레이놀즈 실험 레포트

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레이놀즈 실험 레포트에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적
2. 실험 이론
3. 실험 장치
4. 실험 방법
5. 실험 결과
6. 고찰

본문내용

하는데 다음과 같이 상한계 유속과 하한계 유속이 있다.
① 상한계 유속 : 흐름상태가 층류 상태로부터 유속이 증가되어서 난류상태로 변할 때의 한계유속을 말하며 이것을 상한계 레이놀즈수라고도 한다.
② 하한계 유속 : 이 경우는 난류 상태로부터 유속을 감소시켜 층류상태로 변화시킬때의 한계유속을 뜻한다. 이것을 하한계 레이놀즈수 라고도 한다.
◆ 유량이란
유량(Flow rate)이라 함은 유체의 흐름중 일정 면적의 단면을 통과하는 유체의 체적, 질량 또는 중량을 시간에 대한 비율로 표현한 것을 유량이라 한다. 각각 유체의 체적을 시간에 대한 비율로 표시한 유량을 체적 유량(용적 유량), 유체의 질량을 시간에 대한 비율로 표시한 질량 유량, 유체를 일정시간 동안 흐르는 량을 표시한 유량을 적산유량이라 한다.
① 체적 유량 :
② 질량 유량 :
③ 중량 유량 :
④ 적산 유량 :
여기서, A : 단면적 V : 속도 : 밀도
3. 실험 장치
장치 설명
실험 장치는 위와 같다. 실험 탱크에 물을 채우고 장치의 오른쪽에 있는 유량 조절 밸브를 통해서 회전수를 조절할 수 있다. 물이 어느정도 일정량에 달하면 회전수를 정하고 밸브를 열어 물을 흘려 보낸다. 흐름이 일정하게 됐을 경우 착색액 통을 통해 염료를 주입시켜 염료의 흐름을 관찰한다.
4. 실험 방법
① 레이놀즈 실험장치 내부의 벽을 깨끗히 한 후 적당량의 물을 채운다.
② 유량배출 조절밸브로 유량의 배출을 조절한다.
③ 급수탱크에 호스를 연결하고 급수 밸브를 열어 실험관로 내로 물을 공급한다.
④ 수면이 안정되었을 때 염료 주입밸브를 열어 염료를 염료탱크에 넣고 흐름을 관찰한다.
⑤ 물이 빠져 나간만큼 수조에 물을 계속 공급해 준다.
⑥ 적당량의 물이 비커에 찰 때까지 시간을 체크한다.
⑦ 밸브의 회전에 따라 흐름이 어떻게 변하는지 관찰하기 위해 밸브를 270, 540, 810, 1080도로 하고 실험을 반복한다.
⑧ 실험으로 얻은 데이터 값과 실제 층류일 경우와 난류일 경우를 비교, 분석한다.
※ 주의사항
① 관로를 통한 유출량이 급수량보다 지나치게 많거나 적으면 실험탱크 내의 수위가 일정하게 유지되지 않아 유량이 달라질 수 있으므로 유출량과 급수량을 적절히 조절한다.
② 관로 내의 유량이 급변하지 않도록 유량조절 밸브를 조금씩 조절하여 실험한다.
③ 염료를 주입한 후 병의 마개를 막아두어 실수로 실험관내 추가 염료가 유입되지 않게 한다.
④ 오차를 줄이기 위해 비커에 물이 차는 시간을 정확하게 체크한다.
5. 실험 결과
※ 비커에 차는 물의 부피 2000ml로 일정
회전 각도
180
360
540
720
900
시간
91초71
22초06
12초62
8초94
7초66
→ 측정값에서 확인할 수 있듯이 밸브의 회전각도가 커질수록 유속이 빨라져 비커에 물이 차는 시간이 단축된다.
1) 측정된 시간으로 유량을 구할 수 있다. 식은 다음과 같다.
※ 시간에 따른 유량의 값
밸브의 회전각도
