유체역학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 8개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

새 문제강의로 돌아가기

인쇄 창에서 “PDF로 저장”을 선택하면 기기에 사본을 보관할 수 있습니다.

1공식과 풀이 방법

정수압

깊이에 따른 압력
p = ρgh
수직 벽에 작용하는 힘
F = ρg·hc·A
압력 중심
yp = yc + Ic/(ycA)
직사각형
Ic = bH³/12

연속 방정식과 베르누이

연속 방정식
A1v1 = A2v2
베르누이 방정식
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
유량
Q = A·v
원의 넓이
A = πd²/4

관 마찰과 손실 수두

레이놀즈 수
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
유동 영역
Re ≈ 2000 미만은 층류, Re ≈ 4000 초과는 난류
평균 유속
V = Q/A, A = π·D²/4
다르시–바이스바흐 식
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
부차 손실
hm = ΣK·V²/(2g)
대표적인 K 값
입구 0.5, 출구 1.0, 90° 엘보 ≈ 0.3
압력 강하
Δp = ρ·g·hf
두 개의 개방 저수지
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
자유 유출
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

펌프와 펌프 동력

수동력
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
축동력
Pshaft = Ph/ηpump
전기 입력 동력
Pel = Pshaft/ηmotor
펌프 양정
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
시스템 손실
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2연습 문제

1.정수압보통
수문d = 3 mH = 3 m

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 3 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 3 mH = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
2.정수압어려움
수문d = 0.5 mH = 2 m

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 바닷물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 0.5 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 0.5 mH = 2 mb = 1 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
3.연속 방정식과 베르누이보통
v = ?p0​pp0​ − p = 28 kPa정체점

수도관의 피토 정압관이 정체압과 정압의 차이를 28 kPa로 나타낸다. 끝부분에서의 물의 유속 v을(를) 구하시오.

p0 − p = 28 kPaρ = 1000 kg/m³
v = m/s
4.연속 방정식과 베르누이어려움
12d1​ = 75 mm, p1​ = 250 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?Δz = 4 m

물이 75 mm에서 40 mm(으)로 좁아지며 4 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 250 kPa, 유속은 2.25 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 250 kPav1 = 2.25 m/sΔz = 4 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.관 마찰과 손실 수두보통
V = 1 m/sD = 50 mmL = 1000 mf = 0.02

물이 길이 1000 m, 안지름 50 mm인 관을 평균 유속 1 m/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.02, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.

V = 1 m/sL = 1000 mD = 50 mmf = 0.02g = 9.81 m/s²
hf = m
6.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 10Δz = ?L = 200 m, D = 250 mm, f = 0.0252× 엘보 (K = 0.3)

두 개방 저수지가 길이 200 m, 안지름 250 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.025인 관으로 연결되어 있다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 2개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 10), 아래 저수지로의 출구(K = 1.0)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 120 L/s를 얻으려면 두 저수지의 수위 차 Δz은(는) 얼마여야 하는가?

Q = 120 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0.025Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1.0
Δz = m
7.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 30 L/sH = 50 m

시험에서 펌프가 양정 50 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 30 L/s 송출하고, 이때 축 동력은 18.9 kW이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프 효율 η을(를) 퍼센트로 구하시오.

Q = 30 L/sH = 50 mPshaft = 18.9 kWg = 9.81 m/s²
η = %
8.펌프와 펌프 동력어려움
200 kPa (게이지압)PQ = 75 L/sΔz = 24 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0.022, ΣK = 8

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 75 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 24 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 150 m, 안지름 200 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.022이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 8(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 위 탱크는 밀폐되어 있고 수면 위 공기의 게이지 압력은 200 kPa이다. 펌프가 더해야 하는 양정 H을(를) 구하시오.

Q = 75 L/sΔz = 24 mL = 150 mD = 200 mmf = 0.022ΣK = 8ptank = 200 kPa
H = m

3용액

1.정수압

답: F = 132.4 kN

평면에 작용하는 정수압: F = ρ·g·yc·A. 이 힘은 압력 중심 ycp = yc + Ic/(ycA)에 작용하며, 이는 항상 도심 아래에 있습니다.

도심 깊이와 면적

yc = d + H/2 = 3 + 3/2 = 4.5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
수문d = 3 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·4.5·3 = 132.4 kN

답

F = 132.4 kN
2.정수압

답: F = 30.17 kN

평면에 작용하는 정수압: F = ρ·g·yc·A. 이 힘은 압력 중심 ycp = yc + Ic/(ycA)에 작용하며, 이는 항상 도심 아래에 있습니다.

