🌊 일반기계기사 필기 정리 – 유체역학 (2025년 최신판)
1. 유체의 성질
● 기본 성질
항목 정의 및 단위
| 밀도 ρ | 단위 부피당 질량 (kg/m³) |
| 비중량 γ | 단위 부피당 중량 (N/m³) → γ = ρg |
| 비체적 v | 단위 질량당 부피 (m³/kg) |
| 점도 μ | 유체의 끈적거림(내부저항), 동점도 ν = μ/ρ |
| 압축성 | 체적 변화 가능성, 기체는 크고 액체는 작음 |
| 표면장력 | 분자 간 인력에 의한 경계면 힘 |
기출 포인트
- 동점도 = 점도 / 밀도
- 비중량과 밀도 구분
- 압축성 큰 유체 = 기체
2. 유체의 정역학 (정지 유체)
● 정수압
수면에서 깊이 z에 있는 점의 압력:
P = P₀ + ρgz
- P₀: 대기압, ρ: 밀도, g: 중력가속도
● 절대압력 & 게이지압력
- 절대압 = 대기압 + 게이지압
- 진공압 = 대기압 - 절대압
● 파스칼 법칙
폐쇄된 유체는 외부에서 가한 압력을 모든 방향에 동일하게 전달
● 부력 (Archimedes' Principle)
유체에 잠긴 물체는 유체에 의해 밀려난 부피에 해당하는 부력 = ρgV를 받음
기출 포인트
- 압력 계산 (수두차, 깊이차)
- 게이지압 vs 절대압 구분
- 부력 계산 문제
3. 유체의 운동 (유동해석)
● 연속방정식 (질량 보존 법칙)
A₁V₁ = A₂V₂
- 단면적이 작아지면 속도는 증가
- 비압축성 유체 기준 (ρ 고정)
● 베르누이 정리 (에너지 보존)
마찰 없고 정상 흐름일 때 유체의 위치, 속도, 압력 에너지는 일정
P/ρg + V²/2g + z = constant
● 오리피스 & 벤튜리미터
- 오리피스: 좁은 구멍 → 유속 증가, 정압 감소
- 벤튜리미터: 흐름 속도 측정용 → ΔP로 계산
기출 포인트
- 연속방정식으로 속도 계산
- 베르누이 식 변형 문제
- 유량 계산: Q = AV
- 유량차로 속도 구하기 문제 출제
4. 유체의 마찰 및 손실
● 마찰손실
- 헤드 손실 hf: 파이프 벽면 마찰로 인한 손실
- 다윈 공식 (Darcy-Weisbach)
hf = f (L/D) × V² / (2g)
- f: 마찰계수, L: 파이프 길이, D: 지름
● 손실 종류
손실 설명
| 직선손실 | 마찰로 발생, 길이에 비례 |
| 국부손실 | 밸브, 곡관 등에서 발생 |
| 총 손실 | hf + 국부손실의 합 |
기출 포인트
- 마찰손실 공식 적용 문제
- 단면 변화, 곡관 등 국부손실 유도
5. 차원해석과 무차원수
● 기본 차원
- 질량 [M], 길이 [L], 시간 [T], 온도 [θ]
● 주요 무차원수
이름 기호 의미
| 레이놀즈수 | Re = ρVD/μ | 층류 vs 난류 판별 기준 |
| 프루드수 | Fr = V / √(gL) | 중력 지배 흐름 |
| 웨버수 | We = ρV²L/σ | 표면장력 중요도 |
| 마하수 | Ma = V / c | 압축성 영향 |
기출 포인트
- Re < 2000: 층류 / Re > 4000: 난류
- Fr, We, Ma 해석형 문제
6. 펌프와 터빈
● 펌프(Pump)
- 송수기계: 기계적 에너지 → 유체의 위치/속도 에너지로 전달
- 종류:
- 원심펌프: 회전날개 이용, 대유량 저양정
- 왕복펌프: 피스톤 왕복운동, 고양정 소유량
● 수두와 효율
- 양정 H: 펌프가 올릴 수 있는 높이
- 수력효율:
η = ρgQH / P
● 터빈(Turbine)
- 수차기계: 유체 에너지 → 기계적 회전력
- 종류:
- 펠톤(충격형): 고낙차 소유량
- 프란시스(반응형): 중낙차 중유량
- 카플란: 저낙차 대유량
기출 포인트
- 펌프/터빈 종류별 조건
- 효율 계산
- 왕복 vs 원심펌프 비교
7. 유체력 및 운동량 방정식
● 운동량 방정식
ΣF = ρQ(V₂ - V₁)
- 노즐, 벽에 작용하는 힘 계산
- 방향성에 주의 (x, y축 분리)
● 정압력 중심
물체에 작용하는 합력의 작용점은 정압력 중심에서 발생
- 넓은 면일수록 아래에 위치
- 삼각형 수두분포 → 정압 중심은 중심보다 아래
기출 포인트
- 벽에 작용하는 힘 = 압력 × 면적
- 운동량 정리 = 제트노즐, 방향 변환 문제
✅ 암기 요약 정리
- 연속방정식: A₁V₁ = A₂V₂
- 베르누이: P/ρg + V²/2g + z = constant
- 마찰손실: hf = f(L/D)V² / 2g
- 펌프 효율: η = ρgQH / P
- 레이놀즈수: Re = ρVD/μ → 층류/난류 구분
- 부력: 부피 × 밀도 × 중력
- 압력: P = ρgh (단순 압력)
- 운동량 방정식: ΣF = ρQΔV