걸리는 시간
유체의 유량[m/s]
180
91초 71
360
22초 06
540
12초 62
720
8초 94
900
7초 66
2) 계산한 유량값으로 회전수에 따른 유체의 속도를 계산할 수 있다.
속도를 구하기 위한 식은 다음과 같다.
유체가 지나가는 관의 직경은 D = 0.028m이다.
※유량에 따른 속도의 값
밸브의 회전각도
유체의 유량
유체의 속도[m/s]
180
360
540
720
900
3) 계산한 속도의 값을 이용하여 회전각도에 따른 레이놀즈수를 계산한다.
(물의 온도 9℃에서의 동점성 계수는 )
※ 측정된 값을 통해 구한 레이놀즈수의 값
밸브의 회전각도
레이놀즈수(Reynolds Number)
180
360
540
720
900
6. 고찰
이번 실험을 통해서 유체의 유동을 결정하는 레이놀즈수에 대해서 다시 한번 공부할 수 있었다. 실험을 통해서 확인한 유동의 흐름으로 층류와 난류에 대해서도 확인할 수 있었고 흐름에 따라 레이놀즈 값은 어떻게 되는지 계산을 통해 알 수 있었다. 실험을 통해 확인한 액체의 흐름은 이론과 마찬가지로 레이놀즈수 4000이하에서는 불완전한 층류의 흐름을 불완전한 층류의 흐름을 보였고 4000 이상의 값에서는 난류의 흐름을 관찰할 수 있었다.
실험에서 밸브의 회전수에 따른 유출량의 변화에 따라 부피 2000ml를 채우는 시간이 다르게 측정됐다. 밸브는 180℃, 360℃, 540℃, 720℃, 900℃ 로 설정하여 측정하였는데, 화전각도가 커질수록 비커를 채우는 데 짧은 시간이 걸렸다.
측정된 값을 통해 계산된 레이놀즈수의 값에는 이론값과 오차가 발생하였는데 거기에는 몇 가지 이유가 있다.
우선, 밸브의 회전시 기계를 통해 정확히 각도를 조절한 것이 아니라 손으로 조절하였기 때문에 어느 정도의 오차가 발생할 수 있다. 이를 위해서는 밸브를 돌렸을 때 정확한 각도를 확인할 수 있도록 각도 표시기가 있으면 오차를 줄일 수 있을 거라고 생각된다.
두 번째는 스탑워치의 작동에 오차가 발생했다. 우리 조는 비커에 물이 차는 정도를 확인하는 조원이 정해진 양만큼 물이 찼을 경우 조원들에게 알렸고 다른 조원이 정지 버튼을 누르도록 했다. 그렇기 때문에 버튼을 누르는 시간차에 의해 정확한 값을 측정할 수 없었다. 시간차가 적더라도 회전각도가 커질 경우 유속이 빠르기 때문에 많은 양의 물이 차이날 수 있다.
세 번째는 물의 온도에 있다. 실험탱크 안에 있는 물은 9℃로 통제를 했지만 주위 환경의 온도에 따라 물의 온도가 변할 수 있었고 물의 일정량을 맞추기 위해 탱크에 유입되는 물의 온도는 정확한 9℃가 아니었다. 그렇기 때문에 온도로 인해 유속등이 달라져 측정값에 영향을 미칠 수 있다. 이 오차를 해결하기 위해서는 실험탱크내의 물의 온도를 일정하게 유지하고 유입되는 온도를 탱크 내에 있는 유체의 온도와 맞춰야 할 것이다.
그 밖에 각 회전각도에 따라 탱크의 물높이가 일정해야 하지만 매번 유입시키는 물의 양이 달랐기 때문에 측정값에 영향을 미쳤을 것이라고 생각한다. 이러한 오차를 유발시키는 요인을 통제하고 다시 실험을 진행한다면 좀 더 정확한 값을 측정할 수 있을 것이라고 생각된다.
*출처 네이버 백과사전 그림

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