정수압
- 깊이에 따른 압력
- p = ρgh
- 수직 벽에 작용하는 힘
- F = ρg·hc·A
- 압력 중심
- yp = yc + Ic/(ycA)
- 직사각형
- Ic = bH³/12
수리학: 벼락치기 팩
공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 10개가 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)
개수로 흐름(매닝)
- 매닝 공식
- V = (1/n)·R2/3·S1/2
- 유량
- Q = A·V
- 동수 반경
- R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
- 직사각형
- A = b·y, P = b + 2y
- 사다리꼴(측면 경사 z:1)
- A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
- 원형 관, 만수 또는 반수
- R = D/4
- 필요 경사
- S = (n·Q/(A·R2/3))²
2연습 문제
1.정수압보통
폭 3 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 2.5 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.
d = 2.5 mH = 2.5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
2.정수압어려움
폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 2.5 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.
d = 2.5 mH = 1.5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
3.연속 방정식과 베르누이보통
큰 열린 탱크의 물이 지름 25 mm의 예연 오리피스로 빠져나간다. 수위는 오리피스보다 2.5 m 위로 유지되고 유량 계수는 0.64이다. 유량 Q을(를) 구하시오. g = 9.81 m/s²를 사용하시오.
d = 25 mmh = 2.5 mCd = 0.64g = 9.81 m/s²
Q = L/s
4.연속 방정식과 베르누이어려움
물이 100 mm에서 50 mm(으)로 좁아지며 2 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 340 kPa, 유속은 1.5 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.
d1 = 100 mmd2 = 50 mmp1 = 340 kPav1 = 1.5 m/sΔz = 2 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.관 마찰과 손실 수두보통
물이 길이 800 m, 안지름 50 mm인 관을 6 L/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.025, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.
Q = 6 L/sL = 800 mD = 50 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²
hf = m
6.관 마찰과 손실 수두어려움
두 개방 저수지가 길이 400 m, 안지름 250 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.015인 관으로 연결되어 있다. 위 저수지의 수면은 아래 저수지 수면보다 26 m 높다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 4개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 2), 아래 저수지로의 출구(K = 1.0)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 Q을(를) L/s 단위로 구하시오.
Δz = 26 mL = 400 mD = 250 mmf = 0.015Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1.0
Q = L/s
7.펌프와 펌프 동력보통
펌프가 양정 14 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 15 L/s 송출한다. 펌프 효율은 78%이고, 펌프를 구동하는 전동기의 효율은 95%이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 전동기가 소비하는 전력 Pel을(를) kW 단위로 구하시오.
Q = 15 L/sH = 14 mηpump = 78%ηmotor = 95%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
8.펌프와 펌프 동력어려움
펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 50 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 11 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 100 m, 안지름 150 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.022이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 5(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프가 더해야 하는 양정 H을(를) 구하시오.
Q = 50 L/sΔz = 11 mL = 100 mD = 150 mmf = 0.022ΣK = 5
H = m
9.개수로 흐름(매닝)보통
사다리꼴 깨끗한 흙 수로의 바닥 폭은 5 m, 측면 경사는 1:1(수평:연직)이다. 물이 수심 2.4 m로 등류로 흐른다. 매닝 n = 0.022, 수로 바닥 경사는 S = 0.0008이다. 유량 Q을(를) m³/s 단위로 구하시오.
b = 5 my = 2.4 mz = 1n = 0.022S = 0.0008
Q = m³/s
10.개수로 흐름(매닝)어려움
바닥 폭 2 m, 측면 경사 1:1(수평:연직)인 사다리꼴 마감된 콘크리트 수로가 수심 2.2 m의 등류로 26 m³/s를 흘려야 한다. 매닝 n = 0.012. 필요한 수로 바닥 경사 S을(를) m/m 단위로 구하시오.
Q = 26 m³/sb = 2 my = 2.2 mz = 1n = 0.012
S = m/m
3용액
1.정수압
답: F = 275.9 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 = 2.5 + 2.5/2 = 3.75 m
A = H·b = 2.5·3 = 7.5 m²
합력
F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3.75·7.5 = 275.9 kN
답
F = 275.9 kN
2.정수압
답: ycp = 3.308 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 = 2.5 + 1.5/2 = 3.25 m
A = H·b = 1.5·1 = 1.5 m²
합력
F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3.25·1.5 = 47.82 kN
압력 중심
압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.
Ic = b·H³/12 = 1·1.5³/12 = 0.2813 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3.25 + 0.2813/(3.25·1.5) = 3.308 m
답
ycp = 3.308 m
3.연속 방정식과 베르누이
답: Q = 2.2 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.
