소방유체역학 목 차 - 대전과학기술대학교 소방안전관리과

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소방유체역학
대전과학기술대학교
소방안전관리과
목 차
유체의 제성질
정수역학
동수역학
운동량의 원리
관 속의 유체 흐름
열역학
펌프 및 송풍기
소방 배관
제1장 유체의 제성질
유체의 정의
유체의 정의
- 유체 내부에 전단응력
(shear stress)이 작용하면
연속적으로 흐름(flowing)의
형태로 변형이 일어나는 물질
전단응력(shear stress,  )
- 단위면적당 작용하는 전단력


전단력(shear force)
- 표면에 작용하는 힘의 접선 성분
물질
- 고체(solid) : 정상상태(normal condition)에서
고체상태의 물질
- 액체(liquid), 기체(gas)
유체의 정의와 성질
유체의 종류
- 실재유체 : 점성, 압축성(viscous fluid)
- 이상유체 : 점성이 없음, 비압축성(inviscid fluid)
- 압축성유체(compressible fluid) : 체적이 변화하는 유체
정지상태에서 압력에 대하여 밀도가 비교적 크게
변화하는 유체(기체)
- 비압축성유체(incompressible fluid) : 정지상태에서
유체에 압력을 가했을 때 압력에 대해 밀도의 변화가
거의 없는 유체(액체)
물의 경우, 4oC 물의 체적을 1로 했을 때 500기압의 고압을 가하더라도
체적감소율은 약 2.3%이다. 따라서 수로관, 펌프, 수차 등의 내부를
흐르는 액체는 비압축성 유체로 취급.
유체의 정의와 성질
SI단위계 (System Internationale d’Unites)
- 1960년 프랑스 국제도량형회의 결정
- 국제 도량형을 통일시키기 위하여 만든 단위계
- 7개의 기본단위와 2개의 보조단위, 조립단위로 구성
물질량
단위기호
물질량
단위기호
길이
m
평면각
rad
질량
kg
질량
sr
시간
sec.
전류
A
온도
K
광도
cd
물질량
mol
주파수
힘
압력
1Hz = 1[s-1]
1N = 1[kg•m/s2]
1Pa = 1[N/m2]
에너지
1J = 1[N•m]
일률
1W = 1[J/s]
유체의 정의와 성질
단위계
- 절대단위계 : CGS 단위계 [cm, g, sec] => MLT계[kg]
MKS 단위계 [m, kg, sec]
- 중력단위계(공학단위계) : FLT계 [kgf]
배수
접두어
명칭
기호
1012
테라
T
109
기가
106
배수
접두어
명칭
기호
10-2
센티
c
G
10-3
밀리
m
메가
M
10-6
마이크로
103
킬로
k
10-9
나노
n
102
헥토
h
10-12
피코
p
10
데카
da
10-15
펨토
f
10-1
데시
d
10-18
아토
a

유체의 정의와 성질
유체의 정의와 성질
절대단위
- MKS 단위계, MLT계
중력단위(공학단위)
- FLT계
각종 물리량
밀도(density,  ) [kg/m3]
- 단위체적당 유체의 질량
m

V


g
비중량(specific weight,  ) [kgf/m3]
- 단위체적당 유체의 중량
W m
   g  g
V V
각종 물리량
비체적(specific volume, vs ) [m3/kgf]
- 단위중량당 유체의 체적, 밀도의 역수
vs 
1


1

비중(specific gravity, s)
- 물의 밀도와 다른 물질과의 밀도의 비


s

w  w
각종 물리량
점성
개념
- 운동하고 있는 유체에 있어서 서로 인접하고 있는 층
사이에 유동이 생기면 층과 층 사이에 마찰이 발생
- 유체 마찰이 생기는 성질(viscosity)
Newton의 점성법칙
개념
- 유체 내에 발생하는 전단응력은 유체의 속도구배
(변형률)에 비례한다.
du

 
dy
du dy
Newton유체
- 점성계수  가 속도구배 du dy 에 관계없이 일정한
값을 갖는 유체
(예) 물, 공기, 기름
Newton의 점성법칙
비Newton유체
- 전단응력  와 속도구배 du dy 의 관계가 직선이 아닌
유체
(예) 점토수, 페인트(고분자 화합물), 혈액
- 종류
· Bingham 유체 :
전단응력의
증가폭이 일정한 유체
· Pseudoplatic 유체 : 전단응
력의 증가에 따라 응력의
증가폭이 감소(의사가소성
유체)
· Dilatant 유체 : 전단응력의
증가에 따라 응력의 증가폭
이 증가(팽창성 유체)
점성계수
점성계수(  ) [poise]
- 유체가 갖는 고유의 특성치, 유체의 점성에 관계되는
비례상수
dy
 
du
[kgf·s/m2]
동점성계수(  )



