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과학

연속 방정식

연속 방정식과학
영문명
Continuity equation
기본 원리
질량 보존
정상 일차원 관계
ρ1 A1 u1 = ρ2 A2 u2
일정한 밀도
A1 u1 = A2 u2
연속 방정식은 유체의 질량 보존을 나타내는 관계식이다. 정상 상태의 분기와 누설이 없는 관에서는 두 단면을 지나는 질량 유량이 같으며, 밀도가 일정하면 단면적과 평균 유속의 곱이 일정하다.

들어온 질량은 어디로 가는가

정해진 영역에 질량이 축적되지 않는 정상 상태라면 들어온 질량만큼 나가야 한다. 관의 단면이 달라져도 질량이 사라지지는 않는다. 연속 방정식은 이러한 수지를 밀도와 단면적 및 유속으로 표현한다.

좁아진 관에서의 속도

밀도가 일정하고 정상적으로 흐를 때 단면적이 작아지면 유속이 커진다. 원형 관의 지름이 절반이면 단면적은 4분의 1이므로 평균 유속은 네 배다. 지름의 비를 단면적의 비로 그대로 사용하면 잘못 계산한다.

압축성 유체의 경우

밀도가 변하면 단면적과 유속의 곱만 일정하다고 둘 수 없다. 예를 들어 동일한 질량 유량에서 밀도가 낮아진 부분은 더 큰 부피 유량을 가질 수 있다. 기체를 분석할 때에는 밀도 변화의 중요성을 먼저 확인해야 한다.

분기와 압력의 구별

관이 갈라지는 경우에는 모든 입구와 출구의 질량 유량을 합해 수지를 세운다. 또한 연속 방정식만으로 압력 차이나 에너지 손실까지 정할 수는 없다. 속도와 단면적의 관계를 구하는 문제와 압력을 계산하는 문제는 필요한 물리 관계가 다르다.

관련 문서

유량 / 밀도 / 속도 / 질량 / 정상 상태 / 유체 / 압력 / 원 (기하학)