[기계공학실험] 풍동실험

소개글

[기계공학실험] 풍동실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 제목
2. 실험 개요
　(1) 실험 목적
　(2) 실험 배경
3. 이론
　(1) 풍동
　(2) 익형
　(3) 레이놀즈수
　(4) 축척 모델
　(5) 양력(Lift Force)
　(6) 항력(Drag)
　(7) 박리
　(8) 유선(streamline), 유적선(pathline), 유맥선(streakline)
　(9) 마그너스(Magnus) 효과
　(10) 항력을 줄이는 방법
4. 실험 내용 및 방법
　(1) 실험 내용
　(2) 실험 장치
　(3) 실험 방법
　(4) 실험 시 유의점
5. 실험 결과
6. 고찰
7. 참고문헌

본문내용

다.
-주의사항 : 토글스위치를 끄고 변압기에 연결된 전선을 제거해도 커패시터에 충전된 전압은 남아있으므로 누름 스위치를 누르면 출력단에 고압의 전위차가 발생한다. 이때 출력단자가 쇼트되지 않도록 주의한다.
3.풍동
-벽면과 컨트롤박스 아래의 스위치를 올리면 전원이 들어온다.
-key를 돌리고 START를 누르면 stand by 상태가 된다.
-mode 스위치를 이용하여 모드를 주파수 모드로 바꾼다.
-화살표 스위치를 이용하여 풍동의 모터에 인가될 전원의 PWM 주파수를 입력한다.
-enter를 누르면 입력이 끝나고 run을 누르면 풍동이 작동한다.
-stop 스위치를 누르면 풍동이 작동을 멈추고 stand by 상태가 된다.
-풍동의 전원차단은 전원인가의 역순이다.
(3) 실험 방법
1) 익형 모형을 풍동 출구에 설치한다.
2) 캠코더를 설치한다.
3) 풍동 입구에 열선을 설치한다.
4) 열선양단에 직류 전원 공급 장치를 설치한다.
5) 열선에 파라핀을 골고루 발라준다.
6) 풍동을 작동시킨다.
7) 열선에 전류를 흘려 smoke를 발생시킨 후 캠코더로 유동을 촬영한다.
8) 풍속을 변화시키면서 5)~7)을 반복한다.
9) 익형의 각도를 변화시켜서 5)~8)을 반복한다.
10) 촬영된 영상을 편집한다.
(4) 실험 시 유의점
1)파라핀을 연소시키는 전류인가 장치는 높은 전력을 사용하므로 사용에 각별이 주의하고 젖은 손으로 실험에 임하지 말 것.
2)열선은 고온으로 가열되므로 화상에 주의할 것.
3)풍동의 Inlet 과 Outlet 부위의 장애물은 유속에 영향을 주므로 주의할 것.
4)풍동의 Outlet 과 출입문의 거리가 가깝기 때문에 실험에 영향을 주지 않도록 출입문을 개방할 것.
4. 실험 결과
1 익형
(1) 각도 = 0°
1) 각도 = 0° , 풍속 = 2m/s 2) 각도 = 0° , 풍속 = 3m/s
3) 각도 = 0° , 풍속 = 4m/s 4) 각도 = 0° , 풍속 = 5m/s
(2) 각도 = 30°
1) 각도 = 30° , 풍속 = 2m/s 2) 각도 = 30° , 풍속 = 3m/s
3) 각도 = 30° , 풍속 = 4m/s 4) 각도 = 30° , 풍속 = 5m/s
(3) 각도 = 60°
1) 각도 = 60° , 풍속 = 2m/s 2) 각도 = 60° , 풍속 = 3m/s
3) 각도 = 60° , 풍속 = 4m/s 4) 각도 = 60° , 풍속 = 5m/s
(4) 각도 = -30°
1) 각도 = -30° , 풍속 = 2m/s 2) 각도 = -30° , 풍속 = 3m/s
(3) 각도 = -30° , 풍속 = 4m/s 4) 각도 = -30° , 풍속 = 5m/s
4.2 자동차 모형
1) 풍속 = 2m/s 2) 풍속 = 3m/s
