Ⅰ. 서론가. 실험목적유체유동은 크게 층류와 난류로 구분된다. 층류는 유동이 상대적으로 단순하여 해석적인 풀이가 가능하고 이에 대한 실험은 비교적 단순하다. 그러나 우리가 실제로 접하거나 공학적인 의미가 있는 대부분의 유동은 난류이고, 이 유동은 매우 복잡하여 해석적인 접근이 어려우므로 실험적인 방법이 일반적이다. 본 실험에서는 이러한 난류유동의특성을 실제 측정을 통해 체험적으로 이해시키고자 하는 데 있다. 유동의 표본으로는 2차원 제트유동을 택하여 이에 대한 난류 유동의 특성을 이해시키고 유동장의 측정법 및 측정 장비인 열선유속계와 피토관의 사용방법과 측정된 자료의 분석 및 취합능력을 함양시켜서 그 응용력을 배양시키고자 한다.나. 이론적 배경(1) 난류속도난류 유동은 속도가 시간에 따라 불규칙적으로 급격하게 변하는 유동이다. 아래의 그림은 난류유동에 대한 예를 보인 것으로 유동장내의 임의의 위치에서 시간에 따라 측정된 속도 및 입력신호이다.난류 속도 중에서 공학적으로 의미 있는 양으로 사용되는 양은 Reynolds의 시간평균을 한 양이다. 즉, 평균속도는로 표현하고 여기서 시간주기 T는 보통 5초 정도이다. 따라서 임의의 시간에서 측정된 속도인 순간속도(instantaneous velocity)는 평균속도(mean velocity),와 난류섭동(fluctuation)에 의해 다음식으로 표현된다.정의에 의하면이므로,난류섭동의 정도는인 난류강도로 나타낸다.< 난류신호 >(2) 제트유동의 일반적 특성노즐을 통하여 분출되면서 주위의 유체보다 국소적으로 높은 속도를 가지는 유동을 제트(Jet) 라 한다. 제트가 분사되면 그림 1.2에서 보는 바와 같이 중심선상에서의 속도가 최대이고 폭방향으로 갈수록 속도가 감소되어 속도가 영으로까지 떨어진다. 이 때 제트의 폭은 하류로 갈수록 넓어지고 최대속도의 크기는 감소된다. 또한 가장자리로부터는 주변의 유체가 유입된다. 이러한 제트가 하류로 갈수록 넓어지는 정도를 나타내는 척도는 분류반폭(jet half width)이라는 것을 의 열전달은 주로 대류에 의해서 발생하고 복사나 전도는 무시할 수 있을 정도로 작다. 실험적인 결과에 따르면 열선에서의 유동에 따른 열전달에 관한 식은 아래와 같다.여기서, i 는 전류, R은 단위길이당 열선의 저항, T는 열선의 온도, Tg 는 유동의 온도, Vg 는 열선에 걸리는 전압이고, A, B는 상수이다.Ⅱ. 본론가. 실험장치의 구성 및 방법(1) 실험장치의 구성난류제트발생장치열선유속계피토관 & Transfer DeviceMicro-ManometerVolt-MeterPerson-Computer(2) 실험방법피토관과 열선유속계를 2차원 제트발생장치(풍동)에 설치하여 난류제트의 특성을 파악한다. 본 실험에서는 정온도 방식을 택하였으며 데이터의 취득시스템은 개인용 컴퓨터를 사용하여 원격제어가 가능하도록 구성하였다.1) Hot-Wire열선유속계를 2차원 제트발생장치에 설치한다. 본 실험에서는 정온도 방식을 택하였으며, 데이터의 획득시스템은 개인용 컴퓨터를 사용하여 원격제어를 한다.① Hot-Wire Probe의 출력단자를 열선유속계에 연결한다.② 열선유속계의 출력단자를 오실로스코프 및 A-D변환기에 연결한다.③ 프로브 지지대에 shorting prove를 설치하여 케이블의 저항을 보상한다.④ shorting prove를 제거하고 열선을 장착하여 적정저항값을 설정하고 작동전압을 제공한다.⑤ 열선 프로브를 이송장치에 장착하여 측정지점에 위치시킨다.⑥ 풍동을 동작시키고 측정을 시작한다.⑦ x방향의 측정지점은 노즐 출구직경의 정수배에 근거하여 적절하게 선택한다.⑧ y방향의 측정지점은 속도구배가 큰 영역에서는 1mm씩 이송하여 측정하며 그 이외의 영역에는 2mm씩 이송하여 측정한다.2) 피토관① 피토관의 (+)와 (-)단자를 마노미터의 (+)와 (-)단자에 고무관을 연결한다.② 피토관을 측정지점에 위치한다.③ 풍동을 동작시키고 측정을 시작한다.나. 