압력 헤드

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유체 역학에서 압력 헤드는 액체 기둥이 용기 밑면에 가하는 특정 압력에 해당하는 액체 기둥이 높이다. 정압 헤드 또는 단순한 정압 헤드(정압 헤드 압력은 아님)라고도 할 수 있다.

수학적으로 이것은 다음과 같이 표현된다.

${\displaystyle \p}{\frac {p}{\p}}={\frac {p}{\rho \g}}}$

어디에

ψ ${\displaystyle \psi}$은(는) 압력 헤드(실제 길이, 일반적으로 미터 또는 센티미터 단위의 물)

p $[\displaystyle p}$은(는) 유체 압력(즉, 단위 면적당 힘, 일반적으로 pascals로 표현됨)이다.

γ ${\displaystyle \gamma}$은(는) 특정 중량(즉, 단위 볼륨당 힘, 일반적으로 N/m³ 단위로 표현됨)

ρ ${\displaystyle \rho}$은(는) 유체의 밀도(즉, 단위 부피당 질량, 일반적으로 kg/m으로³ 표현됨)

g ${\displaystyle g}$은 중력에 의한 가속도(즉, m/s로 표현되는² 속도 변화율)이다.

이 방정식에서 압력 항은 용기의 설계 및 주변 공기에 개방되어 있는지 또는 공기 없이 밀봉되어 있는지에 따라 게이지 압력 또는 절대 압력일 수 있다는 점에 유의하십시오.

헤드 방정식

압력 헤드는 수압 헤드의 구성 요소로, 수압 헤드와 결합된다. 동적(흐름) 시스템을 고려할 때 세 번째 용어인 속도 헤드가 필요하다. 따라서, 속도 헤드, 고도 헤드 및 압력 헤드의 세 항은 버누이 방정식에서 도출된 압축 불가능한 유체에 대해 다음과 같이 나타난다.

${\displaystyle h_{v}+z_{\text{elevation}+\psi =Gu\,}$

압력 헤드의 실제 사용

유체 흐름은 다양한 기기로 측정한다. 왼쪽 다이어그램의 벤투리 미터는 높이가 다른 측정 유체의 두 열을 보여준다. 각 유체 컬럼의 높이는 유체의 압력에 비례한다. 압력 헤드의 고전적인 측정을 증명하기 위해, 우리는 작동 유체를 다른 물리적 성질을 가진 다른 유체로 가정하여 교체할 수 있다.

예를 들어 원래 액체가 물이고 같은 압력에서 수은으로 대체했다면 압력 헤드에 대해서는 다소 다른 값이 나타날 것으로 예상할 수 있을 것이다. 실제로 물의 비중은 9.8kN/m이고³ 수은의 비중은 133kN/m이다³. 따라서 압력 헤드의 특정 측정에서 물 한 열의 높이는 수은 한 열의 약 13.6배일 것이다. 따라서 물 칼럼 미터가 "13.6 cm HO₂"라고 표시되면 동등한 측정치는 "1.00 cm Hg"이다.

이 예는 압력 헤드를 둘러싼 혼동과 압력과 그것의 관계를 보여준다. 과학자들은 종종 물기둥(또는 수은)을 사용하여 압력을 측정한다. 왜냐하면 주어진 유체의 경우 압력 헤드는 압력에 비례하기 때문이다. "Mmm of 수은" 또는 "Inches of water" 단위로 압력을 측정하는 것은 계측에 이치에 맞지만, 이러한 머리의 원시 측정은 압력을 해결하기 위해 위의 방정식을 사용하여 보다 편리한 압력 단위로 자주 변환되어야 한다.

요약하면 압력 헤드는 측정 유체의 밀도와 g의 국부 값에 엄격한 주의를 기울이면 압력 단위(단위 면적당 힘)로 변환할 수 있는 길이의 측정이다.

ψ에서의 중력 이상에 대한 의미

일반적으로 g ${\displaystyle g}$이(가) 일정한 영역에서 압력 헤드 계산을 사용한다. 그러나 중력장이 요동친다면 압력 헤드가 그 변동과 함께 변동한다는 것을 증명할 수 있다.

