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[A+화학실험보고서]화학전지

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자연과학| 2021.01.26| 7페이지| 1,000원| 조회(112)

일반화학, 화학, 화학실험, 실험레포트, 화학보고서

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[기계공학실험A+보고서]열동력B예비결과

열동력 B 예비 보고서1. 지구에 도달하는 단위 면적당 태양 복사에너지를 간단히 계산해 보시오.그림 1. 태양 복사에너지그림 2. solid angle표 1. 지구에 도달하는 단위 면적당 태양 복사에너지 q _{s-e}^{''} `=` {I _{b,`s} cos thetaA _{s} dw} over {A _{e}}=` {sigmaT _{s}^{4} A _{s}} over {piL ^{2}} = {sigmaT _{s}^{4} R _s^{2}} over {L ^{2}} `=`1367.9`W/m ^{2}q _{s-e}^{''} : 단위 면적당 지구에 도달하는 태양 복사에너지I _{b,`s} : 태양의 복사 세기theta : 지구의 표면과 태양의 표면이 이루는 각도,A _{s} : 에너지를 받는 태양의 표면적A _{e} : 에너지를 받는 지구의 표면적dw : 태양에서 지구를 볼 때의 solid angle지구에 도달하는 총 에너지양과 태양이 지구로 방출하는 복사 에너지의 총량이 같다는 성질을 이용해q _{s-e}^{''}를 계산하는 공식을 도출하였고, 이를 이용해 지구에 도달하는 단위 면적당 태양 복사에너지를 계산하는데 필요한 값들을 위에 나열하였다. 구체적인 계산과정은 아래와 같다.먼저 태양을 흑체로 가정하고 Stefan boltzmann law를 사용하여 복사 세기I _{b,`s}를 구한다 (Diffuse emission 상황을 가정하였다.I _{b,`s} `=` {E _{b}} over {pi } `=` {sigma T _{s}^{4}} over {pi }). 또한, 태양과 지구 사이의 거리가 지구의 지름에 비해 굉장히 크기 때문에theta SIMEQ 0,cos theta SIMEQ1로 가정할 수 있다. 이후, solid angle은 다음의 식을 이용하여 계산하였다. (dw`=` {A _{e}} over {L ^{2}}) 각각 상수에 올바른 값을 공식에 대입하여 아래와 같은 결과를 얻는다.sigma=5.6704 TIMES10 ^{-8} {W} over {m ^{2광기전력 효과 (photovaltic effect)반도체의 P-N 접합부나 금속과 반도체의 경계면에 강한 빛을 입사시키면 valence band(전자의 최외곽 에너지 상태)에 구속되어 있던 전자가 band gap을 뛰어넘어 들뜬 상태가 되며 conduction band로 전이하게 된다. 이 때 valence band 내부에 전자가 이동하면서 생긴 빈공간을 정공(hole)이라고 하며, hole과 conduction band로 전이한 전자가 접촉전위차 때문에 분리되어 전류가 흘러 발생하는 기전력을 광기전력 효과라고 한다.- 반도체의 원리반도체는 상온에서의 전도율이 도체와 부도체의 중간 값을 가지며, 열 등의 에너지를 통해 전도성을 급격하게 변화시킬 수 있는 고체 물질이다. 전자와 정공이 많으면 전하를 나르는 캐리어가 많아진다는 의미이기 때문에 전기 전도성이 좋다고 할 수 있다. 