소방유체역학: 정수압·베르누이·관 손실·펌프 수력
소방유체역학은 정수압, 연속방정식과 베르누이 정리, 관로 마찰손실, 펌프와 노즐의 수력 계산을 다룬다. 설계·시공 실무의 수리계산이 그대로 이어지는 영역이므로 공식을 외우는 데서 끝내지 말고 단위 환산까지 손으로 확인해야 한다.
정수압과 압력의 표현
정수압은 p = ρgh로 계산하며, 물기둥 10m는 약 0.1MPa(98kPa)에 해당한다. 절대압은 계기압에 대기압을 더한 값이므로, 문제에서 어느 쪽을 요구하는지 먼저 확인한다.
연속방정식과 베르누이 정리
Q = A·V이므로 관경이 커지면 유속은 단면적에 반비례해 줄어든다. 베르누이 정리는 P/ρg + V²/2g + z가 일정하다는 형태이며, 실제 배관에서는 마찰손실수두와 부속류 손실을 빼준다. 노즐에서는 압력수두가 속도수두로 바뀌어 방수속도가 결정된다.
관로 마찰손실
다르시-바이스바흐 식은 hf = f(L/D)(V²/2g)로, 손실은 유속의 제곱과 관 길이에 비례하고 관경에 반비례한다. 소방배관 실무에서는 하젠-윌리엄스 식을 쓰며, 손실수두가 유량의 1.85승에 비례한다는 점이 계산 문제의 단골이다.
펌프 전양정과 흡입수두
전양정 = 실양정 + 흡입·토출측 마찰손실수두 + 방수압 환산수두 + 속도수두. 펌프는 가용유효흡입수두(NPSHav)가 필요유효흡입수두(NPSHre)보다 커야 공동현상이 생기지 않는다.
예제
실양정 25m, 마찰손실 10m, 노즐 방수압 0.35MPa, 속도수두 1.5m일 때 전양정은? 0.35MPa ÷ 0.0098 ≈ 35.7m이므로 25 + 10 + 35.7 + 1.5 ≈ 72.2m이다.
감점 함정
압력을 수두로 환산하지 않고 그대로 더하거나, 유량을 L/min에서 m³/s로 바꾸지 않는 실수가 잦다. 관경이 2배가 되면 마찰손실은 약 1/32로 줄어든다는 관계도 자주 뒤집힌다.