기계공학기초 제8장 유체역학.

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1 기계공학기초 제8장 유체역학

2 8장. 유체역학 8-1 유체의 기초 유체의 종류 유체 : 액체와 기체를 합쳐 부르며, 변형이 쉽고 흐르는 성질을 갖고 있으며, 형상이 정해지지 않았고 자유스럽게 변형되는 성질이 특징 비 압축성 유체 : 흐름 중에 밀도가 일정하게 유지되는 유체 압축성 유체 : 자유스럽게 압축이나 팽창이 되는 유체 이상유체(완전유체): 압축성과 점성이 없는 유체 유체의 기본적 성질 밀도, 비중량 밀도 : 물질의 질량을 부피로 나눈 값으로 물질마다 고유한 값을 지님 단위는 g/㎖, g/㎤ 등을 주로 사용 비중량 : 물질의 단위 체적당의 중량(kg/m³) 물의 비중량 : 1기압, 4℃일 때의 비중량 γ≒1000kgf/m3        공기의 비중량 : 0℃ 760mmHg 의 건조한 공기의 비중량 γ=1.293kg/m3 비중량 = 질량 x 중력가속도/체적 비중 : 4℃물에 대한 질량과 물과 동일한 체적의 물체에 대한 질량 비

3 8장. 유체역학 8-1 유체의 기초 압축성 : 유체가 압력의 크기에 따라 체적이나 밀도가 변하는 성질을 말함 . 액체는 압축성이 적고, 기체는 압축성이 크다. 3) 점성 : 모든 유체가 유체 내에서 서로 접촉하는 두 층이 서로 떨어지지 않으려는 성질 점성의 크기는 점성 계수로 나타내고, μ를 사용 단위는 N.s/㎡ = Pa .s = kg/(m.s). 점성 계수 μ(mu)를 밀도 ρ(rho)로 나눈 것을 v(nu)로 나타내며, 이것을 동점성 계수라고 한다. v=μ/ρ(m²/s)---점도를 밀도로 나눈 값 4) 표면장력 : 액체는 액체 분자의 응집력 때문에 그 표면을 되도록 작게 하려는 성질이 있으며, 이 때문에 액체의 표면에 생기는 장력

4 8장. 유체역학 8-2 유체의 역학 1. 수력학 액체, 특히 물의 역학적 성질을 논하고 그 공학상의 응용을 연구하는 학문, 유체의 운동을 이론적.수학적으로 취급하는 것 유체역학 흐름의 문제를 역학적으로 다루는 학문 일반적으로 유체 정역학과 유체 동력 학으로 나눔

5 8장. 유체역학 8-3 유체 정역학 압력 유체에 의한 단위면적당 접촉면에 수직으로 작용하는 힘
공학단위 kgf/㎠, kgf/㎡, ==== 공학기압 kgf/㎠(at) 표준기압 k㎩ = kgf/㎠ (공학기압보다 약간 큼) 계기압력 : 대기압을 기준으로 하여 측정하는 것으로 산업분야에 널리 사용되고 있음. 예를 들어 10㎏/㎠로 표시(대기압과의 차이를 읽는 것) 절대 압력 : 절대진공을 기준으로 대기압력, 증기압력을 나타낼 때 사용됨 . 예를 들어 10㎏/㎠ abs로 표시

6 8장. 유체역학 8-3 유체 정역학 액주계 압력(또는 압력 차)을 측정하는 기구
관 또는 용기 내의 압력의 강도는 그 속에 V자형의 관을 세우고 그 관을 상승하는 액의 높이로 측정하는 것을 마노미터(액주계) 라고 함

7 8장. 유체역학 8-3 유체 정역학 2) 부르동관 압력계 압력을 부르동 관의 변위로 검출하는 압력계
2) 부르동관 압력계 압력을 부르동 관의 변위로 검출하는 압력계 부르동 관을 이용한 탄성 압력계의 일종. 공업용 압력측정장치로 널리 사용. 동 또는 황동제로서 그림과 같이 그 단면이 편평한 타원형의 관을 원호상으로 구부려 한쪽 끝을 고정하고 다른 쪽 끝은 폐쇄한 관을 말하는데, 부르동관에 그림과 같이 화살표의 방향으로부터 증기압이 가해지면 그 압력에 비례하여 그림에서의 점선과 같이 퍼져서 직선으로 되고 압력이 저하하면 원래대로 구부러지게 된다. 이 부르동관의 성질을 이용하여 그 변형 정도를 확대하여 눈금 판 위에 나타내도록 한 압력계를 말한다

8 8장. 유체역학 8-3 유체 정역학 부력 물체가 물에 떠 있을 때 물체의 물 속에 잠겨 있는 부분의 체적과 동일한 물의 중량에 상당하는 힘이 위쪽으로 물체에 작용하는 힘 아르키메데스의 원리 : 물체를 유체에 넣었을 때 물체가 받는 부력의 크기는 물체의 부피와 같은 양의 유체에 작용하는 중력의 크기와 같다는 원리 즉 정지하고 있는 유체 안에 있는 물체의 무게는 이것과 같은 체적의 유체의 무게만큼 작게 된다 어떤 물체이건 물에 잠기게 되면 그 물체의 부피에 상당하는 물의 무게만큼 부력을 받는다. 어떤 물체가 물에 뜨면 양성 부력, 가라앉으면 음성 부력, 물 속에서 뜨지도 가라앉지도 않으면 중성부력을 가졌다고 한다.

