유체역학 (22) – 오일러의 방정식

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유체역학

6. 오일러와 베르누이 방정식

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6.1) 오일러의 방정식 (Euler’s Equation)

오일러의 방정식은 유체의 압력, 속도, 그리고 위치 에너지 간의 관계를 설명합니다. 이 방정식은 비점성 유체에 대한 운동량 보존을 기술합니다.

6.1.1) 오일러 방정식의 가정

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  • 유체는 비점성이며, 비압축성입니다.
  • 유체의 흐름은 정상유동입니다.

6.1.2) 오일러 방정식

\( \frac{\partial v}{\partial t} + (v \cdot \nabla)v = -\frac{1}{\rho}\nabla p + g \)

  • v: 유체의 속도 벡터
  • ρ: 유체의 밀도
  • p: 압력
  • g: 중력가속도

6.2) 베르누이 방정식 (Bernoulli’s Equation)

베르누이 방정식은 비점성, 정상유동 조건에서 유체의 에너지 보존을 설명합니다.

6.2.1) 베르누이 방정식의 가정

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  • 유체는 비점성이며, 비압축성입니다.
  • 유체의 흐름은 정상유동입니다.
  • 흐름은 고도의 변화가 크지 않은 경우에 적용됩니다.

6.2.2) 베르누이 방정식

\( \frac{p}{\rho} + \frac{v^2}{2} + gz = \text{constant} \)

  • p: 압력
  • ρ: 유체의 밀도
  • v: 유체의 속도
  • g: 중력가속도
  • z: 유체 입자의 높이

6.3) 예제 문제 및 풀이

예제 1 (오일러 방정식)

문제: 압력이 100 kPa인 지점에서 유체의 속도가 5 m/s일 때, 압력이 80 kPa인 다른 지점에서의 유체 속도를 계산하시오. 유체는 비점성, 비압축성으로 가정합니다.

풀이: 오일러 방정식을 사용하여,

\( \frac{p_1}{\rho} + \frac{v_1^2}{2} = \frac{p_2}{\rho} + \frac{v_2^2}{2} \)

여기서 \( P_{1} \) ​=100kPa, \( P_{2} \) ​=80kPa, \( v_{1} \) ​=5m/s.

\( v_2 = \sqrt{2 \left( \frac{p_1 – p_2}{\rho} \right) + v_1^2} \)

이를 통해 \( v_{2} \)를 계산할 수 있습니다.

예제 2 (베르누이 방정식)

문제: 높이 10m에서 유체의 속도가 3 m/s이고 압력이 150 kPa일 때, 높이가 5m인 지점에서의 압력을 구하시오.

풀이: 베르누이 방정식을 적용하여,

\( \frac{p_1}{\rho} + \frac{v_1^2}{2} + g z_1 = \frac{p_2}{\rho} + \frac{v_2^2}{2} + g z_2 \)

여기서 \( z_{1} \)​=10m, \( z_{2} \)=5m, \( v_{1} = v_{2} \) ​=3m/s, \( P_{1} \) ​=150kPa.

\( p_2 = \rho \left( \frac{p_1}{\rho} + g z_1 – g z_2 – \frac{v_2^2}{2} \right) \)

이를 통해 \( P_{2} \)를 계산할 수 있습니다.


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