기계공학은 역학(力學, mechanics)을 응용하는 학문분야이며, 유체를 해석의 대상으로
하는 역학이 유체역학(流體力學, fluid mechanics)이다. 유체역학은 일상생활에서 뿐만 아
니라 거의 모든 기계와 산업현장의 광범위한 분야에서 응용되는 예를 볼 수 있다. 또한
기계설비분야는 물이나 공기와 같은 유체와 밀접한 관계가 있으며, 대부분의 기계설비를
설계하기 위해서는 유체에 관한 해석이 매우 중요하다. 그러므로 유체역학은 기계설비에서
가장 기본이 되는 과목이며, 또한 토목공학, 항공공학, 화학공학, 조선공학, 자동차공학, 해
양공학 등에서도 중심이되는 필수적인 학문분야이다. 유체역학은 고전물리학으로부터 발전
하여 현대에는 컴퓨터의 진보와 함께 전산유체역학(computational fluid dynamics)이 급속
히 발달하여 예전에는 불가능하였던 복잡하고 3차원적인 유동관련현상의 연구와 계산이
가능하게 되었다.
이 책에서는 기계설비분야에 필요한 유체역학을 쉽게 이해할 수 있도록 물리학적 개념
과 수학적 표현을 설명하려고 노력하였다.
단위는 국제단위인 SI단위를 기본으로 하였지만 실제 산업현장에서는 중력단위를 많이
사용하고 있으므로, 이 책에서는 이러한 점을 고려하여 단위를 다루었다.
이 책이 기계설비공학도에게 좋은 교재가 되기를 바라지만 미흡한 점이 많을 것으로 사
료되며 계속해서 수정 보완해 나가도록 하겠다.
끝으로 이 책을 출판해 주신 도서출판 아진의 사장님과 직원여러분께 감사드립니다.
2010년 3월 저자
제1장 서론
1.1 유체의 정의 1
1.2 유체역학 1
1.3 차원과 단위 2
1.3.1 차원 (Dimensions) 2
1.3.2 단위(Units) 2
1.3.3 주요 물리량의 단위 3
1.4 유체의 성질 10
1.4.1 압축성(Compressibility) 10
1.4.2 점성(Viscosity) 12
1.5 기체의 상태변화 17
1.6 표면장력과 모세관현상 18
1.6.1 표면장력 18
1.6.2 모세관 현상 19
1.7 유체 유동의 분류 20
제2장 유체 정역학
2.1 개요 27
2.2 정지유체내의 힘과 압력 27
2.3 압력 28
2.3.1 압력의 정의 28
2.3.2 압력의 성질 28
2.3.3 Pascal의 원리 30
ⅳ 설비 유체역학
2.3.4 압력의 단위 31
2.4 유체정역학의 기본방정식 33
2.4.1 정지유체내에서 압력의 변화 33
2.4.2 비압축성 유체(Incompressible Fluids) 34
2.4.3 압축성 유체(Compressible Fluids) 34
2.5 액주계(Manometer) 36
2.5.1 피에조미터(Piezometer) 37
2.5.2 U자관 액주계 37
2.6 유체 속에 잠겨있는 면에 작용하는 힘 39
2.6.1 수평면에 작용하는 힘 39
2.6.2 수직면에 작용하는 힘 40
2.6.3 경사면에 작용하는 힘 41
2.7 부력과 부양체 44
2.7.1 부력 44
2.7.2 부양체의 안정성 45
2.8 운동하는 유체의 상대적 평형 46
2.8.1 선형 등가속도 운동 47
2.8.2 등속 회전운동 49
제3장 검사체적법에 의한 유동해석
3.1 유체 유동의 해석방법 59
3.2 유동에 관한 기초법칙 60
3.2.1 질량보존 법칙(연속방정식) 60
3.2.2 Newton의 운동 제2법칙(운동량방정식) 61
3.2.3 에너지보존법칙(에너지방정식) 62
3.2.4 열역학 제2법칙(엔트로피 증가의 법칙) 62
3.3 레이놀즈 수송정리 63
3.4 연속방정식 (Continuity Equation) 65
3.5 운동량 방정식 (Momentum Equation) 66
3.6 에너지 방정식 (Energy Equation) 67
차례 ⅴ
제4장 유체유동에 관한 미분해석법
4.1 벡터연산자를 이용한 표현 77
4.1.1 벡터 연산자 (Operator of Vector) 77
4.2 속도장의 표현 79
4.3 유체요소의 운동과 변형 82
4.3.1 이동 (Translation) 83
4.3.2. 변형 (Deformation) 84
