[기계공학실험] 마찰 계수 측정

소개글

[기계공학실험] 마찰 계수 측정에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 제목
2. 실험 목적
3. 기본 이론
3.1 Lewis Ferry Moody
3.2 차원해석을 이용한 파이프 유동 마찰계수 식 유도
3.3 유량(Flow rate)
3.4 층류(larminar flow)와 난류(turbulence flow)
3.5 레이놀즈 수 (Renolds number)
3.6 Churchill의 마찰계수
3.7 Moody 차트
4. 실험 장치
5. 실험 방법
6. 실험 결과 및 토의

본문내용

0
2
0.044978275
0.058869738
0.0586
0.058
3
0.033733706
0.029434869
0.0301
0.029
4
0.037981654
난류영역이므로
계산 불가
0.0463
0.045
5
0.041604904
0.0437
0.043
6
0.037781751
0.0415
0.041
7
0.034483344
0.0398
0.039
8
0.032219131
0.0386
0.038
9
0.032398413
0.0376
0.037
10
0.031871811
0.0369
0.036
11
0.030898606
0.0361
0.036
12
0.030851533
0.0356
0.035
13
0.030265432
0.0351
0.035
14
0.030397992
0.0346
0.034
15
0.029857141
0.0343
0.034
16
0.029903754
0.0339
0.033
17
0.028918766
0.0336
0.033
18
0.031953963
0.0336
0.033
19
0.027914173
0.0332
0.033
③ 마찰계수 계산 방법
Darcy 마찰계수나 Churchill 마찰계수는 비교적 식에 계측값을 대입하여 도출할 수 있으므로 간단하다(밀도와 점도의 경우 보간법 사용) 그러나 Moody 차트의 경우는 조금 다르다. Moody 차트는 레이놀즈 수와 상대적 거칠기를 통해 마찰계수를 구할 수 있는데 일단 레이놀즈수는 2300이하인 경우 층류영역이므로 그래프의 좌측에 있는 직선의 그래프를 이용해야 하고 레이놀즈수가 2300~4000사이는 천이영역으로 층류가되기도 하고 난류가 되기도 하므로 천이영역 부분의 그래프값을 읽어야 한다. 그 이후의 레이놀즈 수는 난류유동을 나타내는데 난류유동은 그래프 왼쪽에 있는 상대적 거칠기를 이용해 그래프를 선택하고 그 그래프를 이용해 레이놀즈수와 만나는 지점의 마찰계수를 구하면 된다. 상업용 관의 거칠기중 우리가 실험한 실험기기의 거칠기는 1.8 * 10^-3in (=0.00015 ft)이므로 상대적 거칠기를 구하면 0.00015ft/0.03609ft이 되는데 이 값은 0.004정도로 볼 수있다. 그러므로 moody 차트를 이용해 마찰계수를 구할 때에는 난류영역 그래프 중에 0.004의 상대적 거칠기를 가진 그래프를 통해 마찰계수를 구해야 한다.
토의 사항
1) 레이놀즈수의 함수로 마찰계수를 도시하고 유동의 천이 및 레이놀즈수의 영향에 대하여 설명하시오.
위의 그래프를 살펴보면 레이놀즈 수가 2100미만일 경우에 층류영역이 직선 그래프로 나타남을 쉽게 알 수 있다. 레이놀즈 수가 2100~4000일 경우에는 천이 영역이 나타난다. 천이영역에서는 층류가 되기도 하고 난류가 되기도 하는 현상이 나타난다. 그 이후의 레이놀즈 수에서는 완만한 곡선을 가진 난류가 나타남을 볼 수 있다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라 층류에서 천이로 천이에서 난류로 이동되어 진다.
