유체역학 (33) – 돌연 확대 및 돌연 축소관에서의 손실

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3. 돌연 확대 및 돌연 축소관에서의 손실

3.1) 돌연 확대 (Sudden Expansion)에서의 손실

돌연 확대는 관의 단면적이 갑자기 커지는 곳에서 발생하는 유체의 에너지 손실을 나타냅니다.

3.1.1) 손실 계산

돌연 확대에서의 손실은 다음 공식으로 계산됩니다.

\( h_{f} = \left( \frac{v_1 – v_2}{2g} \right)^2 \frac{(A_2 – A_1)^2}{A_2^2} \)

  • \( h_{f} \): 손실 수두
  • \( v_{1} \), \( v_{2} \): 확대 전후의 속도
  • \( A_{1} \), \( A_{2} \)​: 확대 전후의 단면적
  • g: 중력가속도

3.2) 돌연 축소 (Sudden Contraction)에서의 손실

돌연 축소는 관의 단면적이 갑자기 작아지는 곳에서 발생하는 유체의 에너지 손실을 나타냅니다.

3.2.1) 손실 계산

돌연 축소에서의 손실은 다음 공식으로 계산됩니다.

\( h_{f} = k \frac{v_2^2}{2g} \)

  • k: 축소 계수
  • \( v_{2} \)​: 축소 후의 속도

예제 문제 및 풀이

예제 1 (돌연 확대)

문제: 관의 단면적이 0.01m²에서 0.02m²로 돌연 확대되고, 확대 전 속도가 3m/s일 때 발생하는 손실 수두를 계산하시오.

풀이:

\( v_2 = \frac{A_1}{A_2} v_1 = \frac{0.01}{0.02} \times 3 = 1.5 \, \text{m/s} \)

\( h_{f} = \left( \frac{3 – 1.5}{2 \times 9.81} \right)^2 \frac{(0.02 – 0.01)^2}{0.02^2} \)

\( h_{f} = 0.017 \, \text{m} \)

따라서 손실 수두는 약 0.017m입니다.

예제 2 (돌연 축소)

문제: 관의 단면적이 0.02m²에서 0.01m²로 돌연 축소되고, 축소 계수가 0.5일 때, 축소 후 속도가 6m/s일 때 발생하는 손실 수두를 계산하시오.

풀이:

\( h_{f} = 0.5 \frac{6^2}{2 \times 9.81} \)

\( h_{f} = 0.92 \, \text{m} \)

따라서 손실 수두는 약 0.92m입니다.


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