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[유체]풍동 실험 보고서

풍동 실험을 이용한 익형의 유동특성에 관한 실험1. 실험 일시 : 2007년 3월 21일 수요일2. 실험조 : 오전반 4조3. 실험 목적 : 풍동 실험을 통해 익형 주변의 유동특성을 알아본다.4. 실험 개요 : 익형이 고정되어 있는 풍동을 통해서 풍동의 속도가 일정할 때, 각각 정해진 각도에서 다른 위치의 압력을 조사해서 양력의 차이를 알아보는 실험이다. 원래는 앞전으로부터 똑같은 거리의 아랫면과 윗면의 압력을 각각 조사해야 한다. 하지만 실험에 사용한 에어포일의 모양이 상하 대칭이기 때문에 한 위치의 윗면 압력에 대칭되는 아랫면 압력은 받음각을 마이너스(-)로 하고 측정하였다.에어포일 주변으로 공기가 흐르게 되면 양력(lift)과 항력(drag)이 발생된다. 양력은 공기흐름의 속도방향에 수직한 방향으로 작용하는 힘을 말하며, 항력은 속도방향에 수평한 방향으로 작용하는 힘으로 날개의 운동을 방해하는 방향으로 작용한다. 이들은 하나의 점에 작용하는 것이 아니고 날개 표면에 분포되어 작용하는 공기의 압력에 의해 발생하기 때문에 날개 전체에 걸쳐서 작용하며 각각의 크기는 위치에 따라 다르다.베르누이 이론 (동압과 정압의 합은 일정하다 ,, 풍동실험 상황에서는 대기압이고, 이때의 게이지압력은= 0 이다 )에 의해 한 검사체적(Control Volume) 내에서 속도의 차이가 있으면 그에 따른 압력의 차이가 생긴다는 것을 알고 있다. 에어포일은 상하 대칭의 모양이지만, 받음각이 +일 경우 윗면의 길이가 아랫면의 길이보다 긴 것과 같은 효과가 생기게 된다. 이때 윗면의 속력은 아랫면의 속력보다 빨라지게 되고, 따라서 윗면의 압력은 아랫면의 압력보다 작아지게 된다. (받음각이 -일 경우에는 반대의 현상이 일어난다)공기가 에어포일의 앞전에 다가올수록 공기의 속도는 감소하고 앞전정체점에서 속도는 0, 압력은 전압과 같아져 최대가 된다. 정체점에서 공기흐름은 날개 아래윗면의 곡면을 따라 속도가 급격히 빨라지며 압력은 급격히 낮아진다. 받음각이 0인 경우, 최대두께위치 근처에서 최대속도와 최저압력은 나타내고 속도는 서서히 감속되기 시작한다. 그렇지만 받음각이 클 때에는 앞전 윗면에서 최대속도 및 최소 압력이 된다.5. 실험 이론1)압력계수압력계수의 정의는 다음과 같다.와는 에어포일 표면에서 정압과 속도이고는 에어포일에 영향을 받지 않을 만큼 먼곳의 공기속도,는 대기압을 나타낸다.압력계수가 영보다 작으면 부(-)압이 작용하여 대기압 보다 압력이 낮고 공기의 속도는 자유흐름 속도보다 빠르고, 압력계수가 양(+)이면 압력은 대기압보다 높고 공기의 속도는 자유흐름 속도보다 느린 것을 의미한다. 양력을 발생하고 있는 에어포일 윗면에는 대개 부압이 작용한다.2) 양력계수날개길이 방향으로 흐름이 생기지 않도록 날개 끝을 막아놓은 상태로 받음각을 변화시키면서 날에 작용하는 양력을 측정한다. 이같은 실험에서 측정된 양력을 무차원화된 계수로 바꾸어 이를 양력계수(lift coefficient)라 하고로 표시한다.여기서 L은 측정된 양력의 크기, S는 날개의 면적이다. 또는 양력(L)을 날개의 단위길이 당 크기(l)로 바꾸고 날개면적 S 대신에 에어포일의 시위길이 c 로 나누어 주면 에어포일의 양력계수를 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.받음각이 비교적 작은 범위에서는 받음각이 증가하면 양력계수도 비례하여 증가한다. 이렇게 그래프가 선형적(線形的) 으로 나타내는 부분의 기울기를 양력선 기울기 라고 하며, 에어포일에 대해서 이론적으로이다. 받음각이 계속 커지면 기울기가 감소하다가 양력계수가 최대점이 된 뒤에 양력계수가 감소하는데 이와 같은 현상을 에어포일의 실속(stall)이라고 하고 이때의 양력계수를 최대 양력계수라고 한다.3) 항력계수에어포일에서 측정되는 항력은 두 가지로 나누어 생각할 수 있다. 에어포일 표면에 작용하는 압력분포에 의한 힘의 공기흐름 방향 성분의 힘은 뒤로 향하는 힘이 되며 이러한 항력을 압력항력이라 한다. 다른 하나는 공기의 점성에 의해 발생되게 되며 이를 마찰항력이라고 한다. 이 두 가지 항력을 구분하여 측정하기가 어렵기 때문에 이 두 가지를 합한 것을 측정하게 되며 이를 에어포일의 형상항력 이라고 한다.양력과 마찬가지로 항력도 무차원화된 항력계수로 다음과 같이 정의하여 사용한다.