유체역학 실험 - 수조 오리피스 유동실험

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유체역학 실험 - 수조 오리피스 유동실험에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

실제 평균속도/ 분류의이론 속도로 Cv로 나타낸다.
d. 유량계수(discharge coefficient) : 수축계수와 속도계수의 곱.
가. 수조 Orifice 실험 Ⅰ
정수 압력 ( hydrostatic pressure ) 에 의한 속도수두는
오리피스를 통과할때의 손실로 인하여 실제속도는
이다. 여기서 Cv를 유량계수라 한다.
축류부에서 실제유량,
나. 수조 Orifice 실험 Ⅱ
수조에서 정수력학적 힘으로 인하여 오리피스를 통과하여 떨어지는 유체의 속도수두는 이다. 이때, orifice에 의한 축류현상으로 인해 줄어든 유체분류의 직경을 needle로써 측정하여 송출유량을 다음식과 같이 구할 수 있다.
이때, 는 축류부의 직경이다. 오리피스를 통해서 유출되는 유체의 압력수두(h2)를 피토관으로 측정하면
속도계수는이고,
송출계수는 이며,
수축계수는 이다. 　
3. 실험장치 및 방법
3.1 실험장치
수조 오리피스 실험장치　
　
그림 8.1 수조 오리피스 실험장치의 개략도
3.2. 실험방법
가. 수조오리피스 실험Ⅰ
1) 유입밸브 ①을 열어 h1의 높이가 95cm정도가 될때까지 물을 탱크에 유입시킨다.
이때 유출벨브 ②는 잠긴 상태로 둔다.
2) 4개의 오리피스 중에서 2개씩 이용하여 오리피스를 막고 있는 마개를 제거하고 난 후 오리피스를 잠근다. h1의 높이를 90 , 70 , 50 , 30, 10cm로 20cm씩 감소시킨다. 먼저 h1=90 cm일 때의 h2 값을 측정하고, 그 다음 h1=70cm, h1=50cm 마다 h2를 측정한다.
h2의 측정은 실험장치에서 1m이상 떨어져서 수행한다.
4) 위와 같은 방법으로 3회 측정 한 값을 실험결과로 채택한다.
5) 오리피스 형상을 바꾸어 가면서 실험을 동일하게 수행한다.
6) 실험시 h1의 높이를 측정 할 때 유리관이 손상되지 않도록 유입량을 조절해야 한다.
　
나. 수조오리피스 실험Ⅱ
1) 유입밸브 ①을 열어 고수조에 물을 채운다.
2) 오리피스의 뚜껑을 열어 분류가 유리관처럼 유출되도록 조절하여 h1의 값을 읽고,
펌프를 작동시켜 실험을 수행하는 동안에 h1의 수위를 일정하게 유지한다.
4) 축류부의 분류의 지름을 측정하기 위하여 needle을 영점 조정한다.
5) 축류부의 직경을 버어니어 캘리퍼스로 측정하며, 그 위치에서 피토관을 설치
하여 유출되는 물의 정압을 액주계로부터 측정한다.
6) 위와 같은 방법으로 5회 측정한 값을 실험결과치로 채택한다.
4. 실험 결과 및 토의
4.1 실험결과
A형상과 B형상 측정 사진
수조 오리피스 유동실험 측정결과
h2 h1(cm)
종 류
회 수
A
B
C
D
80
1
38.5
49
47
51
2
36
55
48
53
3
38
51
48
53
평균
38.2
51.6
47.6
52.3
0.691
0.803
0.771
0.808
60
1
25
34
30
33
2
24.5
35
31
35
3
25
35
30
32
평균
24.8
34.7
30.3
33.3
0.643
0.760
0.711
0.745
40
1
13
16
15
17
2
12.5
16
14
17
3
13
14
15
16.7
평균
12.8
15.3
14.7
16.7
0.566
0.618
0.606
0.646
실험결과에 필요한 계산식
Bernoulli 방정식에서
정수압력 (hydrostatic pressure) 에 의한 속도수두는
이므로
오리피스를 통과할 때의 손실로 인하여 실제속도는
이다.
∴
C형상과 D형상 측정 사진
4.2 실험 평가 및 토의
B, C, D는 값이 비슷하게 나오는 반면 A에서는 값이 작게 나타났고 전반적으로
수위가 증가함에 따라 Cv 또한 증가하는 경향을 보였다.
A, B, C, D 네 종류의 오리피스 중에서 대체적으로 Cv는 D와 B가 가장 크게
나타나고 그 다음으로 C, A의 순으로 나타났다.
h1이 높은 경우에는 대체적으로 h2를 측정하기가 양호했으며, 네 종류의 오리피스 모두 h1이 증가함에 따라 h2도 증가하고 그럼으로써 Cv 또한 모두 증가하는 것으로 나타났다. 이는 h1이 증가함에 따라 속도 V가 증가하기 때문이다.
수조 오리피스 유동실험을 통하여 오리피스 모양에 따른 수두손실이 다양하다는 것을 알았고 만약 내가 분수대를 만든다면 거기에 대한 오리피스의 모양도 생각해볼수 있었다.
이내용들을 정리해보면
⑴ 오리피스 형상에 따라서 수량계수의 값이 달라진다
⑵ 같은형상을 가지는 동일한 오리피스라 할지라도 수위에따라서 유량계수가 변화한다
⑶유량계수는 수위에 비례한다.(수위 증가에 따라 오리피스 출구에서의 사출 압력도 증가하게 되므로 이 증가된 압력은 더 높은 물줄기를 형성하게 된다
⑷ 이론적으로 살펴보면 동일한 수위일 때 가장 큰 유량 계수를 가지는 오리피스는 출구로 갈수록 직경이 점점 좁아지는 형상을 갖는 모양이다. 직경이 좁아지는 관을 이동하면서 유체가 운동량을 보존할 수 있는 방법은 유체의 이동속도를 올리는 길뿐이다 ⑸ 사출 속도가 증가하게 되면 분출 수위도 올라가 유량계수도 큰 값으로 측정되는 것이다. ⑹ 오리피스는 파이프에서 유체의 유동의 양을 측정하기 위하여 자주 보통 얇은 판으로 되어있으며 양쪽 플랜지 사이에 단단히 고정되어 오리피스 전후의 압력차를 측정하므로서 앞력을 측정한다.
4.3 오차분석
실험을 하면서 조금 아쉬운 점이 있다면 오리피스의 출구를 막고 있던 손가락을 떼는 순간은 h2의 수위변동이 심했고 약간의 시간이 흐른후의 높이는 안정되는 순간에는 h1의 수위가 측정하고자 하는 높이보다 낮아져 있어 약간의 오차가 발생하였던 것 같고 물기둥 측정에 있어서 물기둥 높이가 일정하게 유지 될 수 없음으로
연속적으로 변화하기 때문에 정확한 측정이 어려웠기 때문에 오차의 원인이었다.
정확한 실험을 위해 주어진 3번의 실험보다 더 많은 실험을 반복하여 그 평균값으로 Cv를 측정하는 것이 더 정확한 데이터를 얻을 수 있을 것같다.
5. 참고 자료
유체역학 - 서상호외 3명. 희중당 1994
유체역학 Fluid Mechanics 제 4판 - R. W. Fox, A.T. McDonald 원저, 서상호, 유상신, 배신철 공역, 희중당
유체역학연습, 원화, 1995

키워드

유체,   실험,   수조,   오리피스,   유동