유동가시화실험

본문내용

타나 게 되고 이로 인해 와류가 생기는에 이와류가 번갈아 가면서 일어나 물체가 좌우로 심하게 흔들리게 된다. 이것은 실제로 타코마다리의 붕괴 원인이 되 었다.
3. 실험장치 및 방법
3.1 실험 장치
표 1 실험 장치 명칭-1
표 2 실험장치 명칭-2
3.2 실험 방법
※ 반드시 전원플러그를 뺀 상태에서 작업한다.
① pump 소켓과 플러그를 극성을 맞추어 연결한다.
② light 소켓과 플러그를 극성을 맞추어 연결한다.
③ 비커에 황산소다 250mg을 따뜻한 물에 용해시켜 준비한다.
④ 물탱크에 절반 정도 물을 채운 후 용해된 황산소다를 넣고 수위가 weir의 약간 위까지 오
도록 물을 채운다.
⑤ platinum와이어를 쏠벤트등을 이용하여 깨끗이 닦은 후 fork holder 삼각대를 이용하
여 실험장치에 설치한다.
⑥ 검정색 lead 선의 crocodile clip을 fork holder 끝부분에 물린 후 반대쪽을 probe 소켓의
검정색 부분에 연결한다.
⑦ 붉은색 lead 선의 crocodile clip을 metal weir support에 물린 후 반대쪽을 probe 소켓
의 붉은색 부분에 연결한다.
※ 검정색과 붉은색을 거꾸로 연결하면 산소기포가 발생되어 정확한 유동을 관찰할 수 없다.
2) 실험방법
① 실험장치의 전원플러그를 연결하고 power를 켠다.
② pump speed 조절나사를 반시계방향으로 완전히 돌린 후 pump 스위치를 켠다. pump
speed 조절나사를 시계방향으로 돌려 적절한 speed가 되도록 맞추며 장치 내 공기를 제거하
고 황산소다 용액이 잘 섞이도록 한다.만약 물이 흐르지 않으면 수위를 조절한다.
③ platinum 와이어가 수면 바로 밑에 위치하도록 조정한다.
④ bubble start 버튼을 누른 후 전류가 22mA 정도 될 때까지 전류량을 조절하며 수소기포
가 발생하는지 확인한다.
⑤ 전류량을 조절하며 수소기포의 크기가 변하는지 확인한다.
⑥ pulse time duration 조절 나사들(장치그림에서 26,27,28,32,31)을 돌리며 적당한 수소기
포가 발생되도록 조절한다.
⑦ model mounting pillar에 다양한 모델을 바꿔가며 유동을 관찰하고 촬영한다.
4. 실험 결과 및 토의
1.실험 결과
1) Mode 1
연속 촬영
-이론적 고찰
원통 주위의 유동 : 마찰항력과 압력항력
원통 주위의 유동문제의 경우에 항력은 마찰항력과 압력항력 모두가 총 항력에 기여한다.
Re<1 로 매우작을 경우에는 유동박리가 생기지 않는다. 즉, 후류는 층류이고 항력은 주로 마찰 항력이다. 관성력이 무시될 수 잇을 정도로 Re 수가 대단히 낮은 유동에서 Stokes는 해석적인 증명을 하였다.
Re수가 1000까지 증가되면 항력계수는 계속해서 감소한다. 유동 박리의 결과로 항력은 마찰항력과 압력항력의 합이 된다. 마찰항력의 상대적 기여는 Re수가 증가함에 따라 감소한다. 만약 Re수가 1000에서 마찰 항력은 총항력의 5% 밖에 되지 않는다. Re 수가 3E+5 이하인 영역에서 항력계수 곡선은 거의 수평이다. 항력계수는 약 3E+5인 영역에서 갑자기 떨어지기 시작한다. 실험에 의하면 이 영역에서 원통의 앞부분에 있는 경계층은 층류이다. 경계층의 박리는 원통의 정점 바로 앞 상류쪽에서 발생한다. 비교적 넓은 난류 후류가 원통 뒷 부분에 형성된다. 원통 하류쪽의 박리 영역 내에서 압력은 거의 일정하고 원통의 앞부분 주위의 압력보다 낮다. 원통 앞 뒤 부분의 압력차가 항력의 주원인이된다.
또한 구의 박리점뒤 부분 이후에 와류가 생기게 되는데 이는 연속 촬영사진을 보면 알 수 있듯이 카르만 와류의 형상을 하고 있다.
2) Mode 2
연속촬영
1) 아랫면
2) 윗면
- 이론적 고찰
1)물체의 유선형화
물체 뒤쪽에 생기는 박리유동영역의 범위는 물체의 형상을 유선형으로 만듦으로써 감소 또는 제거할 수 있다고 이론에서 밝힌바 있다. 유선형화의 목적은 물체의 두께가 최대가 되는 곳의 뒤쪽에 발생하는 역압력 구배를 감소 시키는 것이다. 유선형화는 경계층 박리를 지연시키고 압력 항력을 감소 시킨다. 그러나 뒷 부분을 유선형이 되도록 하면 물체 표면적은 증가 되고 이로 인하여 표면 마찰 항력은 증가하낟. 따라서 항공기의 익형제작시 총항력이 가장 작아지도록 익현의 두께비를 가지고 계산한다.
2)양력 항력
우리는 실험에서 양력과 항력에 대한 가시화를 위해서 익형을 기울여서 실험을 해보았다.
익형을 기울이자 사진에서 보는 봐와 같이 윗 면과 아랫 면 사이의 유동 현상이 다름을 알 수가 있다. 아랫 면에서의 유동은 평판에서의 유동과 유사한 반면 윗면에서의 유동은 익형의 중간점 이전에서 이미 유동박리 현상이 일어나고 있었다. 이는 영각에 따라 최소 압력은 더욱 낮아지고 그 위치는 윗면의 앞쪽으로 이동한다. 심한 역압력구배가 최소 압력점 이후의 표면을 따라서 발생한다. 결국 역압력구배는 윗면으로부터 완전하게 유동박리를 일으키고 익형은 실속된다. 최소 압력점의 이동과 역압력구배의 발달이 층류유동 단면에서 항력계수의 갑작스런 증가의 원인이 된다. 이는 윗면에서 층류에서 난류로의 경계층 천이가 빠르게 일어나기 때문이다.
3) Mode 3
연속 촬영
-이론적 고찰
유동방향에 수직한 형상 주위의 흐름
위 사진과 같이 유동방향에 수직한 형상 주위의 흐름에서 벽면전단응력은 항력에 포함되지 않는다. 이러한 형상에서 유동은 형상의 시작에지점에서 박리된다. 형상이 평판일 경우 평판의 에너지가 작은 후류내에서 역류가 발생한다.(사진에서는 단면의 길이가 길어 역류 발생은 관찰 되지 않음) 이는 마찰 항력에 큰 영향을 받음을 알 수 있다. 또한 이러한 유동은 압력구배가 0 이므로 총 항력은 마찰 항력과 같다. 또한 이때의 항력계수는 평판의 길이에 따르는 전단 응력분포의 함수 이다.
특히 이러한 형상의 물체에서는 물체의 폭과 길이의 비에 따라서 항력이 1의 차이가 있다.
폭과 길이의 비가 무한대 일 경우 항력계수는 2.05이고 폭과 길이의 비가 1일 경우에는 향력계수가 1.05가 된다. 또한 이러한 경우에 Re수가 1000이상일 경우에는 Re수와 항력계수와는 무관하다.

키워드

가시화,   카르만와류,   경계층이론,   역압력구배,   유동가시화