• 만약 중력이 감소할 경우 어떤 일이 일어날지 고려한다면, 위에 표시된 벤투리 미터의 액체가 파이프에서 수직 기둥으로 빠져나갈 것으로 예상할 수 있을 것이다. 압력 헤드가 증가한다.
• 무중력의 경우 압력 헤드가 무한에 접근한다. 파이프 안의 유체는 수직 기둥의 상단에서 "누출"될 수 있다(> 0 $[\displaystyle p>0}).$
• 음중력을 시뮬레이션하기 위해 위에 보이는 벤투리 미터를 거꾸로 돌릴 수 있었다. 이 경우 중력은 음성이며, 우리는 파이프 안의 액체가 수직 기둥을 "밀어내" 것으로 예상할 수 있다. 압력 헤드가 음수(> ${\displaystyle p>0}$을(를) 가정한다).
• p< ${\displaystyle p<0}$과 > ${\displaystyle g>0$일 경우, 압력 헤드도 음성이며, 주변 공기가 위의 벤투리 미터기에 표시된 열로 빨려 들어가는 것을 관찰한다. 이것을 사이펀(Siphon)이라 하며, 수직 기둥 내부의 부분적인 진공에 의해 발생한다. 많은 벤투리스에서 왼쪽의 에는 유체가 들어 있는 반면(> > {\$displaystyle \psi >0})$ 오른쪽의 컬럼은 사이펀( < 0{\$displaystyle \psi <0})$뿐이다.
• < ${\displaystyle p<0}$ 및 < 0 ${\displaystyle g<0$의 경우, 위에서 표시한 벤투리 미터가 동일한 것처럼 보일 것으로 예측하면서 압력 헤드가 다시 양성이라는 것을 관찰한다. 이런 상황에서는 중력이 작용하는 유체가 사이펀 구멍을 막게 되지만 주변 압력이 파이프 내 압력보다 크기 때문에 유체가 새지 않는다.
• 위의 상황은 우리가 정압 헤드를 얻는 베르누이 방정식이 매우 다용도적이라는 것을 암시한다.

적용들

정적

수은 기압계는 정압 헤드의 고전적인 사용의 하나이다. 그러한 기압계는 튜브에 그라데이션이 있는 수직으로 서 있는 밀폐된 수은 기둥이다. 튜브의 하단부는 주변으로 열려 있는 수은 웅덩이로 목욕하여 국부 대기압을 측정한다. 수은 기압계(예: Hg의 mm 단위)의 판독은 위의 방정식을 사용하여 절대 압력으로 변환할 수 있다.

만약 우리가 수은주가 767mm 높이라면 대기압은 (767mm)•(133kN/m³) = 102kPa로 계산할 수 있었다. 표준 조건에서 기압 측정은 torr, 밀리미터의 수은 및 파스칼(단위) 제품을 참조하십시오.

미분

벤투리 미터와 압력계는 버누이의 원리를 이용하여 차압 헤드를 체적 유량, 선형 유체 속도 또는 질량 유량으로 변환하기 위해 많은 유체 용도에 사용할 수 있는 일반적인 유형의 유량계다. 이러한 계량기(예: 물 인치 단위)의 판독은 위의 방정식을 사용하여 미분 또는 게이지 압력으로 변환할 수 있다.

속도 헤드

유체의 압력은 유체가 흐를 때와 흐르지 않을 때의 압력이 다르다. 그렇기 때문에 유체가 움직이는 시스템에서는 정압과 동적 압력이 결코 같지 않다. 이 압력 차이는 속도 헤드를 생성하는 유체 속도의 변화에서 발생하는데, 이는 유체의 벌크 모션이 없을 때 0인 베르누이 방정식의 용어다. 오른쪽 그림에서 압력 차이는 전적으로 유체의 속도 헤드의 변화에 기인하지만 베르누이 원리가 있기 때문에 압력 헤드로 측정할 수 있다. 반면에, 우리가 유체의 속도를 측정할 수 있다면, 압력 헤드는 속도 헤드로부터 계산될 수 있을 것이다. 베르누이 방정식의 파생식을 참조하십시오.

참고 항목

• 센티미터의 물
• 압력 측정
• 유압 헤드 또는 속도 헤드(압력 헤드의 구성 요소 포함)
• 벤투리 효과

외부 링크

• 특정 무게에 대한 엔지니어링 도구 상자 문서
• 정적 압력 헤드에 대한 엔지니어링 도구 상자 문서