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 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.
d = 2 mH = 2 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
2.정수압어려움
폭 3 m인 연직 직사각형 수문이 바닷물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 1 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.
d = 1 mH = 1.5 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
3.연속 방정식과 베르누이보통
물이 25 L/s로 200 mm에서 150 mm로 좁아지는 수평관을 흐른다. 좁은 구간의 압력은 110 kPa이다. 손실을 무시하고 넓은 구간의 압력 p1을(를) 구하시오.
Q = 25 L/sd1 = 200 mmd2 = 150 mmp2 = 110 kPaρ = 1000 kg/m³
p1 = kPa
4.연속 방정식과 베르누이어려움
밀폐된 물탱크의 수면 위에 계기 압력 60 kPa의 압축 공기가 있다. 물은 수면보다 5 m 아래에 있는 지름 50 mm의 구멍을 통해 대기 중으로 나간다. 손실을 무시하고 다음을 구하시오: 분류 속도 v. g = 9.81 m/s²를 쓴다.
pair = 60 kPa (게이지압)h = 5 md = 50 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
v = m/s
5.관 마찰과 손실 수두보통
물이 길이 800 m, 안지름 300 mm인 관을 200 L/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.028, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.
Q = 200 L/sL = 800 mD = 300 mmf = 0.028g = 9.81 m/s²
hf = m
6.관 마찰과 손실 수두어려움
두 개방 저수지가 길이 100 m, 안지름 150 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.018인 관으로 연결되어 있다. 위 저수지의 수면은 아래 저수지 수면보다 14 m 높다. 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 Q을(를) L/s 단위로 구하시오.
Δz = 14 mL = 100 mD = 150 mmf = 0.018Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×2)Kvalve = 0.2Kexit = 1.0
Q = L/s
7.펌프와 펌프 동력보통
펌프가 양정 60 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 80 L/s 송출한다. 펌프 효율은 80%이고, 펌프를 구동하는 전동기의 효율은 88%이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 전동기가 소비하는 전력 Pel을(를) kW 단위로 구하시오.
Q = 80 L/sH = 60 mηpump = 80%ηmotor = 88%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
8.펌프와 펌프 동력어려움
펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 40 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 5 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 100 m, 안지름 150 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.015이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 2(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프 효율은 75%이다. 축동력 Pshaft을(를) kW 단위로 구하시오.
Q = 40 L/sΔz = 5 mL = 100 mD = 150 mmf = 0.015ΣK = 2η = 75%
Pshaft = kW
9.개수로 흐름(매닝)보통
직사각형 벽돌 쌓기 수로의 폭은 1 m이다. 물이 수심 2.1 m로 등류로 흐른다. 매닝 n = 0.015, 수로 바닥 경사는 S = 0.0015이다. 유량 Q을(를) m³/s 단위로 구하시오.
b = 1 my = 2.1 mn = 0.015S = 0.0015
Q = m³/s
10.개수로 흐름(매닝)어려움
폭 4.5 m인 직사각형 마감하지 않은 콘크리트 수로가 수심 1.2 m의 등류로 18 m³/s를 흘려야 한다. 매닝 n = 0.014. 필요한 수로 바닥 경사 S을(를) m/m 단위로 구하시오.
Q = 18 m³/sb = 4.5 my = 1.2 mn = 0.014
S = m/m
3용액
1.정수압
답: F = 176.6 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 = 2 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·3 = 6 m²
합력
F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3·6 = 176.6 kN
답
F = 176.6 kN
2.정수압
답: ycp = 1.857 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 = 1 + 1.5/2 = 1.75 m
A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²
합력
F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·1.75·4.5 = 79.19 kN
압력 중심
압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.
Ic = b·H³/12 = 3·1.5³/12 = 0.8438 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 1.75 + 0.8438/(1.75·4.5) = 1.857 m
답
ycp = 1.857 m
3.연속 방정식과 베르누이
답: p1 = 110.7 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 = 0.025/0.01767 = 1.415 m/s
베르누이 방정식
p1 = p2 + ½ρ(v2² − v1²) = 110 + ½·1000·(1.415² − 0.7958²)/1000 = 110 + 0.6841 = 110.7 kPa
답
p1 = 110.7 kPa
4.연속 방정식과 베르누이
답: v = 14.77 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·(60000/1000 + 9.81·5)) = 14.77 m/s
답
v = 14.77 m/s
5.관 마찰과 손실 수두
답: hf = 30.47 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·0.3²/4 = 0.07069 m²
V = Q/A = 0.2/0.07069 = 2.829 m/s
속도 수두
V²/(2g) = 2.829²/(2·9.81) = 0.408 m
다르시–바이스바흐 식
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.028·(800/0.3)·2.829²/(2·9.81) = 30.47 m
답
hf = 30.47 m
6.관 마찰과 손실 수두
답: Q = 77.45 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 = 0.018·100/0.15 = 12
ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 0.2 + 1.0 = 2.3
에너지 방정식
두 수면 모두 대기에 열려 있고 사실상 정지해 있으므로 Δz 전체가 관에서 손실됩니다.
14 = (12 + 2.3)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·14/14.3) = 4.383 m/s
유량
Q = V·π·D²/4 = 4.383·0.01767 = 0.07745 m³/s = 77.45 L/s
답
Q = 77.45 L/s
7.펌프와 펌프 동력
답: Pel = 66.89 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 = 1000·9.81·0.08·60 = 47.09 kW
축동력
Pshaft = 47.09/0.8 = 58.86 kW
전기 입력 동력
Pel = 58.86/0.88 = 66.89 kW
답
Pel = 66.89 kW
8.펌프와 펌프 동력
답: Pshaft = 4.256 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 = 0.04/0.01767 = 2.264 m/s
V²/(2g) = 0.2611 m
손실 수두
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 2)·0.2611 = 3.134 m
펌프 양정
H = Δz + hL = 5 + 3.134 = 8.134 m
축동력
Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.04·8.134/0.75 = 4.256 kW
답
Pshaft = 4.256 kW
9.개수로 흐름(매닝)
답: Q = 2.962 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·y = 1·2.1 = 2.1 m²
P = b + 2y = 1 + 2·2.1 = 5.2 m
R = A/P = 0.4038 m
속도
V = (1/0.015)·0.40382/3·0.00151/2 = 1.411 m/s
유량
Q = A·V = 2.1·1.411 = 2.962 m³/s
답
Q = 2.962 m³/s
10.개수로 흐름(매닝)
답: S = 0.00302 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·y = 4.5·1.2 = 5.4 m²
P = b + 2y = 4.5 + 2·1.2 = 6.9 m
R = A/P = 0.7826 m
매닝 공식을 S에 대해 풀기
S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0.014·18/(5.4·0.8492) = 0.05495
S = 0.05495² = 0.00302
답
S = 0.00302
1킬로미터당 3.02 m의 낙차입니다.
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