[실험보고서] 오리피스 벤츄리[유량 측정 실험]

본문내용

때의 속도와 압력은 갖게 된다.
점차 축소 확대된 관에서 정압을 측정함으로써 유량을 구할 수 있도록 만든 관을 “벤츄리 관”이라고 한다. 벤츄리관은 입구 부분, 축소부 및 확대 부분으로 나뉜다. 입구부의 조건은 유체의 속도를 크게 하고 그 정압력을 감소시킴으로써, 압력차가 생기게 되며 이 압력차를 유량에 관련시키는 것이
벤츄리메타 (VENTURI METER)
다. 여기서, 확대부는 흐름의 단면적을 입구의 단면적으로 회복시키고, 속도 수두를 압력 수두로 변환시키는 역할을 하게 된다.
최소 단면부의 직경은 보통 입구의 1/2에서 1/4 사이에 있다. 많은 관에 있어서 입구부의 축소각은 약 21°정도이고, 출구부 또는 확산관의 확대각은 대략 5~9°에 있다. 여기서 5~9°의 확대각은 확대관의 손실을 적게 하는데 효과적이다.
비압축성 흐름이라고 가정하고 마찰 손실이 없다고 가정한다면,
▶ Bernoulli Eq :
▶ 연속 방정식 : 을 사용하면,
▶ 이상적인 유량
압력 수두차를 측정하면 유량 Q를 결정할 수 있다.
▶실제 유량 Q는 로서 표시된다.
(* C는 무차원량이며, Reynolds수의 함수이다)
- 오리피스(Orifice)
오리피스자유분출장치(OrificeFree Jet Unit)
:본 실험장치는 오리피스의 유량계수와 오리피 스를 통한 젯트의 강하 길이를 측정하기 위하여 제작되었으며 간단한 수평 구조로 되어있고 수 조는 일정한 수두를 유지하기 위하여 Over Flow V/V를 여러개 설치하여 수두의 변화에 따른 길 이를 측정할 수 있게 제작되었습니다.
또한, 노즐 및 오리피스를 여러개 제작하여 상호 비교가 용이하고 학생들로 하여금 토리체리공식 의 이해를 돕기 위하여 설계되어진 장치입니다. 유로가 단면에 비해 현저하게 짧은 교축으로, 유체가 이곳을 통과하는 것을 오리피스라고 한다. 압력강하가 액체의 점도에 의한 영향을 그다지 받지 않는 특징이 있다. 오리피스에 기름이 흐르면 오리피스의 전후에 압력차가 발생한다. 오리피스 전후의 압력차가 커지면, 유량은 증가한다. 오리피스를 통과할 때 유로를 막으면 압력은 상승하고 오리피스 전후의 압력차는 동일하게 된다.
오리피스는 관의 Flange 사이에 끼여 있는 얇은 판으로 되어 있고, 그 평판의 중심에는 원형 구멍이 뚫려 있다. 이 관의 유동 특성은 단면 2에서의 Vena Conrtracta의 형성으로 인해 유관의 최소 단면이 오리피스 자체가 아니라 그 하류에서 최소 단면이 생긴다는 점이 노즐과 다르다.
비압축성 유동에 대해서 Bernoulli Eq 을 단면 1, 2에 적용하면,
만일 자유단면 1과 단면 2의 jet가 대기와 접촉하고 있다면 과 는 같다.
연속방정식에서 을 생략하면 이상적인 속도 는 실제의 jet의 유속은 마찰이 없으므로 이상적인 경우보다 작다. 실제의 유속과 이상적인 유속의 비를 유속계수 라고 한다.
그러므로 실제의 유속은 이다.
유선이 오리피스에 접근함에 따라 수축되고 이 수축은 오리피스를 통과한 후에도 계속된다. 그러므로 실제의 유량 이며, 여기에서 C는 유량계수이다.
Sharp-edged 오리피스에 대하여 는 0.95에서 0.99사이에 있고, 는 0.61에서 0.72 사이에 있다.
5.실험 방법
오리피스와 벤츄리를 사용하여 차압을 여러 유량조건에 대하여측정하고 실험장치의 매뉴얼 또는 text book에 제시된 유량계수를 사용하여 유량을 결정하고 역시 float type 유량계의 읽음과 비교한다. 만약 일치하지 않는다면 float type 유량계의 읽음으로부터 본 장치의 오리피스와 벤츄리미터의 유량계수를 계산한다.
6.분석 및 고찰
이번 실험은 벤츄리(Venturi), 오리피스(Orifice)와 같은 차압식 유량계에서 발생하는 수두차를 통해 유량에서 압력 손실을 측정하여 연속 방정식, 베르누이(Bernoulli)방정식을 이용하여 이론값과 실험값의 오차를 계산해보고 Venturi와 Orifice의 차이점을 알아보는 실험이었다. 이번 실험은 전 실험들과는 달리 이론값을 대입해서 나온 유량값과 실험을 통해 얻은 값을 대입해서 얻은 값을 서로 비교해봄으로써 이론값과의 오차를 계산해 볼 수 있었다.
관내 오리피스와 벤츄리는 두 장치 모두 유로에 유체의 압력변화를 일으킬 수 있는 방해시설을 설치하고 이 시설 전후의 압력변화를 측정한다는 공통점이 있었지만 오리피스는 벤츄리와는 형상의 차이로 인한 수축계수가 크게 작용한다는 것을 알 수 있었다. 오차가 없는 이상적인 실험에서는 오리피스의 단면형상으로 인한 수측계수 때문에 유량계수가 0.6~0.65사이의 값이 나와야겠지만 이번 실험 역시 이론값과는 많은 차이와 오차를 보였다.
오리피스는 플랜지에서의 Vena Contract 때문에 유량계수가 벤츄리보다는 작게나와야 하고 벤츄리는 변화가 거의 없으므로 1정도야 하지만 실험 결과 오리피스와 벤츄리 모두 유량계수 1.0을 넘어버리는 값이 나와버렸다. 오차들이 생긴것에 대해서는 다음의 몇가지를 생각해 볼 수 있겠다.
① 전 실험에서도 문제됐을거라 생각했던 측정장비의 노화를 가장 먼저 생각하게 됐다. 그 전 실험들과는 달리 유체가 방해물에 부딪치면서 물리적인 변화가 심해지므로 그로인한 부유물들의 퇴적이라든지 관내 부식등이 좀 더 심했으리라 본다. 그로인한 관내 조도의 변화가 실험값에 변화를 주었을 것 같다.
② 이론상대로 유체의 움직임이 관내에서 층류라면 수두를 측정할 때 수두튜브안에 수두의 변화가 없어야 됨에도 계속 조금씩 수두가 움직이는 것으로 봐서 역시 관내 조도 변화로 인해 층류의 형태가 난류로 바뀌었을 수도 있다고 본다.
이번 실험으로 오리피스가 벤츄리보다 가격면과 사용면에서 용이한점은 있지만 그에 비해 손실이 많다는 것을 알 수 있었다. 그로 인해 유체가 유출될때 단면의 현상과 크기가 어떤 영향을 줄 수 있는지 알 수 있는 실험이었던 것 같다.
그리고 예전 실험들과는 달리 이론값과 실험값이 엄청난 격차를 보인다거나 차압이 커짐에 따라 유량이 뒤섞이지도 않았고 유량계수들 또한 서로 큰 격차를 보이지 않은 것으로 미뤄 예전과는 달리 실험에 많이 익숙해져서 오차를 많이 줄일 수 있었던 것 같아서 의미가 깊었다.

키워드

유량 측정 실험 ,   베르누이(Bernoulli) 방정식,   관 오리피스