실험결과 및 고찰(1)피토관 측정 결과 및 고찰① 피토관 측정값높 이x/d = 3x/d = 6x/d = 12x/d = 120-500.200.701.704.10-550.150.500.803.80-600.100.400.112.40-850.200.250.400.60-1200.200.200.200.20② 피토관 결과 그래프x/d = 3x/d = 6x/d = 12x/d = 18③ 고찰x/d를 3, 6, 12, 18 로 하여 네 번 실험을 하였는데 Y 위치에 따른 피토관의 유동속도를 위의 그래프로 나타내어 보았다. 출구로 제트가 x/d의 값에 상관없이 중심의 속도가 가장 빠르게 나타났다. 그리고 외기와 닿는 바깥방향으로 갈수록 줄어든다. 위 그래프는 속도가 0 m/s인 제일 바깥부분에서 중심의 최고속도까지 변하는 분포를 볼 수 있다. 출구로부터 거리가 가까울 때는 중심부분에 집중하여 빠르고 좁은 속도분포 가지며, 출구로 부터의 거리가 멀 때는 중심최고 속도 이전보다는 줄어들었다. 제트유동장의 폭은 거리가 가까울수록 좁고 멀어질수록 넓어지는 것을 확인하였다. 그리고 4개의 그래프를 비교하였을 때 면적은 4개의 그래프가 거의 비슷하여 유체의 양이 거의 일정하게 나오고 있는 것을 알 수 있었다.(2)열선유속계 측정 결과 및 고찰① 열선유속계 측정값높 이x/d = 3x/d = 6x/d = 12x/d = 18y[mm]열선[V]열선[V]열선[V]열선[V]1201.9301.9081.9311.929851.9531.9271.9532.059601.9451.9212.0072.252551.9791.9612.0712.276501.9941.9842.1132.346452.0132.0002.1932.365402.0252.0532.2182.384362.0092.1032.2852.426342.0452.1752.3722.459322.0412.2562.4212.488302.0542.3222.4672.490282.0932.3242.5012.511262.0842.3882.5482.531242.1192.4492.5942.560222.1572.4942.6192.589202.2002.5072.6262.611182.2742.5662.을 측정하여 오리진 프로그램을 이용하여 위와 같이 그래프로 도시 하였다. 네 가지 그래프의 전체적인 모양은 대체적으로 비슷하지만, x/d의 값이 커질수록 폭이 넓어지고 최대 유속이 작아지는 것을 확인 할 수 있었다. 여기서 유체의 유동이 자기상사성 (Self-Similarity) 을 가지기 때문이다. 뿐만 아니라, 네 가지의 그래프에서 확인 할 수 있듯, 데이터가 50mm에서 -50mm 사이의 구간에 많이 모여 있는데, 여기서 높이 변화에 따른 유속의 변화가 크다는 것을 확인 할 수 있었다.(3)피토관과 열선유속계의 결과 비교 분석① 피토관과 열선유속계 결과 그래프x/d = 3x/d = 6x/d = 12x/d = 18② 고찰피토관 속도와 열선변환속도를 비교하기 위해 위와 같이 그래프를 중첩하여 그렸다. 그 결관 다소 차이를 보이지만, 대체적으로 비슷한 그래프를 보이고 있음을 알 수 있다. 즉, 열선변환 그래프를 통해서도 속도는 제트유동의 중심선상에서 최대가 되고 멀어질수록 속도가 감소되어 진다는 내용을 확인할 수 있었다. 그리고 오차를 보이는 것은 실험적 오차로 보인다. 컴퓨터로 거리와 높이를 이동하며, 측정한다면 이 오차를 좀 더 줄일 수 있을 것으로 생각된다.(4) 절대 난류강도와 상대 난류강도① 절대난류 강도와 상대난류 강도높이x/d = 6x/d = 18y[mm]상대난류강도절대난류강도상대난류강도절대난류강도120-1.8595547551.265356378-1.9728845861.34031015885-2.0647753021.246210599-3.3287064451.47258966260-1.9584281611.314050646-3.6985849691.53669884755-2.271346641.293555639-3.0469516741.4278924850-1.9329293711.309403453-6.0212936921.62992421645-1.9113961311.289035495-11.048569261.58562510340-2.1986871841.394033994-714