기계공학실험 경계층측정 실험레포트

소개글

기계공학실험 경계층측정 실험레포트에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험목적 :
2. 실험이론
(1) Boundary Layer
(2) 배제 두께, 운동량 두께
(3) Reynolds' No.
(4) pitot tube
3. 실험방법
3-1. 실험 시 주의사항
4-1. Data 처리
4-2. Data Sheet
5. 실험 결과 및 고찰
1) 속도비 그래프
2) 배제 두께
3) 운동량 두께
4) 레이놀즈수
5) 고찰
6. References

본문내용

과로써 속도와 표면의 거칠기가 배제 두께와 운동량 두께와 비례함을 알 수 있다.
4) 레이놀즈수
(At 25℃, ) ->
(At 25℃, ) 특성길이 : 0.27m
Rough High Re
Rough Low Re
Smooth High Re
Smooth Low Re
131.2719
87.1448
133.3754
87.7689
14.8910
12.1328
15.0100
12.1761
2.1733
1.7707
2.1906
1.7770
이론 부분에서 언급했던 평판 외부유동의 경우에 층류와 난류를 구분 짓는 레이놀즈수는 으로 이번 실험의 유동은 층류유동인 것을 알 수 있다.
지금까지의 결과는 모두 평판 층류 외부 유동을 가정해서 우리는 결과를 얻은 것
이기 때문에 만일 여기서 구한 값이 난류가 나온다면 이 실험 결과는 모두 잘못된
것이 된다. 여기서 필요한 것은 경계층 밖에서의 레이놀즈수다. 그것은 경계층 안에
서 보다 큰 레이놀즈수를 가지기 때문이다.
5) 고찰
이번 실험은 평판 외부유동 실험으로 경계층을 측정하여 그것을 이용하여 관련된 다양한 결과값을 얻는 실험이었다. 이번 실험을 함으로써 여러 가지 실험 조건에서 변하는 데이터로 그래프를 작성하여 경계층의 계략적인 모습과 유속과 표면성질에 따른 유체가 받는 마찰의 영향정도를 알 수 있었다.
언급한 이론과 결과에서와 같이 점성이 있는 유체가 어떤 물체를 지날 때 물체의 경계면 부근에서 경계면에 발생하는 전단 응력 때문에 유체의 유동이 변하는 영역이 생기는데 이를 경계층이라 한다. 경계층은 물체를 처음 만나는 점부터 발생하여 하류로 갈수록 점점 경계층 영역이 커진다. 이리하여 처음 층류의 유동을 보이던 유체는 난류의 유동을 보인다. 이런 유체의 유동을 알기 위해 레이놀즈수에 대해 생각하면 레이놀즈수가 클수록 경계층 두께가 증가한다. 이를 앞의 그래프에서 확인하면 유동 속도가 작을수록, 매끄러운 면 위에서 유동을 할 경우 경계층이 작게 발생하는 것을 알 수 있다. 위에서 구한 배제 두께와 운동량 두께에 대해서 알아보면 이것에 대해서 유동의 속도에 따른 분류, 판의 성질에 따른 분류로 나눌 수 있다. 유동의 속도에 대해 보면 유동의 속도가 커지면 난류 운동을 할 것이고 난류 운동을 하면 층류 운동에 비해 유동의 에너지 손실이 클 것이다. 판의 성질에 대해서는 표면이 거칠수록 마찰력이 커져 (전단응력) 유동의 에너지 손실이 클 것이다. 이로 인해 속도가 빠를수록, 판의 표면이 거칠수록 배제 두께와 운동량 두께가 더 크다고 할 수 있다.
