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11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

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Academic year: 2022

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(1)

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

수공학 연구실

(2)

6.3 오일러 운동방정식의 적분과 베르누이 방정식

: 속도수두 (velocity head) : 압력수두 (pressure head)

z : 위치수두 (elevation head) H : 총수두 (total head)

• 비압축성 유체라 가정하고 적분하면,

(1차원 베르누이 방정식)

• 기본가정 1. 정상흐름

2. 비압축성유체

3. 비점성(마찰없음)

4. 한 유선을 따르는 흐름

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(3)

예제 6.4 노즐흐름에의 적용

• 노즐입구면적 = 0.1 m2

• 노즐출구면적 = 0.04 m2

• 노즐출구속도 = 10 m/sec가 될 때의

• 단면 1에서의 압력은?

• 단면 1과 2에 베르누이 방정식을 적용하면

• 연속방정식을 이용하면,

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(4)

6.3.2 베르누이 방정식의 일반형

• 속도포텐셜 함수와 힘포텐셜 함수를 도입하면,

• 오일러의 운동방정식에 적용하면,

비회전 흐름에 대한 베르누이 방정식의 일반형

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(5)

예제 6.7】 역학적 에너지 보존법칙을 이용한 베르누이 방정식의 유도

ABCD로 구성되는 검사체적이 dt시간 동안 A`B`C`D`검사체적으로 이동하였 다고 가정할 때 두 체적이 갖고 있는 총 에너지는 동일하다.

에너지 손실이 없다고 가정하면 A`B`CD부분의 에너지는 공통이므로

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(6)

 Ⅰ부분의 역학적 에너지 = Ⅱ부분의 역학적 에너지

그런데,

또,

① ①

예제 6.7】 역학적 에너지 보존법칙을 이용한 베르누이 방정식의 유도

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(7)

6.3.3 동수경사선과 에너지경사선

그림 6.5 동수경사선과 에너지경사선

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(8)

6.4 베르누이 방정식의 응용

➀ 오리피스

➁ 피토관 : 유속측정 (점유속)

➂ 벤추리미터 (관흐름) : 유량측정장치

➃ 비정상 유출

➄ 베르누이 방정식의 확장

예) 펌프와 터빈 (에너지를 고려한 경우)

작은 오리피스 큰 오리피스

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(9)

6.4.1 정상류 흐름의 응용

1. 소오리피스로부터의 유출

(이론 유속)

그림 6.6 오리피스에 의한 유출

대기압

무시 (수조의 단면적이 오리피스의 단면적에 비해서 상당히 크기 때문)

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(10)

6.4.1 정상류 흐름의 응용

(유속계수 ⅹ이론유속)

실제 분류는 분류지름의 몇 배 되는 거리에서 최소 단면을 갖는데 이 최소 수축 단면을 축류 (vena contracta)라 부름

(수축계수)= (최소단면의 단면적) / (오리피스 단면적)

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(11)

【예제 6.8】 소오리피스

그림 E6.8

1

2

3

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(12)

 분류의 직경 d를 수두 H와 수조로부터 수축단면까지의 거리 y로 표시하여라.

단면 ➀에서의 속도

오리피스로부터 만큼 떨어진 곳에서의 분류의 속도

【예제 6.9】 소오리피스

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(13)

이 지점에서의 유량은

연속방정식으로 부터 ⇒

d에 대해서 풀면

【예제 6.9】 소오리피스

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(14)

6.4.1 정상류 흐름의 응용

2. 피토관(pitot tube)

(양변에 물의 단위중량 를 곱하면 압력을 나타내는 항으로 표시할 수 있음.)

동압력 정압력 위치압력

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(15)

6.4.1 정상류 흐름의 응용

그림에서 점 O와 S에 베르누이정리를 적용

⇒ 정체점에서의 압력 = 정압력 + 동압력 ⇒ 총 압력

• 총압력과 정압력을 구하고 이것으로부터 점유속을

측정하는 장치를 피토관(Pitot tube)라 한다.

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(16)

6.4.1 정상류 흐름의 응용

하천

h

∆h

∆h

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(17)

【예제 6.12】 피토관

관속에 유속은?

…………

그림 E6.12

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(18)

【예제 6.12】 피토관

……….

➁식을 ➀에 대입

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(19)

6.4.1 정상류 흐름의 응용 (벤추리미터)

• 베르누이방정식을 적용하면

• 실제유량

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(20)

6.4.2 비정상류에의 응용

탱크의 수면이 임의 높이로 감소 시간

그림 6.12 수조로부터의 비정상 유출

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(21)

6.4.2 비정상류에의 응용

➀ 줄어드는 유량

➁ 오리피스를 통해 유출하는 유량

➁ = ➂

➃ 수면의 강하속도

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(22)

6.4.2 비정상류에의 응용

➃식을 적분하면

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(23)

6.5 확장형 베르누이 방정식

→ : 유체의 단위 무게당에 대해서 펌프가 해준 일

→ : 단위무게의 유체가 터빈에 작용한 일

• 펌프에 의한 동력

(동력 : ) ) , 의 차원⇒

• 펌프의 효율

→ 이론동력

→ 실제동력

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(24)

6.5 확장형 베르누이 방정식

• 펌프의 실제 소요동력

• 터빈에 의한 동력

• 터빈의 효율

• 터빈으로부터 출력되는 실제동력

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(25)

 펌프를 구동하는데 필요한 마력을 계산하여라. (펌프의 효율은 80%)

그림 E6.16

(탱크와 수조의 단면이 관의 단면보다 휠씬 크기 때문)

【예제 6.16】 베르누이 방정식의 확장

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

(26)

【예제 6.16】 베르누이 방정식의 확장

11주차 : 비점성, 비압축성 유체(2)

참조

관련 문서