에어포일에 대하여는 날개의 단위길이 당 값으로 다음과 같이 쓰기도 한다.항력계수는 받음각이 영이 되는 부분에서 최소가 되며 받음각이 증가하면 받음각의 제곱에 비례하여 증가한다. 실속이 일어나게 되면 항력계수는 급격하게 증가한다.4)실속받음각이 매우 클 때에 에어포일에서는 실속이 일어난다. 날객 윗면의 표면을 따라 흐르는 공기층은 점성 마찰력에 의하여 속도가 느리기 때문에 관성력이 작아서 뒷전부분의 높은 압력에 의하여 앞전의 압력이 낮은 부분으로 작용하는 압력힘을 이기지 못하여 뒷전에서 앞전으로 흐름의 역류가 발생한다. 이를 흐름의 분리라고 하는데, 분리가 일어나면 날개 윗면 앞전에서 압력이 상대적으로 높아져서 양력이 감소하고 뒷전에서는 압력이 낮아지기 때문에 압력항력이 크게 증가한다. 분리가 시작하는 곳을 분리점이라고 하며 받음각이 증가하면 분리점은 뒷전으로부터 앞전으로 이동하고 이에 따라 큰 받음각에서 양력선의 기울기가 감소하게 되며 받음각이 매우 커서 날개 윗면 전체에서 분리가 일어날 경우 이를 날개의 실속이라고 한다.최대 양력계수가 일어나는 시점에서 실속이 일어나는데 이때의 받음각을 실속 받음각 이라고 하며 대개 실속받음각은 12° ~ 20° 이며 에어포일에 따라 실속의 형태와 양상이 다양하다.6. 실험 측정치1) 공기 속도 측정1회2회3회평균치입구유속19.66919.70019.64219.6702) 압력표Deg.123456-10°-14.30-69.54-219.42-272.23-272.27-274.35-5°-112.13-234.69-278.23-312.76-292.03-277.560°-342.95-380.02-363.41-360.39-323.97-288.835°-704.7-530.06-452.16-400.05-338.67-297.0710°-920.45-735.46-515.73-429.43-366.31-327.973) 압력계수표x/cDeg1234560.0250.100.2510.4990.70.9-10-0.06034-0.29344-0.92589-1.14874-1.14891-1.15768-5-0.47316-0.99033-1.17406-1.31976-1.23229-1.171230-1.44716-1.60358-1.53349-1.52075-1.36707-1.218795-2.97365-2.23671-1.908-1.68811-1.4291-1.2535610-3.88406-3.10345-2.17624-1.81208-1.54573-1.383954) 압력계수 그래프7 그래프 분석 및 고찰실험에서 측정된 압력값을 압력계수식 () 대입하여 압력계수를 구한 뒤 그래프를 그려 보았다. 베르누이 이론을 약간 변형하면 ‘정압 + 동압 = 대기압’ 이라는 공식으로 유도할 수 있는데 여기서 우변인 대기압의 게이지 압력은 0이다. 동압은 음의값(-)이 될 수 없으므로 모든 정압의 부호가 -가 되었다. 우리가 측정한 값은 -10°, -5°, 0°, 5°, 10, 이렇게 5가지 항목이지만, 이는 다시 받음각이 0° (상하 대칭이므로 윗면과 아랫면의 압력은 같다), 5°, 10° 인 에어포일의 아랫면 윗면으로 구분할 수 있을 것이다. 각각 그래프를 받음각의 크기에 따라 나누어 보자x(mm)0.9401.8803.7597.49311.22714.98618.77022.47926.21329.97233.680x/c0.0130.0250.0500.1000.1500.2000.2510.3000.3510.4000.450y(mm)1.2701.8542.5913.4294.0894.4454.6484.7244.7244.6484.496x(mm)37.44041.14844.93348.64152.46156.45159.91963.62767.38671.120x/c0.5000.5490.6000.6490.7000.7540.8000.8490.9000.950y(mm)4.2423.9373.5813.2002.7692.3371.8801.4220.9650.533먼저 받음각이 0° 일때의 그래프를 보자. 받음각에 0° 일때는 y값이 제일 클 때 압력계수가 최저가 된다. 위의 표를 보면 x/c 값이 0.30~0.35 사이에 있을 때 y의 최대값을 가진 점이 존재하는데 이는 에어포일 위치상으로 hole 2와 hole 3 사이의 점이다. 실험에서는 hole 2의 압력이 최소값이었지만, 2~3사이에, 더 정확히 얘기 하자면 앞전으로부터 22.5mm ~ 26.2mm 사이에 구멍이 하나 더 있었다면 분명 그때 압력의 최소값이 나왔을 것이다.