[cm2/s]
1poise = 100centipoise
= 1g/cm·s
= 1dyne·s/cm2
1stoke = 1cm2/s
= 10-4m2/s
= 100centistoke
점성계수
점도계
세관법
- 정밀한 점성계수를 측정할 때 이용
- Hagen-Poieulle의 법칙을 이용
- 종류
· 세이볼트(Saybolt) 점도계 : 미국, 유류의 점도 측정
· 레드우드(Redwood) 점도계 : 영국
· 엥글러(Engler ) 점도계 : 독일
· 바베이(Barbey) 점도계 : 프랑스
· 오스트왈드(Ostwald) 점도계 : 점도가 낮은 유체
회전원통법
- Newton의 점성법칙 이용
- 종류
· Mac Michael 점도계
· Stormer 점도계
낙구법
- Stokes 법칙 이용
표면장력(Surface Tension)
분자간 힘의 평형
(a) 내부액체분자 (b) 표면액체분자
기하구조와 표면적과의 관계(부피=16.38cm3)
표면장력(Surface Tension)
표면장력(Surface Tension, T or ) [kgf/m]
- 자유표면에서의 액체는 이웃 분자와의 접촉이 없기
때문에 즉, 인력이 존재하지 않기 때문에 자체의 표면
2

D
적을 축소하려는 힘이 존재
σ π D  P 
- 단위길이당 힘
4
P  D
- 물방울을 유지시키는 힘

4
- 소화에서 가장 중요한
물의 특성 인자
- 표면장력 ↑,
소화(냉각)효과 ↓
Wetting Agent(표면장력 감소제)
- 비누(계면활성제), 알콜, 산(acid) 등
모세관현상(Capillary Phenomenon)
모세관현상(capillary phenomenon)
- 액체 속에 모세관을 넣었을 때 관내의 액면이 외부의
자유표면보다 높거나 낮아지는 현상
- 부착력(adhesion force)과 응집력(cohesion force)의
상대적 크기에 영향을 받음
· 부착력 > 응집력 : 오목, 상승 (예) 물
· 부착력 < 응집력 : 볼록, 하강 (예) 수은
- 상승높이(Z)
4 cos 
Z
D
물
Z = 30/D
알콜
Z = 11.6/D
모세관현상(Capillary Phenomenon)
모세관현상(capillary phenomenon)
제2장
정수역학(Hydrostatics)
정수역학(Fluid Statics)
유체역학(fluid mechanics)
1. 유체 정역학(fluid statics) : 유체의 정적 평형상태 고려
2. 유체 동역학(fluid dynamics)
유체에 작용하는 힘
1. 체적력(body force) : 유체요소 체적에 작용(중력,
전자기력)
2. 표면력(surface force) : 유체요소 표면에 작용
수직력(압력), 접선력(전단력)
유체가 정적 평형상태에 있기 위해서 유체는 정지상태이
거나 움직이는 경우 근접한 다른 유체입자와의 상대운동
을 하지 않아야 한다. 속도구배가 없어야 하므로 점성응력
은 없다. 따라서 압력에 의한 힘과 자중 혹은 추가적인 외부
가속에 의한 체적력만이 유체에 작용한다.
압력(pressure)
정압의 성질
정압의 성질
- 유체의 압력은 작용면에 수직으로 작용 (a)
- 유체의 어느 한 점에 작용하는 압력은 모든 방향에 같은
