[화공공정실습설계1] 레이놀드 수, 유체의 가시화 결과 레포트(A+)

소개글

[화공공정실습설계1] 레이놀드 수, 유체의 가시화 결과 레포트(A+)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

Ⅰ. 실험 목적
Ⅱ. 실험 이론
Ⅲ. 실험 기구 및 시약
Ⅳ. 실험 방법
Ⅴ. 실험 결과
Ⅵ. 고찰
Ⅶ. 참고 문헌

본문내용

나오는 주사바늘이 관의 정 가운데에 위치해야하고 정상상태가 될 때까지 어느정도 기다려야한다. 그 이유로는 관에 흐르는 유체이므로 HBL (hydrodynamic Boundary Layer)이 존재하고 만일 정상상태가 아닐 시 주사바늘이 정가운데가 아니라면 아무리 층류일지라도 관 내의 유속이 일정치 않아 잉크가 흐트러지게 된다. 또한 잉크통에 잉크가 너무 없으면 잉크의 양이 줄어들어 잉크가 나오는 유속에 변화가 생기고 실험에 영향을 미친다. 또한 공기가 잉크와 함께 들어가는 상황도 발생할 수 있다. 이를 막기 위해서는 충분한 양의 잉크를 채워주고 옅지 않을 정도로 충분히 진하게 만들어줘야 잉크가 관 끝까지 통과하는 동안 색이 옅어지지 않는다. 잉크의 농도 역시 실험의 결과에 어느정도 영향을 미칠 수 있다. 만일 잉크가 묽다면 점도 역시 매우 작아 물과 큰 차이가 나지 않는다. 그렇게되면 유체(물)의 흐름에 큰 영향을 받고 형태를 유지하기 힘들지만 잉크의 농도가 크다면 점도 역시 커져서 유체의 흐름에 영향을 조금이나마 덜 받게 된다. 직접 실험을 진행해보니 직경 2cm에서 흐르는 층류영역의 유량은 굉장히 적은 편이었다. 이 실험을 통해 우리가 일상에서 접하는 유체의 흐름 중 층류영역은 많지 않을 것 같다는 생각이 들었다.
위 실험을 통해 알 수 있는 것은 층류일 때 마찰게수가 더 크고 난류로 갈수록 작아진다는 것이다.
실험 결과값을 보면 층류와 난류영역에서는 이론에서 나온 영역의 범위에 일치하지만 전이영역이 난류영역으로 나타났다. 이론상 전이영역은 레이놀드 수가 2,100 ~ 4,000인데 세 번의 실험을 통해 얻은 데이터의 평균값은 4,444가 나왔다. 이는 전이영역을 지나 난류영역의 초반부라고 볼 수 있다. 이렇듯 전이영역의 흐름은 뚜렷한 경계가 없이 자연스럽게 난류영역에 도달한다. 하지만 이번 실험이 성공적이지 못하다고 볼 수는 없다. 그 이유로는 유속을 측정하는 과정에서 기계나 다른 장치로 잰 것이 아니고 사람이 직접 시간 초를 쟀기 때문이다. 유량을 측정하는 과정에서 크게 두 번의 오차 원인이 발생하였는데, 첫 번째로는 시간을 잼과 동시에 흘러나오는 유체를 담을 때이고 두 번째로 500mL 비커에 500mL가 찼을 때 출구 파이프로부터 뺄 때이다. 두 과정에서 모두 사람이 직접 측정하였기 때문에 정확한 데이터를 얻기가 쉽지 않다. 또한 정확히 500mL를 담지 못했다. 이에 대한 정확성을 높이기 위해서는 이를 측정할 수 있는 장치를 이용하는 방법이다. 또 다른 오차원인으로는 관에 낀 이물질을 들 수 있다. 위 실험장비를 지금까지 여러 번 사용해오면서 증류수가 아닌 수돗물을 사용했기 때문에 관 내에 각종 이물질이 껴 있어서 마찰계수와 유속에 영향을 미친다. 위 실험을 진행하면서 주의해야 할 사항은 메틸렌 블루 용액이 잘 지워지지 않으므로 반드시 보호장구를 착용하고 실험을 마친 뒤에는 잉크가 굳어 바늘이 막히지 않도록 깨끗하게 씻은 후 따뜻한 물에 담가두어야 한다.