공학/기술| 2007.10.14| 5페이지| 1,000원| 조회(913)

압력계, 압력, 에어포일, 풍동, 항력

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유동 가시화 실험 보고서

1. Flow Visualization Image출처 : http://www.biology.leeds.ac.uk/staff/jmvr/Flight/fvbzwjm.htm주관기관 : 영국 University of Leeds유동가시화 사진을 찾아보면서 여러 많은 사진을 볼 수 있었다. 수록된 사진 이외에 인상깊은 사진은 잠자리가 날 때, 자동차, 수직이륙 비행기, 제트 비행기, 에어포일의 받음각의 변화에 따른 유동변화 등의 유동가시화 사진이었다. 위 사진은 첫 번째 사진이 두 번째 사진보다 더 많은 항력과 실속을 발생 시킨 다는 설명이 있었다. 매끈한 아래쪽사진은 와류가 적게 발생되고, 윗 사진은 깃털등에 의해 와류가 많이 발생 되는것을 알 수 있다.2. Pi Theorem으로 Reynolds Number 유도물리현상이 차원의 동차성원리(PHD)를 만족하고 있고 여기에 n개의 차원 변수가 관여되어 있는 경우에는 이 현상은 단지 k개의 무차원 변수, 즉 k개의 Π만으로 표시되는 간략한 식으로 된다. 변수의 감소수 j = n - k는 변수끼리 조합했을 때 pi(무차원수)를 형성하지 않는 변수의 최대개수와 같으며 이것은 변수가 표시되는 차원의 개수보다 항상 작거나 또는 동일하다.유체역학에서는 4개의 기본차원이 관련되어 있다. 이들은 질량, 길이, 시간, 그리고 온도, 즉 요약해서시스템으로 되어 있다. 어느 특정물체에 작용하는 힘 F는 물체의 길이 L, 유동속도 V, 유체밀도 ρ, 그리고 유체점성 μ에 의존한다는 것이 알려져 있다. 이는 다음과 같이 표현 될 수 있다.여기에는 5개의 변수가 있으며, 이들의 차원을 적어보면 다음과 같음을 알 수 있다.FLUρμ어느 변수에도 온도에 관한 차원가 포함되어 있지 않으므로 j는 3보다 작다. 표를 보면 L, U, ρ는 pi를 형성할 수 없다. 그러므로이다. pi 정리에 의하면 이 경우 2개의 독립된 무차원 변수가 있다는 것이 보장된다.여기서 Reynolds 수를 유도하여 보자. L, U, ρ에 점성을 추가한다. 편의와 관습에 따라 점성을 분모에 나타나도록 하기 위해을 쓰도록 한다.===지수들이 같다고 두면 다음과 같이 된다.길이 (L) :질량 (M) :시간 (T) :이를 풀면 다음을 얻는다따라서=== Re즉, Reynolds 수는Re =이렇게 쓰여 질 수 있다.3. Strouhal number실린더 주위의 공기흐름에서 Re가 약 50 이상이 되면 와(vortex)가 형성되어 실린더 하류쪽으로 주기적으로 분리되어 나간다. 따라서 어떤 주어진 시간에서의 상세한 흐름 양상은 아래 그림과 같이 나타날 것이다.이 그림에서 실린더 상단부근에서 와가 하나 형성 되는 과정에 있다 우측 아래쪽의 첫번째 와의 우측으로 또 다른 와가 있는데, 이는 그보다 전에 형성되어 분리하여 나간 것이다. 이러한 현상은 공학적 설계에 있어서 매우 중요한데, 이는 와가 번갈아 형성되어 분리하여 나감으로 해서 압력이 규칙적으로 변화하고 이에 따라 실린더 면에 주기적으로 힘이 가해지기 때문이다. 이와같이 와가 분리되어 나가는 현상(voltex shedding)은 1940년 Washington 주의 Tacoma Narrows 현수교 붕괴의 주요 원인이었다. 이러한 현상의 효과로서 더욱 흔히 발생되는 것으로는 바람에 의한 전선의 울림을 들 수 있다.와의 분리주파수가 와를 일으키는 부재의 고유진동수와 공명(resonance)하게 되면, 진동의 진폭이 커져 결국 응력이 크게 발생된다. 와의 분리주파수는 Strouhal number(St)에 따라 주어지며, 이는 다시 Reynolds 수의 함수임이 실험적으로 밝혀진 바 있다. 여기서 St는 다음과 같이 정의된다.여기서 n은 실린더 한쪽면의 와의 분리주파수로서 단위는 Hz 이다. d는 실린더의 직경이며는 자유흐름 유속이다. 원형실린더로부터의 와 분리에 관한 Strouhal 수와 Reynold 수와의 관계는 아래 그래프와 같이 주어져있다.2차원 물체에 대해서도 와가 형성되어 분리되어 나가는 현상이 발생한다. 따라서 기술자는 바람이나 물의 흐름에 노출된 구조물을 설계할 때에는 항상 진동문제에 유의하여야 한다.