부차적 손실

정의

부차적 손실은 관마찰 외에 관로 형상이 바뀌는 곳에서 생기는 수두 손실이다.

관의 입구와 출구, 단면 변화, 곡관, 밸브, 이음쇠가 대표적인 위치다.

소방 펌프의 전양정을 계산할 때는 주손실과 함께 반드시 더해야 한다.

발생 원리

관의 모양이 바뀌는 자리에서 물은 추가로 에너지를 잃는다.

굽은 곳이나 좁은 곳을 지나면 흐름이 벽에서 떨어진다. 이것이 유동 박리다.

떨어진 흐름은 소용돌이, 즉 와류를 만든다.

그 소용돌이에서 운동에너지가 열로 흩어지며 손실이 생긴다.

부차적 손실은 유동 방향과 단면이 급격히 바뀔 때 커진다.

정량 표현

먼저 손실계수 K를 쓰는 방법이다. 손실수두는 K에 속도수두를 곱해 구한다.

K는 무차원 손실계수이고, v는 기준이 되는 평균 유속이다.

둘째는 등가길이 방법이다. 부속품 손실을 같은 손실을 내는 직관 길이로 환산한다.

두 방법은 같은 현상을 다른 형식으로 나타낸 것이므로 답안에서 혼동하지 않는다.

구성요소별 손실 원인

부차적 손실은 관로의 부품과 유로 변화에서 생긴다. 대표 위치를 표로 본다.

관 입구와 출구에서는 유입과 방출 시 와류가 생긴다.

단면 변화부는 유속이 급변하고, 방향 변화부는 박리와 2차 유동이 원인이다.

밸브와 이음쇠는 유로가 좁아지고 방향이 바뀌므로 부품마다 K를 따로 잡아 합산한다.

계산 예

예로 내경 0.1m, 유속 3m/s인 배관을 생각해 보자. 중력가속도는 9.8m/s²다.

먼저 속도수두를 구한다. 3의 제곱을 2×9.8로 나누면 0.459m다.

여기에 엘보와 글로브밸브의 K를 합한 값을 곱하면 손실수두가 된다.

K 값은 부품별 제조사 값을 확인해 쓴다. 결과는 m 단위의 수두로 나타낸다.

헷갈리는 점

시험에서 자주 틀리는 부분이 몇 가지 있다. 먼저 기준 속도다.

확대관과 축소관에서 기준 속도를 혼동하면 계산 값이 크게 달라진다.

개별 K를 단순 합산하면 부속 사이의 상호작용을 놓쳐 과소평가가 될 수 있다.

짧은 배관에 부속이 몰리면 부차적 손실이 주손실보다 커질 수 있다.

정리

정리한다. 부차적 손실은 관로 형상 변화에서 생기는 에너지 손실이다.

식은 h_m = K·v²/2g이고, 표현 방법은 손실계수와 등가길이 두 가지다.

소방 펌프의 전양정 계산과 배관 구경 결정에 반드시 반영해야 한다.