-40.4692663560.4634912486.5322396331.320352048-60.6820746820.5921476814.6431408291.329183259-80.7836063470.6506255252.6660020251.140519732-101.1110330980.8532847953.0690244561.328011825-121.5248823051.0124439482.685110351.264155939-142.2273034661.1172412324.4709289371.226066919-161.6248819331.2474768097.5647379171.055714183-182.4710016191.1581282118.2839404431.121667673-207.8211200881.54825958618.68106291.350247226-2270.864297221.2653179633.6840390631.359743697-24-50.049299721.4286177957.3298754121.386970888-2694.606335751.5782370235.0371876221.346408876-28-4.8353049471.584389643.4777795511.528752865-30-13.457756871.607676852-11.170208091.215693582-32-2.7307479441.4237043846.7396785281.426647716-34-2.984161321.41327029-18.831898111.694230917-36-3.5198651581.424050806-8.4261149151.440105449-40-2.5201536431.311023467-72.878315531.441867775-45-2.7425191941.40146828-27.888847621.622199791-50-2.116194351.244334804-5.7278181511.570073881-55-1.8337542741.28604563-5.6719493671.566367446-60- 된다.
Ⅰ. 전도 열전달 실험1. 서론가. 실험목적본 실험에서는 열이 1차원 정상상태(one-dimensional,steady-state) 조건하에서 열확산에 의하여 전도 열전달되는 실험 과정을 수행하여 고체의 “열전도계수(thermal conductivity)"를 측정한다.나. 이론적 배경1차원 전도 열전달에서 열에너지의 전달 방향은 한 방향이며, 이때 온도 구배는 단지 하나의 좌표방향으로만 존재하며, 열전달은 그(1차원) 방향으로만 일어난다. 공간에서 각 점에서 온도분포가 시간에 따라서 변화하지 아니하고 일정하다면, 그 시스템을 정상상태(steady-state)라 한다. 재료 내부에서 열발생이 없고, 일정한 열전도율을 가지는 1차원 정상상태 전도에 대하여 온도는 열이 전달되는 방향으로 선형적으로 분포한다. 전도에 의하여 전달되는 열량(Q)은 그 물질의 면적(A)에 “비례”하여 늘어나고, 온도차이(ΔT)에 비례하며, 온도차이에 해당하는 거리(Δx)에 따라 반비례한다.Q: 공급 열량 [W] A: 열전달 면적 [m2] T: 온도 [℃]x: 전열 거리 [m] k: 열전도계수 [w/m?K]다. 실험장치(1) 실험시편황동봉 : 지름 25mm 길이 30mm열전달 면적(A) :(2) 실험장치온도측정계 (1개가 고장나서 총 8개의 온도측정계)2. 본론가. 실험방법1차원 전도 열전달에서 실험 시편 및 시편의 좌우 각 점의 온도가 시간에 따라서 변화하지 아니하는 “정상상태”에 도달하도록 기다려 준비된 후 측정한다.① 냉각수의 유량을 밸브를 조절하여 선택(결정)한 후, 정상상태에서 일정한 유량의 냉각수가 유량계를 통과하도록 조정한다.② 전도 실험장치의 heater power control 장치를 조정(선택)하여 wattmeter(전력계)에서 공급 열량(전력)을 맞춘 후, 계속적으로 일정 열량을 공급하기 위하여 wattmeter를 관찰?조절하여 전력공급이 일정하게 유지되도록 (정상)상태에서 측정한다.