즉, 반도체는 도체와 부도체 사이 적당한 수의 전자와 정공이 존재한다. 4족 원소인 순수한 실리콘은 들뜬 전자나 정공이 없지만, 일반적으로 규소에 불순물을 첨가하여 안정한 상태에 있던 전자들을 들뜬상태로 전이시키게 되고, 이와 같은 물질을 반도체라고 부른다. 또한 반도체는 첨가한 불순물에 의해 그 종류가 나누어진다.먼저 규소에 3족 원소인 Ga등의 불순물을 넣어 자유전자가 Si보다 하나 부족한 Ga이 Si의 자리를 대체하며 자유 정공을 만드는 반도체를 P형 반도체라고 한다. 이와 달리 규소에 5족 원소(인, 비소)를 첨가하면 잉여전자가 발생하며 자유전자가 증가하게 되는데, 이를 N형 반도체라고 부른다. P형과 N형 반도체를 붙이면 P형 반도체에서 N형 반도체로는 전류가 흐르지만, 반대로는 흐르지 않는 정류작용이 일어나는데 이런 성질을 활용하여 트랜지스터나 논리회로로 이용한다.- 태양광 발전과정현재 가장 널리 사용되고 있는 태양광 발전방식은 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시킨 구조를 하고 있다. P형 반도체와 N형 반도체를 접합하여 전극을 부착하고 빛을 입사시키면, 광기전력 효과에 의해 자pp 77~84열동력 B 결과 보고서1. 실험에서 측정한 값을 성능 실험표에 기록하고 다음의 값들을 계산하시오- 태양광 발전 효율 (최대 전력의 경우)열동력 실험 B에서는 인공태양을 이용하여 태양광 패널에 빛을 쪼여 조도계를 이용해 태양광 패널의 각 셀에서의 조도(lux)를 측정하였다. 태양광 패널은 가로 10개, 세로 10개 총 60개의 셀로 구성되어 있지만, 가로 2개, 세로 2개의 셀을 하나의 단위로 묶어 그 중심에서의 15개 데이터를 측정하였다. 이후, 인공태양의 빛으로부터 발생한 전류를 이용하여 팬을 구동시켜 정상상태 및 다양한 부하조건에서의 전압과 전류를 기록하였다.Table 1. 태양광 패널의 조도조도 (lux)1 열2 열3 열4 열5 열1 행*************0015200118002 행*************0018800132003 행*************001730013000이후 태양광 패널에서 발생하는 전류를 이용해. 그 값을 0.05A씩 증가시키며 전압을 측정하였다. 전류가 0.5A에 도달하기 전에는 하나의 팬을 구동시켰으며, 0.5A부터는 2개의 팬을 구동시켰다. 실제 실험과정에서 전류를 정확하게 0.05A씩 조정하는 것이 어려웠기 때문에 소수점 셋째 자리에서 반올림하여 값을 기록하였고, 그에 따른 전압을 관찰하여 기록하였다. 또한, 시스템 내부의 저항으로 인해 발생하는 전류를 제외하기 위해 0.09A를 측정값에서 보정하여 계산을 진행하였다.Table 2. 전류, 전압, 소모전력측정 전류 (A)보정 전류 (A)측정 전압 (V)소모 전력 (W)0.150.0632.861.970.20.1132.473.570.250.1631.915.110.30.2131.36.570.350.2630.647.970.40.3129.949.280.460.3729.1210.770.50.4128.5211.690.550.4628.1312.940.60.5127.2413.890.650.5626.9115.070.70.6125.6715.660.740.6524.716.060.`=`4 TIMES0.16 TIMES0.16=0.1024`m ^{2}를 측정 데이터 [단위 :lux=lm/m ^{ 2})에 곱하여 총합을 구했다. (F _{sc} `=`23314.43`lm) 이 값을 태양광 패널에 도달하는 복사에너지로 변환하여 태양광 발전효율을 계산할 수 있었다. 이 과정을 아래의 표로 정리하였다.Table 5. 