레이놀즈수는 Re = ρUL/μ = LU/ν 로서 유체입자의 점성력에 대한 관성력의 비이다. 이를 바탕으로 이 유체가 어떤 유동을 하는지 유동형태를 알 수 있다. 레이놀즈수가 크면 상대적으로 분자가 큰 관성력이 큰 유동이고, 작으면 상대적으로 분모가 큰 점성력이 지배하는 유동이다. 따라서 레이놀즈수가 크면 유체는 난류의 유동 형태를 갖고 수가 작으면 층류 유동형태를 갖는다. 실험결과에서 이 같은 레이놀즈수와 유동형태를 빠른 유동과 느린 유동에서 각각 거친 면과 매끄러운 면의 4가지 형태에 대해 실험 하였다. 위의 레이놀즈수를 구하는 공식은 점성력에 대한 관성력의 비였고, 이는 점성력이 클수록 레이놀즈수가 작아졌다. 이것은 레이놀즈수가 작으면 유체와 표면 사이에 작용하는 전단응력이 커진다고 볼 수 있다. 전단응력은 평판에서 경계층의 운동량 결손 값의 흐름 방향의 변화율과 같다고 할 수 있다.
배제두께의 그래프에서 y축이 무차원화 되어 경계층을 고려하지 않은 그래프를 통하여 앞에서 언급한 속도구배가 배제두께를 결정하게 된다. 결국 속도구배가 클수록 배제두께는 얇아지게 된다. 결국 경계층을 고려하지 않을 경우(2번재 그래프) 속도구배의 역순으로 배제두께가 됨을 예측할 수 있다.
실험에서 피토튜브를 45도 각도로 기울여서 사용하는 이유는 수면의 표면적을 넓혀서 수면의 흔들림을 적게 해서 눈금을 읽기 쉽게 하기 위함이다.
평판위의 유체의 외부 유동형태를 알기위해서 레이놀즈수를 Re=ρUL/μ 의식을 이용해 구했다. 그러나 밀도와 점도는 유체의 물성치 이므로 25℃의 Air 물성치를 이용하였다. 그러나 실제 온도는 22℃였기 때문에 약간의 오차가 있었고 속도도 진동하는 튜브로 인해 오차가 있었다. 이로 인해 이 유체의 유동 형태를 나타내는 레이놀즈수는 원래 이 유체가 가지고 있는 레이놀즈수보다 적게 나왔다고 생각할 수 있다. 다른 오차로는 측정하는 기기의 관을 고체 표면에 최대한 붙이려다 보니, 피토관의 끝부분이 벽면에 붙었을 때 약간 휘어져서 이 부분에서 오차가 발생했다. 그리고 측정자가 튜브관의 액체의 높이를 제대로 측정하지 못하는 오차가 있다고 본다. 특히 높이가 계속 움직여서 일정한 기준으로 측정하는 것이 어려웠다. 그리고 피토관의 두께 때문에 표면에서 0인 값을 얻지 못하였기에 사실 평판부터의 거리 측정에 오차가 있을 수 있다. 그리고 실험 장치의 오류로 인하여 정압이 고정되지 않았다. 평판과의 거리가 멀어짐에 따라 동압 뿐 아니라 정압도 변화함을 볼 수 있었다. 그밖에 측정오차로는 바람이 흐르고 있는 평판 내부의 온도는 유체가 흐름에 따라 열전달이 일어나서 25도와 다른 온도일 수 있고 피토관까지의 유효길이의 오차가 있을 수 있다. 그리고 여러 가지 결과 분석이 근사적인 방법으로 분석하였기 때문에 이것은 이론적인 값임으로 실제 값과 다를 수가 있다. 예를 들어 거친 면에 작은 홈들에서 유체가 부딪쳐서 와류 같은 것이 만들어져 약간의 오차를 야기할 수 있다. 그리고 이 경계층 실험을 효과적으로 할 수 있는 방법은 난류를 일으키지 않을 정도의 유체의 유입속도를 차이가 크게 나게 하여 실험을 한다. 이럴 경우 어느 정도의 오차가 생기더라도 큰 영향을 끼치지 못할 것이다. 그리고 위에서 언급한 측정오차들을 수정한다면 더 좋은 결과를 얻을 수 있다.
6. References
1) Introduction to fluid mechanics, Shaughnessy 외 2명, Oxford, 2005
2) 유체역학, Wiley Roberson 공저, 허남건 공역, 시그마프레스
3) 네이버 백과 사전

키워드

경계층 측정 ,   유체,   기계공학실험,   운동량두께,   배제 두께,   Boundary Layer,   바운더리 레이어,   경계층