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(응용화공기초실험) 레이놀즈 수 측정 파이널 평가A+최고예요

1.Abstract(요약)이 보고서는 실제유체의 흐름 상태를 가시화하여 시각적으로 층류 및 난류의 운동 상태를 확인하며 동시에 레이놀즈수를 계산하여 비교하도록 제작된 장치를 이용하여 한 실험의 목적, 순서, 실험값의 계산과 결과, 그리고 이 실험에 대한 고찰을 보고하기 위한 실험 보고서이다.2.Introduction(도입)Ⅰ. 실험 목적본 실험에서는 실제 유체의 흐름에서 유체의 흐름 상태를 가시화하여 시각적으로 층류 및 난류의 유동 상태를 확인 하며 동시에 레이놀즈수를 계산하여 비교하도록 제작된 장치를 이용하는 실험이다.레이놀즈수의 측정은 원 관 속의 흐름, 평판 사이의 흐름, 개수로 흐름 등에서 중요한 측정 값 중의 하나이며, 유체를 다루는 데 있어서 중요한 요소이다.우리는 이 실험을 통해 층류와 난류가 관을 통하여 흐르는 모양을 관찰함으로써 유동에 대한 역학적 근사성을 이해하고 레이놀즈수 NRe 의 개념을 이해한다.Ⅱ. 이 론뉴턴 유체가 표면이 매끄러운 긴 관을 통해 흐를 때 층류와 난류, 두 가지 형의 흐름이 일어난다. 이 두 가지 형태를 구별하는 조건은 본 실험에 의해 구할 수 있다.레이놀즈는 실험에 의해 다음과 같이 흐름을 구별하는 식을 얻었다.(1)여기서NRe : 레이놀즈수, 무차원D : 관의 직경, mυ : 평균속도, m/secρ : 유체의 밀도, kg/m2μ : 유체의 점도, kg/m?이 때 NRe4000이면 난류가 형성된다.2-1. 층류유속이 느리면 측방향 혼합(lateral mixing)이 없으며, 마치 카드처럼 인접한 유체 층이 서로 미끄러지듯이 지나가며, 교차흐름(Cross-current)이나 에디가 생기지 않는다. 이러한 흐름을 층류(laminar flow)라 한다.2-2. 난류유속이 임계유속에 도달하고 넘어서면 측방향 혼합(lateral mixing)과 교차흐름(Cross-current), 에디(회오리)가 생성된다. 이러한 진동이 강한 유체의 흐름을 난류(Turbulent flow)라 한다.또한,층류 : Re < 2100전이 구역 : 2100 < Re < 4000난류: :Re > 4000하 임계 레이놀즈수 : 2100상 임계 레이놀즈수 : 4000층류로부터 난류로 전이 될 때의 레이놀즈수를 상 임계 레이놀즈수라 한다. 레이놀즈의 실험의 의하면 상 임계 레이놀즈수는 12000~14000사이의 범위였다. 그러나 이 상 임계 레이놀즈수는 수조 내의 조건, 관 입구의 형상, 관의 조도 등에 영향을 크게 받으므로 실험 조건에 따라 변동이 심하다. 그리하여 공학자들은 많은 실험 결과를 종합하여 상 임계 레이놀즈수로서 원관에 대해 2700~ 4000사이의 범위를 택하였다난류운동에서 속도를 감소시키면 다시 층류로 되돌아온다. 난류로부터 층류로 천이될 때의 레이놀즈수를 하 임계 레이놀즈수라 한다. 많은 실험에 의하면 원 관에 대하여 하 임계 레이놀즈수는 2100~4000사이였다.하 임계 레이놀즈수는 공학적으로 매우 중요한 뜻을 갖는다. 왜냐하면 하 임계레이놀즈 수 이하서는 외부로부터 교란을 주어 난류로 만들더라도 점성ㄺ의 작용 때문에 결국은 스스로 층류로 천이 되어버리기 때문이다. 그러므로 공학에서는 이 하 임계 레이놀즈수를 임계 레이놀즈수라고 하고 층류로부터 난류로 천이되는 척도로 삼는다. 하 임계 레이놀즈수는 2100과 4000사이에서 존재한다. 그러나 공학자들은 설계시 안전한 쪽을 택하는 것을 원칙으로 삼으므로 원 관에 대한 임계레이놀즈 수로 2100을 택한다. 학자에 따라 2000 2100 2300 2320 등을 주장하기도 한다.원 관 이외에 평행 벽 사이의 유동에서는 평균속도 V와 벽간격 D를 사용하여 레이놀즈수를 계산 할 때 임계 레이놀즈수 NRe = 1000, 넓은 개수로 유동에서는 평균속도 V와 깊이 D를 사용하여 레이놀즈수를 계산할 때 NRe = 500, 구 둘레의 유동에서 근접속도 V, 깊이 D에 대하여 NRe = 1 로 택한다. 층류가 불안정하게 되어 완전히 난류로 될 때까지의 영역, 즉 층류와 난류가 공존하는 영역을 전이역이라고 한다.그림 1.에는 층류와 난류, 전이역의 거동을 도시적으로 나타내었다.3.Experimental(실험방법)Ⅰ. 실험 장치그림 2에 실험장치의 사진과 자세한 그림을 보였다. 이 장치는 수위를 일정하게 유지하기 위해 상부 좌편에서 넘쳐흐를 수 있도록 설치되어 있다. 유랑은 하부에서 메스실린더와 초시계를 사용하여 측정한다. 