태양광 발전 효율 인공태양의 에너지 [ W → lm ]인공태양의 전력(W) = 전압(V) × 전류(A) × 역률 = 220V × 4.7A × 0.9 = 930.6W인공태양 변환률varepsilon _{conv} `=`54`lm/W→ 인공태양의 광속 :F _{sun} `=`930.6 TIMES54`=`50252.4`lm태양광 패널 셀의 넓이 :A`=`0.16 TIMES 0.16=0.0256`m ^{2}태양광 패널 전체 광속 :F _{sc} `=`23314.43`lm시감도의 평균 :{bar{y}} = 0.4태양광 패널에 도달하는 복사에너지 :G _{sc} `=` {F _{sc}} over {683 TIMES {bar{y}}} = 85.34W최대 소모전력 :E _{motor} = 16.63W→ 태양광 발전 효율 :eta _{sc} `=` {E _{motor}} over {G _{sc}} `=`0.195계산을 통해 태양광 발전 효율eta _{sc} `=`0.195의 결과를 얻을 수 있었고, 이를 구할 때 실내 형광등으로부터 패널에 도달한 복사에너지까지 포함하여 계산을 진행했기 때문에, 실제 효율보다 약간 큰 값을 나타낸다는 사실을 알 수 있다.Figure 3. I-V 곡선Figure 4. I-P 곡선 (x축/y축 잘못도시하여 감점당함)- I-V 및 I-P 곡선Table 2.의 보정 전류, 측정 전압, 소모전력을 이용해 I-V 및 I-P 곡선을 도시하였다.2. 다음의 문항들에 대해서 자신의 의견을 타당한 근거와 함께 서술하시오.- I-V 곡선이 위와 같은 형태를 보이는 원인을 밝히고 그 원리를 설명하시오.I-V 곡선은 태양광 발전의 성능을 특흐르는 전류의 값이 최대일 때는I=I _{L}로 표현할 수 있고, 이는 외부 저항이 0일 때 태양광에 의해 생성된 최대 전류인 단락전류라고 한다. 이후 점점 저항이 증가함에 따라서 open circuit이 된다. 이 순간의 전압을 개방전압이라고 부르며, I-V 곡선에서 x절편에 해당한다. 그리고 I×V의 넓이가 가장 큰 꼭짓점 부근에서 최대전력을 나타낼 것이다.Figure 3. I-V curve 유도- 인공태양과 태양광 모듈간의 거리나 각도가 변경되었을 때의 결과를 예측하고 그 이유를 설명하시오Figure 4. 방위각Figure 5. 입사각위의 Figure 4.를 통해 단위 파장당 미소 열전달dq _{lambda} 에 관한 식을 얻는다.dq _{lambda} `=`I _{` _{lambda}} ( lambda, theta, PHI) TIMESdAcos theta TIMESdw 이번 열동력 실험 B에서는 인공태양에서 패널로 일정한 거리에서theta=0 DEG로 빛을 입사시켰지만, 만약 그 거리나 각도가 변하면 태양광 패널이 받는 빛의 양도 달라질 것이다. 이를 정량적으로 살펴보면, 거리가 증가하면dq _{lambda} 가 감소하고, 거리가 감소하면dq _{lambda} 가 증가한다는 사실을dw`=` {dA _{ n} } over {L ^{2}}이라는 식을 통해 계산할 수 있다. 또한, spectral intensity가 각도에 따라 변하지 않는다고 가정할 때(I _{` _{lambda}} ( lambda, theta, PHI) =I _{ lambda }), 각도theta가 증가함에 따라cos theta가 감소하므로, 빛이 열동력 실험 B와 같이 가까운 거리에서 90°로 입사할 때, 최대의 효율을 가진다는 사실을 예측할 수 있다.- 실험에서 구한 태양광 패널 효율과 태양상수를 이용하여, 아파트 단지 내에서 필요한 전력 을 공급하기 위한 태양광 모듈의 면적을 예상해보시오Table 4. 태양광 모듈의 면적실험을 통해 얻은 태양광 패널 효율 :eta _{sc} `=`

