소개글
"마찰손실"에 대한 내용입니다.
목차
1. 유체 마찰 손실
1.1. 실험 목적
1.2. 실험 이론
1.2.1. 유체의 정의 및 분류
1.2.2. 유체의 흐름
1.2.3. 레이놀즈 수
1.2.4. 베르누이 방정식
1.2.5. 마찰손실
1.2.5.1. 직관에서의 마찰손실
1.2.5.2. 급확대 및 급축소에 의한 마찰손실
1.2.5.3. 관 부속품과 관이음에서의 마찰손실
1.2.6. 오리피스미터
1.2.7. 벤츄리미터
1.3. 실험 방법
1.3.1. 기구
1.3.2. 조작
1.4. 실험 결과
1.4.1. 직관 및 부속품의 마찰손실 측정
1.4.2. 급확대, 급축소 실험
1.4.3. 90° L-bow 실험
1.5. 고찰
1.6. 사용기호
2. 참고 문헌
본문내용
1. 유체 마찰 손실
1.1. 실험 목적
'1.1. 실험 목적'은 유량 측정 장치, 배관의 급확대 및 급축소, 관 이음쇠 및 여러가지 직경의 배관에서의 마찰손실을 측정하고 이론적 수치와 비교하는 것이다. 유체가 관수로를 흐를 때 발생하는 마찰력에 의한 에너지 손실을 관찰하고, 이를 통해 마찰손실계수를 계산하여 이론값과 비교하는 것이 실험의 주된 목적이다.
1.2. 실험 이론
1.2.1. 유체의 정의 및 분류
유체는 전단력(Shearing force)이 작용하면 변형하는 물질, 즉 기체와 액체 및 증기를 모두 포함하는 개념이다. 유체는 점성이 없는 이상 유체(Ideal fluid)와 점성이 있는 실제 유체(Real fluid)로 나뉘며, 이상 유체는 다시 압축성 유체와 비압축성 유체로 구분된다.
압축성 유체와 비압축성 유체의 차이는 온도와 압력의 변화에 따른 밀도 변화 여부에 있다. 압축성 유체는 온도와 압력의 변화에 따라 밀도 변화가 있는 유체이며, 일반적으로 기체가 압축성 유체에 속한다. 반면 비압축성 유체는 온도와 압력의 변화에도 밀도 변화가 없는 유체로, 일반적으로 액체가 비압축성 유체에 속한다.
점성에 따른 유체의 분류로는 뉴턴 유체(Newtonian fluid)와 비뉴턴 유체(Non-Newtonian fluid)가 있다. 뉴턴 유체는 전단응력이 전단속도에 비례하는 유체로, 일반적으로 물, 공기, 여러 종류의 기름 등 대부분의 유체가 뉴턴 유체에 속한다. 반면 비뉴턴 유체는 전단응력이 전단속도에 비례하지 않는 유체로, 페인트와 같은 의소성 유체(Pseudo-plastic fluid), 전분과 같은 팽창성 유체(Dilatant fluid), 치약과 같은 빙햄소성유체(Bingham plastic fluid) 등이 이에 해당한다.
1.2.2. 유체의 흐름
유체의 흐름은 층류(Laminar Flow)와 난류(Turbulent Flow) 두 가지로 구분된다.
층류란 유체의 흐름이 비교적 완만할 때 유체의 각 입자들이 관의 내벽과 평행으로 질서정연하게 흐르며 서로 혼합되지 않는 것을 말한다. 원통모양의 관 기준으로 레이놀즈 수(Re)가 2100 미만일 때 층류가 나타난다.
반면 난류란 유체의 흐름이 빨라지면 입자의 운동방향이 일정하지 않고 불규칙한 형태로 바뀌며 서로 완전히 혼합되어 흐르는 것을 말한다. 원통모양의 관 기준으로 레이놀즈 수(Re)가 4000 이상일 때 난류가 나타난다.
