Monday, June 29, 2026

Hagen-Poiseuille식과 Darcy-Weisbach식을 이용하여 층류흐름의 마찰계수 (f=\dfrac{64}{Re})를 유도하고, 층류에서 압력손실과 유속과의 상관관계를 설명하시오.



1. 서론

배관 내 유체의 압력손실은 소방설비의 수리계산 및 펌프 용량 산정에 필수적인 요소이다. 특히 **층류(Laminar Flow)**에서는 점성력이 지배적이므로 Hagen-Poiseuille식으로 압력손실을 구할 수 있으며, 일반적인 배관손실식인 Darcy-Weisbach식과 비교하여 층류의 마찰계수 **(f=\dfrac{64}{Re})**를 유도할 수 있다. 또한 층류에서는 압력손실이 유속에 비례하는 특징을 가진다.


2. 층류의 개요

(1) 층류(Laminar Flow)

  • 유체 입자가 서로 혼합되지 않고 층을 이루며 흐르는 유동

  • 점성력(Viscous Force)이 지배적

  • Re < 2,000에서 발생

  • 속도분포는 포물선(Parabolic Velocity Profile)


(2) 층류의 특징

  • 점성의 영향이 큼

  • 유속이 낮음

  • 압력손실이 비교적 작음

  • 마찰계수는 Reynolds 수에만 의존


3. Hagen-Poiseuille식

원형관 내 층류에서의 압력손실은 다음과 같다.

[
\Delta P=\frac{32\mu LV}{D^2}
]

또는

[
h_f=\frac{32\mu LV}{\rho gD^2}
]

여기서

  • (\mu) : 점성계수(Pa·s)

  • (L) : 관길이(m)

  • (V) : 평균유속(m/s)

  • (D) : 관경(m)


4. Darcy-Weisbach식

관마찰에 의한 압력손실은

[
\Delta P=f\frac{L}{D}\frac{\rho V^2}{2}
]

또는

[
h_f=f\frac{L}{D}\frac{V^2}{2g}
]

여기서

  • (f) : Darcy 마찰계수

  • (\rho) : 유체밀도


5. 층류의 마찰계수 유도

Hagen-Poiseuille식과 Darcy-Weisbach식을 동일한 압력손실로 놓으면

[
\frac{32\mu LV}{D^2}

f\frac{L}{D}\frac{\rho V^2}{2}
]

양변에서 (L)을 소거하면

[
\frac{32\mu V}{D^2}

f\frac{\rho V^2}{2D}
]

정리하면

[
64\mu

f\rho VD
]

Reynolds 수는

[
Re=\frac{\rho VD}{\mu}
]

이므로,

[
\boxed{
f=\frac{64}{Re}
}
]

즉, 층류의 Darcy 마찰계수는 Reynolds 수에만 반비례하며, 관의 조도와는 무관하다.


6. 층류에서 압력손실과 유속의 상관관계

Hagen-Poiseuille식에서

[
\Delta P

\frac{32\mu LV}{D^2}
]

즉,

[
\boxed{\Delta P \propto V}
]

따라서 층류에서는 압력손실이 유속에 1차 비례한다.

반면 Darcy-Weisbach식을 이용하여 확인하면,

[
\Delta P

f\frac{L}{D}\frac{\rho V^2}{2}
]

층류에서는

[
f=\frac{64}{Re}

\frac{64\mu}{\rho VD}
]

이를 대입하면

[
\Delta P

\frac{64\mu}{\rho VD}
\cdot
\frac{L}{D}
\cdot
\frac{\rho V^2}{2}

\frac{32\mu LV}{D^2}
]

즉,

[
\boxed{\Delta P \propto V}
]

임을 다시 확인할 수 있다.


7. 층류와 난류의 비교

구분층류난류
Reynolds 수Re < 2,000Re > 4,000
지배력점성력관성력
마찰계수(f=\dfrac{64}{Re})Colebrook식, Moody선도
압력손실(h_f \propto V)(h_f \propto V^2)
속도분포포물선평탄한 분포
조도 영향없음큼

8. 소방설비에서의 적용

  • 옥내소화전 및 스프링클러 배관은 대부분 난류 영역으로 Darcy-Weisbach식 또는 Hazen-Williams식을 적용한다.

  • **점도가 큰 소화약제(포소화약제, 일부 특수약제)**나 저유속 배관에서는 층류가 발생할 수 있으므로 Hagen-Poiseuille식이 적용된다.

  • 층류의 마찰계수 (f=\dfrac{64}{Re})는 수리계산의 기본식으로, 소방펌프의 양정 및 배관 손실 산정의 기초가 된다.


9. 결론

층류에서는 Hagen-Poiseuille식과 Darcy-Weisbach식을 연계하여 **Darcy 마찰계수 (f=\dfrac{64}{Re})**를 유도할 수 있으며, 마찰계수는 Reynolds 수에만 반비례하고 관의 조도에는 영향을 받지 않는다. 또한 층류에서는 압력손실이 유속에 1차 비례하는 반면, 난류에서는 유속의 제곱에 비례하므로 유동 상태에 따른 적절한 손실식의 적용이 중요하다.

기술사 답안 핵심 포인트:
① Hagen-Poiseuille식 제시 → ② Darcy-Weisbach식 제시 → ③ (f=\dfrac{64}{Re}) 유도과정 전개 → ④ 층류에서 (\Delta P \propto V), 난류에서 (\Delta P \propto V^2) 비교 → ⑤ 소방 배관 수리계산 적용성을 연결하여 서술하면 고득점 답안 구성이 가능하다.

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