층류영역에서는 레이놀즈수가 증가함에 따라 마찰계수가 급격히 감소하고 천이영역에서는 레이놀즈 수가 증가함에 따라 마찰계수가 일정치 않으며 난류영역에서는 레이놀즈 수가 증가함에 따라 마찰계수가 완만하게 감소함을 결과값과 표를 통해 알 수 있다.
2) 실험의 오차 및 정확성에 대하여 기술하시오.
① 이번 실험에서는 부자식 유량계를 사용하였는데 실험이 진행됨에 따라서 이상하게도 측정치에 맞추어 놓았던 부자가 자꾸만 밑으로 점점 떨어지는 현상이 발생하였다. 이런 현상으로 인하여 측정값에 오차가 발생할 수 있다.
② 이번 실험에서 사용했던 차압 변환기의 수치 측정에 있어서 실험 중 가장 크게 나타나는 값을 기록하였는데 차압 변환기의 측정값이 계속 6pa간격으로 변하게 되므로 ±6pa 정도의 오차가 발생하였다.
③ 이번 실험에서 정상상태는 물의 온도가 일정해질때로 볼 수 있는데 1시간 이상 기다려봐도 수온이 모터의 열로 인하여 조금씩 계속 올라가고 있었으므로 완전한 정상상태에서 실험을 했다고 보기는 어렵다. 즉 실험을 하는 도중에 모터의 열로 인하여 계속 물의 온도가 올라가는 것을 무시할 수 없고 이로 인하여 물의 밀도와 점도가 달라지므로 레이놀즈 수에 영향을 미칠 수 있을것이다.
④ Moody 차트를 이용해 마찰계수를 구할 때 그래프의 크기가 너무 작고 조밀하게 나뉘어져 있어 계측하는 사람에 따라서 다른 값을 읽을 수 있을 것이다.
3) 실험장치의 개선이 필요할 경우 제안하시오.
① 부자식 유량계보다는 좀더 정확한 유량을 나타낼 수 있는 유량계로 대체하였으면 좋겠다. 부자식 유량계는 책상을 조금만 움직여도 마구 흔들리고 실험이 진행됨에 따라 유량이 갑자기 변경되기도 하므로 부자식 유량계보다는 좀더 정밀한 유량계를 사용하였으면 좋겠다.
② 이번 실험에서 정상상태에 도달하기 힘들었던 점이 바로 펌프 때문인데 펌프가 계속 작동됨에 따라서 물에게 계속해서 열을 빼앗기므로 물은 계속 온도가 올라가게 되어 정상상태에서의 실험이 매우 힘들었는데 열전도가 낮은 펌프를 사용하여 정상상태에 영향을 미치지 않는 펌프를 사용하였으면 좋겠다.
4) 기타 실험에서 발견한 사항에 대하여 기술하시오.
이번 실험은 유체가 관내 유동을 할 때 유량에 따라 레이놀즈수와 마찰계수가 어떻게 변하는지 알아보는 실험이였다. 관내를 이동할 때 거시적으로는 매끄러운 관을 통과하는 것처럼 보이나 미시적으로는 상당히 거친 관을 유체가 지나가게 됨으로써 관 주위와 유체간에 마찰(전단력)이 발생하게 된다. 이런 마찰로 인하여 운동에너지가 열에너지로 바뀌게 되고 유량이 증가함에 따라 층류에서 난류로 바뀌게 된다. 층류 난류를 구별할 수 있는 척도가 레이놀즈 수이며 관내 손실을 알아보는 척도가 마찰계수가 되는 것이다. 이번 실험은 정상상태에 완전히 도달하였을때 실험을 진행했어야 하는데 정해진 시간내에 실험을 해야하고 무작정기다릴 수도 없었기 때문에 아쉽지만 비교적 정확한 실험을 못했다는데에 아쉬움이 크다. 하지만 이번 실험을 통해 유체역학에서 배웠던 이론들을 보다 현실적으로 접근할 수 있었으며 관내유동에 대한 역학적 지식을 쌓은 것으로 대단히 만족한다. 기회가 된다면 추후에 좀더 정확한 실험을 할 수 있기를 바란다.

키워드

마찰계수,   moody,   기계공학실험,   홍익대학교,   층류,   난류,   레이놀즈,   Churchill