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소방설비산업기사(기계) 유체운동학과 연속방정식 — 질량유량·피토관 유속

유체운동학에서는 압력과 온도로 밀도를 만들고, 단면적과 유속을 곱해 질량유량을 구한다. 피토관은 전압력과 정압의 차이로 유속을 계산하며, 운동에너지 항은 압력 단위로 바꿀 수 있다. 단면적이 변하는 관로의 차압 유량, 이상유체의 속도분포, 속도수두도 함께 묻는다.

2026-10-18 기준 · 소방설비산업기사(기계) 대시보드

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뜻

기체의 질량유량은 이상기체 상태방정식에서 출발한다. 게이지 압력에 대기압을 더해 절대압력을 만들고, 섭씨 온도에 273을 더해 절대온도로 바꾼 뒤 밀도를 P/(RT)로 구한다. 여기에 단면적과 유속을 곱하면 질량유량이 된다. 공기가 게이지 압력 2.06×10⁵Pa, 대기압 1.03×10⁵Pa, 37℃, 지름 0.15m, 유속 4m/s인 조건에서는 약 0.245kg/s가 흐른다.

피토관은 흐르는 유체의 전압력과 정압 차이를 속도로 바꾼다. 물에서 전압력 294kPa, 정압 98kPa이면 차이는 196kPa이고, v=√(2ΔP/ρ)에 밀도 1000kg/m³을 넣어 약 19.8m/s가 된다.

베르누이 방정식의 운동에너지 항은 비중량을 곱해 압력 단위로 표시한다. 속도수두 v²/2g에 γ=ρg를 곱하면 ρv²/2가 된다. 속도수두 자체는 유속의 제곱을 2g로 나눈 값이므로 유속 7m/s이면 49를 19.6으로 나눈 2.5m다.

차압식 유량계는 베르누이 방정식과 연속방정식을 결합해 유량을 구한다. 안지름 300mm에서 100mm로 줄어드는 관에 압력차 14.7kPa, 유량계수 0.7이 주어지면 약 0.03m³/s가 된다. 수력 동력은 압력과 체적유량의 곱으로 계산한다.

베르누이 방정식은 비압축성, 비점성, 정상류, 유선을 따르는 흐름을 가정한다. 점성이 없는 이상유체는 속도분포가 균일하고, 포물선형 분포는 점성이 있는 실제 유체의 특징이다. 파이프 안 압력을 재는 계기와 달리 위어는 수로의 수위를 재거나 유량을 조절하는 구조물이다.

예제

선지 판단은 기체 질량유량에서 절대압력과 절대온도로 밀도를 먼저 구하는지, 피토관의 전압력과 정압 차이를 √(2ΔP/ρ)로 바꾸는지, 운동에너지 항을 ρv²/2로 압력 단위화하는지, 차압식 유량계에 베르누이와 연속방정식을 함께 쓰는지, 이상유체의 속도분포를 균일하다고 보는지, 위어를 파이프 압력계와 구분하는지에서 갈린다.

자주 묻는 물음

기체의 질량유량은 어떤 순서로 구하나요?
절대압력과 절대온도로 밀도를 구한 뒤, 밀도와 단면적과 유속을 곱합니다.
피토관은 무엇으로 유속을 구하나요?
전압력과 정압의 차이입니다. v=√(2ΔP/ρ)에 차압과 밀도를 넣어 계산합니다.
이상유체의 속도분포는 어떤 모양인가요?
균일합니다. 포물선형 분포는 점성이 있는 실제 유체의 특징입니다.
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