풍동실험을 통한 피토튜브 유속측정(항공역학실험)

목차

1.제목

2.초록(요약)

3.서론
1) 실험배경
2) 이론배경

4.실험장치 및 실험방법
1) 실험장치
2) 실험방법

5.실험 자료 처리 및 실험 결과
1) 측정 데이터 값
2) 자료처리 및 계산과정
3) 데이터 결과 값
4) 실험 오차값의 불확실도 추정

6.실험결과 검토

7.결론 및 제안

8.참고문헌

본문내용

정말 제작된 피토튜브를 2개의 마노미터에 정압부,
동압부를 연결 후, 풍동에 설치한다.
③ 풍동을 작동시킨 후 속도를 일정하게 유지시키고, 정상상태가 될 때까지
10초정도 기다린다.
④ 정상 상태가 되면 마노미터의 정압부 와 동압부의 수주차를 측정한다.
⑤ 이론값 측정이 끝나면 실험값을 측정하기 위해 제작한 피토관을 위와 같은
방법으로 측정한다.
⑥ 피토관의 실험이 끝나면 키엘 프로브 실험도 실시한다.
⑦ 실험결과를 기록한 후 결과 값을 비교한다.
3. 실험 자료 처리 및 실험 결과
1) 측정 데이터 값
No.
풍동 작동량
초기 마노미터
(mm)
측정값 마노미터
(mm)
수주차
h(mm)
공기의 속도
(m/s)
1.(정밀 피토튜브)
8
203
135
68
33.4951
2.(제작 피토튜브)
8
203
134
69
33.7405
3.(키엘 프로브)
8
203
135
68
33.4951
마노미터에서 수주 차를 나타내는 유체는 물이고, 물에 압력을 가하는 유체는 공기이다. 속도를 구하기 위해선 공기와 물의 밀도를 구해야 한다.
2) 자료처리 및 계산과정
- 공기의 밀도
Jone's model
T : 공기의 온도()
P : 대기압(Pa)
: 상대습도(Relative humidity,%)
: 포화 수증기압 =(1.7526*1011)e(-5315.56/T)
- 물의 밀도
Jone's model
+
공기의 밀도는 1.18625 물의 밀도는 997.54로 구해졌다.
그리하여 =로 공기의 유속을 구할 수 있다.
실험 1.(이론값 측정을 위한 정밀 피토튜브)
이론 : =
=997.45 =1.18625 h=0.069
측정값 공기의 속도 : ∴=
실험 2.(실험값 측정을 위한 제작 피토튜브)
이론 : =
=997.45 =1.18625 h=0.069
측정값 공기의 속도 : ∴=
실험 3.(실험값 측정을 위한 제작 키엘 프로브)
이론 : =
=997.45 =1.18625 h=0.068
측정값 공기의 속도 : ∴=
3) 실험 결과 값
1. 정밀 피토튜브
2. 제작 피토튜브
3.키엘 프로브
수주차 (h)
0
0.001mm
0
동 압 ()
665.379pa
675.264pa
665.379pa
압력차 (P)
0
9.78498pa
0
속 도 (m/s)
33.4936m/s
33.7389m/s
33.4936m/s
속도차 (m/s)
0
0.245377m/s
0
4) 실험 오차 값의 불확실도 추정
설계를 위한 기초로서 공학적 해석을 보완하기 위하여 실험 데이터를 많이 사용하고 있다. 이들 데이터가 전부 정확하다고는 볼 수 없다. 실험 결과들이 설계에 이용되기 전에 그 데이터의 신뢰성이 반드시 검증되어야 한다. 불확실도 해석은 신뢰성과 정확도의 정량화를 이하여 이용되는 절차이다.
풍동 내의 공기 속도는 피토관의 측정값으로부터 계산된다. Bernoulli 방정식으로부터 = 이며 , 여기서 h는 마노미터 액주의 측정된 높이이다.
