홍익대학교 기계공학실험 마찰계수측정 실험보고서

소개글

홍익대학교 기계공학실험 마찰계수측정 실험보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적
2. 관련 이론
3. 실험 장치
4. 실험 과정 및 순서
5. 실험 결과
6. 고찰
7. 참고문헌

본문내용

easured data and he reliability of experimental results.
실험은 온도, 압력, 유량을 측정하여 나머지 상태량을 구한 뒤에 마찰계수를 측정하는 실험이었다. 먼저 모터를 틀어서 유량을 흘려보냈다. 이 과정에서 압력과 온도를 측정하였는데, 유량을 흘려보낸 뒤 일정한 시간이 흐르면 압력은 변화 없이 유지가 되었다. 하지만 온도는 그렇지 않았다. 왜냐하면 모터가 돌아갈수록 모터에 의해 온도가 계속 올라갔기 때문에 정상상태가 이루어지지 않았기 때문이다. 오랜 시간이 지나야 모터가 더 이상 온도가 증가하지 않을 것이라 생각할 수 있는데, 모터에 의한 따뜻한 물이 지나간다면 밀도, 점성계수가 달라져 오차가 생길 것이다. 그래서 최대한 모터에 의한 온도의 영향을 받지 않기 위해 실험을 빠르게 진행하였다.
그리고 유량계를 직접 손으로 만져서 2L/min 5L/min 까지 조정했는데, 눈과 손만을 이용하여 조정을 하였다. 여기서 미세한 조정이 잘 이루어지지 않았을 것이다. 또한 잘 맞추어 논 뒤 일정 시간이 지나면 구슬이 점점 흘러내려갔다. 그래서 이 것을 계속해서 보정해 주었는데 이러한 부분들에서 오차가 생겼을 것이다.
그리고 압력을 측정할 때 한 값에서 고정되지 않았다. 차압변환기는 굉장히 민감한 기기라서 작은 변화에도 예민하게 변했다. 그래서 사람의 눈으로 평균을 구해서 측정하였다. 이러한 차이도 오차를 만들어 냈을 것이다.
Darcy마찰계수와 Churchill마찰계수의 차이에 대한 오차는 0.05 11.82% 정도 차이가 나서 비교적 잘 된 실험이라 할 수 있다.
3) Suggest the ideas for improving the experimental apparatus, if any.
먼저 오차의 원인이 가장 컸던 모터에 의한 온도변화를 들 수 있다. 모터에 의해 온도가 계속해서 올라가는데, 이를 방지하고 조정을 해주기 위한 어떤 장치가 있었으면 더욱 더 정확한 실험이되었을 것이다.
그리고 로타미터는 두 개가 연결되어 있어 한 부분은 상대적으로 미세한 조정이 가능했다. 하지만 미세한 부분을 만지면 다른 부분의 값이 변해버려서 오히려 더 조정이 힘들었다. 그래서 실험 시에 미세한 조정이 가능한 부분은 사용하지 않았다. 그래서 로타미터의 유량을 조정하는 부분 또한 사람이 직접 조정을 하는 것이 아니라, 자동으로 유량을 조정하는 장치가 있으면 좋겠다.
구한 레이놀즈수와 마찰계수를 가지고 그래프를 그려 무디선도와 비교해서 조도를 구해보려고 하였다. 그런데 측정한 유량이 너무 작아서 레이놀즈수 또한 작게 측정되었다. 그래서 무디선도에서 닮은 값을 가지는 선을 찾을 수 없었다. 만약 다음에 실험이 진행이 될 때에는 더 큰 유량을 가지고 실험하여 조도까지 구해보면 좋을 것 같다.
4) Describe anything else you found in the experiment.
벽면에서의 전단응력과 유량과의 상관관계를 알아보았다.
