유체역학 오리피스 실험 레포트

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유체역학 오리피스 실험 레포트

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이 정리와 토리첼리 정리도 어떻게 이용됐는지 알아봤다. 이번실험을 하기 배운 이론인 베르누이 원리와 새로운 토리첼리 정리를 실험에 적용할 수 있어서 좀 더 쉽게 이해할 수 있었다.
이번 실험에서는 매우 큰 오차가 발생했다. 오차가 발생한 이유 중 하나는 오리피스 수조와의 마찰과 공기 중의 마찰이다. 두 번째는 수조의 물 높이이다. 실험을 하려면 수조의 물 높이를 일정하게 유지시켜야 했는데 일정하게 유지하기가 어려웠다. 유입되는 유량이 유출되는 유량보다 크다면 x의 변화에 따라 y의 변화율이 낮고 유출되는 유량이 유입량 보다 크다면 x의 따른 y의 변화율이 클 것이다. 유량이 달라 수조에 차있는 물의 높이가 달라진다면 배출구에 작용하는 압력이 변해 오차가 발생했을 것이다. 세 번째는 사람의 눈으로 측정했기 때문에 정확한 측정이 어려웠다. 물줄기가 낮아질수록 오차가 커지는데 물줄기가 낮아질수록 정확한 눈금을 측정하기가 어려웠다. 계산 결과에서 평균적인 오차를 봤을 때 H가 105cm 일 때가 H가 85일 때 보다 오차율이 적었다.
토리첼리 정리는 용기 벽에 뚫은 작은 구멍에서 내부의 액체가 유출하는 속도에 관한 법칙을 말한다. 이 법칙이 성립되는 것은 액체의 점성이 작고, 그 영향이 무시될 경우에 한한다. 실험결과에서는 오차가 크게 나왔지만 이론적으로 볼 때 물은 점성이 작고 영향이 무시될 수 있다. 따라서 토리첼리 정리가 성립되었다.
정혜인 : 이번 오리피스 자유 분출 실험은 수두의 높이를 조절하여 물이 분출하는 모습을 관찰하고 측정하는 실험이었다. 수두의 높이를 조절하는데 다소 미세한 조정이 필요했지만 다소 쉬운 실험이었다. 오리피스 실험의 목적은 첫째 유량을 측정하기 위한 베르누이 방정식을 통해 이론적 유량계수와 유량을 구하는 것이고, 둘째, 중량에 의한 실제유량과 실험을 통한 유량계수와 유량을 계산하여 비교하는 것이다. 마지막으로, 오차의 원인을 분석하여 오리피스에 원리에 대해 이해하는 것이다.
처음 실험을 시작하면서 어려웠던 점은 평균유량계수를 알기 위해 전수두를 측정하는 것이었다. 오리피스에 물을 채우는 밸브가 상당히 민감하여서 전수두를 맞추기 위해 상당한 시간이 소모되었다. 이점 때문에 실험시간이 약 한 시간 정도로 길어지게 되었다.
오리피스 실험의 결과는 상당한 오차가 발생하였다. 이론식에 의한 고정유량계수와 평균유량계수는 거의 근접하여야 하는데 우리조의 실험결과에 의한 고정유량계수와 평균유량계수의 차이가 적지 않았다. 오차의 원인은 여러 가지가 있겠지만 이번에도 주 원인으로 실험기계의 노후화를 들 수 있다. 오리피스에 물을 채우고 전수두를 측정한 후 유량을 측정하기 시작하면 오리피스의 물이 빠지는 기계적 결함이 이번 실험의 주된 오차의 원인인 것 같다. 또 하나의 오차의 원인으로는 물줄기가 자유 분출할 때, 처음에는 측정하기 쉽지만 거리가 길어질수록 물줄기가 분산되어 흩어지므로 측정하기가 어렵고, 수두의 높이를 올리는 과정에서도 실험자의 주관적인 판단오차가 미세하게 발생 하였다.
박소영 : 이번 실험은 큰 탱크에서 배출구를 통해 물이 분출될 때의 물줄기의 경로를 측정하는 실험이었다. 베르누이 정리와 토리첼리 정리를 이용해 사출경로의 이론값을 계산한 후, 직접 기구를 이용한 실험으로 실험값을 구해 이를 비교하는 실험이었다. 실험 후 높이에 따른 물의 사출경로를 눈으로 확인할 수 있었다. 하지만 베르누이 정리와 토리첼리 정리를 이용해서 구한 이론값과 실제 실험으로 측정한 값의 차이가 다소 크게 나타났는데, 이러한 오차의 원인을 분석해 보았다.
첫 번째로 실험 결과에 가장 큰 오차의 원인은 ‘수위 조절’이라고 생각된다. 실험 과정에서 물을 주입해주는 사람과 눈금을 읽는 사람이 소통을 하며 수면의 높이를 일정하게 유지시켰는데 물의 공급원이 수도관을 통해 수도꼭지로 조절하게 되어있어서 미세한 조정이 불가능했다. 따라서 수위가 완전히 일정하게 유지되지 못했고 공급되는 유량과 유출되는 유량이 다르게 되어 유량계수와 사출경로의 오차가 크게 발생했을 것이다. 물이 주입되면서 수면이 수평으로 유지되지 않기 때문에 눈금을 읽는 것에도 한계가 있었다.
두 번째, 사출경로를 측정하는 과정에서 유출되는 물줄기를 따라 길이를 쟀다. 이 때 물줄기까지의 길이를 우리가 측정했기 때문에, 각각의 간격마다 막대와 물줄기 사이의 거리를 일정하게 할 수 없었다. 이 때 측정 오차에 의해 오차값이 발생했다고 생각 할 수 있다.
이 실험을 하면서 수두의 개념에 대해서도 생각을 해보았다. 오리피스의 수면부분은 energy line으로써, 속도수두(수면)와 압력수두(대기)가 0이기 때문에 총 수두는 위치수두만이 존재한다. 하지만 배출구에서는 위치수두가 작아지면서 상대적으로 Hydraulic grade line이 증가한다. 즉 압력수두와 위치수두의 값이 생기면서 속도수두의 값도 생기는 것이다. 하지만 이때도 압력수두는 대기이므로 0이 된다. 따라서 위치수두와 속도수두만이 존재할 것이다. 이를 통해 각 수두는 유선을 따라 일정하게 유지되며, 처한 상황에 따라 하나의 수두가 다른 수두로 전환 될 수 있음을 앞서 이론에서 배운 것과 같이 확인 할 수 있었다.
진일하 : 이번 실험은 오리피스 사출경로 실험으로써 오리피스의 구조를 이해하고 베르누이정리와 토리첼리 정리를 확인하고 오리피스 사출경로 실험에서 어떻게 이용되는지 알아본다. 실험결과를 보면 유출구에서 거리가 멀어질수록 오차가 크게 나타남을 알 수 있다.
오차의 원인으로는 베르누이의 정리는 비 점성유체에 해당되는 이론인데 실험에 사용된 물은 수돗물로 사용이 되어 이물질이 섞여 있을 수도 있어 완벽한 비 점성유체라고는 할 수 없다.
두 번째는 실험을 하는 동안 x값의 물의 높이 값이 계속 변화했다는 점이다. 물의 높이를 일정하게 계속 유지할 수가 없어서 오차가 발생했을 수 있다.
7. 참고문헌
서규우·박성천, 「수리 및 수문실험」, 구미서관, 2002, pp.98~pp.106.
지정환, 「수리실험의 기초원리와 방법」, 신광문화사, 1998, pp.66~pp.70.
김민환 외 3명, 「수리학」, 신광문화사, 2002, pp.125~pp.130.

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