레이놀즈수 측정 실험

소개글

레이놀즈수 측정 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 목적

2. 관련이론

3. 실험장치(사진첨부)

4. 실험순서

5. 실험자료정리

6. 실험결과 및 논의

본문내용

,000보다 작으면 흐름은 층류이고 2,000～4,000사이이면 불완전 층류(층류, 와류가 공존)라 하며 4,000 이상이면 난류로 분류한다.
다. 점성
유체의 점성은 유체의 물리적 성질 중에서 가장 중요한 것 중의 하나로 유체의 유동 특성을 지배하는 요소로서 유체 분자간 또는 유체분자와 고체경계면 사이에서와 같이 서로 인접하여 상대운동을 하는 유체층 사이에 마찰력을 유발하는 성질을 말하며 이는 유체 분자의 응집력 및 유체 분자간의 상호작용으로 생긴다.
다음과 같이 전단응력 τ와 속도구배 간의 비례상수 μ를 점성계수(viscosity)라고 하며 점성계수가 일정하면 뉴유톤(Newton) 유체라고 하고 그렇지 않고 변하면 비뉴유톤(non-Newtonian) 유체라고 한다.
보통 실무에서는 점성계수 μ대신에 다음 동점성계수(kinematic viscosity)를 사용하는 경우가 많다.
온도에 따른 대기압 상태에서의 물의 점성계수 및 동점성계수가 아래에 제시되었다.
< 물의 점성 및 동점성계수 >
3. 실험장치
< 전체 사진 >
착색액
5liter 물통 회전에 따라 유량을 측정한다.
각 기관의 명칭
4. 실험순서
<그림참조>
레이놀즈 실험 장치는 양측벽이 유리로 된 실험탱크와 실험관로, 착색액 주입 장치, 월류관, 유출관 및 급수관 등으로 구성되어 있다.
급수밸브는 실험탱크 내에 물을 공급하며 탱크내의 수위가 일정값에 도달하면 월류관을 통해 방류토록 되어 있다. 유출관에 달려있는 유량조절 벨브는 실험관로내의 유속 혹은 유량을 조절하기 위한 것이며 착색액을 주입하기 위한 것이다.
가) 유리관의 직경 D를 정확히 측정해 둔다. 온도계를 사용하여 수온을 측정한 후 물의 점성계수를 계산한다.
나) 급수관을 호스로 급수탱크에 연결시킨 후 급수 벨브를 열어 실험관로 내에 물을 공급하여 수면을 일정하게 유지한다.
다) 수면이 안정하고 유리관의 흐름이 일정하게 되었을 때 착색액 주입벨브 B를 열어 관내에 착색액의 흐름을 관찰한다.
라) 유속이 적을 때는 그림의 (1)과 같이 착색은 관축에 평행하게 직선으로 흐르며 이와 같은 흐름을 층류라 한다. 유리관내의 유속이 점차 크게 되어 어떤 값에 달하면 그림 (2)와 같이 착색액의 유맥선은 상하 전후로 흐트러지기 시작한다. 유속을 더 증가시키면 착색액은 분명한 선이 되지 않고 흐트러져 난류상태가 된다.
마) 라)항에서 그림 (1)에서 (2)의 상태로 변환할때의 유량과 그림 (4)의 상태가 됐을 때의 유량을 각각 측정한다. 실험관로를 통해 흐르는 유량은 유출구로 흘러나오는 물을 일정시간동안 비이커로 받아 그 양을 받은 시간으로 나눠서 구하고 유속은 이를 관로의 단면적으로 나눠서 구한다.
※ 주의사항
1) 실험관로를 통한 유출량이 급수량보다 지나치게 많거나 적으면 월류관이 제 기능을 발휘하지 못하여 실험 탱크 내의 수위가 일정하게 유지되지 않는다. 따라서 실험관로를 통한 유량이 달라질 수 있으므로 유출량에 따라서 급수량을 적당히 조절한다.
2) 실험관로 내의 유량이 너무 급히 변하지 않도록 유량조절 밸브의 작동을 조금씩 조절한다.
3) 착색액을 넣은 병의 마개를 막아두어 실험관내 흐름보다 크게 착색액이 흘러들어 가지 않도록 한다.
5. 실험자료정리
5liter
1
1.25.80s
25.24s
15.50s
6.72s
2
1.25.22s
25.32s
15.15s
5.98s
3
1.24.70s
25.50s
15.42s
6.97s
평균
1.25.24s
25.35s
15.35s
6.28s
회전에 따른 유량 계산
회전할 때의 유량
이 식을 계산하면
이런 과정을 반복하여 회전에 따른 유량를 구해보면
회전할 때의 유량
회전할 때의 유량
회전할 때의 유량 가 계산된다.
유리관에서의 유속 (D=26mm)
회전할 때의 레이놀즈 수를 측정해보면,
온도 12.8℃ 에서의 물의 동점성 계수 (보간법으로 계산)
레이놀즈 수 2400 < Re < 4000 이므로 층류상태에서의 레이놀즈 수가 된다.
이러한 과정들을 반복 계산하면,
회전할 때의 Re=7925,
회전할 때의 Re=13279,
회전할 때의 Re=32127
회전,회전,회전의 레이놀WM 수Re > 4000 이므로 난류상태에서의 레이놀즈 수가 된다.
아래 표는 수학적 기준을 통해 회전에 따른 레이놀즈 수의 상태를 나타냈다.
층류
난류
난류
난류
개방 각도에 따른 실험 사진
< (270°)일때 > < (540°)일때 >
< (810°)일때 > < (1080°)일때 >
반복 계산 한 계산치를 나타낸 것은 아래 표와 같다.
관측
관경 수온℃ 동점성계수
유량
계산
유속
0.11
0.37
0.62
1.5
Reynols 수
2356
7925
13279
32127
* 실험식의 계산 시 유의사항 *
실험식을 적용할 때 단위에 유의하며 모든 단위는 미터로 환산한다.
6. 실험결과 및 논의
< 실험에 대한 고찰 >
에서의 수학적 기준에 의한 계산의 실험결과를 보게 되면 V=0.11m/s, Re=2356 로 층류상태(Re < 2100~2400)로 계산이 되고 사진에서 눈으로 관찰할 수 있는 층류상태를 확인할 수 있었다. (실험 때 Re <2100~2400 까지를 층류상태로 보기로 했음)
, , 일 때는 사진에서와 같이 레이놀즈 수가 증가함에 따라 점점 더 진행되는 난류의 모습을 보여주고 있다.
관내의 유체의 흐름 상태와 레이놀즈 수와의 관계 그리고 층류, 천이, 난류의 개념을 이해하고 임계 레이놀즈 수를 계산하는 실험이었다.
< 오차의 발생 이유 >
온도를 12.8℃로 설정했는데 실험실의 온도는 정확히 12.8℃라고 생각할 수 없다. 또한 이 실험에서 정확한 실험 데이터 값을 얻기 위해서는 측정 때마다 온도를 측정해서 오차를 줄여야 한다.
유량의 조절이 사람의 손에 이루어졌기 때문에 정확한 난류의 속도와 유량의 값을 찾아 낼 수 없었다. 결국 손이 아닌 어떠한 기기로 측정해야 올바른 데이터 값을 가졌을 것이다.
Re=2300(인천대 실험은 Re=2400 기준)을 기준으로 층류와 난류로 구분 짓는다면 실험에서 오차를 보이는데 이는 유량측정의 오차와 tube안의 이물질로 인해서 생겼다고 생각할 수 있다.

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