수공학

토목 공학의 하위 분야로서 수력 공학은 주로 물과 하수를 포함한 유체의 흐름과 운반과 관련이 있습니다.이러한 시스템의 한 가지 특징은 유체의 이동을 유발하는 동력으로서 중력을 광범위하게 사용한다는 것입니다.토목 공학의 이 영역은 교량, 댐, 수로, 운하, 제방의 설계와 위생 및 환경 공학과 밀접한 관련이 있습니다.

수압공학은 유체역학의 원리를 물의 수집, 저장, 제어, 운송, 규제, 측정 및 사용을 다루는 문제에 적용하는 것입니다.^[1]수력 공학 프로젝트를 시작하기 전에, 우리는 물이 얼마나 포함되어 있는지를 알아야만 합니다.수압 기술자는 강에 의한 퇴적물의 운반, 충적 경계와 물의 상호작용, 그리고 세굴과 퇴적의 발생에 관심을 갖습니다.^[1]"수압 엔지니어는 실제로 댐의 배수로 및 출구 공사, 관개 프로젝트를 위한 고속도로, 운하 및 관련 구조물의 암거, 화력 발전소의 냉각수 시설 등 물과 상호 작용하는 다양한 특징에 대한 개념 설계를 개발합니다."

기본원칙

유압공학의 기본 원리에는 유체 역학, 유체 흐름, 실제 유체의 거동, 수문학, 파이프라인, 개방 채널 유압학, 퇴적물 운반 역학, 물리 모델링, 유압 기계 및 배수 유압학이 포함됩니다.

유체역학

유압공학의 기초는 유체정역학을 정지된 유체에 대한 연구로 정의합니다.^[1]정지한 유체에는 압력이라고 하는 힘이 존재하며, 이 힘은 유체의 주변에 작용합니다.N/m² 단위로 측정된 이 압력은 유체의 본체 전체에서 일정하지 않습니다.압력(p)은 유체의 특정 몸체에서 깊이가 증가함에 따라 증가합니다.물체에 작용하는 상승력이 기저부에 작용하고 다음 식을 통해 알 수 있는 경우:

${\displaystyle p=\rhogy}$

어디에,

ρ = 물의 밀도

g = 비중

y = 액체의 깊이

이 식을 재배열하면 압력 헤드 $p$ ρ ${\displaystyle \frac{g}{}}$ = ${\displaystyle y}$ ${\frac {p}{\rhog$}}=$y}$가 됩니다$.$ 압력 측정을 위한 기본 장치는 피에조미터, 압력계, 차동 압력계, 부르동 게이지 및 경사 압력계입니다.

프라순은 다음과 같이 말합니다.

교란되지 않은 물에 잠긴 물체에서는 압력이 액체 속의 물체의 모든 표면을 따라 작용하여 물체에 있는 동일한 수직력이 액체의 압력에 작용하게 합니다.이러한 반응을 평형이라고 합니다.압력의 더 진보된 적용은 평면 표면, 곡면, 댐, 사분면 게이트 등입니다.^[1]

실제 유체의 거동

실수액과 이상액

이상 유체와 실제 유체의 주요 차이점은 이상 흐름 p = p 및 실제 흐름 p > p입니다.이상적인 유체는 비압축성이며 점도가 없습니다.진짜 액체는 점성이 있습니다.존재하는 모든 유체는 어느 정도의 점성을 가지고 있기 때문에 이상적인 유체는 상상의 유체일 뿐입니다.

점성유동

점성 유체는 파스클스 법칙에 의해 전단력에 의해 연속적으로 변형되는 반면, 이상 유체는 변형되지 않습니다.

층류유동 및 난류

점성 흐름에 대한 교란의 다양한 영향은 안정적이고 전이적이며 불안정합니다.

베르누이 방정식

이상 유체의 경우 베르누이 방정식은 유선형을 따라 성립합니다.

