[실험보고서] 관로(管路)마찰 - 관로에서 생기는 부 손실, 주 손실에 대해 실험

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목차

[실험보고서] 관로마찰 - 관로에서 생기는 부 손실, 주 손실에 대해 실험

1. 서론
2. 이론
　A. 에너지 방정식으로 손실항 계산
　A. 주 손실 : 마찰계수
　C. 부손실
　D. 유량계의 토출 계수
3. 실험 장치
4. 실험 순서
5. 실험 데이터 정리
7. 결과 분석 및 토의

본문내용

사용하여 구한다.
4.2355*10^4
Cd (이론값)
0.609(표)
이론 유량(m^3/s)
0.0002251
Cd (실험값)
1.4807
7. 결과 분석 및 토의
대부분의 실험에서처럼 마찰에 대한 값은 실험값에서 더 크게 나타날 것으로 예상했으나, 위의 계산 결과에서 보듯이 이론값과 실제 값을 비교했을 때 마찰계수나 손실계수가 이론계산에서 보다 실험에서 작게 나오는 경우도 있었다.
실험과정에서 유량조절에서 어려움이 많았기 때문에, 유량측정계와 마노미터에서의 수치 값이 수시로 변하여 유량 값 측정이나 높이차 측정에 애매함이 많았고 결국 유량 값 측정과 압력차에도 많은 영향을 주었을 것으로 판단되며, 역시 같은 이유 때문에 관내에 물외에 공기방울이 발생되어 이론전개에서와 다른 상황이 발생되었고, 또 관내의 유입량과 유출량을 잘 조절하지 못하여 유량이 일정하게 공급되었다고 볼 수 없다. 따라서 완전발달유동의 가정에 타당한 정도에 이르지 못한 것으로 해석된다.
오차 분석(긴 관)
이론값 f
실험값 f
오차
0.025
0.0141972
긴 관의 주 손실 결과 얻은 이론적인 마찰계수 값과 실험값을 비교해 볼 때 실험값에서 마찰계수가 더 작게 나타나는데, 그에 대한 원인은 유량이 관내를 가득 채울 정도에 이르지 못하여 관내에 빈공간이 생긴 결과 가득 찼을 경우에 비하여 물과 관내의 접촉표면적이 줄어 작은 마찰력을 받은 것으로 예상할 수 있을 것 같다.
실험에서 유량과 관의 지름 변화에 따라 레이놀즈 수가 변하게 되며 관의 지름이 크고 유량이 많아 속도가 빠를수록 관성력의 효과가 커져서 마찰계수가 작아질것으로 예상되고 Moody선도에서도 레이놀즈수 증가에 따라 마찰계수가 감소하는 것을 확인할 수 있으나 실험에서는 관의 직경변화에 따른 유량변화가 적절하지 못하여 그런 경향은 확인할 수 없었다.
오차 분석(엘보우 구간)
이론값 k
실험값 k
오차
0.2
0.434499
엘보우 구간에서 실험값의 손실계수가 이론값의 손실계수보다 두 배 정도 크게 나타났다. 손실계수에 영향을 줄 수 있는 것은 관 벽의 마찰력과 운동량 변화량에 대한 것인데, 불순물이 포함되어 질량이 증가된 비순수한 물이 운동방향을 바꾸기 위해 많은 에너지가 손실되었을 것으로 추정할 수 있으며 이관에서는 커브 안쪽으로 퇴적작용이 일어나 관내 흐름이 원활하지 못하여 손실계수가 실험값에서 많았을 것으로 추측된다.
오차 분석(급축소 구간)
이론값 k
실험값 k
오차
0.312
0.175905
급수축 구간의 계산결과에서도 실험값이 이론값에 비하여 작게 발생되는데, 이 역시 마찬가지로 유량조절의 부정확성에 따라 발생된 것으로 주손실결과의 오차원인과 같은 요인 때문에 발생된 것으로 오차원인을 판단할 수 있을 것이고, 충분한 유량이 유동하는 경우에도 빠른 속도는 낮은 압력을 만들어 물속에 녹아 있던 기체들이 빠져나와 빈 공간을 만들 수 있는 공동형상이 나타날 수 있다는 사실로도 이론값과 실험값의 차이를 설명하는데 고려될 수 있을 것이다.