전단응력은 다음과 같은 식으로 계산이 될 수 있는데, 직경 d와 길이 l 은 일정한 값이기 때문에 p값의 변화에 의해서만 전단응력이 결정될 것이다. 유량이 커지면 단면적이 일정하기 때문에 속도가 커지게 되고, 이에 따라 압력도 커지기 때문에 벽면에서의 전단응력 값도 커지게 된다.
Q=VA
다음과 같은 식에서 유량이 커지면 단면적이 일정하기 때문에 속도가 커진다는 것을 알 수 있다.
다음과 같은 레이놀즈수 공식에서 V가 커지면 당연히 레이놀즈수는 커진다는 것을 알 수 있다. 따라서 유량이 커지면 Re수도 따라서 커지게 된다.
6. 고찰
이번 실험은 원관 내로 공급되는 물의 유량을 조절해 봄으로써 압력과 온도를 측정한 후에 이를 이용하여 다른 상태량을 구하고, 레이놀즈수와 마찰계수를 측정해 보는 실험이었다.
펌프를 이용하여 유량을 흘려보내고, 관 양단의 압력 차를 측정하고, 물의 온도를 쟀다. 열역학 시간에 배운 대로 상태가 두 가지가 정해지면 나머지 상태량을 구할 수 있다는 원리이다. 그래서 온도와 압력을 알기 때문에 밀도, 점성계수를 구할 수 있었고 이를 이용해서 레이놀즈수와 마찰계수를 구할 수 있었다.
실험은 비교적 쉽게 진행되었지만 결과 값을 내는 데에는 몇 가지 중요한 부분들을 고려해 주어야 했다. 먼저 펌프를 이용해서 유량을 흘려보냈는데 여기서 펌프를 사용하기 때문에 온도가 계속해서 올라갔고, 순수하게 유량이 증가해서 온도가 증가하는 것이 아닌 외부적 요인이 추가가 되었다. 따라서 오랜 시간이 지난 후 정상상태를 만든 뒤에 실험을 진행하면 되었지만, 이 또한 문제가 있다. 유량이 증가해서 온도가 일정해 지는 것이 아니라 외부에서 열을 공급했기 때문에 열역학상태량과 차이가 있을 수 있다. 따라서 실험을 진행하는 동안 펌프에 온도에 의한 영향을 최대한 받지 않기 위해 실험을 빠르게 진행했다.
그리고 차압변환기를 이용하여 양단의 압력차를 측정했는데 차압변환기는 너무 민감한 장치라서 약간의 변화에도 값이 빠르게 변했다. 그래서 압력을 읽는 사람이 보이는 값을 평균을 내어 측정했다. 민감하지 않은 기기보다 민감한 기기가 더 정확하지만 이러한 경우에는 읽기가 힘들어 오히려 어려운 실험이 되었다.
Darcy마찰계수와 Churchill마찰계수를 모두 구해본 뒤에 레이놀즈수와 그래프를 그려보았다. 개형은 비교적 비슷하게 그려졌다. 이 그래프를 무디선도와 비교하여 조도를 구해보려고 했다, 하지만 측정한 레이놀즈수가 너무 작아 구할 수 없었다.
Churchill마찰계수를 이용하여 Fanning마찰계수를 구할 수 있었다. 그리고 이를 이용하여 벽면에서의 전단응력 또한 구할 수 있었다. 전단응력과 유량과의 관계를 살펴보았는데, 유량이 커질수록 레이놀즈수가 커지고, 전단응력 또한 커진다는 것을 알 수 있었다.
7. 참고문헌
(1) 기계시스템공학실험/강의록
(2) 계측및신호처리/강의록
(3) Fundamentals of Fluid Mechanics, 7th edition, B.R. Munson, et al., John & Wiley
(4) Darcy equation/네이버 지식백과
(5) 층류,난류/네이버 지식백과

키워드

홍익대,   홍익대학교,   기계공학실험,   기계공학실험(A),   기계공학실험(B),   마찰계수,   마찰계수측정,   마찰