4.3.3 회전 (Rotation) 86
4.3.4 순환 87
4.4 연속 방정식 91
4.4.1 1차원유동에 관한 연속방정식 91
4.4.2 3차원 유동에 관한 연속방정식 92
4.5 운동량 방정식 (Momentum Equation) 94
4.5.1 유체입자에 작용하는 힘 94
4.5.2 표면력과 응력 (Surface force and Stress) 95
4.6 비점성 유동 97
4.6.1 Euler의 운동방정식 97
4.7 점성 유동 100
4.7.1 응력과 변형율 100
4.7.2 Navier-Stokes 방정식 (Navier-Stokes' Equation) 102
4.8 난류유동(Turbulent Flow) 105
4.8.1 난류와 속도 105
4.8.2 Reynolds의 운동방정식과 Reynolds응력 107
4.8.3 Prandtl의 혼합거리 이론 110
제5장 운동량정리와 베루누이정리
5.1 운동량정리와 응용 115
5.1.1 선형 운동량 방정식(Momentum Equation) 115
5.1.2 각운동량 방정식 117
5.1.3 분류가 평판에 작용하늩 힘 118
5.2 베르누이정리와 응용 131
5.2.1 베르누이방정식 131
ⅵ 설비 유체역학
5.2.2 베르누이방정식의 응용 133
제6장 차원해석과 상사법칙
6.1 차원해석 151
6.1.1 차원과 차원해석 151
6.1.2 Buckingham의 정리 155
6.2 상사법칙 158
6.2.1 상사법칙의 조건 158
6.2.2 무차원수 160
제7장 관내의 유동
7.1 원관내의 유동 167
7.1.1 원관에서 층류와 난류 167
7.1.2 입구영역에서의 유동 168
7.2 원관 입구에서의 유동 168
7.2 원관내의 점성층류유동(Hagen-Poiseuile법칙) 169
7.3 관내의 손실에너지(Loss Energy in Pipe) 173
7.3.1 관마찰 손실 173
7.3.2 부차적 손실(Minor Loss) 178
7.4 상당길이(Equivalent Length) 186
7.5 관로계의 손실 186
7.5.1 직렬 관로계의 총손실 186
7.5.2 병렬 관로계의 총손실 187
제8장 경계층 이론과 외부유동
8.1 경계층이론 195
8.2 경계층 두께 197
8.2.1 경계층 두께 (Boundary Layer Thickness) 197
8.2.2 배제두께 (Displacsment Thickness) 197
8.2.3 운동량 두께 (Momentum Thickness) 198
8.2.4 소산에너지두께 199
차례 ⅶ
8.3 경계층내의 속도분포 200
8.4 경계층의 방정식 202
8.5 Von Karman의 적분형 운동량 방정식 202
8.6 박리와 후류 204
8.7 항력과 양력 207
8.7.1 익형이론 207
8.7.2 항력 211
8.7.3 양력 213
제9장 압축성 유동
9.1 완전기체에 관한 열역학적 관계식 219
9.2 음속(압력파의 전파속도) 221
9.3 Mach 수 224
9.4 단면적이 변화하는 관내의 압축성유동 227
9.5 이상기체의 등엔트로피 유동 229
9.5.1 압축성유동의 에너지방정식 229
9.5.2 정체상태 230
9.5.3 임계조건 231
9.5.4 질량유량 233
제10장 유체기계
10.1 유체기계의 정의와 분류 237
10.2 펌프 238
10.3 원심펌프 239
10.3.1 원심펌프의 구조 239
10.3.2 원심펌프의 분류 240
10.4 양정(Head) 241
10.5 상사법칙(Similitude) 243
10.6 비속도와 회전차의 형식 246
ⅷ 설비 유체역학
10.6.1 비속도(Specific Speed) 246
10.6.2 비속도와 회전차의 형식 248
10.7 동력과 효율 249
10.8 캐비테이션(Cavitation) 250
10.9 수격현상(Water Hammer) 255
10.9.1 수격현상의 개요 255
10.9.2 수격현상의 영향과 제어장치 255
10.9.3 수격현상에 의한 상승압력 256
부록 A
부록 B
부록 C