크기로 작용 (b)
- 밀폐 용기의 유체에 가한 압력은 같은 세기로 모든 방향
으로 전달(Pascal의 원리) (c)
p1  p2 이므로 F1  F2
A1 A2
F1
F2
정지유체 내의압력변화
압력(Pressure)
절대압력 (Absolute pressure)
Pabs = Patm(대기압) + Pg(게이지 압력)
= Patm(대기압) - Pv(진공압력)
기출문제
진공압력이 40mmHg일 경우 절대압력은 몇 kPa인가?
(단, 대기압은 101.3kPa이다)
(2006년도 제1회 기사)
Solution
Pabs  Patm  Pv
 101.3  5.332  95.968  96
압력계(Pressure Gauge)
Bourdon 압력계
- 게이지압 및 진공압 측정
Aneroid 압력계
- 대기의 절대 압력을 측정
압력계(Pressure Gauge)
수은기압계(Mercury barometer)
- 대기압 측정
Pa  Pv  γh
액주계(manometer)
- 피에조미터(Piezometer) : 대기압보다 약간 높은 압력 측정
- 높이에 따른 압력의 변화를 이용
- 사용 액체 : 수은, CCl4, 물, 알코올, 기름 등
압력계(Pressure Gauge)
A점에서의 압력
PA  Pa  γh
Pa는 상대적으로 아주 적어 무시할
수 있으므로
PA  γh
낮은 압력을 측정할 때
PB  PC
 PA  γh
PA  γh  Pc  0
압력계(Pressure Gauge)
높은 압력을 측정할 때
PB  PC
PA  γ1h1  γ 2 h 2
 PA  γ 2 h 2  γ1h1
압력계(Pressure Gauge)
시차액주계(differential manometer)
- 관로 내의 두 점간의 압력차 측정
부력(Buoyancy)
부력(Buoyancy)
- 중력이 작용할 때 유체 속에 있는 정지물체가 유체로부터
받는 중력과 반대방향의 힘
- 아르키메데스(Archimedes)의 원리
B  W  γV
V[m3]
유체 내부의 압력
유체 내부의 압력
- 비중량 γ인 액체의 자유표면에서 깊이 h에 있는 점이 받는
압력
P  P0  γh
P  γh  0.1h
at P0  0
수두(head, H)
- 물 1kg이 지닌 에너지를 물의 높이로 나타낸 것
- 위치수두, 압력수두, 속도수두
H = h [m]
위치수두
H = P/ γ [m]
압력수두
전수두
H = V2/2g [m]
속도수두
제3장
동수역학(hydrodynamics)
유체에 미치는 힘
유체에 미치는 힘
(1) 중력에 의한 외력
(2) 각 지점 사이의 압력차로 인한 힘
(3) 관성력 : 질량과 가속도의 곱
(4) 마찰력 또는 전단력 : 점성
(5) 압축성에 의한 탄성력 (기체)
층류와 난류
층류(laminar flow)와 난류(turbulent flow)
- 층류 : 유체가 규칙적으로 층상을 이루어 흐르는 유동
(예) 주전자로부터 흘러나오는 꿀
- 난류 : 불규칙하게 난동을 이루며 흐르는 유동
흐름 내에 존재하는 와(eddy)에 기인
Reynolds Number
- 층류와 난류를 구분하는 지표
- 점성력에 대한 관성력의 비
관성력 ρVD VD
Re 