참고도서 : Clayton T. Crowe 외 2인 공저, 유체역학 7th Edition, 2002, 587～589 Page.4. Similarity해석적인 수단만으로 충분한 정보를 얻을 수 없을 경우에는 모형실험을 해야 할 필요가 있는데, 이러한 경우에는 상사법칙을 적용하여야 한다. 상사(similitude)는 모형의 관측을 통해 원형의 거동을 예측하는 기술이며 이론이다. 상사 이론은 Reynolds 수, Froude수와 같은 무차원 수를 이용하여, 모형실험을 통해서 원형의 거동을 예측하는 이론이다. 기본 이론에는 포함되어 있지 않은 모형의 설계, 제작, 실험의 수행, 결과의 분석 등에 관하여 어떠한 결정을 내려야 할 경우 상사기술을 사용한다.새로운 비행기 설계에서 원형 비행기에 대한 일반적인 축소모형뿐만 아니라 날개 단면 등의 여러 부분에 대해서 여러 가지 실험이 수행된다. 자동차와 고속전철의 경우에도, 원형에서의 흐름 양상과 항력을 예측하기 위하여 풍동에서 모형실험을 한다. 실험을 통하여 얻어진 정보로부터 예상되는 잠재되어 있는 문제는 원형을 만들기 전에 수정될 수 있고, 이를 통해 원형개발에 드는 상당한 시간과 비용을 절약할 수 있다.4-1. 기하학적 상사상사에서 가장 기본적이고 분명한 조건은 모형이 원형의 정확한 기하학적 복사이어야 한다는 것이다. 만약, 1:10 축소모형이라고 하면 모형의 모든 길이차원은 원형의 길이차원의 1/10이어야 한다.여기서 l, w, c는 모형과 원형의 특성길이 차원이고은 모형과 원형사이의 축적비(scale ratio)이다. 모형과 원형사이의 단면적의 비는이고 체적비는과 같이 될 것이다.4-2 동역학적 상사동역학적 상사의 기본조건은 모형과 원형의 질량에 작용하는 여러 힘의 비가 전체 흐름장에서 같아야 한다는() 것이다. 유체요소에 작용하는 힘은 이 요소의 운동을 지배하기 때문에, 동역학적 상사성은 흐름 양상의 상사성을 만족시키게 되는 것이다. 만약 기하학적 상사를 만족시키고 원형과 모형의 유체에 작용하는 상대적인 힘이 같다면 원형과 모형에서의 흐름 양상도 같아질 것이다.여수로 위의 흐름과 같은 유동에서의 동역학적 상사를 만족시키기 위해서는 원형과 모형에서의 Froude 수와 Reynolds 수를 같게하면 된다. 만약 표면장력이나 탄성력이 흐름양상에 영향을 주는 중요한 힘이라면, Weber 수나 Mach 수 같은 다른 무차원 매개변수의 상사가 추가되어야 한다.참고도서 : Clayton T. Crowe 외 2인 공저, 유체역학 7th Edition, 2002, 396 ~ 401 Page.5 Laminar Flow & Turbulent Flow난류(Turbulent flow)는 흐름장 전반을 통한 혼합 작용을 특징으로 들 수 있는데, 이 혼합 작용은 흐름 내에 존재하는 다양한 크기의 와(eddy)에 기인한다. 간단한 관찰만으로도 하천이나 대기중에서 이러한 유형의 흐름을 찾아볼 수 있다. 돌풍(gusts of wind)은 때로는 평균풍속을 강화하고 또 어떤 때에는 그것을 감소시키는 대규모 와(large-scale eddies)에 따른 결과이다. 대형 굴뚝으로부터 주위 공기 속으로 연기가 방출될 때도 역시 난류 현상을 관찰할 수 있다.층류(laminar flow)에는 난류에서는 일반적인 강한 혼합 현상과 와가 없다. 따라서 이 흐름은 매우 원활한 형상을 취한다. 전형적인 예로는 꿀이나 누전자로부터 흘러나오는 시럽의 유동 등을 들 수 있다.층류와 난류의 흐름이 어떻게 될 것인가를 보기 위해 가시화(visualization) 시켜보면 아래 그림과 같이 된다.층류의 경우에 속도분포는 단면에 걸쳐서 포물선 형상이고, 관벽으로부터 임의의 주어진 거리에 속도는 시간에 대해서 일정하다.난류의 경우는, 첫째, 와가 흐름을 어느정도는 충분히 혼합시키기 때문에 대부분의 단면에 걸친 속도 분포는 층류의 경우보다 더 균등한 분포를 한다. 이런 현상은 난류의 혼합과정이 벽 근방의 저속의 유체를 관 중심으로 이송시키고, 다시 중심영역의 고속 유체를 벽 근방으로 이송시키기 때문에 나온 결과이다. 두 번째 효과는 변동속도 성분을 흐름에 연속적으로 추가시킨다는 것이다. 위에서 보듯 주어진 순간에 흐름방향으로의 속도 성분의 분포는 불규칙하다. 그러나 전 단면상의 여러점에서 충분히 긴 시간 동안 속도의 평균값을 취한다면 윗 그림에서의 점선으로 표시된 선을 얻는다.

