개념 한 쪽
유체 역학의 기초사항은 배관을 통한 유량과 유속 관계, 베르누이의 정리에 따른 압력·동압의 상호관계, 그리고 펌프 성능과 마찰손실에 관한 기본 원리를 다룬다. 이 지식은 배관 규격 결정, 펌프 동력 계산, 마찰손실 추정 등 실무적 설계 판단에 직접 연결된다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기 회원용
가입 없이 오늘의 10문제 바로 풀기 →
출제기준 단원 「유체 역학의 기초사항」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 관경 계산 및 규격 선택 | 1 | 주어진 유량·유속으로 관경을 계산하고 표준 규격을 선정하는 절차 |
| 마찰손실과 변수 관계 판별 | 1 | 관의 직경·길이·속도·마찰계수 중 손실수두 감소 요인을 가리기 |
| 펌프 수동력 계산 | 1 | 유량과 양정을 이용해 펌프에 필요한 동력을 계산하는 과정 |
유량(Q), 유속(v), 단면적(A)은 Q = A·v 관계로 연결되므로 주어진 유량과 유속으로 배관의 단면적과 관경을 산출할 수 있다. 계산값은 표준 배관 규격에 맞춰 계산값을 초과하는 최소 규격을 선택하는 관행을 따른다. 단위 환산(분→초 등)을 먼저 점검하는 것이 중요하다.
베르누이 방정식은 압력수두, 속도수두(동압), 위치수두의 합이 보존된다는 원리를 제시한다. 관경이 커지면 같은 유량에서 유속이 감소하므로 동압은 유속의 제곱 비례성 때문에 감소한다는 인과관계가 성립한다. 전압은 정압과 동압의 합으로 표현된다는 점을 기억한다.
펌프의 성능은 양정(H), 유량(Q), 소요 동력(N 또는 P), 효율(η)의 네 가지로 표현한다. 펌프 자체 성능과 배관 등 시스템 저항을 명확히 구분해야 한다. 배관 구경이나 마찰저항은 시스템 곡선을 바꾸어 펌프의 실제 운전점에 영향을 미치지만, 펌프의 고유 성능 곡선은 펌프 내부 특성으로 결정된다는 점을 구별한다.
배관 내 마찰손실수두는 관 길이, 속도 제곱, 마찰계수에 비례하고 관 내경과는 반비례한다. 다르시-바이스바흐 식 등의 공식에서 내경의 영향이 매우 크기 때문에 내경을 키우면 손실이 급격히 줄어드는 특성을 활용해 설계적 판단을 내린다.
배관 관경 계산 문제는 다음 절차로 풀이한다. 예시: 유속을 1.5 m/s로 하고 분당 0.042 m³의 유량이 흐를 때 관경을 구한다. 먼저 유량을 초 단위로 환산한다(0.042 ÷ 60 ≒ 0.0007 m³/s). 단면적 A = Q / v ≒ 0.0007 / 1.5 ≒ 0.000467 m²를 계산한다. 원형 단면에서 D = sqrt(4A/π) ≒ 0.0244 m(24.4 mm)가 나오므로 표준 규격 상향 선택으로 25A를 결정한다.
펌프 수동력 계산 예시는 다음과 같다. 예시: 분당 2 m³의 유량과 양정 50 mAq, 물의 비중량 1000 kg/m³일 때 효율 100% 가정하면 유량을 초 단위로 변환(2 ÷ 60 = 0.0333 m³/s)하고 공식 P = (Q × H × γ) ÷ 9.81를 적용한다. 대입하면 P ≒ (0.0333 × 50 × 9.8) ≒ 16.3 kW가 산출되므로 수동력은 약 16.3 kW로 산정한다.
마찰손실 계산 예시는 다르시-바이스바흐 식을 적용한다. 예시: 내경 25 mm, 길이 15 m, v = 1.5 m/s, 마찰계수 f = 0.03을 대입하면 hf = f·(L/D)·(v²/2g)로 약 20.25 kPa의 압력손실이 산출된다. 계산 시 2g 분모와 최종 단위 변환(kPa 등)을 반드시 확인해야 한다.
유량 2m³/min, 양정 50mAq인 펌프의 수동력은? (단, 물의 비중량은 1000kg/m³이다.)
정답 ① · 펌프의 수동력을 계산하는 문제이다. 수동력은 P = Q x H x γ / 102 (kW) 공식으로 구하며, 유량을 초 단위로 환산한다.
펌프 수동력(kW)은 '유량(m³/s)×양정(m)×비중량(kN/m³)÷9.81÷효율'로 계산하며, 효율 100% 가정 시 16.3kW이다.
냉각수 배관에서 다음 중 어느 값이 커지면 직관부의 마찰손실수두[mAq]가 감소되는가?
정답 ③ · 냉각수 배관의 직관부 마찰손실수두에 영향을 주는 인자를 묻는 문제이다. 마찰손실수두는 달시-바이스바하 공식에서 알 수 있듯이 관 마찰계수, 관 길이, 유속의 제곱에 비례하고 관경에 반비례한다.
마찰손실수두는 관 직경이 커지면 감소하므로 직경이 정답이다.
1.5m/sec의 유속으로 0.042m³/min의 유량이 흐를 때 배관의 관경을 계산하면 얼마인가?
정답 ③ · 유량(Q)과 유속(v)을 이용하여 배관의 단면적(A)을 구한 후 관경(D)을 산출하는 문제입니다. 주어진 유량 0.042m³/min을 초 단위로 환산하면 0.0007m³/sec가 됩니다.
유량과 유속으로 단면적을 구한 뒤 원주 공식으로 관경을 계산하면 약 24.4mm로 25A가 정답이다.
건축설비산업기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.