열유체실험

목차

실험의 목적

실험시의 준비물

실험방법

관련이론 또는 지식

실험결과

실험결론

참고문헌

본문내용

결과
1) Model 1
Fig 15. 원통 주위에 일어나는 와류
- 이론적 고찰 : 원래 유동의 흐름 방향을 x축이라 했을 때 원통 중심을 지나는 이 x축에 대하여 대칭이다. 중심유선을 따라 원통에 접근 하는 유체는 원통에 부딪치어(정체점) 분리되어 원통의 주위를 흐르게 된다. 이론적으로 살펴본 평판 상에서의 유동과 같이 고체면인 원통면 근방에서의 경계층이 발달되는 것을 눈으로 확인할 수 있다. 경계층 밖에서의 유동의 속도분포는 이론적을 공부 했듯이 유선을 횡단하는 흐름은 없기 때문에 유선간의 간격으로 알 수 있는데 유선간의 간격의 증가는 유동속도의 감소를 의미함을 확인할 수 있었다. 경계층 안에 있는 유체의 요소에 대해 고려해 보면 유동방향으로 압력이 증가하기 때문에 유체요소는 운동의 반대방향으로 정미력을 받게되고 어느순간 유동이 고체면으로부터 분리가 된다. 이 지점을 박리점이라고 하고 이때 속도구배는 0 이된다. 이 위치에서부터 유체는 압력을 극복하기 위한 운동량이 부족해서 하류로의 계속적인 흐름은 불가능 하게 된다. 또한 계속적으로 뒤따라오는 유체가 상류로의 흐름을 방해하기 때문에 경계층 박리가 일어나게 된다. 박리점 이후의 영역 에서는 운동량이 결여된 후류가 생성된다. 이영역에서는 와류가 형성되는 것을 목격할 수 있다.
2) Model 2
Fig. 16 유선형 형상 주위에 일어나는 와류
- 이론적 고찰 : 원통 주위의 분리된 유동에서는 유동방향으로 압력의 정미 불균형력이 존재하며 이 정미 불균형력의 결과로 압력항력이 발생하는데, 원통형상에 비해 주어진 압력상승을 보다 먼거리에서 분산시키므로 역압력구배를 줄이게 되고 박리의 시작도 지연되어 항력이 감소됨을 알 수 있다. 물체의 증가된 표면적이 물체에 작용하는 전체 전단응력을 증가시키는 원인이 되지만 항력은 현저하게 감소된다.
3) Model 3
Fig. 17 사각형상의 물체 주위의 와류
-이론적 고찰 : 앞쪽에서부터 역압력구배 현상으로 인해 양옆의 변에서 와류현상이 일어나게 된다.
5-2. 결론
유동장 정보를 가장 손쉽게 얻을 수 있는 방법이 유동가시화(flow visualization)이다. 유동가시화는 전달현상(transport phenomena)과정을 가시화하는 것으로, 속도, 압력, 밀도 및 온도 등과 같이 우리 눈에는 보이지 않는 유동정보의 공간분포를 시간과 공간의 어떤 범위 안에서 눈에 보이도록 하는 실험방법을 말한다. 유동가시화는 대부분 비접촉 방식으로 유동 자체를 교란시키지 않으면서 어떤 순간의 전체 유동장을 가시화함으로써 측정하고자 하는 유동에 대한 공간적인 유동정보를 제공한다. tracer방법인 수소기포 가시화장치를 사용하여 platinum 와이어에 의해 생성된 작은 수소기포를 통해 여러 형상을 통과하는 유동의 모습을 관찰을 통해서 각각 다른 형상의 와류의 모습과 후류의 모습을 볼 수 있었다. 원형의 단면에서는 중심축 뒤쪽에서 박리점이 시작되었고, 뒤쪽에 생기는 와류도 다른 형상에 비해 더 크게 나타났다. 유선형의 형상에서는 경계층을 잘 확인 할 수 있었고, 와류가 거의 일어나지 않음을 알 수 있었다. 마지막의 사각형 형상에서는 모서리가 시작되는 부분의 뒤쪽에서 와류가 일어나는 모습을 확실히 볼 수 있었다.