점성력
μ
ν
Re < 2,100 : 층류
2,100 < Re < 4,000 : 천이영역
Re > 4,000 : 난류
정상류와 비정상류
정상류(steady flow)
-유로 내의 임의점 P를 통과하는 유체가 흐름의 상태
(속도, 압력, 밀도, 온도 등)를 시간에 대하여 바뀌지 않고
연속해서 흐르고 있을 때의 흐름
u
p
ρ
T
 0,
 0,
 0,
0
t
t
t
t
정상류와 비정상류
비정상류(unsteady flow)
-유로 내의 임의점 P에서 유동이 시간에 따라 변할 때의
흐름
유선(Streamline)
유선(streamline)
- 유체의 흐름 속에 임의의 한 가상곡선을 그을 때, 그 곡선
상의 임의의 한 점에 대한 접선이 같은 점에서의 속도
벡터(유속) 방향과 일치할 때의 곡선
속도벡터
접선
유적선(Pathline)과 유맥선(Streakline)
유적선(pathline)
- 유체입자가 유동장을 지나면서 만드는 선이며, 유체입자
의 유동 경로를 나타냄
유맥선(streakline)
- 어느 특정한 점을 지나는(통과한) 입자들의 궤적
유관(streamtube)
- 작은 폐곡면 속을 관통하는 유선의 다발
정상유동에서는 유선, 유적선 및 유맥선이 일치
연속방정식(Continuity Equation)
연속방정식
- 주어진 유로를 통하여 흐르는 유체의 질량 유량은
질량보존 법칙에 따라 일정
ρ1A1ds1  ρ2A2ds2
ds1
ds 2
ρ1A1
 ρ2A 2
dt
dt
단면 BB’ 사이의 유체질량이 미소
시간 dt 동안에 단면 CC’으로 이동
한다고 가정
M  ρ1A1V1  ρ2 A2 V2
유관의 모든 단면을 지나는 질량유량은 항상 일정
연속방정식(Continuity Equation)
연속방정식
- 주어진 유로를 통하여 흐르는 유체의 질량 유량은
질량보존 법칙에 따라 일정
(1) 질량 유량 (mass flowrate)
M  ρ1A1V1  ρ2 A2 V2
(2) 중량유량 (weight flowrate)
G  γ1A1V1  γ 2A2 V2
(3) 체적유량 (volumetric flowrate)
Q  A1V1  A2V2
유체 내부의 압력
유체 내부의 압력
- 비중량 γ인 액체의 자유표면에서 깊이 h에 있는 점이 받는
압력
P  P0  γh
P  γh  0.1h
at P0  0
수두(head, H)
- 물 1kg이 지닌 에너지를 물의 높이로 나타낸 것
- 위치수두, 압력수두, 속도수두
H = h [m]
위치수두
H = P/ γ [m]
압력수두
전수두
H = V2/2g [m]
속도수두
베르누이의 정리(Bernoulli’s Theorem)
베르누이의 정리(Bernoulli’s theorem)
- 이상유체의 흐름에서 압력수두, 속도수두, 위치수두의
합은 언제나 일정하고 그 값은 보존된다.
P V2
H 
 Z  Constant
γ 2g
V12
P2 V22

 Z1  
 Z2
 2g
 2g
(1)식의 양변에 γ 를 곱하면
(1)
P1
(2)
γV 2
P
 γZ  Constant
2g
(3)
베르누이의 정리(Bernoulli’s Theorem)
만약 유체가 기체라면 γ 는 매우 작으므로 무시할 수 있기
때문에
γV 2
P
 Constant  Pt
2g
 Pt  Pd  Ps
전압  동압  정압
• 베르누이 정리가 적용되는 조건
1. 임의의 두 점은 같은 유선상에 있을 것
2. 정상유동(steady flow)
3. 이상 유체의 흐름
4. 비압축성 유체의 흐름
(4)
(5)
(6)
베르누이 정리의 응용
토리첼리의 정리(Torricelli’s theorem)
- 수면에서 깊이 h인 탱크 측벽에 뚫린 작은 hole에서의
유출속도 정의
- 유도
2
1
0
0
2
2
P1 V
P2 V

 Z1  
 Z2
γ 2g
γ 2g
 V2  2gh
0
베르누이 정리의 응용
피토관(Pitot tube)
- 전압(정체압력; stagnation pressure)
또는 총압 측정
- 유속 측정
- 유도
2
1
0
2
2
0
P1 V
P2 V

 Z1  
 Z2
γ 2g
γ 2g
γV12
 P2  P1 
2g
0
베르누이 정리의 응용
벤튜리미터(Venturi meter)
- 유량 또는 유속 측정
1
P1 V12 P2 V22

 
γ 2g γ 2g
Q  A1V1  A2V2
2
V2 
1
 A2 
1   
 A1 
2
 P1  P2 

2 g 
  
베르누이 정리의 응용
벤튜리미터(Venturi meter)
- 유량 또는 유속 측정
 Q  A 2 V2 

A1 A 2
A12  A 22
A2
 A2 

1  
 A1 
2
 P1  P2 

2g
 γ 
 P1  P2 

2g
 γ 
베르누이 정리의 응용
오리피스(orifice)
- 유량 또는 유속 측정
• Cv : 속도계수
• Cc : 수축계수 = Ac / A
• Cd : 유량계수 = Cc · Cv
V  Cv 2gh
Q  Cd A 2gh
제4장 원관 유동에서의
마찰손실수두
층류와 난류
층류(laminar flow)와 난류(turbulent flow)
- 층류 : 유체가 규칙적으로 층상을 이루어 흐르는 유동
(예) 주전자로부터 흘러나오는 꿀
- 난류 : 불규칙하게 난동을 이루며 흐르는 유동
흐름 내에 존재하는 와(eddy)에 기인
Reynolds Number
- 층류와 난류를 구분하는 지표
- 점성력에 대한 관성력의 비
관성력 ρVD VD
Re 