공학/기술| 2007.10.14| 8페이지| 1,000원| 조회(849)

층류, 상사, 난류, Reynol, 유동 가시화

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온도 압력 측정 및 측정센서 실험 평가C아쉬워요

-온도 측정 실험-1. Data SheetPT100REFReading(℃)PT100INDReading(Ω)ThermocoupleReading(μV)ThermistorReading(Ω)Liquid-in-Glass(℃)VapourPressure(℃)30113.171235.5**************************240116.60*************5118.*************350120.*************855122.*************60124.112411.5745595865125.942622.5624646270127.912843.5526696775129.683049.544274.57280131.343244.537779.57885133.083461.532184.58290134.73366327689.58895136.383847.52419593※PT100IND와 Thermocouple은 2번 측정의 평균값을 나타낸 것임Δφ/ΔT2) 시간 응답성 실험종류PT100REFPT100INDThermo-coupleThermistorLiquid inGlasstemp.increase시작값20.3520.42종료값93.4592.68소요시간9024.35△temp/Time0.812.97temp.decrease시작값94.4193.3892.62종료값20.4220.6320.70소요시간31.853439.08△temp/Time2.322.141.842. 온도센서 그래프3. 온도 응답성 그래프4.센서의 종류와 원리센서의 종류원 리백금저항온도센서온도에 따라 백금의 저항치기 변하는 원리 이용가장 정확도가 높아 -260~630℃ 영역의 표준센서절연물질이 충진된 보호관에 넣어 사용정밀한 측정이 요구되는 염색, 화학공업, 프로세서제어용으로 많이 사용가격은 다소 비쌈Thermistor금속산화물을 소결하여 만들며 온도에 따라 저항치가 변하는 특성 이용값싸고 소형이지만 직선성, 감도, 기준온도 등이 문제온도감지, 온도보상, 돌입전류 방지, 자연소자,모터기동, 자기소거, 정온발열, 과전류 보호용으로 사용기술개발 진보로 극저온, 저온, 고온용의 서미스터들이 개발열전대(thermocouple)두종류 금속선의 접합점 양단에서 발생하는 기전력변화를 이용철강, 발전소, 중화학등 공업용으로 많이 쓰임방사 온도계측정대상물의 표면에서 발생하는 열방사를 이용.비집촉식이며 단색파장대복사와 2개파장대복사를 이용하는 방식이 있다.저온복사온도계가 실용화되어 열전대들을 대체철강, 요업에서 많이 사용IC 온도센서서미스터나 열전대의 단점인 직선성, 감도, 기준온도등을 보완온도에 따라 P-N 접합부의 전류전압특성이 변하는 것을 이용.전압출력형과 전류출력형이 있다.기타바이메탈, 감온페라이트, 유리온도계, 수정온도계, VQR온도계 등등정밀도가 떨어지고 응용범위가 제한되어 있으나 수정온도계는 매우 고감도이므로 특수용도로 많이 사용5. 시간응답성 그래프(막대그래프)를 그리고 비교하시오시간 응답성 그래프를 보면 Thermistor 가 가장 반응이 빠르고 PT100IND가 가장 반응이 느린 것을 알 수 있다. PT100REF와 thermocouple, Liquid in glass 는 반응성이 비슷한 것을 실험결과를 통해 알 수 있었다.6. 정밀성, 정확성, 재현성온도 응답성 그래프를 각각 비교해 보면 PT100IND는 70도 이하에서 (70도 이상일때 보다) 반응폭이 컸으며 Thermistor은 온도가 올라가면 올라갈수록 온도에 따른 응답성이 떨어졌다. PT100REF의 온도 범위가 30~95℃ (Δ = 65) 일때 PT100IND는 약 113~136까지(Δ =33) 으로 정밀도가 떨어졌으며, thermocouple의 변화량은 2612, thermistor의 변화량은 2067 으로 상대적으로 정밀한 것을 알 수 있다.