공학/기술| 2021.01.27| 7페이지| 1,500원| 조회(150)

기계공학실험, 기계공학, 열동력

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[기계공학실험A+보고서]열동력C예비결과

C. 수소연료전지 시스템 성능실험 예비보고서1) 연료전지의 종류(PEMFC, PAFC, MCFC, SOFC)를 조사하여 각각의 특징(반응식, 온도범위, 사용연료 및 전해질, 장단점, 사용 예)을 서술하시오- PEMFC ( 고분자전해질 연료전지 : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell )Anode :H _{2} ` -> `2H ^{+} `+2e ^{-}, Cathode :{1} over {2} O _{2} `+`2H ^{+} `+`2e ^{-} ` -> `H _{2} O,Overall :H _{2} ``+` {1} over {2} O _{2} ` -> `H _{2} O(Anode : 산화전극, Cathode : 환원전극)· 작동온도 : 상온 ~ 100℃. 비교적 낮은 작동온도를 가져 응용범위에 제한이 적다.· 사용연료 및 전해질 : 수소 이외에도 메탄올(DMFC)을 이용하기도 하며 전해질로는 고분자이온 교환막을 이용한다.· 장단점 : 비교적 저온에서 작동하기 때문에, 응용범위에 제한이 적으며 높은 에너지 효율을 가지고 있다. (>45%) 또한 부식문제가 거의 없으며, 짧은 시동시간을 가진다는 특성이 있다. 하지만 사용되는 촉매(백금)와 전해질이 비싸다는 단점을 가지고 있으며 낮은 작동온도로 인해 폐열을 활용하지 못한다는 단점도 가지고 있다.· 사용 예 : 주로 자동차의 동력원, 분산용 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 활용된다.- PAFC ( 인산형 연료전지 : Phosphoric Acid Fuel Cell )Anode:H _{2} ` -> `2H ^{+} `+2e ^{-}, Cathode:{1} over {2} O _{2} `+`2H ^{+} `+`2e ^{-} ` -> `H _{2} O,Overall:H _{2} ``+` {1} over {2} O _{2} ` -> `H _{2} O· 작동온도 : 일반적으로 150℃~220℃ 범위에서 작동한다.· 사용연료 및 전해질 : 액체인산을 전해질로, 수소를 연료로 사기 때문에 경제성이 향상되며, 고온의 폐열을 열병합발전에 이용할 수 있다. 하지만 고온에서 작동하는 부식성의 전해질은 부품의 파손과 부식을 가속화하여 전지 수명을 감소시킨다는 단점이 있다.· 사용 예 : 도시형, 중대형 건물의 발전 및 선박의 동력원으로 사용된다.- SOFC ( 고체산화물 연료전지 : Solid Oxide Fuel Cell )Anode :H_{ 2}+O ^{ -} _{ 2} rarrowH _{ 2}O+2e ^{ -}, Cathode :{1} over {2} O _{2} +2e ^{-} rarrowO _{2}^{-},Overall :H _{2} ``+` {1} over {2} O _{2} ` -> `H _{2} O· 작동온도 : 높은 온도(700℃~1000℃)에서 작동한다.· 사용연료 및 전해질 : 천연가스 및 석탄가스를 연료로 사용하며 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용한다.· 장단점 : 3세대 연료전지라 불리며 액체 전해질 사용에 따른 누설의 문제가 없어 비교적 안정하다. 또한 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도에서 작동하기 때문에 고온 배기가스와 발생하는 열을 내부 개질기에 사용하고, 폐열 발전 사이클과 결합시키면 높은 효율을 얻을 수 있다. 하지만 느린 시동성과 열 사이클에 대한 낮은 내구성이 단점으로 지적되고 있다.· 사용 예 : 분산형, 항공용, 대형 발전소의 동력원으로 사용된다.2) 수소가 PEMFC에 공급된 후 전기가 만들어지기까지의 과정을 다음의 연료전지 관련 용어를 사용하여 서술하시오그림 1. 연료전지의 원리그림 2 스택(stack)의 구성수소와 공기는 분리판 양면에는 있는 유로를 통하여 각 전극 내부에 공급된다. 연료전지의 기본원리는 연료극에서 수소는 연료극의 촉매층에서 이온 형태로 산화되고, 이온은 전해질을 통해 cathode로 이동해 산소와 만나 물이 형성되는 산소 환원 반응이 일어난다. 이 과정에서 발생한 전자의 흐름이 전류를 형성해 전기를 발생시키는 것이다.일반적으로 연료전지 하나는 1을 통해 정상상태에 다다른 시스템의 램프수를 변화시켜가며 전압과 전류를 기록하였다. 실제 실험에서는 정상상태에서도 그 값에 변동이 있었기 때문에 약 5초간 관측한 전압, 전류의 평균을 기록하였고 그 결과는 아래와 같다. (램프의 수에 따른 전압, 전류를 나타냈으며, 램프의 수가 5개가 되었을 때는 전원이 나가버리는 현상이 발생하여 이론값으로 대체하였다.)표 1. 램프의 수에 따른 전압, 전류켜진램프의 수전압 (V)전류 (A)018.40116.10.61215.31.31314.81.93414.12.82513.53.70- 전기분해 효율표 7. 