두 번째 실험으로는 유체의 가시화를 통해 장애물이 있는 곳에서 유체가 어떻게 흐르는지에 대한 실험이다. 이와 같은 실험은 일상생활에서 자주 접할 수 있다. 예를 들어 수채화 물감을 물에 떨어뜨리면 물감이 물보다 밀도가 크기 때문에 물 아래로 내려가면서 해파리와 같은 형상이 된다. 이는 장애물은 존재하지 않지만 와류가 발생해서 생기는 현상이다. 또는 냇가에서 돌 다리 사이로 흐르는 물에 떠내려온 낙엽 등이 돌 다리를 지나자마자 소용돌이를 치는 모습 역시 이 실험과 같은 예로 들 수 있다. 먼저 실험을 진행하기에 앞서 준비하는 과정에서 몇 가지 유의할 점이 있다. 먼저 유리판을 내릴 때 테이블과 유리판 사이에 기포가 발생해서는 안된다. 이 기포들이 유체의 흐름을 방해하기 때문이다. 또한 테이블이 한 쪽으로 기울지않고 일정한 유량으로 흘러야한다. 만일 한 쪽으로 치우쳐 유속이 편재화된다면 흐름이 일정치 않을 수 있다.
실험 결과에서 알 수 있듯이 원형 고무판의 뒤쪽에서 와류가 발생하고 삼각형 고무판 역시 삼각형이 끝나는 모서리 쪽을 시작으로 그 뒤쪽으로 와류가 발생해 소용돌이가 안을 향해 말려 들어가는 것을 볼 수 있다. 사각형 역시 뚜렷하게 나타나지는 않지만 잉크의 분포를 보아 어느정도 와류가 발생한 것을 알 수 있다. 사각형 고무판이 삼각형이나 원형 고무판에 비해 와류가 덜 생기는 이유로는, 사각형 원판의 앞부분이 유체의 방향과 수직이므로 유속이 급격히 감소하게 된다. 유체가 고무판과 접촉하면서 마찰력에 의해 유속이 감소하고 뒤에 존재하는 유체와의 압력차로 인해 와류가 발생하는 것이다. 이 과정에서 한번 와류가 발생한다. 이미 유속이 감소한 상태에서 흐름을 따라 두 번째 와류지점에서는 압력차가 뒤의 유속과 크지 않기 때문에 와류 생성이 다른 상황에 비해 힘든 것이 그 이유이다. 삼각형과 사각형을 일렬로 세운 경우, 앞의 삼각형 고무판 뒤쪽으로 와류가 생긴 것을 볼 수 있는데 사각형 판 뒤쪽으로는 와류가 거의 발생하지 않았다. 그 이유로는 위에서 말했다시피 이미 삼각형 판을 지나면서 유속이 충분히 작아졌기 때문에 그 다음 사각형 고무판에서 와류가 생길 정도의 압력차에 미치지 못했다고 볼 수 있다. 전체적으로 실험을 진행하면서 층류상태로 실험을 진행해야해서 유속이 매우 느렸다. 와류가 생기기 위해서는 어느정도 유속이 존재해야하지만 이 실험장비로는 한계가 있었다. 따라서 스티로폼 조각을 이용하여 잉크가 고무판에 다다를 즈음 힘차게 눌러주어 순간적으로 유속을 빠르게 만들어주었다. 여기서 주의할 점은 누른 스티로폼 조각을 급격하게 들어올리게되면 흐르던 물이 역류할 가능성이 크다. 따라서 흐름이 멈추지 않도록 물을 계속 공급해주는 동시에 스티로폼 조각을 아주 천천히 들어올려주어야 역류를 방지할 수 있다. 이 실험 역시 흐름이 정상상태가 될 때까지 약간의 시간이 주어져야한다. 또한 수도꼭지가 연결된 호스를 이용하여 물의 공급을 더 해주어 층류영역을 넘지 않는 선에서 유속을 더 증가시키면 실험을 진행하는데 있어서 훨씬 원활해질 것이다.
7. 참고문헌
나노화학공학과실험, 나노화학공학과 순천향대학교, pp18~20

키워드

레이놀드 수,   유체의 가시화,   화공공정실습설계1,   레이놀드 수 결과레포트,   고찰,   유체의 가시화 고찰,   화공레포트,   화공실험,   화학공학과 실험 레포트