앞에서도 언급했지만, Thermistor의 단위온도변화에 따른 저항변화량(ΔV/ΔT)은 저온일수록 변화량이 크고 고온일수록 변화량이 작은 것으로 보아서는 저온일때 사용하는 것이 유리한 것을 알 수 있다.그리고 Liquid-in-glass가 Vapour Pressure 보다 PT100IND의 값에 비슷하게 나온 것으로 보아 더 정확하다고 할 수 있겠다.-압력 측정 실험-가. 기압 측정 ( 5 월 31 일 10 시 00 분)기압 측정온도 (℃)부침 눈금 값(hPa)온도 보정량 (hPa)대기압(hPa)19.510203.251016.75나. 실험 결과피스톤 압력(kN/m2)Bourdon gauge 압력압력센서 kN/m2상대압(kN/m2)절대압 (kPa)상대압(kN/m2)절대압 (kPa)20 kN/m221122.67517.5119.17540 kN/m241142.67535136.67560 kN/m260161.67553154.67580 kN/m280181.67571172.675100 kN/m296.5198.17586.5188.175120 kN/m2115216.675103204.675140 kN/m2135236.675123224.6752.그래프1) 결과그래프2)응답성 그래프압력센서 보다는 Bourdon gauge 의 압력이 상대적으로 더 정확했다. 하지만 둘 다 80kPa를 넘어가면서는 반응성이 떨어진 것을 볼 수 있으며 이때는 피스톤의 마찰력과 무게로 인해 한쪽으로 기울어지면서 단면적이 넓어져 압력이 낮게 측정된 것 같다.3. 압력센서의 종류센서의 종류원 리기계식단면이 원상 혹은 편파상의 금속 파이프인 풀돔(full-dome)관이 있는것을 많이 쓴다. 개방된 고정단으로부터 측정압력을 도입하면, 다른 밀폐된 관의 선단이 이동하여 관내 압력의 크기에 비례하는 확대된 압력을 지시한다.전기식기계적인 변위를 전기적인 신호로 변환하는 부분이 기계식과 다르다.전극간 정전용량의 변화로부터 그 사이의 반위를 측정하는 방법을 기본적으로 한다. 이외에도 스트레인 게이지를 이용한 압저항형, 유기 또는 무기 압전소자를 이용한 압전형등이 있으며 최근에는 초고온의 환경이나 원격감지등의 목적으로 광섬유의 경로차를 이용한다.반도체식히스테리시스 현상이 없고 직진성이 우수하며 소형, 경량으로 진동에도 매우 강한것이 특징이다. 또한 고감도 고 신뢰성 이며 양산성이 좋다. 외부압력을 응력으로 변화하는 다이어프램과 다이어프램에서 발생하는 동력을 전기신호로 바꾸어주는 두분으로 되어 있다.엔진제어, 공학계측, 의료 등에 많이 쓰이며 모든분야에 쓰인다.4. 피스톤을 돌리는 원리압력측정실험을 할때 피스톤을 돌리는 이유에는 2가지가 있다.첫째 이유는 마찰력을 줄이기 위해서이다. 실린더 내에있는 피스톤은 실린더에 맞닿아 있고, 이 부분에는 마찰력이 발생하기 마련이다. 피스톤을 돌리지 않을때는 정마찰계수가 걸리며, 피스톤을 돌려주게 되면 작용하는 마찰력은 정마찰계수가 아닌 동마찰계수의 영향을 받게 된다. 이에따라 마찰력이 줄어들어 조금 더 정확한 값을 얻을 수 있게 된다.두 번째 이유는 압력분포를 좀 더 정확하게 하기 위해서 이다. 피스톤은 실린더 안에서 정확하게 수직으로 서 있지 않다. 피스톤도 압력을 받고 있기 때문에 어느 한쪽으로 조금은 기울어져 정확한 값을 나타내지 못한다. 기울어진 만큼 작용하는 단면적은 늘어날 것이고 같은 무게에 대해서 압력은 낮게 측정 될 것이다. 이때 피스톤을 돌리게 되면 피스톤은 수직으로 서 있을 수 있게 되고 압력분포도 골고루 퍼지게 된다.(팽이를 돌릴때를 연상시켜 보면 이해가 빠를 것이다.)

