유체유동 실험(Reynolds number, 손실두 측정)

소개글

유체유동 실험(Reynolds number, 손실두 측정)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적

2. 실험 이론

3. 실험 순서

4. 실험 장치및시약

5. 결론

6, 고찰

본문내용

2 = + gZ + u/2
위 식의 각 항은 스칼라량이며, 차원은 에너지/질량으로서, 흐르는 유체 단위 질량 기준의 기계적 에너지 효과를 나타낸다.
- 마찰의 영향 - Bernoulli 식의 수정
마찰이 있으면 기계적 에너지가 손실된다. 위에서 계산한 식에서와는 달리 마찰흐름에서는 유선에서 다음 양이 일정하지 않고 흐름 방향에 따라 감소하기 마련이다.
+ gZ + u/2
따라서 에너지 보존의 원리에 따르면, 기계적 에너지 손실에 대응하는 열이 발생한다. 흐르는 유체에서 기계적 에너지가 열로 변환되는 현상을 유체 마찰이라 한다. 비압축성 유체에서는 마찰이 없다고 가정한 식의 우변에 마찰에 관한 항을 첨가하여 베르누이 식을 수정한다. 운동에너지 보정인자 를 도입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
(운동에너지 보정인자 : = = ∴ = )
+ gZ + u/2 = + gZ + u/2 + h
이 식의 모든 항은 차원이 에너지/질량이다. h는 지점 a 와 b 사이에서 유체 단위질량에서 발생하는 전체 마찰(기계적 에너지가 열로 변환된 양)을 나타내는 것이다. 위의 식에서 h는 언제나 양의 부호를 갖고 퍼텐셜 흐름에서는 이 값이 0 이다.
① 기계적 에너지는 특정 지점에서의 상태에 따라 정해지지만 h는 지점 a 와 b사이의 모 든 점에서 기계적 에너지의 손실을 나타낸다.
② 마찰은 기계적 에너지로 변환 될 수 없다.
층류이든 난류이든 간에 경계층의 마찰은 속도구배를 유지하기 위해 전단력이 하는 일 때문에 생기며 결과적으로는 점성 작용에 의해 열로 변환된다.
숙제2) - 아래 그림을 관이라고 가정했을 때 유체의 흐름을 구분할 때 어느 부분을 관찰하여야 하는가?
③
②
①
<---- 유체의 흐름 <----
관에서의 유체의 흐름 중 Fully developed flow(Hagen-poise flow)란 유체가 흘러 갈 경우 관의 중심부에서 경계층이 끝난 후의 흐름을 말한다. 즉, 관속을 흐르는 유체는 벽 마찰에 의해 경계층이 두꺼워지게 되고 결국 모든 방향에서 오는 경계층이 만나 결국 유체의 모든 부분이 경계층이 된다. Transition length 이란 입구에서 완전히 발달된 흐름이 될 때까지의 거리(m)를 말한다. (이를 입구길이라고도 한다.)
위 계산식을 본 실험에 적용하면 층류인 경우 Transition length는 적어도 2.3m, 난류인 경우 0.8~1m가 된다. 그러므로 유속의 변화가 없는 상태에서 그 영역의 유체흐름을 판단하려면 1m 이상 흐른 후에 판단해야 정확하다고 생각한다. 실험장치의 길이가 약 1.2m정도였던 것을 감안한다면 정답은 ③번이다.
숙제3) 벤츄리미터의 압력차가 255-318(2mm더해줌)=65mmHg=8665.954(N/m2)
일 경우 물이 빠져나가는 양은 얼마인가?
이 문제는 압력차가 65mmHg가 되었을 때 손실두가 얼마인가를 구해야만 한다.
손실두의 종류에는 표면마찰력, 유속 또는 방향의 변화에 따른 마찰등 여러 가지가 있다. 그 모든 마찰력의 합을 전체 손실두라 가정하자. 마찰두는 압력차에 비례한다고 가정하고 내삽해보면 65mmHg에서의 손실두는 15.76의 값이 나온다.
이때의 운동에너지 보정인자 는 첫 번째와 두 번째 사이에 있으므로 는 난류일때의 값을 가질 것이기 때문에 =1이다 따라서 아래와 같이 표현할 수 있다.
,
위의 식을 이용하여 각각의 평균유속을 구할 수 있다. 구해보면
15.76 = + 이다.
= 1.185이고 = 4.74 이 나온다. 위의 식을 이용해서 출구에서의 속도를 구해보면 V= 0.84가 나온다. 이 때의 출구 물의 양을 아래의 식을 이용해서 구하면
=
출구에서의 무게(Kg) = 4.27Kg이 나온다.
6. 고찰
실험 1- Reynolds number 측정
이번 실험은 유체가 관을 통해 흘러갈 때 흐름 형태를 관찰함으로써 층류인지 난류인지를 육안으로 판단하고 이 때 Reynolds Number를 측정하여 이론값과 실제값을 비교하는 실험이었다.
실험은 간단하였다. 한 쪽에서는 유체를 유리관을 통해 흐르게 한 후 먹물을 흘려보내어 육안으로 층류인지 난류인지를 판단하였고 다른 한 쪽에서는 일정시간(10초)의 물의 양을 측정하여 유체의 속도를 측정하였다. 실험은 각각 2번씩 측정하였는데 관찰한 흐름형태와 Reynolds number의 영역과 일치하였다.
다음으로 평균유속(V)와 ln(NRe)의 그래프를 그려보았다. 예상하기에 평균유속과 ln(NRe)은 선형적인 비례관계를 가지고 있기 때문에 예상하기에 직선이 되어야 한다고 판단할 수 있었는데 실험결과도 거의 직선에 가까웠다. 실험은 대단히 성공적이라고 생각되었다.
이번 실험을 통해 유체유동 시간에 배운 NRe를 실제로 관찰함으로서 머릿속으로만 생각하고 있던 개념들을 정립할 수 있었다.
실험 2- 손실두 측정
이번 실험은 공업적 프로세스에서 유량을 제어하는 장치인 벤츄리미터, 오리프스를 이용하는 실험이었다. 유체의 속도를 변화시켜 유체를 흘려보낼 때의 관 단면에 따른 속도변화와 이 때 생기는 손실두를 측정하는 실험이었다.
실험은 벤츄리미터, 오리피스 각각 유량을 조절하여 3번씩 실험하였다. 한쪽에서는 높이의 차를 이용해서 압력차를 계산할 수 있는 마모미터를 관찰하였고 한쪽에서는 출구의 일정시간에 따른 유량의 양을 측정하였다. 유량의 무게를 이용해서 출구에서의 속도를 각각 구하였고 마찰이 있는 베르누이식에서 마찰두를 계산하였다.
실험 데이터의 값들을 계산하면서 벤츄리미터와 오리피스의 차이점을 알 수 있었다. 오리피스는 벤츄리관에 비해 구조가 간단하고 압력손실이 큼을 알 수 있었다. 이는 베타콘트랙타 하류에서 제트류가 팽창하면서 발생하는 에디로 인해 마찰손실이 커지기 때문이다.
이번 실험을 통해 알 수 있었던 점은 베르누이 법칙에 의하여 유체가 관로를 따라 흐를 때 관의 면적을 축소시키면 유체의 속도가 증가하고 압력이 감소한다는 사실을 알 수 있었고 이를 이용해 압력손실을 계산한다는 사실도 알았다. 그리고 마찰두를 계산함으로써 실제 프로세스에서 출구에서 유량을 얼마의 압력과 속도로 보내야만 출구에서의 유량의 상태를 알 수 있는 중요한 실험이었다.

키워드

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