점성력
μ
ν
Re < 2,100 : 층류
2,100 < Re < 4,000 : 천이영역
Re > 4,000 : 난류
레이놀즈수
Reynolds Number
- 층류와 난류를 구분하는 지표
- 점성력에 대한 관성력의 비
레이놀즈수
Reynolds Number
- 층류와 난류를 구분하는 지표
- 점성력에 대한 관성력의 비
Re < 2,100 : 층류
2,100 < Re < 4,000 : 천이영역
Re > 4,000 : 난류
수평 원형관 내의 층류 유동
에너지손실
1. 마찰 손실 : 관의 길이에 의한 손실
2. 국부손실 : 각종 부속품에 의한 손실
원관 속의 층류 유동
- Hagen – Poiseuille 법칙
1 dP 2 2
U (속도분포)  
(R  r )
4 ds
U max
R 2 dP

4 ds
U max PR 2
V (평균속도 ) 

2
8l
수평 원형관 내의 층류 유동
128lQ 32 lV
P(압력강하 ) 

4
D
D2
ΔP 32LV
ΔH( 마찰손실수두 ) 

γ
γD 2
ΔPπD 4
Q(유량) 
128L
관과 호스에서의 마찰손실
Chezy 식
V  Cr 0.63S 0.54  0.0010.04
Darcy – Weisbach 식
- 수평원관에서의 마찰손실 계산(정상류의 원형 직관)
- f(관마찰계수) : Re와 조도(roughness)와의 함수
64
f 
Re
LV
32 μLV
hL  f

D 2g
γD 2
2
관과 호스에서의 마찰손실
Hazen – Williams 식
6.174 105  Q1.85
ΔPm 
C1.85  D 4.87
- C(조도)
· 흑관, 주찰관(건식, 준비작동식) : 100
· 흑관(습식, 일제살수식) : 120
· 아연도금관 : 120
· 동관 : 150
Fanning 식
- 난류의 원형 직관
L V2
hL  f
,
4m 2g
0.3164
f 4
(3,000  Re  105 )
Re
부차적손실(Minor Loss)
부차적 손실(minor loss, 미소손실, 국부손실)
- 관이음새나 밸브에서 유동방향의 변경, 유로 단면적 확대,
축소로 인해 발생되는 손실
V2
hL  K
2g
- 급확대관에서의 손실
(V1  V2 ) 2
hL 
2g
2
 A1  V12
V1

h L  1 
K
2g
 A 2  2g
부차적손실(Minor Loss)
- 급축소관에서의 손실
2
V2
V1
A1
Ac
 1
 V22
V22
h L  
 1
K
2g
 C c  2g
A2
- 관 부속품의 부차적 손실
Le V 2
V2
hL  K
f
,
2g
D 2g
KD
Le 
f
수력경사선과 에너지선
수력 경사선(Hydraulic grade line, 동수 경사선)
위치수두 Z + 압력수두 P/r을 맺은 선
에너지선(Energy line, EL)
P V2
 
 Z 을 맺은 선
r 2g
제5장 운동량 법칙
관로에 미치는 힘
관로에 미치는 힘
2
2
γA1Q  A1  A 2 


F
2g  A1A 2 
예제
지름이 12cm인 소방호스에 노즐구경이 4cm 노즐팁이 붙어
있고 3m3/min의 물을 대기 중으로 방수할 경우 다음 물음에
답하시오. 단, 운동에는 마찰이 없는 것으로 한다.
(1) 소방호스의 평균 유속을 구하시오. [m/s]
(2) 소방호스에 연결된 방수 노즐의 평균 유속을 구하시오.
[m/s]
(3) 노즐을 소방호스에 부착시키기 위한 플랜지볼트에
작용하고 있는 힘(F1)을 구하시오.[N]
관로에 미치는 힘
Solution
(1) 소방호스의 평균 유속을 구하시오. [m/s]
Q = AV 이므로
Q
3 60
V1 