공학/기술| 2007.10.14| 9페이지| 1,000원| 조회(1,659)

온도, 센서, 압력, 측정, 변화량

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이중관 열 교환기 성능 실험

열 교환기 성능 실험실험목적 : 열교환기의 온도, 유량 및 counter-current 와 co-current flow 에 따른 열교환기의 성능 변화와 overall heat transfer coefficient 과의 관계를 알아본다1. 열교환기 종류열교환기는 전형적으로 유동배열(flow arrangement)과 구조형식(type of construction)에 따라 분류된다.가장 간단한 열교환기는 이중관 열교환기(double-pipe heat exchanger)인데 이는 그림 1에서 보는것과 같이 지름이 서로다른 두 동심관으로 구성되어 있다. 한 유체는 작은 고나 속을 흐르고 다른 유체는 두 관 사이의 환형공간 속을 흐른다. 1-(a) 그림의 평행류(paralled flow) 배열에서는 고온 및 저온의 유체들이 같은 끝면에서 들어가서, 같은 방향으로 흐르고, 같은 끝면에서 나온다. 그림 1-(b)그림의 의 대향류(counter flow) 배열에는 유체들이 반대쪽 끝면에서 들어가서 반대 방향으로 흐르고 서로 반대측 끝면에서 나온다. 대향류와 평행류를 비교하면, 뜨거운 유체와 차가운 유체의 입구 온도가 같을 때 대향류에서 차가운 유체의 온도상승폭이 더 크다.(a) 평행류 (b) 대향류유체들이 그림 2에서 처럼 휜이 있거나 흰이 없는 관형 열교환기들에 의하여 표시된 것 처럼 직교류(cross flow)형태로 흐를 수도 있다. 이는 또다시 혼합형(mixed)과 비 혼합형(unmixed)의 다른 형식으로 구별된다. 2-a에서는 휜이 주유동방향을 가로지르는 방향으로 유동을 막기 때문에 두 유체 모두 혼합되지 않는다(cross flow와 tube flow 모두 혼합되지 않는다). 반면 2-b의 휜이 없는 것은 횡방향 유체는 자유롭게 움직이기 때문에 한 유체만 혼합되지 않는다(cross flow는 자유롭게 혼합된다). 혼합조건의 성질은 열교환기성능에도 큰 영향을 미칠 수 있다.또다른 열교환기 형식으로 단위부피당 열교환 면적이 특별히 크도록 설계된 밀집형 열교환기(compact heat exchanger) 가 있다. (그림 3 참조) 열교환기의 부피에 대한 열교환면적의 비 (면적밀도 β 라 부른다)가 700㎡/㎥이 되는 열교환기를 밀집형으로 분류한다. 자동차 라디에이터(β1000 ㎡/㎥), 유리세라믹가스터빈 (β6000 ㎡/㎥) 그리고 인간의 폐 (β20000 ㎡/㎥) 등이 있다. 이는 작은 부피에서 두 유체사이에 높은 열전달이 가능하게 해 주기 때문에, 중량과 체적이 엄격히 제한된다.산업용 열교환기에서 가장 많이 쓰이는 형식으로 각-관 열교환기(shell-and tube heat exchanger)가 있다. (그림 4) 각-관 열교환기에는 축이 각(shell)에 평행하게 장착된 많은수의 관이 있다. 한 유체가 관 내를 흐르는 동안 다른 유체는 관외 각측을 흐르는 과정에서 열전달이 일어난다. 각 안에는 보통 유체가 각을 가로지르며 흐르게 하여 열전달을 촉진시키기 위해서, 또 관사이의 간격을 일정하게 유지시키기 위해 격벽(baffle)을 설치한다.각-관 열교환기는 포함된 관이나 각의 수에 따라 더 세부적으로 분류된다. 예를 들아 한통안에서 모든 관들이 한번의 U턴을 하는 열교환기를 1각-2관 통로 열교환기라 하고 마찬가지로 통안에 두 개의 경로와 관이 있어 4개의 경로를 가진 열교환기를 2각-4관 통로 열교환기라 한다. 현재 시판되는 모 회사의 보일러 중에서 ‘거꾸로 보일러’ 라는 이름의 보일러 광고를 본 적이 있는데 이것이 1각-2관 통로 열교환기 형식이 아닐까 생각한다.그다음 물결모양의 유동통로를 가진 평판이 연속적으로 구성된 평판형 열교환기(plate heat exchanger)가 있다.(그림 5) 고온과 저온유체가 통로들에 번갈아 들어가서, 각 저온유체는 두 고온유체로 둘러싸이게 되어, 매우 효과적인 열전달을 하게 된다. 또한 평판형 열교환기는 단순히 평판을 더 쌓음으로 열전달을 증가시키려는 요구를 해결할 수 있다. 이것은 고온과 저온 유체 흐름의 압력이 거의 같다면, 액체 대 액체 열교환기 응용분야에 적당하다.2 - 1). LMTD두 유체 사이의 등가평균온도차에 대한 관계를 유도하기 위해서 왼쪽 그림과 같은 이중관 열교환기를 생각한다. 고온 유체와 저온 유체와의 온도차는 열교환기의 입구에서는 크고, 출구로 갈수로 지수적으로 감소한다. 고온 체의 온도는 감소, 저온 유체의 온도는 증가하지만, 아무리 열교환기가 길어진다 하더라도 저온유체의 온도는 고온유체의 온도보다 클 수 없다.열교환기의 외부 표면이 단열이 잘 되어서 열전달은 유체 사이에서만 가장하고, 운동에너지나 위치에너지의 변화를 무시하면, 열교환기의 미소부분에 있는 각 유체 사이의 에너지 균형은 다음과 같이 표현할 수 있다.즉 열교환기의 어떤 부분에 있는 고온 유체의 열손실률은 그 부분에 있는 저온 유체가 얻는 열전달률과 같다. 위 식을와에 대해 풀면 다음과 같다.이들의 차를 구하면 다음과 같다.- ①열교환기의 미소부분에서의 열전달률은 또한 다음과 같이 쓸 수 있다.- ②② 식을 ① 식에 대입하고 재정리하면 다음과 같다.열교환기 입구부터 출구까지 적분하면 다음을 얻는다.- ③여기서,라 하면 ③식은 아래와 같이 바뀐다- ④열전달 제 1법칙으로부터 아래 두 식을 알 수 있다.- ⑤- ⑥식 ⑤,⑥ 를 정리하여 식 ④에 대입하면윗 식을 다시 정리하여 쓰면- ⑦이 된다. 위의 ⑦식이 대수평균온도차(logarithmic mean temperature difference, LMTD)를 이용한 열절달식 이며을 대수평균온도차(LMTD) 라고 한다.여기서임을 항상 유의해야 한다.2 - 2) NTU열교환기 해석에서 유체의 입구온도들이 알려져 있고, 유체의 출구온도들이 주어지거나, 에너지 평형식으로 부터 쉽게 구할 수 있을 때, LMTD방법을 사용하는 것은 간단한 일이다. 그러나 단지 입구온도들만이 알려져 있다면 LMTD 방법을 사용할 때는 반복적인 계산을 해야 한다. 이러한 경우 유용도-NTU법(effectiveness-NTU) 이라고 칭하는 또 다른 방법을 사용하는 것이 바람직하다.대향유동 열교환기에서 저온유체와 고온유체 중 한 유체는 최대 가능온도차를 가질 수 있다.먼저(저온유체 온도변화량이 고온유체 온도변화량 보다 크다) 이다. 길이 L 이 무한대이면 저온유체의 출구온도는 고온유체의 입구온도 까지 가열 될 수 있을 것이다(). 이들의 관계는 다음과 같다

공학/기술| 2007.10.14| 10페이지| 1,000원| 조회(498)