전기분해 효율의 정의eta _{elec} `=` {{dot{m}} _{real}} over {{dot{m}} _{theory}}{dot{m}} _{real} : 전해조에서 생산된 질량 유량 (g/s){dot{m}} _{theory} : 이론적으로 계산된 최대 수소 질량 유량 (g/s)전기분해 효율eta _{elec} 은 위와 같이 이론적으로 계산된 최대 수소 질량 유량과 실제로 전해조에서 생산된 질량 유량의 비로 정의된다. 이를 구하기 위해 전해조에서 생산된 질량 유량{dot{m}} _{real}(g/s)를 먼저 구해보았다. 실험을 통해 구할 수 있는 수소의 생성유량은 수소를 이상기체로 가정해 아래와 같은 식을 이용해 구할 수 있다.표 8. 전해조에서 생성된 질량 유량{dot{m}} _{real} `=` {P {dot{V}} MW _{H _{2}}} over {RT} `=`0.00212`(g/s)P`=`150kPa (장치 특성) ,{dot{V}} `=`1050`ml/min`=`1.75 TIMES10 ^{-5} `m ^{3} /sMW _{ H _{ 2} }=2g/mol,R`=`8.314`J/(K TIMESmol) (상수)T`=`25 CENTIGRADE `=`298`K (상온)또한 이론적으로 계산된 최대 수소 질량유량은 아래와 같다. 전기분해장치의 cell의 개수 8을 곱하여 계의{dot{m}} _{real}에 관한 식을 완성하였 {z} )= {C} over {s} {mol} over {C} {molH _{2}} over {mol} {g} over {molH _{2}} = {g} over {s}- 수소연료전지의 당량비 및 효율 (최대 부하 경우)수소연료전지의 당량비는 아래와 같이 정의된다.표 10. 당량비 계산 lambda`=` {{dot{v}} _{fuel}} over {i/nF}=` {1.06 TIMES10 ^{-3}} over {3.70/(2 TIMES96485)} ` SIMEQ`55.28{dot{v _{fuel}}} (molH _{2} /s)=1.06 TIMES10 ^{-3} molH _{2} /s (연료전지에 공급된 수소 유량)n = 2molH _{2}/mol (분자 당 생성되는 전자 수 )i=3.70A (전류)F`=`96485`C/mol (패러데이 상수)각각의 값은 표 3.을 참고하였다.i는 표 1을 참고하여 5개의 램프를 켰을 때 전류의 값을 사용하였다.수소연료전지의 효율은 세가지 값을 곱하여 구할 수 있는데, 그 식은 아래와 같다.epsilon _{real} `=` epsilon _{thermo} TIMES epsilon _{voltage} TIMES epsilon _{fuel} `=` {TRIANGLE {hat{g}} ^{o}} over {TRIANGLE {hat{h}} _{HHV}^{o}} TIMES {V} over {E} TIMES 20 {i/nF} over {v _{fuel}} 즉 연료전지의 효율은 열역학적 효율, 전압 효율, 연료 효율을 곱하여 구할 수 있다. 열역학적 효율은 일로 사용할 수 있는 에너지와 반응에서 얻을 수 있는 총 에너지의 비를 의미하며 전압 효율, 연료 효율은 모두 실제 측정값과 이론적인 양의 비를 의미한다. 또한, 연료전지 내부에는 20개의 셀이 겹쳐 있으므로 연료 효율을 구할 때는epsilon _{fuel} `=` 20{i/nF} over {v _{fuel}}식을 이용하여 20을 곱하여 계산하였다.표 11. 5개의 램프를 켰을 때 수소연료 개수, 셀의 넓이에 의해 효율이 영향을 받기 때문에 정확한 기준을 세우기 위해 x축은 단위 면적당 전류(A`=`100`cm ^{2}으로 나누어 구함), y축은 전압을 20으로 나누어 그 값들을 표로 정리하고, 그래프로 도시하였다.표 12. 램프의 수에 따른 셀 전압, 단위면적당 전류, 전력밀도켜진램프의 수셀 전압 (V)단위 면적당 전류 (A/cm ^{2})전력 밀도 (W/cm ^{2})00.920010.8050.00610.0049120.7650.01310.0100230.740.01930.0142840.7050.02820.0198850.6750.0370.02498그림 3. I-V 곡선그림 4. 전력밀도 곡선실험에서 진행한 램프의 개수(부하의 변화)를 0개에서 5개로 변경해가며 실험을 진행하였다. 하지만 실제로 램프의 수가 5개가 되었을 때, 램프가 깜빡거리다가 전원이 나가는 현상을 관찰할 수 있었는데, 이는 부하가 증가하며 커지는 연료전지에서 발생하는 손실들 때문일 것이다. 이후 항목들을 통해 더 큰 부하 조건에서 예상되는 I-V 및 전력밀도 곡선을 생각해보도록 하자.2) 다음의 문항들에 대해서 자신의 의견을 타당한 근거와 함께 서술하시오.- 더 큰 부하조건에서 실험이 계속 진행되었을 때 예상하는 i-V 및 전력밀도 곡선의 뒷부분을 그리고 그 이유를 간단히 설명하시오.그림 5. 연료전지의 손실들더 큰 부하조건에서 실험을 계속 진행할 경우 활성화 손실, 저항손실, 농도손실을 각각 고려해 주어야 한다. 활성화 손실은 화학반응에는 활성화 에너지 이상의 에너지가 필요하기 때문에 발생하는 손실로 반응 초기에 지배적이며, 저항손실은 옴의 법칙(V=IR)에 의해 연료전지 내부 저항에 의해 발생하는 손실이며 전류가 비례하여 증가한다. 이에 저항손실은 반응 중간지점에서 지배적이며, 마지막으로 수소, 산소 공급문제에 의해 생기는 농도손실은 반응 후반부에 지배적이다. 이러한 3가지 손실을 고려하여 예상한 i-V 및 전력밀도 곡선을 아래에 도시하였다.그림 6. 예상되는 i-V 곡선

