정수압
- 깊이에 따른 압력
- p = ρgh
- 수직 벽에 작용하는 힘
- F = ρg·hc·A
- 압력 중심
- yp = yc + Ic/(ycA)
- 직사각형
- Ic = bH³/12
유체역학: 벼락치기 팩
공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 8개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.
1공식과 풀이 방법
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
폭 3 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 4 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.
d = 4 mH = 3 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
2.정수압어려움
폭 1.5 m인 연직 직사각형 수문이 기름이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 3 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.
d = 3 mH = 1.5 mb = 1.5 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
3.연속 방정식과 베르누이보통
물이 25 L/s로 200 mm에서 100 mm로 좁아지는 수평관을 흐른다. 좁은 구간의 압력은 90 kPa이다. 손실을 무시하고 넓은 구간의 압력 p1을(를) 구하시오.
Q = 25 L/sd1 = 200 mmd2 = 100 mmp2 = 90 kPaρ = 1000 kg/m³
p1 = kPa
4.연속 방정식과 베르누이어려움
물이 150 mm에서 100 mm(으)로 좁아지며 8 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 390 kPa, 유속은 2.75 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.
d1 = 150 mmd2 = 100 mmp1 = 390 kPav1 = 2.75 m/sΔz = 8 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.관 마찰과 손실 수두보통
물이 길이 400 m, 안지름 200 mm인 관을 30 L/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.025, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.
Q = 30 L/sL = 400 mD = 200 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²
hf = m
6.관 마찰과 손실 수두어려움
두 개방 저수지가 길이 300 m, 안지름 250 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.022인 관으로 연결되어 있다. 위 저수지의 수면은 아래 저수지 수면보다 5 m 높다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 4개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 5), 아래 저수지로의 출구(K = 1.0)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 Q을(를) L/s 단위로 구하시오.
Δz = 5 mL = 300 mD = 250 mmf = 0.022Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1.0
Q = L/s
7.펌프와 펌프 동력보통
효율 70%인 펌프가 양정 56 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 15 L/s 송출한다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 필요한 축동력 Pshaft을(를) kW 단위로 구하시오.
Q = 15 L/sH = 56 mη = 70%g = 9.81 m/s²
Pshaft = kW
8.펌프와 펌프 동력어려움
펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 100 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 7 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 100 m, 안지름 250 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.022이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 3(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프 효율은 80%이다. 축동력 Pshaft을(를) kW 단위로 구하시오.
Q = 100 L/sΔz = 7 mL = 100 mD = 250 mmf = 0.022ΣK = 3η = 80%
Pshaft = kW
3용액
1.정수압
답: F = 485.6 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 = 4 + 3/2 = 5.5 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
합력
F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·5.5·9 = 485.6 kN
답
F = 485.6 kN
2.정수압
답: F = 72.84 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 + 1.5/2 = 3.75 m
A = H·b = 1.5·1.5 = 2.25 m²
합력
F = ρ·g·yc·A = 880·9.81·3.75·2.25 = 72.84 kN
답
F = 72.84 kN
3.연속 방정식과 베르누이
답: p1 = 94.75 kPa
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.
유속
v1 = Q/A1 = 0.025/0.03142 = 0.7958 m/s
v2 = Q/A2 = 0.025/0.007854 = 3.183 m/s
베르누이 방정식
p1 = p2 + ½ρ(v2² − v1²) = 90 + ½·1000·(3.183² − 0.7958²)/1000 = 90 + 4.749 = 94.75 kPa
답
p1 = 94.75 kPa
4.연속 방정식과 베르누이
답: p2 = 296.2 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 = 2.75·(150/100)² = 6.188 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2.75² − 6.188²)/1000 = −15.36 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·8/1000 = 78.48 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 390 + (−15.36) − 78.48 = 296.2 kPa
답
p2 = 296.2 kPa
5.관 마찰과 손실 수두
답: hf = 2.324 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.
평균 유속
A = π·0.2²/4 = 0.03142 m²
V = Q/A = 0.03/0.03142 = 0.9549 m/s
속도 수두
V²/(2g) = 0.9549²/(2·9.81) = 0.04648 m
다르시–바이스바흐 식
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(400/0.2)·0.9549²/(2·9.81) = 2.324 m
답
hf = 2.324 m
6.관 마찰과 손실 수두
답: Q = 83.26 L/s
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.
손실 계수
f·L/D = 0.022·300/0.25 = 26.4
ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 5 + 1.0 = 7.7
에너지 방정식
두 수면 모두 대기에 열려 있고 사실상 정지해 있으므로 Δz 전체가 관에서 손실됩니다.
5 = (26.4 + 7.7)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·5/34.1) = 1.696 m/s
유량
Q = V·π·D²/4 = 1.696·0.04909 = 0.08326 m³/s = 83.26 L/s
답
Q = 83.26 L/s
7.펌프와 펌프 동력
답: Pshaft = 11.77 kW
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 = 1000·9.81·0.015·56 = 8.24 kW
축동력
Pshaft = Ph/η = 8.24/0.7 = 11.77 kW
답
Pshaft = 11.77 kW
8.펌프와 펌프 동력
답: Pshaft = 11.64 kW
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 = 0.1/0.04909 = 2.037 m/s
V²/(2g) = 0.2115 m
손실 수두
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (8.8 + 3)·0.2115 = 2.496 m
펌프 양정
H = Δz + hL = 7 + 2.496 = 9.496 m
축동력
Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.1·9.496/0.8 = 11.64 kW
답
Pshaft = 11.64 kW
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