${\displaystyle {\frac {p}{\rhog}}+{\frac {u^{2}}{2g}}={\frac {p_{1}^{2}}{2g}={\frac {p_{2}}{\rhog}}+{\frac {u_{2}^{2}}{2g}}{\frac {u_{2}}}$

흐름이 판과 접촉함에 따라 유체 층은 실제로 고체 표면에 "접착"합니다.그런 다음 플레이트 표면의 유체 층과 두 번째 유체 층 사이에 상당한 전단 작용이 있습니다.따라서 두 번째 층은 감속(정지 상태는 아니지만)이 강요되어 세 번째 층의 유체와 함께 전단 작용을 생성합니다.플레이트를 따라 유체가 더 많이 지나갈수록 전단작용이 일어나는 영역이 더 바깥쪽으로 퍼져나가는 경향이 있습니다.이 영역을 "경계 계층"이라고 합니다.경계층 외부의 흐름은 전단력과 점성 관련 힘이 없기 때문에 이상적인 유체로 작용한다고 가정합니다.유체의 분자간 응집력은 유체를 서로 붙이기에 충분하지 않습니다.따라서 아주 작은 응력의 작용으로 유체가 흐르게 되고, 응력이 존재하는 한 계속해서 흐르게 됩니다.^[3]레이놀즈 수에 따라 층 내부의 흐름은 거칠 수도 있고 난류일 수도 있습니다.^[1]

적용들

유압 기술자를 위한 일반적인 설계 주제는 댐, 제방, 가정 용수와 소방 용수 공급을 모두 포함하는 물 분배 네트워크, 분배 및 자동 스프링클러 시스템, 물 수집 네트워크, 하수 수집 네트워크, 빗물 관리, 침전물 운반 등과 같은 유압 구조물을 포함합니다.그리고 교통공학과 지질공학과 관련된 다양한 다른 주제들이 있습니다.유체 역학 및 유체 역학의 원리로부터 개발된 방정식은 기계, 항공 및 심지어 교통 공학자와 같은 다른 공학 분야에서 널리 활용됩니다.

관련 분야로는 수문학과 유문학이 있으며, 관련 분야로는 수압 모델링, 홍수 매핑, 집수 홍수 관리 계획, 해안선 관리 계획, 하구 전략, 해안 보호, 홍수 완화 등이 있습니다.

역사

고대

수압공학의 가장 초기의 사용은 농작물에 관개하는 것이었고 중동과 아프리카까지 거슬러 올라갑니다.식량을 재배하기 위한 물의 이동과 공급을 조절하는 것은 수천 년 동안 사용되어 왔습니다.최초의 유압 기계 중 하나인 물시계는 기원전 2천년 초에 사용되었습니다.^[4]중력을 이용하여 물을 이동시킨 다른 초기의 예로는 고대 페르시아의 카나트 시스템과 고대 중국의 매우 유사한 투르판 물 시스템과 페루의 관개 수로가 있습니다.^[5]

고대 중국에서 수압 공학은 매우 발달했고, 기술자들은 관개를 위해 물의 흐름을 흐르게 하는 제방과 댐, 그리고 배들이 통과할 수 있도록 자물쇠를 갖춘 거대한 운하를 건설했습니다.선슈 아오는 최초의 중국 유압 기술자로 여겨집니다.중국의 또 다른 중요한 수력 공학자인 Ximen Bao는 전국시대 (기원전 481년–기원전 221년)에 대규모 수로 관개를 시작한 것으로 인정받았으며, 심지어 오늘날에도 수력 공학자들은 중국에서 훌륭한 위치를 유지하고 있습니다.2002년에 중국 공산당 총서기가 되기 전에 후진타오는 수력 공학자였고 칭화 대학에서 공학 학위를 받았습니다.

