본문내용
1. 벤추리메타 튜브 유량측정 실험
1.1. 소개
Venturi meter는 관을 따라 흐르는 유체의 유량을 측정하는 기구로 비율미터(rate meter)의 일종이다. 비율미터에는 오리피스, 노즐, 벤추리 미터, 로터미터, 위어 등이 있다. 벤추리 미터는 경사진 수축단면으로 이루어져 있는데 짧은 원형목부로 가속된 유체는 다시 원래 지름으로 완만하게 확대되는 단면을 따라 흐른다. 베르누이 방정식에 의해 입구에 목부로 흐르면서 속도가 빨라진 유체는 압력이 떨어지며 이 압력 저하의 정도는 유량에 따라 다르다. 따라서 유량은 상류와 목부에서 측정한 압력 값의 차이로부터 알 수 있다. 벤추리 미터는 다른 비율미터에 배해 수두 손실이 작다."
1.2. 실험의 목적
본 실험의 목적은 베르누이 방정식 및 이와 관련하여 유체유동 중에 일어나는 에너지 손실, 즉 역학적 에너지 손실 등에 대한 개념을 이해하는데 있다. 비압축성 유체의 경우 단위질량의 유체가 가지는 압력 에너지, 속도 에너지의 합은 항상 일정하며 이것을 베르누이 방정식이라고 한다. 본 실험은 베르누이 방정식을 이용하여 벤츄리 미터의 단면적 변화에 따른 수두변화를 측정하여 에너지 손실 및 유량의 크기에 따른 유량계수를 결정하는 것을 목적으로 한다. 즉, 벤츄리 미터에 흐르는 유량을 예상하고 유량계수를 이용하여 실제 유량을 계산하는데 있다. 흐름은 점 축소부와 목부 및 점 확대부를 통하여 이루어지고, 목부의 단면은 주관로의 단면보다 작아 유속은 증가하고 압력은 강하하게 되는데, 이 압력 강하량을 측정하여 간접적으로 유량을 측정한다.
1.3. 실험 장치(벤추리 유량계)
실험 장치(벤추리 유량계)는 관내의 유체 유량을 측정하기 위한 장치이다. 벤추리 유량계는 비율 미터의 일종으로, 관 내부에 단면적이 점점 작아졌다가 다시 넓어지는 벤추리 관이 설치되어 있다.
벤추리 관 내부에서 유체의 유속이 증가하면 압력이 감소하는데, 이 압력 강하량을 측정하여 유량을 간접적으로 알 수 있다. 즉, 관 입구와 목부의 압력 차이를 측정하여 이를 이용해 유량을 계산할 수 있다.
실험에 사용된 벤추리 유량계의 주요 구성 부품은 다음과 같다:
1) 유량 조절 밸브: 유량을 조절하는 역할을 한다.
2) 플로미터: 관내의 물 유량을 나타내는 장치로, 20~150 L/min 범위를 표시할 수 있다.
3) 마노미터: 벤추리 관 입구와 목부의 압력 차이를 측정하는 압력계로, 0~400 mmH2O 범위를 나타낼 수 있다.
4) 벤추리관: 단면적이 점점 작아졌다가 다시 넓어지는 관으로, 유체의 유속 변화와 압력 변화를 이용해 유량을 측정한다.
5) 압력 조절 튜브: 마노미터의 압력을 조절하는 데 사용된다.
6) 마노미터 호스: 마노미터와 벤추리관을 연결하는 호스이다.
이와 같은 구성 요소들을 통해 벤추리 유량계는 관 내부의 유체 유량을 측정할 수 있다. 압력 변화를 이용하여 간접적으로 유량을 산출하는 방식이므로, 정확한 측정을 위해서는 각 부품들의 정확도와 올바른 설치가 중요하다.
1.4. 실험 방법
벤추리메타 튜브 유량측정 실험에서의 실험 방법은 다음과 같다.
스위치 2개를 켜고 기포를 제거한다. 벤투리미터의 급수호스를 수리실험대의 유입구에 연결하고, 배수호스를 배수관에 연결한다. 액주관 내의 수면이 수평이 되도록 수평조절볼트로 장치의 수평을 조절한다. 수리실험대의 전원을 켜고 유량조절밸브를 열어 벤투리미터 내로 물이 흐르도록 하여 공기를 제거하면서 흐르게 한다. 실험할 단면 지름1과 지름2를 정하고 초기 유량을 정하며, 중량계의 고장으로 정한 값을 수동으로 조절한다. 조절밸브를 서서히 잠그면 벤투리미터 내의 압력이 증가하고 액주관 내로 물이 올라간다. 유량을 변화시켜가면서 각 유량에 해당되는 수두강하량을 읽어나간다. 유량 변화량은 초기 값에 비해서 일관적으로 줄여나가도록 설정한다.
이러한 실험 방법을 통해 벤추리 유량계의 단면적 변화에 따른 수두변화를 측정하여 에너지 손실 및 유량의 크기에 따른 유량계수를 결정할 수 있다.
1.5. 실험시 주의 사항
마노미터 내 공기가 제대로 제거되어있지 않은 상태로 실험을 할 경우에 정확한 값이 나오지 않으므로 마노미터 내 공기를 완전히 제거해야 한다.
액주관이 공기로 찬 벤츄리 미터 실험에서 공기가 다 제거되어 물이 차게 되면 실험을 할 수 없으므로 공기가 액주관 내에 남도록 해야 한다.
작업 시 수다를 하거나 물이 묻은 손으로 시험 장치들을 만지면 안 된다.
펌프와 메인스위치를 끄고 실험에 쓰인 물품들은 제자리에 가져다 놓아야 한다.
실험이 끝나면 주변정리를 철저히 해야 한다.
1.6. 실험에 적용되는 이론 및 배경
1.6.1. 관련이론
연속방정식은 "질량은 창조되지도 않고 소멸되지도 않는다"는 질량보존의 법칙을 설명해주는 방정식이다. 즉, 유관 내로 단위시간에 유입한 질량과 유출한 질량과의 이는 유관 속에 축정된 질량과 같다는 것을 나타낸다. 연속방정식은 유체흐름의 연속성을 표시해 주는 중요한 식이다.
베르누이 방정식은 유체가 흐름선을 그리며 흐를 때, 두 점 A와 B의 높이 그리고 두 점에서의 압력과 흐르는 속도 사이의 관계를 나타낸다. 이는 두 점에서 역학적 에너지가 보존됨을 바탕으로 수식화한 것이다. 베르누이 방정식은 {P _{1}} over {gamma } + {V _{1...