공학/기술| 2021.01.27| 7페이지| 1,500원| 조회(159)

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[기계공학실험A+보고서]속도실험A

기계공학실험2 실험 보고서속도실험 A1) PIV 실험 구성과 PIV 기법에 대해 설명하기.* PIV 기법이란 ?PIV (Particle Image Velocimetry : 입자 영상 유속계)는 관측 대상인 유동장에 추적 입자를 넣고, 적절한 조명을 비추어 촬영한 데이터를 통하여, 유동장에 대한 속도벡터를 측정하고 이를 통해 유체역학적 특성을 파악하는 기법이다. PIV는 전유동장의 속도 성분을 동시에 계측할 수 있다는 특성을 가진 계측기법이기 때문에 실험 유체역학 분야에서 비정상 유동의 계측 및 해석부터 난류 유동의 계측까지 폭넓게 활용되고 있다.실제 실험과정을 살펴보면 입자가 들어있는 물이 수조에 주입되고, 레이저가 만들어내는 2차원 평면을 지나는 유동을 카메라로 촬영하는 과정을 통해 유동장에 대한 정성적인 정보를 얻게 된다. 이후 PIV 프로그램을 이용하여 출력을 증가시키며 촬영된 사진을 통해 순간 속도를 정량적으로 분석하는 과정을 거치게 된다. 이 과정에서 필요한 배경지식은 다음과 같다.- 유동가시화유동가시화 (flow visualization)의 원리는 관측 대상인 유동장에 추적입자를 넣고 적절한 조명을 비추고 촬영한 영상을 이용해 유동장의 유체역학적 특성을 직접 관찰하는 방법이다. 이러한 방법은 관측 대상의 거시적인 유동형태를 직관적으로 파악할 수 있기 때문에 널리 사용되고 있다. 유동을 가시화 하기 위해 실험에서 사용되는 추적입자는 유체와 비중이 비슷하고 유체의 유동을 교란하지 않는 PVC, Nylon, smoke(기체)등이 사용되며, 이번 실험에서는 주방세제 (퐁퐁)이 사용되었다.- 교정 (Calibration)촬영된 데이터는 픽셀 (pixel)로 구성되어 있고, 실제 거리는 알 수 없기 때문에 이 데이터를 분석에 유용한 정보로 사용될 수 있도록 보정해주는 과정을 지칭한다. 이를 통해 유동의 특성에 대한 정량적 분석이 가능해진다.Fig 1. Callibration 과정의 의 예시위의 그림은 교정과정의 예시로. 자를 촬영한 사진에서 5mm 간격에 156 pixel이 포함되어 있음을 이용해 1 pixel을 30.3μm로 교정할 수 있다는 결론을 얻는다.- 미소조사구간 (Interrogation Window)Fig 2. Interrogation Window의 적용 예시실제 데이터를 분석하는 과정에서 입자들이 무수히 많아서 각각의 입자를 추적하여 속도를 분석하는 것은 불가능하다. 이와 같은 이유로 속도장을 계산하기 위해 Interrogation Window를 사용하게 된다. Interrogation Window를 사용하게 되면 위의 그림과 같이 실제 촬영된 데이터를 적당한 크기의 구역으로 나누어 각 구역의 평균 속도장을 구한다. 여기서 각각의 Interrogation Window의 크기가 너무 작으면 그 안의 입자의 수가 너무 적어 유의미한 평균 속도를 구할 수 없고, 반대로 크기가 너무 크면TRIANGLE t의 시간동안 입자가 이동한 거리가 너무 짧아 평균 속도에 대한 정확한 결과를 얻기가 어렵기 때문에 4분의 1법칙이라 불리는 “The 1/4 Law”를 통하여 적절한 크기의 Interrogation Window를 설정하는 것이 중요하다.실험에서 사용된 “The 1/4 Law”의 공식은 다음과 같다.|U _{max} TRIANGLE t| PREC {D _{I}} over {4}|V _{max} TRIANGLE t| PREC {D _{I}} over {4}(U _{max} : x축 최대 속도,V _{eqalign{max#}} : y축 최대 속도,D _{I} : IW의 한 변의 길이)이는TRIANGLE t의 시간 간격동안 입자가 x축 방향이나 y축 방향으로 이동한 거리가 Interrogation Window 한 변의 길이의 1/4 미만이어야지만 유의미한 결과를 얻을 수 있음을 의미한다. 