02. 유체의 유량

학습 목표

•  평균 유속과 부분 유속을 측정하는 원리를 설명할 수 있다.

•  유량계의 원리와 종류를 설명할 수 있다.

02. 평균 유속과 부분 유속

(1) 평균 유속의 정의

•  유속 : 단위 시간에 이동한 거리 단위는 m/s
•  평균 유속(mean velocity) : 관의 단면상의 각점에서의 달라진 유속을 평균한 값

(2) 피토관(Pitot tube)에 의한 부분 유속 측정

•  국부 속도를 측정할 수 있는 장치
•  그림과 중심이 같은 2중 원관으로 되어 있으며, 외관의 끝부분에는 흐름이 수직으로 작은 구멍이 뚫여 있다. 따라서 내관에서는 유체운동의 동압, 외관에서는 정압을 측정하도록 되어 있고, 이것을 각각 마노미터의 두 끝에 연결하여 압력이 차를 읽음
•  흐름의 속도구배가 있을 경우 피토관의 위치에 따라 동압이 변할 것이므로 그 부분에서의 국부유속(local velocity)만을 측정

•  피토관은 보통 관로 내의 유속 분포의 측정에 사용되나, 설비가 간단하고 두손실도 적어서 직경이 큰 관의 유속 측정에 잘 이용된다. 특히 비행기의 속도, 수력 발전소의 수량 측정, 송풍기의 풍량 측정 등에 많이 사용
•  유체가 기체인 경우에는 일반적으로 동력이 적어져서 0.1 m/s 이하의 유속의 측정은 곤란

예제 Ⅱ-5)

22℃, 1atm에서 공기(밀도 1.21kg/m3)가 도간을 흐르고 있다. 피토관을 도관의 중심부에 설치하고 물을 봉액으로 한 U자관 마노미터의 차압을 읽으니 5.4cm 였다. 중심부의 풍속을 구하여라.

풀이)

예제 Ⅱ-6)

물이 흐르는 안지름 25mm 관로 중심에 피토관을 설치하고 피토관에 연결된 마노미터를 보니 압력 차이가 65.8mm였다. U자관 마노미터의 액은 사염화탄소(비중 1.6)였다. 평균 유속은 얼마인가?(단 온도는 무시한다.)

풀이)

(1) 관의 중심으로부터 유속(최대 유속)를 구하면

(2) 레이놀즈수를 구하면



(3) 난류 영역에서는 를 이용

(3) 유량 측정법

• 유량을 측정하는 일은 제조 프로세스를 조절하고 원활히 운전하는데 있어서 가장 기본적인 요건
• 화학 공장에서는 기체, 액체의 유량 측정이 중요
• 유량 측정 방법

• 직접법 : 유체의 용적과 질량을 직접 계량하는 방법 - 습식 가스미터, 피스톤형 수량계, 회전원판형 수량계
• 간접법 : 유속에 관계되는 다른 양을 측정해서 유량을 구하고 이로부터 유량을 산출하는 방법 - 오리피스 유량계, 노즐 유량계, 벤투리 유량계, 위어(weir)

벤투리 유량계(venturi meter)

•  단면적이 좁은 목(throat) 부분을 만들고 이곳에서 유속이 변하여 나타나는 압력 차이로부터 유량 측정
•  오리피스 유량계에 비하여 두 손실이 적어 계기로서는 이상적이나 설치하는 데 공간을 많이 차지하고 값이 비싼 점이 결점

• 두 점 사이의 높이가 같고 온도가 일정한 가운데 액체인 유체가 흐를 때의 에너지 수지는

 

이고 넓이 비를 이라 하면 평균 유속 는



따라서 이론 유량  (m³/s)

• 실제 유량은 유체가 흐르는 관 내의 마찰이나 저항 등의 손실이 있기 때문에 유량 계수()를 곱하여 보정

(m³/s)

:벤투리 유량 계수,  레이놀즈 수가 10,000이상이면 일반적으로 0.97 ~ 0.99

오리피스 유량계(orifice meter)

• 관 안에 오리피스가 있는 얇은 판을 설치하여, 유체를 통과하도록 장치

(m³/s)

• 는 오리피스 유량계수, 레이놀즈수에 따라 다른 값을 이지만 레이놀즈수가 30,000이상이면 0.61정도

로터미터(rometer)

• 측정하려는 유체가 밑으로부터 위로 올라가면 플로트(float)가 뜨게 되어 그 때 가리키는 눈금으로 유량 측정

• 사용하기는 매우 간단하나, 온도 및 압력의 영향을 받으며 값이 비싸고, 사용하는 유체의 종류와 상태에 따라 수시로 점검해야하는 결점