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 1.5 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 1.5 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.
d = 1.5 mH = 3 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
2.정수압어려움
폭 2 m인 연직 직사각형 수문이 바닷물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 4 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.
d = 4 mH = 1.5 mb = 2 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
3.연속 방정식과 베르누이보통
입구 지름 200 mm, 목 지름 150 mm인 수평 벤투리미터에 물이 흐른다. 입구의 압력은 목보다 35 kPa 높다. 손실을 무시하고 유량 Q을(를) 구하시오.
d1 = 200 mmd2 = 150 mmp1 − p2 = 35 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
4.연속 방정식과 베르누이어려움
밀폐된 물탱크의 수면 위에 계기 압력 110 kPa의 압축 공기가 있다. 물은 수면보다 5 m 아래에 있는 지름 25 mm의 구멍을 통해 대기 중으로 나간다. 손실을 무시하고 다음을 구하시오: 분류 속도 v. g = 9.81 m/s²를 쓴다.
pair = 110 kPa (게이지압)h = 5 md = 25 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
v = m/s
5.관 마찰과 손실 수두보통
물이 길이 200 m, 안지름 100 mm인 관을 평균 유속 1 m/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.025, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.
V = 1 m/sL = 200 mD = 100 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²
hf = m
6.관 마찰과 손실 수두어려움
두 개방 저수지가 길이 150 m, 안지름 250 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.015인 관으로 연결되어 있다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 2개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 0.2), 아래 저수지로의 출구(K = 1.0)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 150 L/s를 얻으려면 두 저수지의 수위 차 Δz은(는) 얼마여야 하는가?
Q = 150 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0.015Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×2)Kvalve = 0.2Kexit = 1.0
Δz = m
7.펌프와 펌프 동력보통
시험에서 펌프가 양정 56 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 20 L/s 송출하고, 이때 축 동력은 13.4 kW이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프 효율 η을(를) 퍼센트로 구하시오.
Q = 20 L/sH = 56 mPshaft = 13.4 kWg = 9.81 m/s²
η = %
8.펌프와 펌프 동력어려움
펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 75 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 23 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 500 m, 안지름 200 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.015이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 8(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프 효율은 72%이다. 축동력 Pshaft을(를) kW 단위로 구하시오.
Q = 75 L/sΔz = 23 mL = 500 mD = 200 mmf = 0.015ΣK = 8η = 72%
Pshaft = kW
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 = 1.5 + 3/2 = 3 m
A = H·b = 3·1.5 = 4.5 m²
합력
F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3·4.5 = 132.4 kN
답
F = 132.4 kN
2.정수압
답: ycp = 4.789 m
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 + 1.5/2 = 4.75 m
A = H·b = 1.5·2 = 3 m²
합력
F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·4.75·3 = 143.3 kN
압력 중심
압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.
Ic = b·H³/12 = 2·1.5³/12 = 0.5625 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 4.75 + 0.5625/(4.75·3) = 4.789 m
답
ycp = 4.789 m
3.연속 방정식과 베르누이
답: Q = 178.8 L/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.
연속 방정식
v1 = v2·(150/200)² = 0.5625·v2
입구와 목 사이의 베르누이 식
관이 수평이므로 압력과 유속만 변합니다.
p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·35000/(1000·(1 − 0.3164))) = 10.12 m/s
v1 = 5.692 m/s
유량
Q = A2·v2 = 0.01767·10.12 = 0.1788 m³/s = 178.8 L/s
답
Q = 178.8 L/s
4.연속 방정식과 베르누이
답: v = 17.84 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.
수면에서 분류까지의 베르누이 식
v = √(2·(110000/1000 + 9.81·5)) = 17.84 m/s
답
v = 17.84 m/s
5.관 마찰과 손실 수두
답: hf = 2.548 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) = 0.025·(200/0.1)·1²/(2·9.81) = 2.548 m
답
hf = 2.548 m
6.관 마찰과 손실 수두
답: Δz = 5.378 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 = 0.15/0.04909 = 3.056 m/s
V²/(2g) = 0.4759 m
손실 계수
f·L/D = 0.015·150/0.25 = 9
ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 0.2 + 1.0 = 2.3
전체 손실 수두
hf = 9·0.4759 = 4.283 m
hm = 2.3·0.4759 = 1.095 m
Δz = hf + hm = 5.378 m
답
Δz = 5.378 m
7.펌프와 펌프 동력
답: η = 81.99 %
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 = 1000·9.81·0.02·56 = 10.99 kW
효율
η = Ph/Pshaft = 10.99/13.4 = 81.99%
답
η = 81.99%
8.펌프와 펌프 동력
답: Pshaft = 37.01 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 = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s
V²/(2g) = 0.2905 m
손실 수두
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (37.5 + 8)·0.2905 = 13.22 m
펌프 양정
H = Δz + hL = 23 + 13.22 = 36.22 m
축동력
Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.075·36.22/0.72 = 37.01 kW
답
Pshaft = 37.01 kW
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