필리핀의 고대 시대에 수압 공학은 또한 루손 섬에서 특별하게 발전했고, 코르딜러라스의 산악 지역의 이푸가오들은 관개, 댐, 수압 공사를 지었고, 기원전 1000년경 농작물 재배를 돕기 위한 방법으로 유명한 바나우에 논을 지었습니다.^[6]이 라이스 테라스는 필리핀 이푸가오의 산에 원주민들의 조상들에 의해 조각된 2,000년 된 테라스입니다.라이스 테라스는 흔히 "세계 8대 불가사의"라고 불립니다.^[7][8][9]일반적으로 테라스는 주로 수작업으로 최소한의 장비로 지어졌다고 여겨집니다.테라스는 해발 약 1500미터(5000피트)에 위치해 있습니다.그들은 테라스 위의 열대 우림에서 고대의 관개 시스템에 의해 공급됩니다.그 단계들을 끝에서 끝까지 하면 지구의 반 바퀴를 돌 것이라고 합니다.^[10]

메가라의 유팔리노스는 기원전 6세기에 사모스에 유팔리노스 터널을 건설한 고대 그리스의 기술자였습니다. 이것은 토목과 수력 공학 모두의 중요한 업적입니다.이 터널의 토목적인 측면은 양쪽 끝에서 파여져 있어 두 터널이 만나도록 정확한 경로를 유지해야 하고 전체적인 노력이 물이 흐를 수 있도록 충분한 경사를 유지하고 있다는 점이었습니다.

수력 공학은 로마 제국의 통치하에 유럽에서 고도로 발전하였는데, 특히 도시에 물을 공급하고 하수를 제거하기 위한 수로의 건설과 유지에 적용되었습니다.^[3]그들의 시민들의 요구를 충족시키는 것 외에도 그들은 수압 채굴 방법을 사용하여 충적 금 광상을 허싱(shushing)이라고 알려진 기술로 탐사하고 추출했습니다. 그리고 그 방법을 주석과 납과 같은 다른 광석에 적용했습니다.

15세기에 소말리아의 아주란 제국은 아프리카에서 유일한 수압 제국이었습니다.수압 제국으로서, 아주란 국가는 주바 강과 셰벨 강의 수자원을 독점했습니다.수압 공학을 통해, 그것은 또한 오늘날에도 여전히 작동하고 사용되고 있는 주의 많은 석회암 우물과 물탱크를 건설했습니다.통치자들은 농업과 세금을 위한 새로운 시스템을 개발했고, 19세기 말까지 아프리카의 뿔 지역에서 계속 사용되었습니다.^[11]

수압 공학의 더 많은 발전은 이슬람 황금기라고 알려진 8세기에서 16세기 사이에 이슬람 세계에서 일어났습니다.특히 중요한 것은 이슬람 녹색 혁명의 중심이자 ^[12]더 나아가 현대 기술의 출현을 위한 전제 조건이었던 '물 관리 기술 단지'였습니다.^[13]이 '툴킷'의 다양한 구성 요소들은 아프리카-유라시아 대륙의 여러 지역에서 개발되었으며, 이슬람 세계의 내부와 그 너머에서도 개발되었습니다.그러나 기술단지가 조립되고 표준화된 곳은 중세 이슬람의 땅이었고, 그 후 구세계의 나머지 지역으로 확산되었습니다.^[14]단일 이슬람 칼리프 국가의 통치 하에, 다양한 지역 유압 기술이 "세계적으로 영향을 미칠 수 있는 식별 가능한 물 관리 기술 단지"로 조립되었습니다.이 단지의 다양한 구성 요소에는 운하, 댐, 페르시아의 카나트 시스템, 노리아, 이집트의 샤두프와 스크루펌프, 이슬람 아프가니스탄의 풍차 등이 포함되었습니다.^[14]이슬람 스페인에서 온 플라이휠 효과를 가진 사키야,^[15] 이라크에서 온 왕복 흡입^[16][17][18] 펌프와 크랭크축 연결 막대 메커니즘,^[19][20] 시리아에서 온 기어드 및 수력 급수 시스템,^[21] 이슬람 화학자들의 정수 방법 등이 다른 독창적인 이슬람 개발에 포함되었습니다.^[22]