9 8장. 유체역학 8-4 유동의 기초식 유체의 운동 정상류·비정상류
정상류 : 어떤 장소에서의 액체의 유동 상태가 시간에 따라서 변화하지 않는 흐름. 비정상류 : 흐름의 특징이 시간에 대해 변화하는 유체 흐름 유선 ·유관 유선 : 운동하는 유체의 각 점에서 속도벡터의 방향이 접선방향이 되도록 그은 곡선. 정상흐름(steady flow)에서는 유선이 변화하지 않음 유체의 흐름에 따라 가상한 선 유관 : 유선을 벽으로 하는 관

10 8장. 유체역학 8-4 유동의 기초 식 연속의 식 유량 : 단위시간에 흐르는 유체의 체적
연속의 식 : 관 로 단면적과 흐르는 유체의 유속과의 관계를 나타냄 유량(Q) = 유속(V)/단면적(A)으로 나타냄. 질량보전의 법칙을 흐름에 적용 베르누이의 정리 점성이 없는 유체가 하나의 관속을 끊임없이 일정한 상태로 흐르고 있을 때는 유로의 어느 점에 있어서도 그 위치 수두, 압력 수두, 속도 수두의 총합은 일정하다는 것 유체가 흐르는 속도와 압력, 높이의 관계를 수량적으로 나타낸 법칙이다. 유체의 위치에너지와 운동에너지의 합이 항상 일정하다는 성질을 이용한 것, 완전유체가 규칙적으로 흐르는 경우에 대해 서술한 것이다 . 압력수두 + 속도수두 + 위치수두 = 일정

11 8장. 유체역학 8-5 유속·유량의 측정 오리피스와 노즐 오리피스 : 유체를 분출시키는 구멍. 비교적 소량의 유량 측정에 사용
보통 원형 오리피스가 표준, 그 가장자리는 칼날처럼 되어 있음 토리첼리의 정리 : 용기 벽에 뚫은 작은 구멍에서 내부의 액체가 유출하는 속도에 관한 법칙. 이 법칙이 성립되는 것은 액체의 점성이 작고, 그 영향이 무시될 경우에 한함(유출속도 v=√2gh—베르누이의 정리에서) 노즐 : 원통 모양으로 생긴 것의 끝에 뚫린 작은 구멍으로부터 유체를 분출시키는 장치

12 8장. 유체역학 8-5 유속·유량의 측정 벤투리 계 유체의 유속을 측정하는 데 사용되는 관
관의 양 끝은 넓고 중앙부분이 좁은 형태로, 이 관을 지나는 유체의 유속은 베르누이의 정리와 연속방정식을 사용하여 구함. 관로 와 교축부에 생기는 압력 차를 측정하여 유량을 구하는 장치(그림8.7참고) 피토 관 관의 직경이 큰 곳 과 작은 곳의  유속의 차이를 압력차이로 알 수 있게 하는 관(그림8.8참고)

13 8장. 유체역학 8-6 관 로 내의 흐름 층 류와 난류, 레이놀즈 수
층 류 : 유체의 규칙적인 흐름으로, 흐트러지지 않고 일정하게 흐르는 것 (관내 유속이 아주 느릴 때) 난류 : 유체의 각 부분이 시간적이나 공간적으로 불규칙한 운동을 하면서 흘러가는 것(관내 유속을 증가시켜 일정속도 이상일 때)

14 8장. 유체역학 8-6 관로 내의 흐름 층 류와 난류, 레이놀즈 수
레이놀즈 수 : 움직이는 유체 내에 물체를 놓거나 유체가 관속을 흐를 때 난류와 층 류의 경계가 되는 값을 말함. - 물체가 정지유체 속을 진행하는 경우 물체의 길이 또는 관 지름을 L, 진행속도 또는 평균속도를 U, ρ을 유체의 밀도라 할 때 레이놀즈 수 R=ρUL/μ (포이즈:점성) 경계층 공기는 유체이기 때문에 다른 물체와 마찰할 때 점성을 나타냄. 자유롭게 흐르는 공기는 고체 표면 위를 지나면서 표면과의 마찰에 의한 점성을 지니게 되는데 이때 마찰에 의해 속도가 변하게 되는 층

15 8장. 유체역학 8-6 관 로 내의 흐름 마찰에 의한 손실 관 로 : 수력발전소에서 펌프로 물을 멀리 송수할 때 관을 길게 연결한 것 유체마찰 : 고체표면과 유체 사이에 생기는 마찰 마찰에 의해 생기는 손실을 관 로 내의 마찰손실이라 한다.