도심 깊이와 면적

yc = d + H/2 = 0.5 + 2/2 = 1.5 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
수문d = 0.5 mH = 2 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·1.5·2 = 30.17 kN

답

F = 30.17 kN
3.연속 방정식과 베르누이

답: v = 7.483 m/s

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

정체점까지의 베르누이 식

유동이 끝부분에서 정지하므로 운동 에너지가 추가 압력으로 나타납니다.

p0 − p = ½ρv²
v = √(2·28000/1000) = 7.483 m/s

답

v = 7.483 m/s
4.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 182 kPa

연속 방정식과 베르누이: 비압축성 유체는 모든 단면에서 유량이 같습니다: Q = A₁v₁ = A₂v₂. 손실 없는 유선을 따라 p + ½ρv² + ρgz는 일정하므로, 유체가 빠르거나 높은 곳일수록 압력이 낮습니다.

연속 방정식과 베르누이

Pa로 계산한 뒤 1000으로 나눠 kPa를 얻습니다.

v2 = v1·(d1/d2)² = 2.25·(75/40)² = 7.91 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2.25² − 7.91²)/1000 = −28.75 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·4/1000 = 39.24 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 250 + (−28.75) − 39.24 = 182 kPa

답

p2 = 182 kPa
5.관 마찰과 손실 수두

답: hf = 20.39 m

관로 유동: 레이놀즈 수 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ로 층류(Re 약 2000 미만)와 난류(약 4000 초과)를 구분합니다. 관을 따라 생기는 마찰은 다르시–바이스바흐 손실 수두 hf = f·(L/D)·V²/(2g)를 일으킵니다. 이음쇠, 밸브, 입구, 출구는 부차 손실 hm = ΣK·V²/(2g)를 더합니다. 두 개방 저수지 수면 사이에서는 에너지 방정식이 Δz = hf + hm을 주며, 여기에는 출구 손실 K = 1이 포함됩니다.

속도 수두

V²/(2g) = 1²/(2·9.81) = 0.05097 m

다르시–바이스바흐 식

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(1000/0.05)·1²/(2·9.81) = 20.39 m

답

hf = 20.39 m
6.관 마찰과 손실 수두

답: Δz = 9.778 m

관로 유동: 레이놀즈 수 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ로 층류(Re 약 2000 미만)와 난류(약 4000 초과)를 구분합니다. 관을 따라 생기는 마찰은 다르시–바이스바흐 손실 수두 hf = f·(L/D)·V²/(2g)를 일으킵니다. 이음쇠, 밸브, 입구, 출구는 부차 손실 hm = ΣK·V²/(2g)를 더합니다. 두 개방 저수지 수면 사이에서는 에너지 방정식이 Δz = hf + hm을 주며, 여기에는 출구 손실 K = 1이 포함됩니다.

속도

V = Q/A = 0.12/0.04909 = 2.445 m/s
V²/(2g) = 0.3046 m

손실 계수

f·L/D = 0.025·200/0.25 = 20
ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 10 + 1.0 = 12.1

전체 손실 수두

hf = 20·0.3046 = 6.092 m
hm = 12.1·0.3046 = 3.686 m
Δz = hf + hm = 9.778 m

답

Δz = 9.778 m
7.펌프와 펌프 동력

답: η = 77.86 %

펌프 동력: 물에 주어지는 동력은 수동력 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp입니다. 펌프에 손실이 있으므로 축은 이보다 많이 전달해야 합니다: Pshaft = Ph/ηpump, 그리고 전동기는 Pel = Pshaft/ηmotor를 소비합니다. 펌프 양정 H는 에너지 방정식에서 나옵니다: 실양정 + 압력 수두 + 모든 마찰 손실과 부차 손실.

수동력

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.03·50 = 14.71 kW

효율

η = Ph/Pshaft = 14.71/18.9 = 77.86%

답

η = 77.86%
8.펌프와 펌프 동력

답: H = 51.5 m

펌프 동력: 물에 주어지는 동력은 수동력 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp입니다. 펌프에 손실이 있으므로 축은 이보다 많이 전달해야 합니다: Pshaft = Ph/ηpump, 그리고 전동기는 Pel = Pshaft/ηmotor를 소비합니다. 펌프 양정 H는 에너지 방정식에서 나옵니다: 실양정 + 압력 수두 + 모든 마찰 손실과 부차 손실.

속도

V = Q/A = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s
V²/(2g) = 0.2905 m

손실 수두

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (16.5 + 8)·0.2905 = 7.117 m

압력 수두

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9.81) = 20.39 m

펌프 양정

두 수면 모두 사실상 정지해 있으므로 속도 수두 항은 없습니다.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 24 + 20.39 + 7.117 = 51.5 m

답

H = 51.5 m

ExamProblems · examproblems.com/courses/fluid-mechanics