Reynolds number(레이놀즈 수)

소개글

Reynolds number(레이놀즈 수)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

■ 실험제목
#3. 레이놀즈수

■ 실험목적

■ 이론
● 점성(Viscosity)
● 레이놀즈수 [ Reynolds number ]
● 층류 및 난류
● 유량의 개념

■ 실험기구 및 방법
● 실험기구
● 실험방법

■ 결과 및 고찰
● 결과
● 고 찰

본문내용

공학적 문제해결의 입장에서 볼 때 상한치보다 중요하며 하한계 Reynolds수보다 낮은 흐름의 경우에는 난류성분은 유체의 점성에 의해 모두 소멸된다. 지금까지의 여러 실험결과에 의하면 관수로에서 의 한한계 Reynolds수는 2,000으로 알려져 있다. 즉, 흐름의 Reynolds수가 2,000보다 작으면 흐름은 층류이고, 2,000～4,000 사이이면 층류와 난류가 공존하는 이른바 불안정 층류(혹은 천이영역의 흐름)라 하며, 4,000 이상인 흐름은 난류로 분류된다.
■ 실험기구 및 방법
● 실험기구
Reynolds 수 측정 장치(아래그림 참조). 메틸렌 블루, 타이머, 메스 플라스크
① 급수 밸브 ② 착색액 용기통(잉크) ③ 잉크 주입 cock
④ glass wool ⑤ 잉크 주입 노즐 ⑥ 투명 측정관
⑦ 배수 밸브 ⑧ 유량 조절 밸브
● 실험방법
1. 배수 밸브가 완전히 잠겨 있는지 확인하고 급수 밸브를 수두 탱크와 연결한다.
2. 색소통의 밸브를 잠근 후 색소액을 4/5정도 채워준다.
▶ 실험에 사용되는 색소액은 포화농도 메틸렌블루 욕액을 사용한다.
3. 수평조절나사를 조절하여 실험장치의 수평을 맞추어 준다.
4. 급수호수의 밸브를 열어 수조에 물을 공급한다.
5. 수면을 일정하게 유지하여 주기 위하여 Overflow pipe를 넘쳐흐를 때까지 수조에 물을 공급한다.
6. 수조내의 온도를 측정한다.
7. Overflow 상태로 일정한 수면이 유지되면 실험에 필요한 유속으로 Control Valve를 조절하여 측정관 안으로 흐르는 물의 유속이 안정된 것을 확인한다.
8. 측정관의 유속이 안정된 후 색소통의 밸브를 조금씩 열어 색소액의 흐름을 가장 잘 관찰할 수 있는 양을 관의 중심으로 흐르게 하여 이때의 색소유선을 관찰한다.
▶ 물의 유속조절시, 색소액의 양 조절시 등 장치내에 외부적인 진동이 작용하면 흐름형태의 변화가 있으니 모든 조작이 끝난 후 일정시간 여유를 두고 색소의 유선을 관찰하여야 한다.
9. 다음 Fig. 1의 a와 같이 일직선상의 흐름이 이루어지면 이러한 흐름을 층류라 하며, 이때의 유량(Q1)을 측정한다.
10. 정확한 유량측정 방법은 초시계와 매스실린더를 사용 측정수 배수 밸브로부터 일정한 유량을 받아 시간을 재거나 일정 시간을 받아 유량을 3번이상 측정하여 평균값을 얻는다.
▶ 장치내 부착된 계량조와 눈금자를 이용하여 대략적인 유량(유속)을 계산할 수도 있다.
11. 유량 조절 밸브를 점차적으로 개방하면 색소유선은 분명한 일직선이 되지 않고 흔들리기 시작하는데 이때의 유속에 해당하는 것이 상임계 Reynolds 수 이다.
12. 다음 그림에서 a→b로 변하는 상태를 상엠계 Reynolds 수라 하는데 이때의 유량(Q2)을 측정한다.
13. 유량 조절 밸브를 더 개방하면 색소유선은 완전히 흐트러지는데 이 때가 난류흐름이다.