근세

많은 점에서, 수력 공학의 기본은 고대 이래로 변하지 않았습니다.액체는 여전히 운하와 수로의 시스템을 통해 중력에 의해 대부분 이동되지만, 공급 저장소는 이제 펌프를 사용하여 채워질 수 있습니다.예로부터 물에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있으며, 물을 공급하는 데 있어서 유압 기술자의 역할이 매우 중요합니다.예를 들어, 윌리엄 멀홀랜드와 같은 사람들의 노력이 없었다면, 로스엔젤레스 지역은 단순히 인구를 지탱할 충분한 지역 물이 없기 때문에 지금처럼 성장할 수 없었을 것입니다.세계의 많은 대도시들도 마찬가지입니다.거의 같은 방식으로 캘리포니아의 중심 계곡은 관개를 위한 효과적인 물 관리와 분배가 없었다면 그렇게 중요한 농업 지역이 될 수 없었을 것입니다.캘리포니아에서 일어난 일과 다소 유사한 방식으로, 테네시 계곡 당국(TVA)의 창설은 값싼 전기를 생산하고 그 지역의 홍수를 통제하기 위해 댐을 건설함으로써 남부에 노동과 번영을 가져다 주었고, 강을 항해할 수 있게 만들고 일반적으로 그 지역의 삶을 현대화했습니다.

레오나르도 다빈치 (1452–1519)는 파도와 제트, 에디, 유선형에 대한 실험, 조사, 추측을 수행했습니다.아이작 뉴턴(1642–1727)은 미적분학의 발전뿐만 아니라 운동의 법칙과 점도의 법칙을 공식화함으로써 유체역학의 많은 위대한 발전을 위한 길을 열었습니다.18세기의 수많은 수학자들은 뉴턴의 운동 법칙을 이용하여 많은 무마찰(무점도) 흐름 문제를 해결했습니다.그러나 대부분의 흐름은 점성 효과에 의해 지배되어 17세기와 18세기의 공학자들은 비점성 흐름 솔루션이 적합하지 않다고 판단했고 실험을 통해 경험적 방정식을 개발하여 유압학의 과학을 확립했습니다.^[3]

19세기 후반, 무차원 수와 난류와의 관계의 중요성이 인식되었고, 차원 분석이 탄생했습니다.1904년, 루트비히 프란틀(Ludwig Franndtl)은 점성이 낮은 유체의 흐름장을 고체 표면 근처의 얇은 점성이 지배적인 경계층과 경계에서 벗어난 효과적으로 비침습적인 외부 영역이라는 두 개의 영역으로 나눌 것을 제안하는 중요한 논문을 발표했습니다.이 개념은 이전의 많은 역설을 설명하고 이후의 엔지니어들이 훨씬 더 복잡한 흐름을 분석할 수 있게 해주었습니다.그러나, 우리는 여전히 난류의 본질에 대한 완전한 이론을 가지고 있지 않으며, 따라서 현대 유체 역학은 계속해서 실험 결과와 이론의 조합입니다.^[23]

현대의 유압공학자는 다른 여러 공학 분야와 동일한 종류의 컴퓨터이용설계(CAD) 도구를 사용하는 동시에, 유동특성을 정확하게 예측하기 위한 계산을 수행하기 위해 전산유체역학과 같은 기술을 사용하고 있습니다.시스템을 설치하기 위한 최적의 경로를 찾는 데 도움이 되는 GPS 매핑과 시스템의 실제 구성에 도움이 되는 레이저 기반 측량 도구.

참고 항목

참고문헌

추가열람

• 빈센트 J. 지파로, 한스 하센(Eds), 데이비스 응용 유압 핸드북, 맥그로-힐, 제4판(1992), ISBN 0070730024, Amazon.com
• 2차 유출물의 유기물질 분류M. Rebun, J. Manka.환경과학기술, 5, pp. 606-610, (1971)25.

외부 링크

• 국제수력공학연구회
• 선사시대 멕시코 수력공학 Wayback Machine에서 2015-04-30 보관
• Wayback 기계에서 수문 공학 센터 아카이브 2013-03-08
• Chanson, H. (2007).21세기 유압공학 : 어디로?, Journal of Hydraulic Research, IAHR, Vol. 45, No. 3, pp. 291-301 (ISSN 0022-1686)