③ 시편을 포함하여 시험 재료 좌우(총 길이 90 mm), heater 측에서 coole286.88650.747.348.637.334.813588.687.386.450.947.448.837.434.914088.987.786.851.347.648.937.53514589.38887.151.347.849.137.735.115089.588.287.451.447.849.237.835.215589.788.487.651.547.949.337.835.31609088.787.851.54849.437.935.416590.188.887.951.648.149.43835.417090.188.887.953.649.851.537.535.117590.38988.154.350.552.137.535.118090.589.388.354.550.752.337.635.118590.589.388.354.550.752.337.635.1(2)측정결과1)위치에 따른 정상상태 온도Heating zoneTesting zoneCooling zone위치시간X1X2X3X4X5X6X7X8185min97.696.391.665.863.164.142.139.62) 위치에 따른 정상상태 온도 변화 그래프①Pin No. 1~8②Pin No. 1~3Y = 91.56667 + -0.11xQ = 13 WattA == 0.000490873= 26483.42850 [W/m2]= -0.11 [℃/mm]③Pin No. 4~6Y = 58 + -0.11xQ = 13 WattA == 0.000490873= 26483.42850 [W/m2]= -0.11 [℃/mm]④Pin No. 7~8Y = 55.1 + -0.25xQ = 13 WattA == 0.000490873= 26483.42850 [W/m2]= -0.11 [℃/mm]3. 결론가. 실험 데이터 분석위치별 온도 변화 그래프를 살펴보았을 때 8개의 그래프 모두 대체적으로 비슷한 모양을 형성함을 확인 할 수 있었다. 총 185분 동안 5분 간격으로 온도를 측정 하였는데 측정시간을 대략 3등분 하였을 때, 1/3 지점까지는 온도가 급격히 증가 하다가, 2/3 지점에서는 온도의 증가율 반면, 비중이 낮은 유체는 상향으로 흐르게 된다. 만약 유체의 운동이 펌프나 팬의 힘에 의하지 않고, 단지 온도 분포에 의한 밀도 차이에 의하여 일어날 때 이러한 대류 열전달 현상을 자연대류라고 한다. 또한, 펌프나 팬을 이용하여 유체의 흐름을 강제로 일으키는 조건에서의 열전달 현상을 강제대류라고 한다.고체 표면과 주위 유체의 온도 차이에 의한 대류 열전달 현상에서 자연대류와 강제대류 열전달의 두 가지 경우에 대하여 대류 열전달계수 값을 실험적인 방법으로 구하고, 실험자료들을 서로 비교하여 자연대류와 강제대류의 대류 열전달 현상을 이해한다.나. 이론적 배경자연 대류 열전달은 어떤 물체(body)가 그 자체의 온도보다 높거나 낮은 온도 상태에 있는 정지상태 유체 내에 있을 때의 일어날 수 있다. 고체와 유체는 온도 분포가 존재하고, 온도 분포에 의한 밀도의 차이를 초래하게 된다. 이 밀도의 차이에 의하여 비중이 큰 유체는 하향(중력방향)으로 흐르는 반면에 비중이 낮은 유체는 상향으로 흐르게 된다. 만약 유체의 운동이 펌프나 팬(fan)의 힘에 의하지 않고, 단지 온도 분포에 의한 밀도 차이에 의해 운동이 일어날 때 이러한 대류 열전달 현상을 자연 대류(natural convection)라고 한다.어떤 물체의 표면에서 유체와 대류 열전달은 열전달 면적의 증가로 향상된다. 실제에 있어서는 공기와 접촉하고 있는 표면에 휜(fin)과 같은 것을 부착하여 열전달 면적을 증가시킬 수 있다. 이런 방법을 사용한 예를 보면 공랭식 엔진의 경우에 실린더의 주위와 헤드(head)에 부착된 휜(fin)을 들 수 있다. 열전달 면적의 증가에 대한 효과를 조사하기 위하여 같은 공급 열량과 공기의 유동 조건에서 시험 모델(Test model)을 평판(Flat plate), 휜이 부착된 판(Finned plate) 그리고 단면이 둥근 핀형의 휜이 부착된 판(Pinned plate)을 사용할 수 있도록 실험장치가 준비되어 있다.