14. Fig. 2의 d상태에서의 유량(Q3)을 측정한다.
15. 유속을 충분히 크게 하여 완전히 난류 상태로 만든 후 유량 조절밸브를 서서히 닫아주면서 유속을 점차 감소시키면 색소 유선이 흐트러진 상태에서 직선으로 변하기 시작하는데 이때가 하임계 Reynolds 수이다.
16. 이 때의 유량(Q4)을 측정한다.
17. 위의 1에서 16항까지의 과정을 반복하여 실험하고 다음장의 data 표에 기록한다.
■ 결과 및 고찰
● 결과
공식 및 풀이
회수
물의양(ml)
시간(sec)
유량(㎥/s)
유속(m/s)
NR
흐름분류
1
91
120
7.58×
0.0024
39.06
층류
2
97
120
8.08×
0.0025
41.63
층류
3
535
120
4.45×
0.0141
229.65
층류
4
298
120
2.48×
0.0079
127.92
층류
5
88
120
7.33×
0.0023
37.77
층류
6
94
120
7.83×
0.0024
40.35
층류
7
528
120
4.4×
0.0140
226.65
층류
8
291
120
2.42×
0.0077
124.91
층류
9
94
120
7.83×
0.0025
40.35
층류
10
99
120
8.25×
0.0026
42.50
층류
11
531
120
4.42×
0.0141
227.94
층류
12
288
120
2.4×
0.0076
123.63
층류
물의 제원
물의 온도(℃)
동점성계수(m2/s)
밀도(kg/)
관직경
12℃
　1.236×10-6
999.58
0.02m
● 고 찰
이번실험에서는 층류와 난류와 전이영역을 관찰하는 실험이었다. 하지만 실제 실험에서 유속이 일정하게 유지되지 않았으며 실제 육안으로 난류 및 층류의 명확한 표시가 잘 관찰되기가 용이하지 않았다. 이론적으로는 레이놀즈수는 층류는 2100이하이며 난류는 4000이상이 관측되어야 하는데 층류만이 관찰됨을 알 수 있다. 육안으로 난류처럼 가늘게 평행한 직선이 관찰되었는데 결과값을 측정해보니 층류가 나왔다. 더군다나 전이영역 근처상태인 2100근처에도 미치지 못한 값이 도출되었다. 이는 처음 실험할 때 주의사항에 평형을 맞추어 주어야 한다고 했는데 측정 장치의 평형을 다소 미흡하게 유지하였다. 그래서 유체의 속도가 일정치 않고 나오는 현상또한 예상과는 다르게 나온 것 같다. 실제로 육안으로 관찰시 약간의 역류현상도 일어났다. 아마도 배출되는 관의 높이가 더 높았던 것 같다. 그리고 유속을 결정하는 단계에서 관의 밸브를 개페하는 과정에서 흔들림과 약간의 진동에도 민감한 장치의 단점인 것 같다.
결과적으로 일정하지 않은 유속으로 인해 실제적인 난류등의 현상이 제대로 관측되지 않은 점이 가장 큰 잘못이고 이를 실험자 나름대로 해석한 것이 잘못된 가장 큰 이유이다. 메틸렌 블루 용액의 농도가 좀 더 진했으면 관찰이 용이 할 것으로 보인다.
■ Reference
난류입문 / 대영사 / 김신, 정범진 / 1997. 4. 15 / P 7 ～ 9
유체역학 / 오토테크 / 권양구외 4명 / 2000. 6. 20 / P119～122
알기쉬운 유체역학 / 도서출판 영진 / 이진외 3명 / 2003. 2. 5 / P276～279
화공유체역학 / Noel de Nevers원저 / 맥그로우 힐 / 1994 / P181～194

키워드

Reynolds,   레이놀즈,   유량,   점성,   Viscosity,   Reynolds number