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 1.5 m인 연직 직사각형 수문이 기름이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 1.5 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.
d = 1.5 mH = 2 mb = 1.5 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
3.연속 방정식과 베르누이보통
입구 지름 250 mm, 목 지름 125 mm인 수평 벤투리미터에 물이 흐른다. 입구의 압력은 목보다 22 kPa 높다. 손실을 무시하고 유량 Q을(를) 구하시오.
d1 = 250 mmd2 = 125 mmp1 − p2 = 22 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
4.연속 방정식과 베르누이어려움
안지름 32 mm의 호스로 열린 탱크의 물을 사이펀으로 빼낸다. 호스의 가장 높은 점 C는 수면보다 0.5 m 위에 있고, (대기에 열린) 출구는 수면보다 1.5 m 아래에 있다. 손실을 무시하고 g = 9.81 m/s²로 하시오. 점 C의 절대 압력 pC을(를) 구하시오. 대기압은 101.3 kPa이다.
d = 32 mmzC = +0.5 mz2 = −1.5 mg = 9.81 m/s²patm = 101.3 kPa
pC = kPa
5.관 마찰과 손실 수두보통
물(ρ = 1000 kg/m³)이 길이 200 m, 안지름 150 mm인 수평 관을 2.3 m/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.028, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 관 전체의 압력 강하 Δp을(를) kPa 단위로 구하시오.
V = 2.3 m/sL = 200 mD = 150 mmf = 0.028ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
6.관 마찰과 손실 수두어려움
두 개방 저수지가 길이 200 m, 안지름 150 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.015인 관으로 연결되어 있다. 위 저수지의 수면은 아래 저수지 수면보다 27 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 = 27 mL = 200 mD = 150 mmf = 0.015Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1.0
Q = L/s
7.펌프와 펌프 동력보통
펌프가 양정 22 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 150 L/s 송출한다. 펌프 효율은 75%이고, 펌프를 구동하는 전동기의 효율은 90%이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 전동기가 소비하는 전력 Pel을(를) kW 단위로 구하시오.
Q = 150 L/sH = 22 mηpump = 75%ηmotor = 90%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
8.펌프와 펌프 동력어려움
펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 120 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 9 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 600 m, 안지름 250 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.02이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 8(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프 효율은 65%이다. 축동력 Pshaft을(를) kW 단위로 구하시오.
Q = 120 L/sΔz = 9 mL = 600 mD = 250 mmf = 0.02ΣK = 8η = 65%
Pshaft = kW
9.개수로 흐름(매닝)보통
직사각형 풀로 덮인 흙 수로의 폭은 3.5 m이다. 물이 수심 2.1 m로 등류로 흐른다. 매닝 n = 0.03, 수로 바닥 경사는 S = 0.0015이다. 유량 Q을(를) m³/s 단위로 구하시오.
b = 3.5 my = 2.1 mn = 0.03S = 0.0015
Q = m³/s
10.개수로 흐름(매닝)어려움
바닥 폭 6 m, 측면 경사 3:1(수평:연직)인 사다리꼴 마감하지 않은 콘크리트 수로가 수심 0.6 m의 등류로 5.8 m³/s를 흘려야 한다. 매닝 n = 0.014. 필요한 수로 바닥 경사 S을(를) m/m 단위로 구하시오.
Q = 5.8 m³/sb = 6 my = 0.6 mz = 3n = 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 = 2.633 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 = 1.5 + 2/2 = 2.5 m
A = H·b = 2·1.5 = 3 m²
합력
F = ρ·g·yc·A = 880·9.81·2.5·3 = 64.75 kN
압력 중심
압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.
Ic = b·H³/12 = 1.5·2³/12 = 1 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2.5 + 1/(2.5·3) = 2.633 m
답
ycp = 2.633 m
3.연속 방정식과 베르누이
답: Q = 84.07 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·(125/250)² = 0.25·v2
입구와 목 사이의 베르누이 식
관이 수평이므로 압력과 유속만 변합니다.
p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·22000/(1000·(1 − 0.0625))) = 6.851 m/s
v1 = 1.713 m/s
유량
Q = A2·v2 = 0.01227·6.851 = 0.08407 m³/s = 84.07 L/s
답
Q = 84.07 L/s
4.연속 방정식과 베르누이
답: pC = 81.68 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.
호스 안의 유속
수면과 출구는 모두 대기에 열려 있으므로 압력 항이 상쇄됩니다.
v = √(2g·1.5) = √(2·9.81·1.5) = 5.425 m/s
수면에서 C까지의 베르누이 식
patm = pC + ½ρv² + ρgzC
pC = 101.3 − 1000·(5.425²/2 + 9.81·0.5)/1000 = 101.3 − 19.62 = 81.68 kPa
답
pC = 81.68 kPa
이 압력이 물의 증기압까지 떨어지면 사이펀은 작동을 멈춥니다.
5.관 마찰과 손실 수두
답: Δp = 98.75 kPa
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 수두
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.028·(200/0.15)·2.3²/(2·9.81) = 10.07 m
압력 강하
관이 수평이고 유속이 변하지 않으므로 에너지 방정식은 Δp = ρ·g·hf가 됩니다.
Δp = ρ·g·hf = 1000·9.81·10.07 = 98747 Pa = 98.75 kPa
답
Δp = 98.75 kPa
6.관 마찰과 손실 수두
답: Q = 77.28 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 = 0.015·200/0.15 = 20
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.
27 = (20 + 7.7)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·27/27.7) = 4.373 m/s
유량
Q = V·π·D²/4 = 4.373·0.01767 = 0.07728 m³/s = 77.28 L/s
답
Q = 77.28 L/s
7.펌프와 펌프 동력
답: Pel = 47.96 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 = 1000·9.81·0.15·22 = 32.37 kW
축동력
Pshaft = 32.37/0.75 = 43.16 kW
전기 입력 동력
Pel = 43.16/0.9 = 47.96 kW
답
Pel = 47.96 kW
8.펌프와 펌프 동력
답: Pshaft = 47.19 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 = 0.12/0.04909 = 2.445 m/s
V²/(2g) = 0.3046 m
손실 수두
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (48 + 8)·0.3046 = 17.06 m
펌프 양정
H = Δz + hL = 9 + 17.06 = 26.06 m
축동력
Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.12·26.06/0.65 = 47.19 kW
답
Pshaft = 47.19 kW
9.개수로 흐름(매닝)
답: Q = 9.199 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 = 3.5·2.1 = 7.35 m²
P = b + 2y = 3.5 + 2·2.1 = 7.7 m
R = A/P = 0.9545 m
속도
V = (1/0.03)·0.95452/3·0.00151/2 = 1.252 m/s
유량
Q = A·V = 7.35·1.252 = 9.199 m³/s
답
Q = 9.199 m³/s
10.개수로 흐름(매닝)
답: S = 0.0008059 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 = (6 + 3·0.6)·0.6 = 4.68 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 6 + 2·0.6·√(1 + 3²) = 9.795 m
R = A/P = 0.4778 m
매닝 공식을 S에 대해 풀기
S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0.014·5.8/(4.68·0.6112) = 0.02839
S = 0.02839² = 0.0008059
답
S = 0.0008059
1킬로미터당 0.8059 m의 낙차입니다.
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