 4.42  4.5 [m/s]
A1 π (0.12) 2
4
(2) 소방호스에 연결된 방수 노즐의 평균 유속을 구하시오.
[m/s]
Q
3 60
V2 

 39.8 [m/s]
A 2 π (0.04) 2
4
관로에 미치는 힘
(3) 노즐을 소방호스에 부착시키기 위한 플랜지볼트에
작용하고 있는 힘(F1)을 구하시오.[N]
γA1Q
F
2g
2
 A1  A 2 


 A1A 2 
2
π
2  3 
1000  (0.12)   
4
 60 

2  9.8
2
π
π
2
2 
(0.12)

(0.04)


4
4

 π (0.12) 2  π (0.04) 2 


4
4

 722.16 [kg f ]  7077 [N]
2
제6장 펌프
펌프의 종류
펌프의 종류
Volute Pump
원심
Turbine Pump
터보형
사류
축류
펌프
용적형
특수형
원심펌프
원심펌프(centrifugal pump)
- 고속회전이 가능하고, 소형 경량이며 구조가 간단
- 취급이 용이할 뿐만 아니라 효율이 높고 맥동이 작다
(1) 종류
- 벌류트펌프 : 안내깃(guide vane)이 없으며 임펠러가
직접 물을 케이싱으로 유도하는 펌프
저양정, 고유량 펌프에 사용
- 터빈펌프 : 안내깃이 있어 임펠러 회전 운동시 물을
일정하게 유도하는 펌프
고양정, 저유량에 적합
펌프의 구조
펌프의 구조
1. 하부흡입 케이싱
2. 임펠러(impeller)
3. 축
4. Wearing ring
5. Sealing
6. 베어링
원심 벌류트 펌프
펌프의 양정
펌프의 양정
펌프의 동력
펌프의 동력
(1) 수동력(water horse power, Lw)
- 순수 액체에 공급하는 동력
γHQ
Lw 
[PS]
75
γHQ
Lw 
[HP]
76
γHQ
Lw 
[kW]
102
(2) 축동력(shaft horse power, Ls)
- 펌프를 운전하는데 필요한 동력
γHQ
Ls 
[PS]
75
γHQ
Ls 
[HP]
76
γHQ
Ls 
[kW]
102
펌프의 동력
펌프의 동력
(3) 전동기 용량(P)
0.222HQ
P
K[PS]
η
• 1[PS] = 735.5W (미터계)
• 1[HP] = 746W (영국)
0.219HQ
P
K[HP]
η
0.163HQ
P
K[kW]
η
• PS(Pferde – Starke, 프랑스)
• 1[PS] : 75kg의 물건을 1초 동안에
들어올리는 힘
• HP(Horse Power, 영국)
• 1[HP] : 말이 1시간에 하는 일
상사법칙(Affinity Law)
상사법칙(affinity law)
- 동일 펌프의 임펠러 직경 및 회전수의 변화에 따른
유량, 양정, 동력을 예측
3
1
2
2
5
3
 D2   N2 
  

