유체유동실험 - 레이놀즈수 실험

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본문내용

레이놀즈수 실험
◎ 실험목적
유체유동실험에 있어서 원관속의 흐름, 평판상의 흐름 및 개수로의 흐름 등을 연구하려면 우선 유동의 특성을 파악하여야 한다. 유체의 유동은 유동특성에 따라 크게 층류유동(laminar flow)과 난류유동(turblent flow)으로 구분된다. 본 실험은 기본적인 레이놀즈수를 기준하여 특성을 파악하는 기본적인 실험으로써 층류 및 난류를 임의적으로 발생시켜 유동상태를 가시화 하여 레이놀즈수와 유동형태의 관계를 고찰한다.
◎ 관련이론
1) 정의
가. 층류 (laminar flow)
유체의 입자가 서로 층을 이루면서 일정하게 흐르는 상태를 말한다.
나. 난류 (turblent flow)
유체의 입자가 아주 불규칙한 운동을 하며 심한 운동량의 변화를 일으키며 흐르는 상태를 말한다.
2) 레이놀즈수
Reynolds는 유속 V, 동점성계수 , 직경 D로써 층류와 난류를 구분하기 위하여 다음과 같이 무차원의 레이놀즈수를 제안하였다.
레이놀즈수
: 유체의밀도 (kg /m3)
V : 유체의 평균속도 (m/s)
D : 관의 직경 (m)
: 동점성계수 (m²/s)
: 점성계수 ( kgs³/m² )
V : 유체의 평균속도 (m/s)
Q : 유체의 평균유량 (m³/s)
D : 관의 직경 (=0.0215m)
A : 측정관의 단면적 (m²)
3) 관내 유동상태의 구분 (원형관일때)
※천이구역 -
◎ 온도별 물의 성질 (계산식 참고)
온도
: 밀도
(kg/m3)
: 점성계수
(kgs3/m2)
: 동점성계수
(m2/s)
0
999.9
1.792
1.792
5
1000.0
1.519
1.519
10
999.7
1.308
1.308
15
999.1
1.140
1.140
20
998.2
1.005
1.005
25
997.1
0.894
0.894
30
995.7
0.801
0.801
35
994.1
0.723
0.723
◎ 실험 장치도
레이놀즈 실험장치
레이놀즈 실험장치
◎ 실험방법
① 실험장치를 수평이 되도록 견고하게 설치한다.
② 급수 콘넥터를 실험장치의 수구에 연결한다.
③ 색소공급 밸브를 잠그고 색소 액을 약 4/5정도 채운다.
④ 수조에 물이 약간 월유(over flow)되도록 공급하여 수면이 일정하게 유 지되도록유량조절 밸브로 조절한다.
⑤ 색소 공급밸브를 열어 관내에 색소가 흐르도록 한다.
⑥ 유량밸브를 조절하여 색소액의 상태가 일직선이 되어 흐르면 층류이며, 이 때의 유량()을 측정하여 기록한다.
⑦ 계속하여 유량밸브를 열어 색소선이 일직선에서 흔들리기 시작하면 상 임계 레이놀즈수에 해당되며 이 때의 유량()을 측정하여 기록한다.
⑧ 계속하여 유량밸브를 열면 색소선이 완전히 흐트러져 난류이며 이 때의 유량()을 측정하여 기록한다.
⑨ 계속하여 유량밸브를 충분히 열어 완전한 난류가 되도록 한다.
⑩ 유량밸브를 서서히 닫아 색소선이 일직선으로 되기 시작하면 하임계 레 이놀즈수에 해당되며 이 때의 유량()을 측정하여 기록한다.
⑪ 수조내의 온도를 확인하여 기록한다.
⑫ 위의 과정을 반복하여 실험한다.
◎ 실험결과
실험실 온도: 20.4℃
수온: 17.5℃
● 실험결과값
(층류)
(하임계)
(상임계)
(난류)
수온(℃)
시간
(sec)
유량
(ml)
시간
(sec)
유량
(ml)
시간
(sec)
유량
(ml)
시간
(sec)
유량
(ml)
24.3s
660ml
17.0s
670ml
10.3s
670ml
7.4s
630ml
17.5℃
● 레이놀즈수 결과값
점성
계수
수온
17.5℃
밀도
물의
동점성계수
관의
직경
0.0215 m
관의
단면적
유량
상태
t(sec)
Q=V/t(m3/sec)
V=Q/A(m/sec)
층 류
24.31
2.71×10-5
0.0746
1493.39
하임계
16.96
3.95×10-5
0.1088
2180.06
상임계
10.27
6.52×10-5
0.1796
3595.34
난 류
7.44
8.47×10-5
0.2333
4670.34
◎ 실험 사진
◎ 관련 계산식
<<유체의 평균속도>>
V : 유체의 평균속도 (m/s)
Q : 유체의 평균유량 (m³/s)
D : 관의 직경 (=0.0215m)
A : 측정관의 단면적 (m²)
<<레이놀즈수>>
레이놀즈수
: 유체의밀도 (kg /m3)
V : 유체의 평균속도 (m/s)
D : 관의 직경 (m)
: 동점성계수 (m²/s)
: 점성계수 ( kgs³/m² )
<<체적 단위환산>>
1000L = 1m3
<<계산값>>
★ 층류 ★
부피 = 660 ml
★ 하 임 계 ★
부피 = 670 ml
★ 상 임 계 ★
유량 = 670 ml
★ 난류 ★
유량 = 630 ml
◎ 고찰
오차의 원인
① 유체의 흐름을 기준 그림에 비교하며 직접 판단하였기 때문에 그 기준 을 잡기가 난해하여 이 부분에서 오차가 발생한다.
② 유량 (시간포함) 역시 손으로 직접 측정했기 때문에 오차가 발생한다.
③ 하나의 유동상태를 한 번의 실험으로 결정했기 때문에 오차가 생길 수 있다.
결과
잉크를 탐으로써 유동 가시화하여 각 유동의 형태를 눈으로 직접 볼 수 있었다. 하지만 실험장치의 유동이 일정치 않았는지 기준 그림에서와 같이 평행하게 흐르는 모습은 볼 수 없었다.
실험값과 이론값의 비교
유동상태의 구분
이론값
실험값
층류
1493.39
천이구역
실험안함
난류
4670.34
하임계
2180.06
상임계
3595.34
① 층류와 난류 같은 경우 유동상태가 확연히 구별이 가능하기 때문에 이론 값 범위에 잘 들어왔다.
② 하임계는 어느 정도 이론값에 도달했지만 상임계같은 경우 난류와 구별 하는데 있어 어려움이 있었다. 때문에 이론값에 약 400정도 미치질 못했 다. 우리가 측정한 것이 상임계 보다는 천이구역에 좀 더 가깝다는 것을 알 수 있다.

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유체유동,   레이놀즈수,   실험