대류 열전달에서 단위시간에 전달되는 열에너지의 양은 다음과 같elocity, V[m/s]Surface Temperature, Ts[℃]Ts - Ta[℃]Q/A[][]10.037.619.6107.7945.49920.626.58.5107.79412.68131.223.25.2107.79420.729(2)속도에 따른 열전달 계수 그래프(3)강제대류와 자연대류Test Model TypeAir Velocity, V[m/s]Heat Transfer coef.[W/m2 K]Flat plate0.0027.54821104.74662872480.63942.530.07171114.341157596471.27885.133.38469126.9385188079Finned plate0.005.49920.9087528724960.63942.512.68148.*************.27885.120.72978.81749762090? 평균 대류 열전달 계수 () :? Reynolds Number () :(관성력과 점성력의 비)? Nusselt's Number () :(표면에서의 무차원 온도 구배)? Grashof Number () :(점성력에 대한 부력의 비)? Kinematic viscosity ( v ) := 1.5625*10?? []1)강제대류Test Model TypeAir Velocity, V[m/s]LogHeat Transfer coef.[W/m2 K]LogFlat plate0.0X27.548212.0201380.63.5957830.071712.0582021.23.8968133.384692.103592Finned plate0.0X5.4991.3203280.63.5957812.6811.6831981.23.8968120.7291.896623①Flat Plate 강제대류→→⇔→②Finned Plate 강제대류→→⇔→2) 자연대류Test Model TypeAir Velocity, V[m/s]LogHeat Transfer coef.[W/m2 K]LogFlat plate0.02.02013827.548216.7984610.62.05820230.07171 바람의 속도 증가에 따른 열전달 계수의 증가율은 Flat plate에서 보다 Finned plate 일 때 더욱더 크게 증가 하는 것을 볼 수 있었는데, 이러한 이유 때문에 공랭식 엔진의 경우 냉각핀을 부가적으로 설치한다는 것 또한 알 수 있었다. 따라서 충분한 바람의 속도만 주어진다면, Flat Plate 보다는 Finned Plate 또는 Pinned plate 와 같이 표면적을 넓게 하여 주는 것이 더욱더 열전달을 활발히 하게 할 것 이라는 예상을 할 수 있었다.조금 더 다양한 바람의 속도에서 실험을 여러 차례 해 보았다면, 열전달에 대한 특징을 더욱더 자세하고 확실히 알 수 있었을 것이다.Ⅲ. 복사 열전달 실험1. 서론가. 실험목적복사 열전달 실험을 통하여 고체 표면에서 열복사(Thermal Radiation)에 의한 단위 시간당 복사 열전달량과 열복사 물질의 표면 온도를 측정하여, 복사체(물질) 표면의 방사율(emissivity)을 알아본다.나. 이론적 배경(1) 복사강도 역제곱의 법칙발열체의 표면에서 방사된 열복사의 강도는 거리의 제곱에 반비례한다.(2)흑체복사(Stefan-Boltzman Law)q'' = Emissivity Power from Surface []σ = 5.67 × 10-8 []Ts = 복사체 표면의 절대온도 [](3)실제의 표면(회체)에서 열복사율ε=emissivity (방사율) (흑체는 1, 회체는 1이하임)(4)복사체 표면과 주위의 단위시간당, 단위 면적당 net복사 열 교환율의 측정netnet = 5.59×reading from radiometer ()주변의 절대 온도 (본 실험에서는 대기온도)[]다. 실험장치2. 본론가. 실험방법(1)복사 열전달 역제곱의 법칙1) 실험장치를 구성한다.2) 출력조절기 위치를 6에 고정시킨다.3) X=100mm부터 X=700mm까지 거리를 100mmTlr 증가시키며 정상상태에서 복사계 수치값(R)을 기록한다.4) 복사계에 감지되는 복사열량을 수치값(R)을 기준으로 계산한다5) 거리(X)와 복다.
