유동가시화

소개글

유동가시화에 대한 보고서 자료입니다.

목차

개요

장비

실험방법

이론

결과해석

결론

본문내용

ation 을 얻는다 .
바로 위의 식에서 각 항을 각각 Pressure head, Velocity head, static head라고 한다. Bernoulli’s Equation의 해석을 보다 용이하게 하기 위하여 기하학적인 개념 을 도입한 에너지선(Energy line, EL)과 수력구배선(Hydraulic grade line, HGL)을 사용하기도 한다. 에너지선은 베르누이 상수(Total Bernoulli’s constant) 혹은 전 수두(Total head)에 해당하고 수력구배선은 전수두에서 속도수두(Velocity head) 를 제외한 Static-Pressure Head를 의미한다.
ii) 마찰이 없는 유동의 에너지식은 많은 경우 압력, 속도 및 높이 사이의 긴밀 한 관계를 나타내며, 이를 나타내는 식을 베르누이 방정식(Bernoulli Equation)이라 한다. 이 식은 1738년 베르누이(Daniel Bernoulli, 17001782) 가 저술한 책에 문장으로 나타나 있었으며, 오일러(Leonhardt Euler)가 1755 년에 이르러 완전한 식의 형태로 유도해 내었다.
베르누이 방정식은 유동의 에너지는 압력, 속도(운동에너지), 높이(위치에너지) 의 합으로 이루어져 있으며 어느 한 개가 커지면 적어도 다른 하나가 작아짐을 의미한다. 물론 이 간단하고 강력한 방정식이 성립하는 유동영역은 한정되어 있으며 제약조건에 유의해야 한다. (제약조건 : 시간에 따라 변하지 않는 정상 유동, 비압축성, 비점성 유동이며, 외부로부터 일과 열의 전달이 없어야 한다.)
비점성 유동의 응용은 익형이론의 바탕을 두고 있는데 실제 현상에서 는 익형의 '점성효과' 때문에 유선 이 항상 매끄럽게 지나가지 못한 다. 익형의 뒤에는 박리 및 후류영 역이 관찰되나 익형의 이론적 양력 해석뿐만 아니라, 익형의 점성에 의한 손실을 무시하거나 또는 익형 주변에 점성영향 영역만큼 익형을 커진 것처럼 해석하는 등의 방법으 로 실제 익형 해석에도 비점성 유 <그림 11> 기울어진 익형 체역학은 매우 유용하다.
④ 그 외 모형별 유선 관측
<그림 12> 모형별 유선
모형을 따라 흐르는 유선의 모양이 뒤로 갈수록 확산에 의한 층류 현상이 사라 진다.
6. 결론
어떤 물리적인 현상을 이해하는데 있어서 가장 좋은 방법은 직접 눈으로 관찰하는 것
이다. 그러나 유체는 대개 투명하기 때문에 유동 현상을 육안으로 관찰하기 어려운 경우가 많다. 따라서 빛과 물질간의 상호작용을 적절하게 이용하여 유동 현상을 가시화할 수 있는 기법이 요구되는데, 이번 실험을 통해서 유동을 실제로 볼 수가 있었다. 유동연구는 자연계와 산업현장에서 일어나는 대부분의 유동이 비정상, 3차원 난류운인데 우리의 생활은 부지불식간에 이들 유체 운동과 밀접한 관련이 있기 때문에 이들 유동을 정확하게 예측하고 제어하기 위해 유동해석의 연구의 필요성이 증대되어 시작하게 되었다. 이러한 유동 정보를 가장 손쉽게 얻을 수 있는 방법이 유동가시화이다. 유동가시화는 전달현상 과정을 가시화하는 것으로 속력, 압력, 밀도 및 온도 등과 같이 우리 눈에 보이지 않는 유동정보의 공간분포를 시간과 공간의 어떤 범위 안에서 눈에 보이도록 하는 실험방법을 말한다. 유체는 층류와 난류로 구분되는데 유체의 흐름은 유체의 속력에 따라서 그 형태가 매우 달라진다. 속력이 작을 때는 규칙적인 흐름이 생기거나, 속력이 커지면서 불규칙하여 예측할 수 없는 난류 흐름이 일어난다. 유체의 난류흐름은 유체 내를 움직이는 물체의 저항을 크게 증가시키는 등의 현상을 일으키는데 이러한 여러 가지 현상들을 직접 눈으로 확인하기 위해서 실험을 통해 증명을 하게 되었다. 실험을 시작한 후 장비 조작은 그리 어려운 점 이 없었지만 유리판 밑에서 유동의 흐름을 원활하게 하기 위해서 유리판과 폼 사이의 공기를 빼내는 것에 꽤 애를 먹었다. 본격적으로 실험을 시작한 후에도 유동의 흐름을 잉크와 맞출 때 잉크가 앞 쪽에 고이거나 퍼져버려서 잉크의 유동속도와 물의 유동속도를 적절히 맞추는 것에도 시간이 조금 걸렸지만 나름대로 만족스러운 유동현상을 관찰 할 수 있었다. 가장 어려웠던 점은 적절한 한 층류를 만들어내는 것이었는데 면과의 마찰로 인한 전단력 발생과 바르지 못한 유체의 이동 등으로 인하여 생각처럼 쉽지가 않았다. 잉크가 퍼져가며 섞인다는 것은 속도가 빨라져 난류의 영역에 들어선다는 얘기이기 때문에 유속 또한 적절히 조절해야 했다. 따라서 실험 중 가시화 장치 벽면에 작용하는 표면장력은 무시했다. 공간이 무한대라는 것을 가정한다면 표면장력은 영향을 주지 못할 것이라 생각했기 때문이다. 실험에서 모형의 면을 따라 흐르는 유선의 모양으로 뉴턴의 점성법칙을 확인해 볼 수 있었고 물체의 형상에 따른 박리 형성과 위치, 정체점을 확인해 볼 수 있었으며 항력계수와의 관계에 따라 물체 주위에서의 유동이 여러 가지 모양으로 나타나는 것을 볼 수 있었다. 항력 계수는 유선형에 가까운 물체일수록 작은데. 동일한 유동장에 모양이 다른 여러 물체들을 올려놓았을 때 모양이 유동 방향에 대해 평평하고, 뭉툭할수록 압력 구배가 커졌다. 이는 항력 계수 또한 커진다는 사실을 입증하는데 비행기 날개 모양의 물체에서 유선 간의 길이의 차이로 압력차를 유추해 볼 수 있으며 베루누이 원리의 이론처럼 날개 윗면의 압력이 아랫면의 압력보다 낮다는 것을 통해 비행기의 비행 원리를 직접 볼 수 있었다.
실험 시에 실제로 수치로 대입해 보기위해 물과 염료의 유량, 유속, 압력 등을 정하지 않고 그냥 현상만을 관찰하는 실험을 했기 때문에 편하기는 했지만 저번 조파 실험을 통해 중력파의 전파 방정식을 증명했었던 것처럼 수치를 산정하여 이론식에 대입해서 베르누이 방정식이나 Newton의 점성법칙 등을 증명해 보는 것도 괜찮았을 것 같았다. 조선공학실험을 들으면서 3번의 실험이 있었는데 생각보다 어려운 점도 많이 있었고 수월했던 점도 있었는데 끝까지 잘 마무리 할 수 있어서 좋았다. 실험이라는 것이 재밌기도 하지만 머리 아프다는 것을 다시 한번 느끼도록 해주었으나 이번 1학기 수업 중에 가장 기억에 남는 수업이 될 것 같다.

키워드

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