레이놀즈수 결과보고서

소개글

레이놀즈수 결과보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

실험제목
실험목적
실험 이론
실험 방법
기구 및 시약
실험결과
토의 및 결과
결론
참고문헌

본문내용

52.24
16.63
3300.5
8
2000
29.3
68.33
21.75
4115.6
9
2000
18.0
111.02
35.34
7012.6
10
2000
17.8
112.64
35.84
7113.8
※ 층류 : 1, 2, 3
전이영역 : 5, 6, 7
난류 : 9, 10
하임계 레이놀드 수 : 4
상임계 레이놀드 수 : 8
아래 실험 사진을 보면
층 류
Re<2100
하임계
Re=2100
난 류
Re>4000
상임계
Re=4000
7. Discussion & Conclusion
- 이번 실험은 실제 레이놀즈 실험장치를 이용하여 유체의 흐름을 계산하여 이론값과 비교해보는 실험이었다. 난류, 층류, 그리고 전이영역에서의 색소의 흐름을 눈으로 직접 확인하여 객관적인 수치와 비교 해보는 실험이었다. 실험은 색소통의 밸브를 연 상태에서 배수구의 물 유량을 점차적으로 늘려 유속을 변화시키고 이로 인해 생기는 색소의 선을 관찰하는 식으로 진행되었다. 우선 실험장치의 평형을 유지시킨 후 유량 조절 밸브를 이용하여 유체의 흐름 속도를 조정하였다.
Reynolds수는 물체를 지나는 유체의 흐름 또는 유로 속에서의 유체흐름의 관성력 또는 관성저항과 점성력의 크기의 비를 알아보는 데 있어서 지표가 되는 무차원수이다. 이론적인 레이놀즈 수는 층류에서는 Re<2100, 전이영역 21004000이다.
실험결과, 낮은 유량에서는 색소유선이 일직선으로 큰 변화 없이 흐르며, 질서 정연한 흐름을 나타내었다. 또한 색소유선의 각 부분이 파이프 안에서 평형으로 움직이면서 섞이지 않았다. 이러한 흐름을 층류라고 할 수 있다. 이는 실험 데이터에서도 확인할 수 있었다. 1, 2, 3번의 레이놀즈 수가 모두 2100이하로서
층류임을 알 수 있었다.
유속을 조금 더 세게 하였더니 색소유선에 약간의 변화가 일어났다. 유선이
회오리처럼 약간 돌아가면서 흐르기 시작하였고, 유선의 영역이 약간 넓어졌다.
이는 전이영역으로 층류에서 난류로 변하기 전 나타나는 부분으로 층류와 난류의
중간 형태를 띠고 있다. 4, 5 ,6 ,7번의 레이놀즈 수가 이 영역에 해당되었다. 실험을 하면서 상임계(Re=4000)와 하임계(Re=2100)를 관찰(2100, 4000 근사치에서 각각 상임계, 하임계라 가정함)할 수 있었지만 실험데이터를 토대로
계산 해본 결과 큰 오차가 나타났다.
유량을 증가시키자 색소유선이 물의 흐름에 따라 교차혼합이 일어났다. 색소줄기
가 파형이 되고 점점 없어져서 마침내 물이 흐르는 단면전체에 퍼지고, 관 벽에
부딪혀서 소용돌이 즉, 에디 현상이 일어났다.
이러한 운동 형태는 난류라 한다. 실험값에서 얻은 8, 9, 10번의 레이놀즈 수를
보면 모두 4000 보다 크게 나왔으므로 이것이 난류 흐름임을 확인할 수 있었다.
이렇게 층류, 난류, 전이영역이 나타나는 이유를 보면 층류 상태일 때에는 유량이 느리고 관의 저항이 상당히 작기 때문에 흐름의 큰 변화 없이 가늘고 곧은상태를
유지하지만, 유량이 빨라지고 관의 저항이 점점 커져 물질의 점성이 커지게 되면
유체는 일정한 흐름의 상태에서 벗어나게 된다. 이때 관내에 발생한 에디의 저항을
받게 되는데 이 에디는 일정한 흐름을 방해하고 저항을 크게 만드는 역할을 한다.
따라서 난류에서 발생하는 에디를 작게 해, 일의 효율을 높이는 것이 매우 중요
하다. 이렇게 에디를 줄이는 시도는 현재 우리 생활과 연관이 있는데, 비행기나
배의 유선형 형태와 골프공의 딤플이 바로 그 예이다.
위의 결과에서 알 수 있듯이 층류와 난류의 관찰은 비슷하게 맞았으나 전이영역
에서 상임계 Reynolds수와 하임계 Reynolds수를 구하는 실험에서는 데이터 값이
차이가 많이 났음을 알 수 있었다.
이렇게 차이가 나게 된 오차의 원인으로 생각해보면 잉크 bottle을 고정해 주는 받침대가 너무 헐렁하게 되어 있어 잉크의 주입이 일정했던 것이 아니고 가끔 흔들려서 주입될 때가 있었다. 또한 육안으로 관찰해야했던 실험이기에 수조의 수평이 맞는지 확인하기가 어렵고 수평이었다 하더라도 책상위에 수조가 있었기 때문에 약간의 움직임이나 진동에 의해서도 수조의 물이 흔들려 잉크의 흐름을 관찰하기가 어려웠다. 유속을 측정할 때에도 직접 사람의 손으로 측정하였기 때문에 시간을 측정하는 때에도, 유량을 측정할 때에도 오차가 날 확률이 높았다. 1초에 몇 십 ml씩 물이 흘렀기 때문에 손으로 직접 정확한 측정을 하기가 어려웠다.
이렇게 하여 그나마 Reynolds 수의 범위가 넓었던 층류나 난류의 경우는 비슷하게 측정할 수 있었지만 전이영역 중에서도 정확한 Reynolds 수를 가지는 상임계 Reynolds 수와 하임계 Reynolds는 층류에서 난류로 바뀌는 순간, 또는 난류에서 층류로 바뀌는 순간을 측정해야하기 때문에 육안으로 관찰하기나 직접 손으로 측정 하여 정확한 데이터를 구하기가 힘든 작업이었다. 그래서 그 범위에 못 미치게 측정된 것 같다.
유량을 측정하는 부분에서 많은 오차가 발생하였고 잉크 역시 흔들리는 바람에 일정하게 흘러나오지 않았고 움직임 등에 의해 수조가 흔들린다는 점 등, 실험 내내 실험하기에 100%의 완벽한 조건과 상태가 만들어 지지 않아 정확한 실험 데이터 값을 구할 수 없었다. 실험을 통해 구한 측정값과 육안으로 보게 되는 흐름 상태를 비교, 가늠해 보는데 상당한 문제점이 있었지만, 유속의 변화에 따라 잉크의 흐름이 변화한다는 것을 책이 아닌 직접 확인할 수 있었다는 것에 뜻 깊은 실험이었다고 생각한다.
8. Reference
단위조작 7판, Warren L. McCabe, McGraw-Hill Korea, 2005년, p 40-55
유체역학, 유상신 외 2명, (주) 사이텍미디어, 2000년, p 42-43
기초유체역학, 박이동, 평선각, 1997년, p 147-150
열전달과 응용, K.D Hagen, 동명사, 2005년, p 23-26
화공 단위조작, 서명교, 대응출판사, 1999년, p 54-56 221-229
Modern 유체역학, 노병준외 5명, 동명사, 2002년, p 199-201

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