7.관련이론 또는 지식
유체의 가시화를 실험하다보면 그유체의 유동실험에 있어서 원관 속의 흐름, 평판 상의 흐름 및 개수로의 흐름 등을 연구 해볼수있다. 유체의 유동은 유동특성에 따라 크게 층류유동(laminar flow)와 난류유동으로(turblent flow)로 구분된다.
본 실험은 기본적인 레이놀즈수를 기준하여 특성을 파악하는 기본적인 실험으로서 층류 및 난류를 임의적으로 발생시켜 유동상태를 가시화 하여 레이놀즈수와 유동형태의 관계를 고찰한다.
층류는 유체의 입자가 서로 층을 이루면서 일정하게 흐르는 상태를 말하며 난류는 유체의 입자가 아주 불규칙한 운동을 하며 심한 운동량의 변화를 일으키며 흐르는 상태를 말한다. 아래의 그림과같이 몇가지의 층류와 난류의 그림을 제시하여보았다.
1) 점성에 따른 유동의 분류 - 층류, 난류
유동은 점성과 속도의 정도에 따라 그 성질이 확연히 변화하게 된다. 아래 그림과 같이 담배연기는 처음엔 가지런하게 올라가다가 어느 정도 진행하면(그림의 중간부터 위로) 불규칙하고 복잡한 유동을 나타낸다. 제트에서 분사된 유동(아래 오른쪽 그림)에서도 처음엔 규칙적인 유동이 혼합된 복잡한 유동으로 변화해 가는 것을 볼 수 있다.
유동의 층류에서 난류로의 변화
이와 같이 가지런하고 규칙적인 움직임을 보이는 유동을 층류 라 하고, 복잡하고 불규칙한형태의 유동을 난류 라 한다. 이러한 유동의 확연한 구분은 점성유동 자체의 확연 특성변화 뿐만 아니라, 점성유동 연구에서 접근방법과 해석방법을 전혀 달리 해야 하므로 매우 중요하다.
아래 그림과 같이 수돗물의 유량이 적으면 매끈한 층류유동을 보이다가(왼쪽그림) 유량의 증가로 유동의 속도가 증가하면 레이놀즈수(Re)가 커지면서 난류유동으로(오른쪽 그림) 바뀌게 된다.
수돗물의 유량에 의한 층류와 난류
8참고문헌
시간선:유동장에서 인접한 수많은 유체입자들을 어느 주어진 순간에 표시해 놓으면, 이 입자들은 그 순간에 유체 내에서 하나의 선을 형성하게 되는선
유선:운동하고 있는 유체에서 어느 순간에 각점에 있어서의 속도벡터를 그릴 때 이에 접하는 곡선을 연속적으로 연결하는선
유적선:운동하고 있는 유체 중에서 개개 입자가 흐르는 경로
유맥선:연통에서 분출되는 연기나 흐르는 유체에서 물감을 흘렸을 때 물감이 그리는 궤적
시간선:주어진 순간에 하나의 선을 형성하는 유체질점들의 집합
※ 유동가시화 실험을 통해서 관찰한 유동선은 유맥선이다. 유동가시화 실험에서 연발생풍동은 주어진 점에서 계속적으로 파라핀 연기를 방출시키는 장치이므로, 관찰한 유동선은 관찰순간 이전에 연기가 발생하는 지점을 통과한 파라핀연기의 위치를 나타내기 때문이다. 다만, 압축기 밸브와 팬유속을 일정하게 조정하여, 풍동내의 유동이 정상유동일 경우, 유동장내의 유선, 유적선, 유맥선은 일치하므로, 이 때의 유동선은 유선이면서 유적선이고, 유맥선이라 할 수 있다.

키워드

열유체,   열유체실험,   열유체의 흐름