이를 이용하여 이번 실험에서는 640 pixel X 480 pixel의 35 X 25 의 Interrogation Window로 나누어서 분석을 진행하였다. (이를 계산해보면 각각의 크기는 18.29 pixel X 19.2 pixel임을 알 수 있다.)- 동일입자추적방식PIV를 이용해 유동장을 가시화하고, 얻어진 영상을 통해 미소시간간격 동안 이동한 다수 입자의 이동 변위를 추척할 때, 자동으로 동일입자를 정확하게 식별하기 위해 이용되는 사용되는 방법론이다. 이번 실험에서는 Cross correlation 방식이 사용었으며, 흔히 사용되는 다른 알고리즘으로는 입자 추적법, 계조치상호상관법 등이 있다.Fig 3. Cross correlation 과정의 모식도이번 실험에서 사용된 Cross correlation 알고리즘은 두 장의 데이터 시간t 에서의 유동장과t+ TRIANGLEt의 유동장을 조금씩 어긋나게 하며 비교하는 방식으로 이루어진다. 하나의 데이터는 고정한 채로, 다른 데이터의TRIANGLEx`,` TRIANGLEy를 변경해가며 입자가 겹치는 정도를 비교해 보고, 그 값이 최댓값을 가지는TRIANGLEx`,` TRIANGLEy 를 통해 순간 속도를 구한다.* PIV 실험 구성Fig 4. PIV 시스템의 구성도 Fig 5. PIV 처리 흐름도위의 그림은 PIV 실험의 순서를 간단하게 나타낸 모식도이다. 실제 실험에서 사용된 장비들은 다음과 같다.PIV 프로그램수조 - 레이저카메라펌프 조작기펌프레이저Fig 6. 실제 시험에서 사용된 장치들구체적인 실험 순서는 다음과 같다.1) 수조에 물을 채운다.2) 입자를 수조에 주입한다.3) 레이저 전원을 켜 3.5V 출력으로 설정한다.4) 펌프의 전원을 키고 출력을 변화시켜, 물이 흐르도록 한다.5) 카메라 프로그램을 실행하여 해당 영역을 촬영한다.6) PIV 프로그램을 실행하여 촬영한 사진으로 순간 유동장을 계산한다.7) 펌프의 출력을 달리하며 4~6과정을 반복한다.8) 각 펌프 출력에서 얻은 벡터장 데이터를 정리한다.9) 이후 매트랩 (Matlab)을 이용해 데이터를 분석한다.2) 순간 속도벡터장을 사용하여, 수조 내 평균 속도벡터장을 계산하고 그래프로 도시하기. (Matlab 사용)Fig 7. 펌프의 주파수에 따른 속도 벡터장f (Hz)U _{m} (m/s)V _{m} (m/s)V (m/s)각도 [{°}]50.0327-0.00070.0327-1.31100.0625-0.00910.0632-8.28150.0902-0.01650.0917-10.36Table 1. 펌프의 주파수에 따른 속력실험을 통해 구한 데이터를 통하여 속도장을 벡터 모양으로 도시하여 직관적으로 알아볼 수 있게 나타냈으며, 그 구체적인 값은 매트랩을 사용하여 분석해보았다. 그 결과는 위와 같으며 그 값은 펌프의 주파수(5Hz, 10Hz, 15Hz)에 따른 x축 방향 이동속도의 평균(U _{m}), y축 방향 이동속도의 평균(V _{m})을 나타낸다. 실제 실험은 각각 4.96Hz, 10Hz, 15.03Hz에서 진행하였지만, 계산의 편의상 5Hz, 10Hz, 15Hz를 이용하였다.3) 펌프의 출력에 따라, 수조 내 평균 속도가 어떻게 변하는지 그래프를 그리고 추세선 그리기. (본 그래프는 실험 B,C에 사용할 예정)Fig 8. 펌프의 출력에 따른 수조 내 평균 속도의 변화 (차례대로 수평방향 속력, 전체 속력)2)의 결과를 이용하여 펌프의 출력에 따른 수조 내 평균속도의 변화를 그래프로 나타내 보았다. 이상적인 경우 유동의 y축 방향 속력(V _{m})은 그 값이 0에 수렴해야 하지만, 실제 관측결과에서는 무시할 수 없을 정도의 크기로 관측되었다. (15Hz에서V _{m} /U _{m} SIMEQ0.18) 그래서 두 가지 방식으로 평균속도를 구하여 그래프로 나타내었다. 좌측 그래프는 x축 방향의 평균 유동속도를 나타내고, 우측 그래프는 유동의 전체 속력(V`=` sqrt {Vx ^{2} +V _{y}^{2}})을 나타낸다.위의 나타난 그래프를 통해 펌프의 주파수와 유동의 평균속도는 일차함수의 관계식을 가진다는 사실을 알 수 있으며(R^{ 2}=0.9996), 그 관계식은 x축 방향 평균 유동속도를 통해 구하면

