 등온 관군 Nusselt 수 상관식(Nu_D=C_1C_2Re_{D,max}^mPr^{0.36}(Pr/Pr_s)^0.25), LMTD 기반 총 열전달률·출구온도·압력강하(Δp=χf(L/D)ρV_max²/2) 산정 • 충돌제트·충전층 열전달: 충돌제트의 free jet–stagnation–wall jet 구조와 Re·Pr·형상비·H/D 의존 Nusselt 상관식, 충전층의 공극률 ε와 Colburn j-인자 기반 열전달 상관식으로 평균 h·총 표면적·ΔT_lm을 이용한 Q 및 출구온도 계산, 외부유동 전반 해석 절차(Re·Pr 산정→Nu 상관식 선택→h·Q·압력강하 평가) 정리 |
||
| 8장. 내부유동 | ||
|
[27강] 내부유동 (1)
|
1:
23:
44
|
|
|
내부 유동: 원형관 층류 유동의 속도·온도 분포와 마찰, 열전달 특성 요약
• 내부 유동·발달 영역: 관 내 속도·온도 경계층 성장에 따른 입구 영역과 유동·열적으로 완전 발달 영역 정의, 평균 속도·평균 온도 기반 특성치 사용 • 무차원수·유동 저항: 레이놀즈수·Prandtl수로 층류/난류 및 열·운동량 확산 특성 규정, Hagen–Poiseuille 속도 분포와 마찰계수 f=64/Re_D 및 압력강하·펌프 동력 계산 • 열전달 특성·Nusselt수: 열경계층·열적 입구 길이와 열적 완전 발달 조건(T* 불변)을 통해 h·Nu_D 상수화, Newton의 냉각법칙 q''=h(T_s−T_m)와 포물선 온도 분포 예제를 통한 Nu_D 산정 구조 정리 |
||
|
[28강] 내부유동 (2)
|
1:
09:
45
|
|
|
원형관 내 층류유동 열전달
• 에너지 평형·온도장: 관내 층류유동에서 에너지보존법칙을 적용하여 평균온도 변화식 수립, 일정 표면 열유속/온도 조건에서 선형·지수형 온도분포와 LMTD 기반 열전달식 및 전체 열전달계수 U 도출 • 완전발달 층류 Nusselt 수와 입구영역: 지배방정식과 경계조건 해석으로 완전발달 층류에서 Nu=4.36(일정 열유속), Nu=3.66(일정 벽온도) 상수값 정리, Graetz 수를 이용한 입구영역 열전달 특성과 Hausen·기타 상관식에 의한 평균 Nu 평가 • 응용·보정 절차: 전기적 체적발열 가열 및 응축 냉각 예제에 에너지수지·LMTD·Nu식을 적용해 관 길이·열전달계수 산정, 실제 유체의 온도 의존 물성(특히 점도)에 대해 평균온도 평가와 점성 보정계수로 Nusselt 수·h 보정하는 절차 정리 |
||
|
[29강] 내부유동 (3)
|
1:
01:
40
|
|
|
난류 내부유동, 비원형관 및 물질전달 상관식 정리
• 내부유동 열전달 상관식: Reynolds 수와 발달 상태에 따른 Dittus–Boelter·Gnielinski 등 Nu 상관식 선택, 수력직경·입구/완전발달 효과를 반영해 난류·층류에서 h와 Q 계산 • 비원형·환형관 및 마이크로채널: 비원형·동심환형관에서 수력직경(D_h=4A_c/P, D_o-D_i) 기반 Nu 상수값 및 지름비 의존 상관식 적용, 마이크로채널에서 h ∝ 1/D_h 관계와 층류 지배 특성을 이용한 열전달 촉진 • 대류 물질전달과 Heat–Mass Analogy: 농도경계층과 질량전달계수 h_m, Sherwood 수(Sh)·Schmidt 수(Sc) 정의 후 Nu↔Sh, Pr↔Sc, ΔT_lm↔Δρ_lm 치환으로 내부유동 열전달 상관식을 물질전달 문제에 직접 이전해 N_A 계산 |
||
심복철 교수님
열전달Ⅰ
