광학실험 - 관로마찰 실험

소개글

광학실험 - 관로마찰 실험에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

정의 한다.
토출계수는 유량계의 기하학적 변수, 접근 속도, 레이놀즈수, 압축성 효과에 따라 변한다.
6. 관로 마찰 실험 장치
1) 장치 설명
실험 장치의 오른쪽에 설치된 물탱크에서 펌프로 물을 관에 공급한다. 이때에 공급되는 물의 유량은 펌프 출구의 게이트 밸브로 조절한다. 공급된 물은 유량계를 거치고 장치의 상부에 있는 탱크를 거쳐서 수직으로 내려와 수평으로 설치된 관을 통해 오른쪽 물탱크로 돌아오면서 순환하게 된다. 수평으로 설치된 관들에는 여러 직경의 관에서의 마찰계수와 관이음들의 손실계수를 얻기 위해 적합한 곳에 여러 압력 탭들을 만들고 이를 비닐튜브로 다관 마노미터에 연결하여 압력차를 기록할 수 있도록 제작되어 있다.
2) 장치의 제원
관 직 경
이음 및 유량계
Di [mm]
D [mm]
d [mm]
관 1
37.7
벤츄리형
37.7
18.85
노즐
28.0
12.0
관 2
37.7
오리피스
16.7
10.0
관 3
28.0
축소관
37.7
16.7
관 4
16.7
급수축관
37.7
18.85
3) 실험 과정
a. 장치의 오른쪽 물탱크에 물을 약 2/3 정도 채운다.
b. 펌프의 전원 스위치를 “ON” 시킨다.
c. 펌프 토출구의 게이트 밸브를 연다.
d. 측정하고자 하는 관의 출구 밸브를 열고 나머지 관들의 출구 밸브는 모두 잠근다.
e. 펌프 토출구의 밸브와 관 출구의 밸브의 개폐 정도를 조절하여 상부의 탱크에서 물이 넘치지 않도록 한다.(이때 대기에 노출된 다관 마노미터 액주의 수두 높이가 변화하지 않게 한다.)
f. 측정하는 관에 설치된 압력 탭 위치에서의 압력들을 수두 높이로 기록한다.
g. 유량을 기록한다.
h. 다른 관에 대해서도 과정 d부터 g까지를 반복한다.
i. 유량을 변화시켜서 과정 d부터 h까지를 반복한다.
j. 자료를 정리하고 결과를 계산하고 실험 결과를 다른 자료와 비교한다.
- 관의 마찰계수와 레이놀즈수의 관계 : Moody 선도와 비교
- 이음의 손실계수 : 유체역학 교재 혹은 부록의 자료와 비교
- 유량계의 토출계수와 레이놀즈수의 관계
k. 결과 분석에 대한 토의를 한다.
7. 실험결과/분석
● 긴 관 마찰계수 (긴 관 길이 : 110cm = 1.1m)
① 레이놀즈 수 이용하여 마찰계수 구하기 (f)
② 주손실을 이용하여 마찰계수 구하기
③ 차이가 나는 이유
- 유체의 운동이 FDF (완전히 발달된 유동)가 아니기 때문에 차이가 발생했을 것이다.
- 조도가 0이 아닐 것이다.
- 실험 당시 물이 새나가고 있었는데 이 때문에 오차가 발생했을 것이다.
● 엘보우
① 이론 손실계수(K)를 구할 것
(교과서 표 8.2 이용)
입구형상
부차적 손실계수 Ka
삽입관
0.78
직각형상
0.5
둥근형상
r/D
0.02
0.06
≥ 0.15
K
0.28
0.15
0.04
② 실험 손실계수(K)를 구할것
③ 차이가 나는 이유
- 유동박리가 일어나 vena contracta 가 형성되어 와류가 발생하게 되어 차이 발생.