그리고 2100 < Re < 4100 범위의 전이영역(Transition zone)에서는 층류에서 난류로 전이되는 현상이 나타난다. 이 영역을 임계영역이라고도 한다.
층류와 난류의 유체 흐름 특성을 이해하는 것은 매우 중요한데, 레이놀즈 수에 따라 유체의 유동 양상이 크게 달라지기 때문이다. 층류일 때와 난류일 때의 마찰손실, 압력강하, 열전달 등의 물리적 현상이 매우 다르게 나타나기 때문이다.
1.2.3. 레이놀즈 수
레이놀즈 수(Reynolds number, Re)는 유체의 관성력과 점성력의 비로, 무차원의 수이다. 이를 통해 유체의 흐름이 층류인지 난류인지 구분할 수 있다.
레이놀즈 수는 다음과 같이 정의된다:
Re = (ρvD) / μ
여기서 ρ는 유체의 밀도, v는 유체의 평균 속도, D는 관의 직경, μ는 유체의 동점성 계수이다.
레이놀즈 수가 작은 경우, 유체의 관성력에 비해 점성력이 크기 때문에 유체의 흐름은 층류가 된다. 일반적으로 원통형 관에서 레이놀즈 수가 2,100 미만인 경우 층류 흐름이 나타난다.
반면, 레이놀즈 수가 큰 경우 유체의 관성력이 점성력에 비해 크기 때문에 유체의 흐름은 난류가 된다. 원통형 관에서 레이놀즈 수가 4,000을 넘어서면 난류 흐름이 나타난다.
2,100과 4,000 사이의 레이놀즈 수 범위에서는 층류에서 난류로 전이되는 과도영역(transition zone)이 존재한다. 이 영역에서는 유체의 흐름이 불안정하여 층류와 난류가 혼재된 상태로 존재한다.
레이놀즈 수가 클수록 관성력이 크고 유체 혼합 가능성이 높아져 난류 흐름이 나타나게 된다. 따라서 레이놀즈 수는 유체의 흐름 특성을 판단하는 중요한 무차원 지표라고 할 수 있다.
1.2.4. 베르누이 방정식
베르누이 방정식은 유체가 흐르는 속도와 압력, 높이의 관계를 수량적으로 나타낸 법칙이다. 이 방정식은 유체의 위치에너지와 운동에너지의 합이 일정하다는 원리에서 유도된다.
베르누이의 정리에 따르면, 같은 높이에서 유체가 흐르는 경우 좁은 통로를 흐를 때 유체의 속도가 증가하고 넓은 통로를 흐를 때 유체의 속도가 감소한다. 이는 유체의 압력과 속도 간에 역관계가 성립함을 의미한다. 즉, ...
참고 자료
임굉ㆍ임재석, 화학공학의 단위조작, 내하출판사(2009), p.24(유체의 정의), p.37~39(층류, 난류),
p.43(레이놀즈 수), p.65~69(베르누이 방정식), p.54~65(직관, 급확대, 급축소, 관 부속품과 관이음관에서의 마찰손실), p.90~94(오리피스미터), p.102~103(벤츄리미터)
이기수, 유체역학, KOCW, 5차시 강의(유동의 기초해석) – 베르누이 방정식의 유도 및 확장
정민철ㆍ고영수, 기초 이동현상론, 동화기술(2020), p.31~37(유체의 분류)
Samjinuc(www.samjinuc.com) - 삼진유니켐 SFF-300 설명
Wikipedia,“Friction_loss”,https://en.wikipedia.org/wiki/Friction_loss (2020.06.10), (마찰손실의 정의)
고완석 외 4명, 『제 3판 단위조작』, 보문당(2014), p56-67 두손실 관련 내용(직원관, 관로 단면적의 급 확대 및 급 축소, 관 부속품에 의한 두손실)
Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriott,, 「단위조작 7th 수정판 Edition」, Mc Graw Hill Education (2014), 83-108p, (베르누이 방정식)
Unit Operations of Chemical Engineering 5th(Warren L. McCable, Julian C.Smith, Peter Harriott, ) - p.287-314