Q 2  Q1  
 D1   N1 
 D2   N 2 
  

H 2  H1  
 D1   N1 
 D2   N 2 
  

L 2  L1  
 D1   N1 
비속도
비속도(ns)
- 한 회전차를 형상과 운전상태를 상사하게 유지하면서
그 크기를 바꾸어 단위송출량에서 단위양정을 내게
할 때 그 회전차에 주어져야 할 회전수를 처음 회전차의
비속도라고 한다.
- 비속도가 같은 회전차는 모두 상사형
- 회전차의 형상을 나타내는 척도
- 펌프 성능을 나타내거나 최적 회전수를 결정하는데 이용
N Q
ns 
(H/n) 3/4
비속도
(예제)
회전속도 3600[rpm], 전양정 128[m]에 대하여 1.228[m3/min]
의 수량을 내는 펌프가 필요하다. 비속도가
ns = 180 – 260[m3/min·m·rpm]의 범위에 속하는 다단펌프
로서 위의 용량을 만족시키기 위해서는 몇 단의 펌프로
해야 하는가?
N Q 3600 1.228
n s  3/4 
 104.8
3/ 4
H
(128)
(1단)
N Q 3600 1.228
n s  3/4 
 176.3
3/ 4
H
(128 / 2)
(2단)
N Q 3600 1.228
n s  3/4 
 239
3/ 4
H
(128 / 3)
(3단)
펌프의 성능곡선
펌프의 성능곡선
펌프의 성능곡선
펌프의 성능곡선
NPSH
NPSH (net positive suction head, 흡입수두)
-공동현상이 일어나지 않는 NPSH를 수치로 나타낸 것
(1) NPSHav (available NPSH, 유효흡입수두)
- 흡입측의 배관 또는 시스템에 따라 정해지는 값
Pa Pv
NPSHav    h s  h L
γ γ
(2) NPSHre (required NPSH, 필요흡입수두)
- 임펠러 흡입구에서 속도수두의 상승, 유로의 갑작스런
축소, 흡입구에서의 마찰손실에 의해 일시적인 압력강
하가 발생하는데 이에 해당하는 수두
NPSHav  NPSHre 1.3
NPSH
펌프 설치 위치에 따른 NPSHav
NPSH
펌프 설치 위치에 따른 NPSHav
수격작용(Water hammer)
수격작용
(1) 정의
- 유체의 속도가 급변하면 유체가 가지고 있는 Ek가
Ep로 변하여 순간적으로 큰 압력 변화가 발생하는 현상
(2) 발생 원인
- 펌프의 순간적인 정지 및 기동
- 배관의 급격한 굴곡 및 밸브의 급격한 개폐
(3) 피해
- 충격파가 발생하여 소음 및 진동, 충격을 발생
- 배관 및 밸브의 손상으로 설비의 열화 및 기능 저하
수격작용(Water hammer)
수격작용
(4) 대책
- 밸브류의 급격한 개폐를 억제
- 관경을 확대시켜 관내의 유속을 저하시킴
- water hammer cushion을 설치
- fly wheel 설치
- 조압수조(surge tank) 설치
- air chamber 설치
- air valve 설치
공동현상(Cavitation)
공동현상
(1) 정의
- 펌프 내부에서 손실 양정이 증가하게 되면 압력이 국부
적으로 포화증기압 이하로 내려가 기포가 발생하는
현상
(2) 발생 원인
- 펌프의 흡입측 수두가 클 경우
- 펌프의 마찰손실이 클 경우
- 펌프의 흡입관경이 너무 작을 경우
- 이송하는 유체가 고온일 경우
- 펌프의 흡입압력이 유체의 포화증기압보다 낮을 경우
- 임펠러 속도가 지나치게 클 경우
공동현상(Cavitation)
공동현상
(3) 피해
- 토출측에서 기포가 파괴되면서 충격을 줌
- 고온, 고압의 충격파를 발생시켜 소음, 진동, 재료의
피로현상, 부식 등의 원인 제공
- 양수 감소 또는 양수 불능
(4) 대책
- 펌프의 흡입측 수두(실양정)을 짧게 한다.
- 펌프의 회전수를 작게 한다.
- 펌프의 흡입배관의 유속을 줄여 준다.
- 흡입배관의 마찰손실수두를 작게 한다.
- 흡입배관의 관경을 크게 한다.
공동현상(Cavitation)
공동현상과 NPSH
-NPSHre를 알게 되면 공동현상을 일으키지 않고 운전할 수
있는 펌프의 고정된 위치(수면 상의 높이)를 결정
NPSHav  NPSHre (발생한계)
NPSHav  NPSHre (발생하지 않음)
NPSHav  NPSHre 1.3 (설계시적용)
공동현상(Cavitation)
공동현상과 NPSH
맥동현상(Surging)
맥동현상
(1) 정의
- 저유량영역에서 압력, 유량이 주기적으로 변동하여
정상적인 운전이 불가능하게 되는 것
(2) 발생 원인
- 펌프의 특성곡선이 저유량영역에서 산형태일 경우
- 토출배관이 길고 배관 도중에 물탱크나 기체상태의
공기탱크가 있을 경우
- 유량조절밸브가 탱크의 뒤쪽에 있을 경우
맥동현상(Surging)
맥동현상
(2) 발생 원인
맥동현상(Surging)
맥동현상
(3) 대책
- 펌프의 특성곡선이 우하향 곡선을 갖는 펌프 사용
- 유량 조절 밸브를 토출측 직후에 설치
- 유량 조절 밸브를 수조나 압력탱크 앞쪽에 설치
- 배관 중에 수조 또는 기체상태인 부분이 존재하지
않도록 설계