16 λ : 관의 마찰 계수 d : 관의 내경(m) l : 관의 길이(m) v : 평균 유속(m/s) g : 중력 가속도(m/s2)
8장. 유체역학 8-6 관 로 내의 흐름 마찰에 의한 손실 관 로 : 수력발전소에서 펌프로 물을 멀리 송수할 때 관을 길게 연결한 것 유체마찰 : 고체표면과 유체 사이에 생기는 마찰 마찰에 의해 생기는 손실을 관 로 내의 마찰손실이라 한다. 물이 관로를 꽉 차서 흐를 때, 물과 관로와의 마찰에 의해 생기는 에너지의 손실을 수두로 나타낸 것 마찰 손실 수두                                                           λ : 관의 마찰 계수 d : 관의 내경(m) l : 관의 길이(m) v : 평균 유속(m/s) g : 중력 가속도(m/s2) 16

17 8장. 유체역학 8-6 관 로 내의 흐름 4. 관 로 에서의 에너지 손실
관로가 길거나 중간에 교축이나 굴곡이 있을 때 유동중의 손실 전압관의 수위는 측정 장소에서의 반전에너지 기준을 나타 냄 수위를 연결한 선을 에너지 기울기선 이라 함 17

18 8장. 유체역학 8-6 관 로 내의 흐름 수 격 작용 밸브의 급격한 개폐, 또는 액체 배관의 경우에는 기체의 혼입, 기체 배관의 경우에는 액체의 혼입 등에 의하여 관 내의 유속이 급변하는 경우에 발생하는 이상 압력 진동과 높은 충격음을 발생 운동에너지가 순간적으로 압력에너지로 바뀔 때 압력상승 또는 압력강하

19 8장. 유체역학 8-7 유체 중의 물체에 작용하는 힘 유동중의 물체가 받는 저항
항력(유체저항) : 물체가 유체 내에서 운동할 때 받는 저항력 형상저항 유체 속에 놓인 물체가 유체로부터 받는 저항 중 물체 전후의 압력 차에 기인한 저항을 압력 저항(형상저항)이라고 함. 유선형물체는 형상 저항이 0에 가깝고, 구나 흐름에 직각으로 놓인 평판의 저항도 대부분이 형상저항 마찰저항 유체 속에 있는 물체의 표면에 작용하는 마찰 변형력들을 모두 합한 힘으로 나타나는 저항 유체의 점성 때문에 발생하는 것으로, 이 값이 작은 유체일수록 더 많은 유체를 좀 더 쉽게 전송할 수 있음

20 8장. 유체역학 8-7 유체 중의 물체에 작용하는 힘 유체저항 : 형상저항 + 마찰저항 날개(깃)의 작용
유체저항을 유동방향의 힘 (항력)과 유동에 수직(양력)으로 분해하여 항력에 비해 양력을 특별히 크게 작용하도록 만든 것을 날개 또는 깃이라 함

21 8장. 유체역학 8-7 유체 중의 물체에 작용하는 힘 공동현상(캐비테이션)
유체 속에서 압력이 낮은 곳이 생기면 물 속에 포함되어 있는 기체가 물에서 빠져 나와 압력이 낮은 곳에 모이는데, 이로 인해 물이 없는 빈 공간이 생긴 것을 가리킴 프로펠러의 회전이 빨라짐에 따라 날개 배면에 저압부가 생겨 진공상태에 가까워지면 그 부분의 물이 증발하여 수증기가 되고, 수중에 녹아있던 공기도 더해져서 날개면의 일부에 공동(空洞)을 형성한다. 이 현상을 캐비테이션이라고 한다.캐비테이션이 생기면 추력이 급감함과 동시에 심한 진동과 소음을 동반하고 속도를 떨어뜨린다. 또한 단시간에 날개에 침식이 발생하여 사용할 수 없게 된다. 캐비테이션 발생을 방지하기 위해서는 모형실험을 통하여 날개형태, 날개수, 날개면적, 회전수 등의 영향을 파악하고 적절히 설계에 반영하며, 선체 후부의 형상, 프로펠러 위치, 프로펠러 날개의 마무리 공정 등에 유의하여야 한다

22 8장. 유체역학 8-7 유체 중의 물체에 작용하는 힘 분류가 물체에 미치는 힘
분류 (jet) : 증기나 액체, 기체 등이 좁은 구멍에서 고속으로 분출되는 상태 분류를 물체에 충돌 시키면 물체는 충격력을 받는데 충격력은 분류가 가진 운동량이 변화된 것임 22