h의 불확실도 구간으로 인한 V의 변화는 다음과 같다.
->
V의 상대 불확실 도를 계산하면
이 된다.
여기서 는 마노미터 액주의 길이를 h=135mm 라 하면 최소눈금 1mm 측정오차는 0.5mm이다.
상대 불확실도 : === 로 구할 수 있게 된다.
여기서 다른 불확실 도는 무시할 수 있다면 다음과 같이 된다.
% 이다.
공학적 실험에서는 흔히 사용되는 대표적인 가능성이 20:1이다.
h=135mm+0.5mm(20:1)라 가정했다.
4. 실험결과 검토
2번의 실험을 통하여 얻어진 결과 오차가
생각보다 적게 나왔다.
오차가 없었던 이유로는
첫째, 피토튜브의 제작이 제대로 되었다는
것이다. 앞면의 곡면 부위와, 파이프 내경의
직선도, 정압공의 마감도가 우수해서
오차가 적게 나온 것이다.
둘째, 풍동의 속도가 일정하게 나와서
실험오차가 적게 나왔다.
또한 오차가 생길 수 있는 원인으로는
첫째, 피토튜브의 위치 부정확이다. 피토튜브는 풍동에 수직으로 절치되어야 바람이 직선으로 들어가 동압 및 정압을 정확히 측정할 수 있다. 허나 오차가 생길 수 있는 큰 원인중 하나는 이러 피토튜브의 설치는 사람의 눈으로 하기 때문에 전문적인 장비가 없이는 오차가 생길 수밖에 없다.
둘째, 피토튜브의 정면부의 및 정압공의 표면마찰에서 발생한다.
기계로 정밀 가공한 것이 아니라, 납으로 마무리를 하였기 때문에 오차가 발생하고, 정압공 같은 경우는 드릴로 아무리 잘 뚫는다 하지만, 아주 작은 표면마찰이 생길 수 있다.
셋째, 피토관과 마노미터 연결부위의 손실이다. 미노미터 연결 튜브와 피토관의 직경이 달라서 사진과 같이 접착제를 사용하며, 압의 손실을 최소화 하였지만, 정확한 측정을 하기엔 무리가 있었다.
넷째, 부정확한 수치 읽기이다. 실험을 통해 얻어진 여러 가지 값들을 사람의 눈에 의존하여 읽기 때문에 정확한 수치 읽기가 힘들다.
이상의 이유로 이론 유속과 실험 유속의 오차가 생성되었다.
5. 결론 및 제안
피토튜브와 키엘 프로브를 이용하여 공기의 속도를 측정할수 있었다. 공기의 속도를 측정하기 위하여 마노미터의 높이차와, 물의 밀도, 공기의 밀도, 그리고 풍동실험관의 일정한 속도를 이용하였다. 그리하여 높이차로 인한 동압, 공기의 속도를 구할수 있었고, 실험에서 측정한 값이 오차가 발생되는 이유도 알아보았다. 먼저 피토튜브의 설치시 발생하는 계측오차부터, 계의 분해능 오차, 장비 결함에서 야기된 오차, 비 반복적인 인위오차, 불충분한 계측계의 감도로부터 기인한 오차, 실험중의 실수나 착오로 일어나는 오차, 실험후의 계산오차등 여러 가지 오차들이 발생한다. 이번 실험이 잘되었다고 생각하지만, 한편으로는 이러한 여러 오차들의 값이 상쇄 되어서 이론값에 근접하게 나왔다고도 할 수 있다는 생각이 들었다. 보다 정확한 실험을 하기 위해서는 측정기기의 디지털화 및 피토제작의 전문기기를 사용한다면 좀 더 훌륭한 실험이 되지 않을까 생각해본다. 그리고 풍동실험을 통하여 Bernoulli 방정식은 유체의 점성을 무시한다는 것을 알 수 있었다.
6. 참고문헌
최신 유체역학 공저자 노병준, 조원일, 김장권
개정신판 유체역학 공저자 김춘식, 이영호, 최민선
유체역학 공저자 유산신 서상호 배신철

키워드

풍동실험 ,   피토튜브,   베르누이,   항공역학실험,   키엘 프로브,   유속측정