유체의 강체 운동-열유체공학실험

소개글

유체의 강체 운동-열유체공학실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 개요 및 목적
2. 이론
3. 실험
4. 실험데이터
5. 보고서 작성
6. 고찰

본문내용

물을 넣는다.
4. 실험데이터
실험명 : 유체의 강체운동
실험장치 : 보텍스 실험장치
실험자 : 신동진
실험일자 : 2011.05.27
실험실 온도 : 21
물의온도: 17.5
정지 상태의 수면 높이: = 60mm
회전 중심 높이(수평자로부터) : = 212.5mm
수평자 높이(수면바닥으로부터: = 236 mm
실험 측정
이론 계산
회전
속도
반경방향
거리
수면 높이
피토관 액주높이
계기
전수두
수면 높이
계기 전수두
(rpm)
r
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
59
0
212.5
0
0
0
0
0
10
211.3
1.2
0
1.2
0.215
0.429
20
211
1.5
0
1.5
0.859
1.717
30
210
2.5
0
2.5
1.932
3.86
40
209
3.5
0
3.5
3.43
6.87
50
207.5
5.5
0
5.5
5.37
10.73
60
205
7.5
0
7.5
7.73
15.46
70
202
10.5
0
10.5
10.52
21.0
80
199
13.5
0
13.5
13.74
27.5
90
196
16.5
23
39.5
17.39
34.8
100
192
20.5
25
45.5
21.5
42.9
110
187.5
25
30
55
26.0
52.0
120
182
30.5
35
65.5
30.9
61.8
130
178.5
34
40
74
36.3
72.6
140
173
39.5
45
84.5
42.1
84.2
150
167
45.5
50
95.5
48.3
96.6
160
161
51.5
58
109.5
55.0
109.9
170
155
57.5
67
124.5
62.0
124.1
180
148
64.5
75
139.5
69.6
139.1
수면높이 (이때, )
계기전수두
5. 보고서 작성
1) 정지 상태의 수면 높이와 회전 시 중심의 수면 높이의 차이가 임을 증명하라. 여기서 는 수조의 회전수이고 은 수조의 반경이다. 이를 이용하여 수조의 회전수를 계산하고 실험값과 비교검토하라.
물을 비압축성 유동이라고 가정하면
물의 정지상태의 체적 = 회전 시 체적
수면을 2차 포물선으로 가정하면 의 형태를 갖는다.
수조의 반경을 a, 정지상태의 물의 높이를 b라 하면
정지상태의 물의 체적은 가 된다.
회전상태의 물의 체적은
이 두상태의 체적이 같으므로
의 관계를 얻을 수 있다.
수면모양
정지 상태의 수면높이
의 관계에 의해서 2로 나눠주면
∴
2) 반경방향 거리 에 따라 수면 높이를 구하라. 실험에서 측정한 값과 이론값을 그래프에 나타내고 비교검토하라.
수면높이 (이때, )
r = 0.01일 때
같은 방법으로 엑셀로 수식을 계산하면 다음과 같은 차트를 얻을 수 있다.
반경이 멀어질수록 수면 높이는 의 형태로 증가한다.
이론값과 실험값의 차이는 측정오차로 인해 생긴 것 같다.
3) 반경방향 거리 에 따라 계기 전수두를 구하라. 실험에서 측정한 값과 이론값을 그래프에 나타내고 비교검토하라. 여기서 계기 전수두의 실험값은 측정한 피토관 액주(계기 동압 수두)와 측정한 수면 높이를 합한 것이다. 그리고 계기 전수두의 이론값은 식(3.11)이다.
계기전수두 (이때, )
r = 0.01일 때
같은 방법으로 엑셀로 수식을 계산하면 다음과 같은 차트를 얻을 수 있다.
반경이 멀어질수록 수면 높이는 의 형태로 증가한다.
매끄러운 선형적인 그래프가 나오지 않고 80~90의 값에서 값이 튀는 현상을 보인다.
이론값과 실험값의 차이는 측정오차로 인해 생긴 것 같다.
4) 회전수가 계속 증가하면 원형 수조 밑바닥 일부가 대기에 노출될 수 있다. 이 경우 노출 부위의 압력은 대기압보다 낮아진다. 그 이유를 캐비테이션(Cavitation) 현상과 연계하여 설명하라.
캐비테이션(Cavitation)현상 = 공동 현상
- 물의 압력 강하나 온도 상승으로 상이 기체로 바뀌는 현상
- 스크루형 추진기가 엔진에 의해 회전하면 물을 뒤로 밀어내게 되고 그 반작용으로 추진력이 생겨 선박을 전진시킨다. 프로펠러는 여러 개의 날개를 갖고 있고 이 날개들이 회전하면 한쪽 면은 물을 뒤로 밀어내고 다른 면은 앞쪽의 물을 빨아들이게 된다. 물을 밀어내는 면은 압력이 높아지고, 빨아들이는 면은 압력이 강하하여 앞뒤간의 압력차가 발생하게 되고 전진 방향으로 추진력을 받게 된다. 위와 같은 방식으로 프로펠러가 움직일때에 Propeller 주위에서 압력이 급강하하게 되면 온도의 변화가 아닌 압력 변화에서 기인하는 물의 상변화가 발생하게 되는데 이를 캐비테이션 현상이라 한다.
캐비테이션(Cavitation) 영향
1. 캐비테이션의 생성 성장 붕괴 소멸의 과정에서 수증기가 순간적으로 축소하면서 강한 충격력이 추진기 날개 면에 가해지고 이는 추진기의 침식을 유발함.
2. 주기적인 케비테이션의 발생과 소멸은 선체 표면에 변동 압력을 가하여 선체 진동 및 소음 유발
3. 추진 효율이 급격히 떨어져 추진 성능이 저하
4. Rudder, Shaft, Hull, Strut 등 선미 구조물에 충격
5. 수중 방사 소음 유발로 군함에 있어서 소나 피탐율 증가 야기
회전수가 계속 증가하면 원형 수조 밑바닥 일부가 대기에 노출되고 노출 부위의 압력은 대기압보다 낮아진다. 대기압과 물의 중앙의 압력 차이에 의해 캐비테이션 현상이 발생하게 되어 물의 회전이 불안해진다.
6. 고찰
유체의 강체 운동에서 유체 속도가 0일 때 정수압 상태 (hydrostatic condition)라고 하며, 압력변화는 유체의 무게에만 의존한다. 이번 실험은 탱크 내의 유체가 장시간 회전할 때 유체의 강체운동을 하는 경우를 봤다. 이것은 유체역학에서 배운 회전하는 수직 원통형 용기 내의 액체의 강체운동을 직접 실험을 한것이었다. 이론상으로 알던 지식을 실험을 통해 실제 측정하면서 이해하기가 더 쉬웠다. 실험과 보고서를 쓰는동안 원통 용기 내의 유체가 중심축에 관하여 회전할 때 수면의 모양, 유체 내 압력분포 등을 구하고 유체의 강체 운동을 이해할수 있었다.오차의 원인으론 측정오차와 rpm이 일정하게 유지되지 않아 생긴 것 같다. rpm이 높아지면 캐비테이션 현상이 일어난다는 것을 알게 되었다.

키워드

열유체공학실험,   공학,   실험,   기계과,   기계,   역학