- 엘보관에 대한 정확한 정보가 없어서 오차 발생.
- 오래된 엘보우 관이었으므로 곡선 부분에 큰 조도가 발생하여 있었을 것이다.
● 급수축 (d/D=0.5)
① 이론 손실계수(K)를 구할 것
☞
② 실험 손실계수(K)를 구할 것
③ 차이가 나는 이유
- 급격한 단면적의 변화로 인한 유동의 박리로 인하여 부차적인 수두손실이 발생하여 그 차이가 남.
- 덕트 내의 마찰로 인한 손실로 차이가 남.
- 육안으로 관찰한 수두의 높이차가 일정치 못해 이론값과 실제값의 큰 오차가 생김.
- 또한, 미세한 차이지만 반올림 오차가 발생하였을 것이다.
● 급확대 (d/D=0.5)
① 이론 손실계수(K)를 구할 것
☞
② 실험 손실계수(K)를 구할 것
③ 차이가 나는 이유
- 급격한 단면적의 변화로 인한 유동의 박리로 인하여 부차적인 수두손실이 발생하여 그 차이가 남.
- 덕트 내의 마찰로 인한 손실로 차이가 남.
- 육안으로 관찰한 수두의 높이차가 일정치 못해 이론값과 실제값의 큰 오차가 생김.
- 또한, 미세한 차이지만 반올림 오차가 발생하였을 것이다.
● 벤츄리
① 이론적 유량
② 실험으로 얻은 실제 유량
③ 유량으로 구한 토출 계수 CD
=
④이론유량으로 구한 레이놀즈 수
⑤실험으로 얻은 실제유량으로 구한 레이놀즈 수
⑥ 이론적 레이놀즈 수로 구한 토출계수 CD
⑦ 실험적 레이놀즈 수로 구한 토출계수 CD
● 노즐
① 이론적 유량
② 실험으로 얻은 실제 유량
③ 유량으로 구한 토출 계수 CD
④이론유량으로 구한 레이놀즈 수
⑤실험으로 얻은 실제유량으로 구한 레이놀즈 수
⑥ 이론적 레이놀즈 수로 구한 토출계수 CD
⑦ 실험적 레이놀즈 수로 구한 토출계수 CD
8. 실험후기
먼저 이번 실험은 유체역학Ⅱ에서 배운 내용을 실험을 통하여 눈으로 확인할 수 있어서 좋았다. 수업당시 수 많은 식들과 이론들을 보면서 “과연 이런 것들이 쓰이기나 할까?”라고 생각했었는데 그것은 나만의 생각이었다. 실제로 수업시간에 배웠던 식들을 활용하여 유용한 정보를 얻어낼 수 있었는데 그 과정이 재밌기도 하였고 신기하였다. 교수님이 수업시간에 예로 들어주신 시베리아에서 대한민국까지 이어지는 파이프와 압력펌프를 생각하니 실험data를 분석하는 과정이 훨씬 흥미롭게 느껴졌다.
또한 우리 주위에서 흔히 볼 수 있는 각종 파이프 내부의 유동과 손실계수를 알아봄으로써 실생활과 공학적 이론이 접목되어있는 부분을 체감할 수 있었던 점이 인상적이었다. 실험을 마치고 나서는 새삼스럽게 집에 달려있는 계량기를 한번 유심히 쳐다보기도 하였다.
이번 실험은 유량을 설정하고 마노미터의 높이 차를 얻어내 계산을 하는 비교적 간단한 실험이었는데도 불구하고 눈에 보이지 않는 현상이라 그런지 오차를 예측하는 것이 쉽지 않았다. 파이프 중간중간에 물이 새어나가는 것도 있었고, 조도의 원인도 있었을 것이다. 이런 수많은 오차들을 미리 예상하고 길고 또 많이 휜 파이프를 설계하려면 얼마나 힘이 들까? 라는 생각도 하게 되었다.
여러모로 도움이 많이 되었던 실험이었다. 이번 실험을 성공적으로 마치게 해주신 문희장 교수님과 두 분의 조교님께 감사의 말씀을 드린다.

키워드

관내 유동,   관로마찰,   마찰계수