피토관의 원리와 유량 계산
피토관은 정체압과 정압의 차인 동압을 이용해 유체의 속도를 구하는 압력측정장치다. 흐르는 물에 관을 정면으로 꽂으면 물이 멈추는 압력, 즉 정체압이 생긴다. 흐름이 빠를수록 정체압이 커지므로 그 차이로 속도를 계산한다. 먼저 원리를 그림으로 확인하자. 정체압은 유체가…
주요 장면
대본
피토관의 정의
피토관은 정체압과 정압의 차인 동압을 이용해 유체의 속도를 구하는 압력측정장치다.
흐르는 물에 관을 정면으로 꽂으면 물이 멈추는 압력, 즉 정체압이 생긴다.
흐름이 빠를수록 정체압이 커지므로 그 차이로 속도를 계산한다.
먼저 원리를 그림으로 확인하자.
정체압과 정압
정체압은 유체가 피토관 입구에서 속도 0이 될 때의 압력이다.
정압은 유동과 함께 움직이며 측정한 열역학적 압력이다.
베르누이 방정식을 같은 유선 위 두 점에 적용하면 정체압은 정압과 동압의 합이 된다.
두 압력의 차가 바로 동압이며, 동압은 속도에 의해 생기는 항이다.
유속 식 유도
정체압과 정압의 차를 이용하면 유속을 식으로 바로 구할 수 있다.
베르누이 식을 유속에 대해 정리하면 제곱근 형태의 식이 된다.
식의 각 기호는 정체압, 정압, 유체 밀도, 유속을 뜻한다.
측정할 때는 피토관 축이 유동 방향과 평행해야 한다. 어긋나면 오차가 커진다.
노즐 방수량 계산
노즐 선단 압력을 측정하면 같은 원리로 방수량을 계산할 수 있다.
압력 0.17MPa, 노즐 구경 13mm를 넣으면 유속은 약 18.4m/s다.
노즐 단면적 A를 구한 뒤 Q = C·A·v로 유량을 산출한다.
C는 노즐 계수이고, ㎥/s 결과에 6만을 곱하면 L/min이 된다.
헷갈리는 점과 정리
여기서 흔한 실수는 피토관과 피토정압관을 혼동하는 것이다.
피토관은 정체압만 받고, 피토정압관은 정체압과 정압을 함께 받아 동압을 구한다.
또 피토관 축이 유동 방향과 어긋나면 측정 압력이 커져 오차가 생긴다.
정리하면 유속은 동압에 2를 곱하고 밀도로 나눈 값의 제곱근이다.