답안서고 소방시설관리사

2018년 제18회 · 문제 1 물음 1 · 17점

벤츄리관 유량식 유도와 유량 계산

베르누이 정리·연속방정식·시차액주계로 벤츄리관 유량식 유도, D₁ = 150 mm, D₂ = 50 mm, 액주 높이차 200 mm(수은계 비중량 133,280 N/m³)일 때 유량

검증중 2026. 10. 22. 기준 2027년부터 1차 이동 (추정)
근거 조항 1개
  • 유체역학 기본식베르누이 정리, 연속방정식, U자관 시차액주계

원문: 국가법령정보센터

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문제

【문제 1】 다음 물음에 답하시오. (40점)

물음 1) 벤츄리관(Venturi tube)에 대하여 답하시오. (17점)

벤츄리관: 입구 직경 D₁ = 150 mm, 목 직경 D₂ = 50 mm, 아래에 U자 시차액주계(액주 높이차 h), 관 속 유체 비중량 γ = 9,800 N/m³, 액주계 액체 비중량 γ₀ = 133,280 N/m³

(1) 벤츄리관(Venturi tube)에서 베르누이 정리와 연속방정식 등을 이용하여 유량 구하는 공식을 유도하시오. (12점)

(2) 위 그림과 같은 벤츄리관(Venturi tube)에서 액주계의 높이차가 200 mm일 때, 관을 통과하는 물의 유량(m³/s)을 구하시오. (단, 중력가속도 = 9.8 m/s², π = 3.14, 기타 조건은 무시하며, 소수점 여섯째자리에서 반올림하여 다섯째자리까지 구하시오.) (5점)

핵심 키워드

  • 수평관 베르누이: P1−P2γ=V22−V122g\dfrac{P_1-P_2}{\gamma}=\dfrac{V_2^2-V_1^2}{2g}
  • 시차액주계: P1−P2=(γ0−γ)hP_1-P_2=(\gamma_0-\gamma)h
  • Q=A21−(A2/A1)22gh(γ0γ−1)Q=\dfrac{A_2}{\sqrt{1-(A_2/A_1)^2}}\sqrt{2gh\left(\dfrac{\gamma_0}{\gamma}-1\right)}

답안

(1) 유량 공식 유도

① 베르누이 정리(①: 입구, ②: 목, 수평이므로 Z1=Z2Z_1=Z_2, 손실 무시)

P1γ+V122g=P2γ+V222g  ⇒  P1−P2γ=V22−V122g\frac{P_1}{\gamma}+\frac{V_1^2}{2g}=\frac{P_2}{\gamma}+\frac{V_2^2}{2g} \;\Rightarrow\; \frac{P_1-P_2}{\gamma}=\frac{V_2^2-V_1^2}{2g}

② 연속방정식

Q=A1V1=A2V2  ⇒  V1=A2A1V2Q=A_1V_1=A_2V_2\;\Rightarrow\;V_1=\frac{A_2}{A_1}V_2

③ ②를 ①에 대입

P1−P2γ=V222g[1−(A2A1)2]  ⇒  V2=11−(A2/A1)22g(P1−P2)γ\frac{P_1-P_2}{\gamma}=\frac{V_2^2}{2g}\left[1-\left(\frac{A_2}{A_1}\right)^2\right] \;\Rightarrow\; V_2=\frac{1}{\sqrt{1-(A_2/A_1)^2}}\sqrt{\frac{2g(P_1-P_2)}{\gamma}}

④ 시차액주계: 액주계 하단 같은 높이의 압력이 같으므로

P1+γ(x+h)=P2+γx+γ0h  ⇒  P1−P2=(γ0−γ)hP_1+\gamma(x+h)=P_2+\gamma x+\gamma_0h\;\Rightarrow\;P_1-P_2=(\gamma_0-\gamma)h

⑤ 유량

Q=A2V2=A21−(A2A1)22gh(γ0γ−1)Q=A_2V_2=\frac{A_2}{\sqrt{1-\left(\dfrac{A_2}{A_1}\right)^2}}\sqrt{2gh\left(\frac{\gamma_0}{\gamma}-1\right)}

(실제 유량은 유량계수 CC를 곱한다. DD로 쓰면 A2A1=(D2D1)2\dfrac{A_2}{A_1}=\left(\dfrac{D_2}{D_1}\right)^2)

(2) 유량 계산

  • γ0γ−1=133,2809,800−1=12.6\dfrac{\gamma_0}{\gamma}-1=\dfrac{133{,}280}{9{,}800}-1=12.6
  • A2=3.144×0.052=0.0019625 m2A_2=\dfrac{3.14}{4}\times0.05^2=0.0019625\ \text{m}^2, A2A1=(50150)2=19\dfrac{A_2}{A_1}=\left(\dfrac{50}{150}\right)^2=\dfrac19
V2=2×9.8×0.2×12.61−(1/9)2=7.02850.99381=7.0717 m/sV_2=\frac{\sqrt{2\times9.8\times0.2\times12.6}}{\sqrt{1-(1/9)^2}}=\frac{7.0285}{0.99381}=7.0717\ \text{m/s} Q=0.0019625×7.0717=0.01388 m3/sQ=0.0019625\times7.0717=\textbf{0.01388 m}^3/\text{s}

근거

  • 벤츄리미터: 수평관 베르누이 정리와 연속방정식, U자관 시차액주계 압력 평형으로 유량식을 얻는다.

문제 출처: 한국산업인력공단(큐넷) 소방시설관리사 2차 시험지 — 공공누리 제1유형(출처표시). 답안은 이 사이트가 독자적으로 작성한 것으로, 공단의 공식 정답이 아닙니다.

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