유체, 열교환기, 이중관, current, flow

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휘스톤 브릿지 정리 평가A좋아요

1. 실험 내용 : 휘스톤 브릿지2. 실험 목적 : 휘스톤 브릿지의 원리를 이해한다.휘스톤 브릿지를 이용하여 저항측정 방법을 익힌다.3. 실험 관련 이론 :⇒ 휘스톤 브릿지 : 휘스톤 브리지는 일반적으로 중저항의 측정에 가장 널리 사용되는계기로 영위법에 의한 정밀급 계측방법이다.영위법이란, 검류계 또는 다른 검지장치에 전류가 흐르지 않는 점을 측정하여(평형상태) 요구하는 값을 알아내는 방법으로, 검지장치에는 전류가 흐르지 않게 되므로 검지장치의 내부 임피던스가 측정의 오차에 미치는 영향이 없어 정밀측정이 가능한 방법이다.따라서 이 측정 장치의 정확성은 단순히 검지장치의 감도에만 의존하게 된다.미지저항을 측정하기 위한 휘스톤 브리지그림은 가장 보편적인 브리지 형태인 휘스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 회로로 4개의 저항들이 다이아몬드 배열을 하고 있다.측정하고자 하는 미지저항 R가 단자 C와 D사이에 연결되어 있다. R과 R는 비례변이라고 부르며, 고정저항으로 구성하고, R은 표준변이라고 하는 가변저항이다.검류계 G는 전류가 흐르지 않을 때는 중앙의 0점을 지시하는 계기로서, 단자 A와 C사이에 전위차가 생기면 G를 통하여 전류가 흐르게 된다. A와 C사이에 전위차가 존재하지 않으면, 즉 V= 0 이면 검류계의 저항은 0으로 되돌아오게 된다. 이때 브리지회로는 평형이 되었다고 한다.그림의 회로에서 R에 흐르는 전류를 I, R에 흐르는 전류를 I, R에 흐르는 전류를 I그리고 R에 흐르는 전류는 I라고 하자. I, R은 A점에서 B까지의 전압강하이다.V= IR같은 방법으로V= IRV= IRV= IR이다. 브리지가 평형이 되기 위해서 (V= 0) A와 B사이의 전압강하는 C와 B사이의 전압강하와 같아야 한다.즉,V= V따라서, IR= IR=같은 방법으로V= V이고,=평형이 되면 G에 흐르는 전류는 없으므로I= II= I위의 식들로부터=,=그러므로=이고,R= () X R가 된다.위의 식들은 평형상태에서 미지저항 R는 비례변 R,R과 표준변 R의 곱과 같음을 보여준다.R= R일 때, 즉= 1 일 때, R= R이 되며, 최대 정확도와 감도를 나타내게 된다. R이 매우 높은 정확도를 갖는 10진식 저항이라면 평형상태에서 R의 값을 찾아서 R의 값을 조정된 저항의 눈금판으로부터 직접 읽을 수 있다.= 1인 조건을 가변저항의 변화 범위에 대한 R의 측정 범위를 제한하게 된다. 만일 R이 최대 10,000Ω의 저항이라면 10,000Ω보다 큰 저항은 측정할 수 없다. 이와 같이 제 한 범위를 넘어서게 될 경우에는 다른 비례변을 선택하여 측정하게 되는데,= 3이 되 도록 하면 측정할 수 있는 최대 R의 값은 3R가 된다. 반면 검류계의 지시를 읽을 때 오 차는 3배 증가하게 된다.휘스톤 브리지에는 플러그형과 다이얼형의 두 가지가 있는데 전자는 접촉저항은 적으나 접점수가 많은 결점이 있고, 측정법은 어느 것이나 비례변을 일정값으로 하고 가변저항변 을 조정하여 평형을 취한다. 이러한 측정기의 대표적인 것은 P.O BOX 이다.◎ 측정오차의 원인휘스톤 브릿지는 1Ω에서 수MΩ 정도의 중저항을 정확히 측정하는데 널리 사용되고 있다. 측정오차의 주 원인은 3개의 기지저항의 제한오차에 기인되면 다음과 같은 사항이 오차의 원인이 된다.1) 영위 검출기의 감도 불량→ 검류계 , 고감도전류계 등 영위 검출기의 감도가 낮아서 브릿지의 적은 불 평형 상태 를 검출할 수 없다면 이는 오차의 원인으로 된다. 특히 브릿지의 비례변의 비가 클수록 이 오차는 매우 증가한다.2) 주울열 효과에 따른 브릿지 각변의 저항변화→ 브릿지 각변에 흐르는 전류에 의해 발생되는 주울열은 저항체의 저항을 변화시킬 수 있다. 저항의 온도상승은 실제 측정기간 동안 저항에 영향을 줄 뿐만 아니라, 과도한 전류는 저항값의 영구적인 변화를 일으킬 수 있다. 이것은 즉시 발견될 수 없을지 모르지만 다음 측정에서 오차를 수반하게 된다. 따라서 브릿지변에서의 전력손실은 미리 고려되어야 하고, 특히 저저항을 측정할 경우 전류는 안전한 값으로 제한되어야 한다.3) 저저항 측정시 도선의 저항과 접촉저항에 의한 오차→ 저저항 측정에서 높은 확도를 가지기 위해서는 접촉리드선의 영향을 제거한 켈빈 브릿지를 사용하면 이러한 오차는 제거할 수 있다.4. 실험 순서 및 과정① 주어진 실험회로도와 같이 비례변을= 1로 하여 회로를 연결한다. 스위치 S, S는 개방하고 V는 6(V)가 되게 전압을 인가한다. R로는 디케이드박스 또는 10(㏀) 가변저항을 사용하며, 최대의 저항값을 갖도록 조정해 놓는다. G는 검류계이고 회로에 R를 삽입한 이유는 S을 닫는 경우 G에 대한 불평형 상태에서 충격을방지하기 위해서이다.

공학/기술| 2007.09.29| 4페이지| 1,000원| 조회(7,990)

전류, 휘스톤 브릿지, 브리지회로, 전위차, 고정저항

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