3) 풍속 = 4m/s 4) 풍속 = 5m/s
4.3 각 속도에 따른 Reynolds number
2m/s -> 38961.039
3m/s -> 58441.558
4m/s -> 77922.078
5m/s -> 97402.590
5. 고찰
풍동에서 익형의 각도를 0°, 30°, 60°, -30°로 달리하고, 자동차모형을 놓고 2m/s, 3m/s, 4m/s, 5m/s의 풍속에서 파라핀을 열선에 흘려 연기를 피워서 각각의 유동현상을 가시화 하는 실험을 했다. 이 실험을 통해서 익형을 통과하는 유체의 흐름과 각도와 유체의 속도(레이놀즈수)에 따라 달라지는 박리현상과 와류가 형성되는 등의 현상을 볼 수 있었다.
익형의 각도가 0°에서는 날개 끝 쪽에서 유동박리현상을 발견할 수 있었고, 유속이 높을수록 두드러지는 것을 어렴풋이 볼 수 있었다. 나머지 각도에서는 확연하게 박리현상과 와류가 생기는 것을 볼 수 있었고 각이 커질수록 박리영역이 커지는 것을 확인했다. -각도 일때는 박리영역이 날개 밑쪽으로 생기는 것을 볼 수 있었다. 그리고 유속이 빨라짐에 따라 박리영역이 커지는 것을 발견했다. 자동차 모형의 경우도 유속이 빨라짐에 따라 대체적으로 박리영역이 커지는 것을 보았다. 이런 현상을 볼 때, 각각의 각도와 유속이나 물체의 모양에 따라 항력과 양력이 달라지는 것을 알 수 있다. 대체로 15°의 이상의 각에서는 완전히 박리된다고 한다. 이 때 익형은 실속(stall)되었다고 하는데, 이때 양력은 급격히 감소하고 저항은 현저히 증가해서 날개로서의 기능을 상실하게 된다.
하지만 매번 실험을 시행할 때마다 파라핀 연기의 분포가 제각각 조금씩 다르고, 시시각각 형태가 변하는 것을 캡쳐해서 관찰했기 때문에 정확한 비교가 되지 않았다. 지속적으로 연기를 내게 해서 관찰할 수 있는 장비가 있어서 동영상으로 관찰했다면 더 뚜렷하고 신뢰성있는 결과를 볼 수 있었을 것이다.
이론적으로도 항력과 양력에 대한 다음의 식을 통해서도 풍속과 익형의 각도를 변화시키면 항력과 양력의 값이 변화 한다는 것을 알 수 있다.
각 유속에 따른 레이놀즈수를 비교해보면 유체의 유동속도가 빠를수록 레이놀즈수가 커지는 것을 볼 수 있다. 그리고 그 값도 큰데, 이것은 관성력/점성력을 나타내는 레이놀즈수의 의미에서 관성력이 유체를 더 크게 지배하고 있다는 뜻이며, 속도가 빠를수록 그 정도가 커진다는 것이다. 일정 레이놀즈수 이상에서는 표면의 경계층에서 천이현상이 일어나 박리되기 전의 경계층의 상태가 층류에서 난류로 전환되는데, 난류 경계층은 층류 경계층보다 더 큰 운동량을 지니고 있기 때문에 역압력구배에 대한 저항력도 크다. 그렇기 때문에 박리점 위치도 더 뒤쪽지점으로 밀려나게 된다. 실제로 실험사진에서는 잘 나타나진 않지만 더 좋은 환경에서 실험을 하거나 속도차이를 크게 해서 비교했더라면 볼 수도 있었을 것이다.
풍동 실험을 통한 유체의 외부유동의 분석은 비행기나 자동차뿐 아니라 건물이나 잠수함같은 물체에 유체의 영향이 항력이나 양력 등에 얼마나 영향을 주는지 알아 볼 수 있을 것이다.
6. 참고문헌
-「유체역학」, Alexander J. Smith, 시그마프레스, 2003
-「유체역학」, Yunus A Cengel, John M. Cimbala, 한국맥그로힐, 2005
-「Yahoo백과사전」, http://kr.dic.yahoo.com/search/enc/

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