이상 분류 속도
√(2gh) = √(2·9.81·2.5) = 7.004 m/s
실제 유량
유량 계수는 분류의 수축과 가장자리의 마찰을 반영합니다.
Q = Cd·A·√(2gh) = 0.64·0.0004909·7.004 = 0.0022 m³/s = 2.2 L/s
답
Q = 2.2 L/s
4.연속 방정식과 베르누이
답: p2 = 303.5 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 = 1.5·(100/50)² = 6 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1.5² − 6²)/1000 = −16.88 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·2/1000 = 19.62 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 340 + (−16.88) − 19.62 = 303.5 kPa
답
p2 = 303.5 kPa
5.관 마찰과 손실 수두
답: hf = 190.4 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·0.05²/4 = 0.001963 m²
V = Q/A = 0.006/0.001963 = 3.056 m/s
속도 수두
V²/(2g) = 3.056²/(2·9.81) = 0.4759 m
다르시–바이스바흐 식
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(800/0.05)·3.056²/(2·9.81) = 190.4 m
답
hf = 190.4 m
6.관 마찰과 손실 수두
답: Q = 206.9 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 = 0.015·400/0.25 = 24
ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 2 + 1.0 = 4.7
에너지 방정식
두 수면 모두 대기에 열려 있고 사실상 정지해 있으므로 Δz 전체가 관에서 손실됩니다.
26 = (24 + 4.7)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·26/28.7) = 4.216 m/s
유량
Q = V·π·D²/4 = 4.216·0.04909 = 0.2069 m³/s = 206.9 L/s
답
Q = 206.9 L/s
7.펌프와 펌프 동력
답: Pel = 2.78 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 = 1000·9.81·0.015·14 = 2.06 kW
축동력
Pshaft = 2.06/0.78 = 2.641 kW
전기 입력 동력
Pel = 2.641/0.95 = 2.78 kW
답
Pel = 2.78 kW
8.펌프와 펌프 동력
답: H = 19.02 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 = 0.05/0.01767 = 2.829 m/s
V²/(2g) = 0.408 m
손실 수두
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (14.67 + 5)·0.408 = 8.025 m
펌프 양정
두 수면 모두 개방되어 있고 사실상 정지해 있으므로 압력 항과 속도 항은 없어집니다.
H = Δz + hL = 11 + 8.025 = 19.02 m
답
H = 19.02 m
9.개수로 흐름(매닝)
답: Q = 30.01 m³/s
매닝 공식(SI): 개수로의 등류에서 V = (1/n)·R2/3·S1/2, Q = A·V이며, n은 조도 계수, S는 수로 바닥 경사(m/m), R = A/P는 동수 반경, 즉 유수 단면적을 윤변으로 나눈 값입니다. P에는 수면이 아니라 물과 접하는 경계만 포함됩니다. 직사각형: A = b·y, P = b + 2y. 측면 경사가 z:1(수평:연직)인 사다리꼴: A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). 만수 또는 반수로 흐르는 원형 관은 R = D/4입니다.
단면 형상
A = (b + z·y)·y = (5 + 1·2.4)·2.4 = 17.76 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 5 + 2·2.4·√(1 + 1²) = 11.79 m
R = A/P = 1.507 m
속도
V = (1/0.022)·1.5072/3·0.00081/2 = 1.69 m/s
유량
Q = A·V = 17.76·1.69 = 30.01 m³/s
답
Q = 30.01 m³/s
10.개수로 흐름(매닝)
답: S = 0.0009759 m/m
매닝 공식(SI): 개수로의 등류에서 V = (1/n)·R2/3·S1/2, Q = A·V이며, n은 조도 계수, S는 수로 바닥 경사(m/m), R = A/P는 동수 반경, 즉 유수 단면적을 윤변으로 나눈 값입니다. P에는 수면이 아니라 물과 접하는 경계만 포함됩니다. 직사각형: A = b·y, P = b + 2y. 측면 경사가 z:1(수평:연직)인 사다리꼴: A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). 만수 또는 반수로 흐르는 원형 관은 R = D/4입니다.
단면 형상
A = (b + z·y)·y = (2 + 1·2.2)·2.2 = 9.24 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 2 + 2·2.2·√(1 + 1²) = 8.223 m
R = A/P = 1.124 m
매닝 공식을 S에 대해 풀기
S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0.012·26/(9.24·1.081) = 0.03124
S = 0.03124² = 0.0009759
답
S = 0.0009759
1킬로미터당 0.9759 m의 낙차입니다.
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