중앙에 설치된 투명관은 내경 2cm의 아크릴 관이다.그림 2. Experimental apparatus for Reynolds number measurement.1 :Nozzle6 :과 튜브2 :색소액 조절 밸브7 :유량 조절 밸브3 :색소약통8 :드레인 밸브4 :측정 튜브9 :배수 밸브5 :급 수 부10 :수평 조절 볼트수 조 규 격 :1200(W) × 210(D) ×350(D) mm과 튜 부 :100(W) × 210(D) mm급 수 부 :100(W) × 210(D) × 160(H) mm측정유리관 :?22(I.D) × 1000(ℓ) mm유량조절밸브 :SLUICE VALVE착색액통용량 :30 cc수 조 재 질 :Stainless SteelⅡ. 실험 방법① 기기를 수평으로 설치하고 급수부에 물을 공급했다. 과 튜브에 물이 넘칠 때 유량조절밸브를 조절하여 유리관 내에 흐름이 이루어지게 했다. 기기에 수면이 일정하게 유지되도록 하였다.② 수면이 일정하게 되었을 때, 색소액(여기서 사용한 것은 붉은 잉크)을 주입하고, 관내의 흐름 상태를 관찰하였다.③ 유속이 적 을때는 착색액이 관의 축선상에 평행 한 선상 흐름인 층류(Laminar Flow)가 발생하였다. 유속을 점차 크게 하면 색고액이 흔들리게 되며 이때의 유량 Qa을 1L 비커와 초시계를 사용하여 측정했다.④ 유속을 더 증가시켜서 색소 액이 흐트러져 관속에 충만하게 흐르게 되는 난류(Turbulent Flow)가 되게 하였다. 이때의 유량 Qb를 1L 비커와 초시계를 사용하여 측정했다.⑤ 유속을 충분히 크게 하여 난류상태를 만들어 놓고 밸브를 서서히 조절하여 유속을 감소시키면 어떤 점에서 흐트러진 색소 액이 일정한 한 개의 선으로 흐르게 되는데. 이때의 유량 Qc 를 1L 비커와 초시계를 사용하여 측정했다.⑥ 수온을 10 ℃로 가정하여 레이놀즈수를 계산하였다.⑦ 앞의 과정을 반복하여 실험했다.⑧ 위 과정이 끝나고 나서, 측정치를 기록하고 유리관의 단면적과 유량으로부터 유속을 구하고, 실험수온에 대한 동점도(Kinematic viscosity)를 교재32p의 도표에서 찾았다. 위의 값을 토대로 하여 각 실험값에 해당하는 레이놀즈수를 구하고, 난류, 층류, 전이 역을 각각 판단하여 Data sheet에 기록하였다.참고 - 물의 동점성 계수표4.Results(실험결과)이 실험에서 우리는 총 아홉 번의 실험을 행하였다. 색소선의 형태를 먼저 보고 흐름을 예측 한 후, 각각 구하는 V(㎠), t(sec), Q(㎠/s), ν(㎝/s) 를 각각 계산하여 최종 레이놀즈수를 구하고, 구한 레이놀즈의 수가 우리가 예측한 흐름과 부합하는지 확인하였다. 앞서 밝혔듯이 레이놀즈수의 계산법은로 표현이 가능한데, μ/ρ = ν로 대체하여 뒤의 식을 사용하였다.우선 이 실험에 앞서서 한 것은 우리가 실험하는 실험장치의 관의 단면적 A(㎠)의 계산과 물의 동점성 계수ν값을 알아내는 것이었다. 우리는 수온을 10 ℃로 가정하여 앞서 첨부한 참고- 물의 동점성계수표를 이용하여 ν = 1.308x10^(-2) 값을 얻었다. 또한 관의 단면적A는 실험 기기의 규격을 참고하여 계산해본 결과 우리는 관의 단면적 A가 3.80㎠것을 알아낼 수 있었다. 이 단면적과 동점성 계수ν를 기본 바탕으로 하여 각각의 수치 값을 계산해 보자.총 아홉 번의 실험에서 모든 부피 V(㎠)는 1L(1000㎠)들이 비커를 사용하여 재었으므로, 동일하게 1000의 값을 갖는 다. t(sec)는 각각 실험의 유속에 따라 달라지고, 그 실험값을 토대로 V/t = Q, Q/A = ν 순차적으로 계산하여 최종적으로 Re수를 구할 수 있었다.이 결과 보고서에는 색소선의 예측 값과 레이놀즈수의 값이 일치하는 층류, 난류, 전이역의 실험값을 각각 한 개씩 뽑아서 예로써 쓸 것이며, 나머지 실험값들은 데이터시트에 첨부하겠다.1> 층류색소선의 형태V(㎠)t(sec)Q(㎠/s)v(㎝/s)Re흐름판별층류10001297.752.04343.1층류?위의 값을 레이놀즈수 계산식에 대입하면D = 2.2cmRe == 343.1Re = 343.1 이 나오고 이 값은 2100보다 작으므로 이 흐름은 층류란 것을 알 수 있다.2> 전이역색소선의 형태V(㎠)t(sec)Q(㎠/s)v(㎝/s)Re흐름판별전이역100012.977.520.43431.2전이역?위의 값을 레이놀즈수 계산식에 대입하면Re == 3431.2Re = 3431.2 이 나오고 이 값은 2100

공학/기술| 2012.03.21| 12페이지| 1,500원| 조회(292)

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