유동가시화 실험

본문내용

orter
광원을 3면으로 조정가능
7
Halogen Bulb
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Light Source
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Honeycomb Flow Straighter
유체의 난동 제거
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Retaining Block
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Tripod
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Light Guide
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Pump On/Off
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Pump Speed 조절
장치에 흐르는 유량 조절
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Socket(Lead from pump)
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Fuse
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Socket(Lead from light)
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Probe Socket
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Bubbles Start
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Electrode Wire Current 조절
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Pulse(on) Length 대 조절
pulse time duration
조절기
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Pulse(on) Length 정밀 조절
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Pulse(on) Length Meter
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Pulse(off) Space 대 조절
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Pulse(off) Space 정밀 조절
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Pulse(off) Space Meter
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Current Meter
백금선에 흐르는 전류 조절
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Pulse Generator On/Off
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Lamp On/Off
3.2 실험 방법
(1) 실험준비
※반드시 전원플러그를 뺀 상태에서 실험을 시작한다.
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 백금선의 약간 위까지 오도록 물을 채운다.
5) 백금선을 쏠벤트 등을 이용하여 깨끗이 닦은 후 Fork Holder와 삼각대를 이용하여 실험장치에 설치한다.
6) 검정색 Lead선의 Crocodile Clip을 Fork Holder 끝부분에 물린 후 반대쪽을 Probe 소켓의 검정색 부분에 연결한다.
7) 붉은색 Lead선의 Crocodile Clip을 Metal Weir Support에 물린 후 반대쪽을 Probe 소켓의 붉은색 부분에 연결한다.
※ 검정색과 붉은색을 거꾸로 연결하면 산소기포가 발생되어 정확한 유동을 관찰할 수 없다.
(2) 실험준비
1) 실험장치의 전원플러그를 연결하고 동력을 켠다.
2) 펌프속도 조절나사를 반시계방향으로 완전히 돌린 후 펌프 스위치를 켠다. 펌프속도 조절나사를 시계방향으로 돌려 적절한 속도가 되도록 맞추며 장치 내 공기를 제거하고 황산소다 용액이 잘 섞이도록한다. 만약 물이 흐르지 않으면 수위를 조절한다.
3) 백금선이 수면 바로 밑에 위치하도록 조정한다.
4) 기포발생 시작 버튼을 누른 후 전류가 22mA 정도 될 때까지 전류량을 조절하며 수소 기포가 발생하는지 확인한다.
5) 전류량을 조절하며 수소 기포의 크기가 변하는지 확인한다.
6) Pulse Time Duration 조절나사들(장치 그림에서 20, 21, 22, 24, 25)을 돌리며 적당한 수소 기포가 발생되도록 조절한다.
7) Model Mounting Pillar에 다양한 모델을 바꿔가며 유동을 관찰하고 촬영한다.
4.2 토의
1~2) 원통
원통의 유동현상을 토의하기 전에 Reynolds수에 따른 유동현상을 살펴 보았다.
Reynolds 수가 매우 작을 때는 박리가 없다. Reynolds수가 점점 증가함에 따라 원통의 하류부분에서 유선이 분리되어 한정된 구역에 기포(bubble)를 형성한다. Reynolds수가 더욱 증가하면 원통의 하류에서 원통으로부터 유선이 박리되고 와류가 발산(와열)되는 현상을 나타낸다. 이러한 와열현상은 Re=40~10000 범위에서 발생된다.
그렇다면 실험 결과에서 나온 원통의 유동현상을 살펴본다면 한정된 구역에 기포를 형성하고 있으므로 정상박리버블이라고 볼 수 있다. 또한, 실험에서의 Reynolds수는 40 이하임을 알 수 있다.
큰 원통에서 와류를 잘 관찰 할 수 있었는데 이는 Reynolds수에서 () 다른 조건은 동일하고 D값이 다르므로 큰 원통에서의 Reynolds수가 큼을 알 수 있다. 이는 큰 원통에서 와류가 더 잘 관찰 할 수 있음을 Reynolds수의 차이로 뒷받침해 준다.
Fig 4.2와 4.4 의 박리점을 살펴보면 작은 원통의 박리점이 큰 원통의 박리점보다 하류 쪽에 있음을 볼 수 있다. 이 또한 Reynolds수의 차이로 생각할 수 있다.
3) 사각기둥
원통과 확연히 다른 유동현상을 보여준 것은 박리점이다. 원통의 박리점은 Reynolds수나 다른 조건에 따라 원통표면에서 위치를 변화하며 생기는 반면에 사각기둥에서의 박리점은 모서리에서 생김을 볼 수 있었다.
원통에 비해 와류의 범위가 넓음을 볼 수 있는데 이는 박리점이 원통에 비해 앞부분에 있기 때문에 와류의 범위도 넓어 졌다고 생각 할 수 있었다.
만약 사각기둥에서 모서리의 각을 깎아 부드럽게 해준다면 박리점은 좀 더 뒤쪽으로 가게 되고 하류에서의 와류 범위도 좁힐 수 있을 것이다.
전면부에 보면 경계층이 원통처럼 표면을 따라 얇게 형성되지 못하고 굴곡이 있음을 볼 수 있는데 이는 원통처럼 물의 흐름이 표면을 따라 매끄럽게 흐르지 못하고 벽에 거의 수직으로 부딪혀 서로 영향을 주면서 벽면을 따라 흐르기 때문이다.
4) 유선형(에어포일)
유선형의 경계층 및 박리점을 살펴보면 원통과 사각기둥에 비해 매우 월등함을 볼 수 있었다. 특히 박리점은 유선형의 꼬리부분에 생기므로 와류가 거의 발생하지 않음을 볼 수 있었다. 180회전을 살펴보면 전면부의 경계층은 시작부분이 뾰족하여 얇게 형성되었지만 박리점이 앞으로 당겨짐을 볼 수 있었다.
그러면 같은 부피로 두께를 얇게 하고 길이를 길게 하면 박리를 지연시킬 수 있지 않을까 생각하지만 그렇게 하여 박리를 지연시킬지는 모르지만 총 항력이 증가하므로 합리적인 생각이라고 볼 수 없다. 그러므로 최적의 유선형 모양을 만들기 위해서는 수많은 시행착오가 필요할 것이다.
5. 참고문헌
저자,제목,출판사, 출판년도, 참고페이지
서상호 외7명, Engineering Fluid Mechanics, 사이텍미디어, 2005년,
p.44(시간선, 유적선, 유맥선, 유선), p.562~563(원통의 와류발산),
p.579(물체의 유선형화)

키워드

유동가시화,   유체,   실험