오차 분석(급확대 구간)
이론값 k
실험값 k
오차
0.54
0.801719
급확대 구간의 계산결과에서는 실험값이 이론값보다 크게 나타났다. 공기방울이 보였던 불충분했던 유량의 상황에서 급 확대될 경우에는 관에 물이 가득 찼을 경우보다 물 분자들 간의 혼합현상이 더욱 크게 나타날 것으로 추측되며, 이론전개에서는 고려하지 않았던 난류흐름이나, 박리 현상, 와류 등의 유동으로 에너지가 손실되었음을 예측할 수 있을 것 같다.
오차 분석(벤츄리)
이론값 Cd
실험값 Cd
오차
0.977
0.697919
오차 분석(노즐)
이론값 Cd
실험값 Cd
오차
0.966
2.0687
오차 분석(오리피스)
이론값 Cd
실험값 Cd
오차
0.609
1.4807
벤추리에서 토출계수는 이론값보다 실험값이 더 작게 계산되어 이론에 비해 실험상황에서 유량이 작음을 나타내고, 노즐에서는 이론에서보다 실험에서의 토출계수가 더욱 크게 나타나며, 오리피스에서는 실험값의 토출계수가 이론값의 토출계수보다 크게 나타나는데, 이론값의 유량계산에서는 수두손실을 무시하며, 비회전성, 비압축성, 정상상태를 가정하여 베르누이 방정식을 이용하는데 반하여, 실험에서는 급격히 단면적이 변하는 곳의 구석에서는 와류와 같은 회전유동이나 압축성 효과가 나타날 수 있으므로 이론값과 실험값은 필연적으로 차이가 나타나게 되며, 균일유동이 아니므로 관 한부분에서 튜브로 연결하여 측정한 값이 정확한 값이라고 보기에도 문제가 있다.
게다가, 비닐 튜브 내에서도 압력에 따른 튜브의 늘어남이 달라 높이차를 측정하는데 있어 수치적으로 미소한 오차를 만들어 낼 수도 있다.
오리피스에서는 다른 실험보다도 유입량과 유출량을 일정하게 맞추기가 더 힘든 상황이어서 우리가 임의로 측정의 때를 정하고 그 순간의 마노미터의 높이를 측정하였으므로 오차가 더 많이 발생한 것 같다.
속도가 빠르고 관의직경이 클수록 레이놀즈수가 커지게 되는데 이때, 갑작스런 변화가 나타는 오리피스에서는 난류와 와류성분이 많아져 토출계수량이 레이놀즈수가 증가함에 따라 감소함을 예상할 수 있어서 오리피스의 경우에는 관성력이 작은 유체의 유동의 유량측정에 쓰여져야 함을 유추할 수 있고, 노즐과 벤추리에서는 관성력의 증가에 따라 목부분의 균일유동에 대한 가정이 정확해 지므로 레이놀즈수의 증가에 따라 유량측정의 정확도가 증가함을 예상할 수 있었느나, 실험값으로는 도출할수 없었다.
위의 결과에서 발생된 오차들은 모두 실험상황과는 다른 매우 매끄러운 관내의 유동이라고 가정한 것에 대한 오차원인을 갖고 있다. 그리고 오래된 장비에서 발생된 물의 누수현상과, 이물질을 많이 포함하고 있어 순수한 물이라고 가정하기 힘든 물의 상태에 대한 것까지 포함하여 실험장비에서 발생되었던 오차발생요인을 갖고 있다. 그 외에도 이론적 전개에서 사용한 가정들이 실제와 다르므로 영향을 줄 수 있다. 불안정했던 유량을 고려해 볼 때, 정상유동에 대한 가정역시 실험상황과는 차이가 있을 것으로 생각되고, 관내 유동의 속도 분포가 변하지 않는다고 생각하는 완전발달유동에 대한 가정에 있어서도 진동하던 유량계의 눈금을 고려했을 때 오차요인이 될 만하다.

키워드

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