공학/기술| 2021.01.27| 7페이지| 1,500원| 조회(202)

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[기계공학실험A+보고서]속도실험B

기계공학실험2 실험 보고서속도실험 B(원형 실린더 주위 유동장 관찰)Ⅰ. Introduction속도실험 A에서는 PIV를 이용하여 자유 흐름(free stream)을 가시화하고, 펌프의 출력을 변화시키며 유동의 속력(stream velocity)을 관찰해보았다. 이를 통해 펌프의 출력에 따른 수조 내 유체의 평균 속력의 관계식을 도출해 낼 수 있었다. 결과는 다음과 같다.y=0.00575f+0.0043(y : 유체의 평균 속력, f : 펌프의 출력 주파수)하지만 이 관계식은 장애물이 없는 자유 흐름에 대해 도출한 관계식이기 때문에 유동을 방해하는 장애물이 있는 경우 관계식이 영향을 받을 것을 예측해 볼 수 있다. 유동이 장애물에 의해 방해를 받는 경우 속도가 느려질 뿐 아니라, 와류(vortex)와 같은 현상이 나타난다. 와류는 어떤 물체가 유체의 흐름을 방해할 때 규모와 관계없이 나타나며, 우리의 생활에 직접적인 영향을 주기도 한다. 이러한 이유로 와류에 관련된 연구는 건물 설계부터 기상 관측까지 다양한 분야에서 응용되고 있다.Fig 1. 실제로 관측되는 와류의 모습이번 실험에서는 유체의 진행 방향에 수직으로 원형 실린더를 설치하여 그 유동을 관찰해본다. 그리고 관측 결과가 자유 흐름에서의 관측 결과와 어떻게 다른지 분석해본다. 이는 속도실험 A와 같이 유체를 가시화하고 PIV를 이용하여 정량적인 계산을 하는 과정을 통해 이루어진다. 이후 원형 실린더가 유동을 방해할 때 유선(streamline), 와도 등의 수치들을 계산해본다. 모든 과정은 원형 실린더의 직경(5mm, 7mm)을 바꾸어가며 반복하는데, 이를 통해 ‘동역학적 상사’ 조건을 맞춘 경우 무차원수인 스트로우홀 수(strouhal number)를 비교해 볼 수 있다.Ⅱ. 배경 지식- 스트로우홀 수(strouhal number)St= {fL} over {u}(f : 와류 진동 주파수, L : 특성길이, u : 유동 속도)스트로우 홀 수는 karman vortex shedding과 같이 주기적으로 진동하는 흐름의 메커니즘을 설명하는데 주로 사용되는 무차원 수이다.Vortex shedding은10 ^{2}

공학/기술| 2021.01.27| 14페이지| 1,500원| 조회(143)

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