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[기계공학 신소재]일렉트로닉 세라믹스

서 론▶ 세라믹이란세라믹(Ceramic)이란 원소주기율표상의 비금속원소(예를 들면 산소, 질소, 붕소, 탄소, 규소 등등)만으로 이루어져 있거나, 또는 비금속원소와 금속원소로 이루어져 있는 물질을 말한다. 즉 고체분말의 성형체를 가열하고, 구워 단단하게 만든 무기질 비금속재료를 표현하는 말이다.▶ 일렉트로닉 세라믹이란물질의 전자기적인 기능을 이용하여 전자 부품 등에 이용하고 있는 세라믹을 총칭하는 것.본 론▶ 파인 세라믹스란?파인 세라믹스(fine ceramics) 의 사전적 의미는 파인 케미컬(정밀화학)을 본뜬 용어로 도자기, 유리 등의 세라믹스를 고도로 이용하려는 과학분야 혹은 그 제품을 뜻한다.종래의 도자기 및 유리 등의 세라믹스 개념을 초월한 보다 높은 기능을 갖는 고기능성 세라믹스를 말하는 것이다. 파인세라믹스는 세라믹스의 특징인 내열, 내식, 전기절연성 등을 최대한 고도화시켜 활용하는 것을 말하며 탄소, 질소, 규소 등 지구상에 무진장 부존해 있는 원소를 유용하게 이용할 수 있는 과학이다.파인 세라믹스들은 기계적 성질뿐만 아니라, 전기적 성질, 자기적 성질, 광학적 성질, 열적 성질, 방사능적 성질 및 화학적 성질이 타 금속 재료나 유기고분자 재료 및 복합 재료 등에 비해 우수하므로 다방면에 유용하게 이용되고 있다. 특히 절연성, 반도성, 유전성, 자성 및 압전성 등의 전자기적 성질이 타재료 보다 우수하여 첨단 제품에 활용되고 있으며 최근에는 기계구조용으로 사용하기 위해 많은 연구가 이루거지고 있다.세라믹스(Ceramics)의 어원은 그리이스어의 keramos로서 점토를 물과 혼합하여 형태를 제작한 후 불을 이용하여 구운물질(burned stuff)을 의미한다. 이러한 세라믹스는 도자기, 유리, 내화물, 시멘트, 건축재료 및 연마재 등 광범위한 분야를 포함하고 있다. 이들은 대부분 규산염을 주체로 하고 있기 때문에 1940년대까지는 일명 규산염공업이라고 하기도 하였다. 그러나 2차세계대전 이후에 세라믹의 재료와 종류가 매우 다양해 졌으며 그 특성 및체 중 특히 원료수준에서의 정제와 가공정도 등을 고도화한 공업용재료 전반에 걸쳐 총칭되는 말이다.강도?경도가 우수하고 온도특성이 양호하며 그런데도 금속보다 가벼우며 내실성이 있는 등 많은 특징이 있어 그 특징을 살려 IC패키지나 센서류 등 전자분야의 주요 기초재료로써 커다란 시장과 수요를 형성하고 있다. 용도별로 분류하면 기능재와 구조재로 나뉘는데 구조재로서 이용되는 것은 전체의 20%미만이며 80%이상을 점하는 기능재로서의 용도는 전기적?자기적?광학적?화학적특성을 살린 IC패키지, 반도체회로기판, 컨덴서, 압전소자, 개스센서, 온도?습도센서 등이다. 이 중에서 특히 주목되는 신기술?신제품으로는 세라믹필터?표면탄성파필터?압전액추에이터?광셔터등이 있으며 또한 이들 신제품들은 활발히 상품화되고 있다. 조성의 면에서 분류하면 알루미나 등의 산화물기와 산소를 함유하지 않는 탄소계?질소계 등의 비산화물기로 나눠진다. 산화물계는 천연자원을 이용하며 원료의 구입이 용이하고 성형성이 양호해 제조원가가 싼 것이 특징이다.또 탄화규소?질화붕소 등의 비산화물계는 내열특성?내충격성이 우수하다. 금후의 기술개발은 비산화물계를 대상으로 하게되며 원료의 합성?정제와 가공방법의 연구개발에 의해 새로운 특성을 낳게 하는 것이 목표이다.'Fine Ceramics'라는 용어는 입자가 일반세라믹에 비해 미세하다는 뜻에서 유래된 것으로 의미를 국한시키고 있어 엄밀한 의미에서 보면 'New Ceramics'나 'advanced Ceramics'가 더 적합한 표현이다. 'Fine Ceramics'라는 용어는 주로 일본에서 사용되고 있으며, 미국이나 유럽에서는 'New Ceramics'나 'advanced Ceramics'로 통용되고 있다.그러나 국내에서는 대부분이 'Fine Ceramics'로 통용되고 있다. 요업은 가마를 이용하여 열처리를 하는 공업을 말하며 요업에 해당하는 영어인 세라믹스(Ceramics)의 어원은 그리스어의 'Keramos'에서 비롯된 말로서 점토를 구워서 만든 기물을 의미한다. 있는데, 전자재료산업은 철강, 비철금속, 화공 및 화학제품 등 각분야의 기초소재를 필요로하기 때문에 기초소재산업에 대한 후방관련효과가 크고, 전자부품 및 전자 응용기기를 포함한 모든 전자기기의 생산에 필요한 원재료, 즉 중간재로 사용되기 때문에 전방관련효과도 큰 것으로 평가되고 있다. 그밖의 파인세 라믹스는 국내 관련산업인 전자부품이나 기기산업의 규모와 성장세에 따라 내수기반을 확보하여 내수충족형으로 정착될 수 있고, 장치산업적인 성격이 강하고 경제단위생산성이 크므로 내수만으로는 이익의 확보가 어려워 수출시장이 필요하고 원재료의 수입의존도가 높은 산업이다. 파인 세라믹스는 우리나라의 전략산업인 항공?우주, 자동차, 자동화기기, 가전, 반도체 산업 등에 필수적인 소재로써 고부가가치적이고 기술 집약적인 첨단 산업지향적 구조로의 전환을 위해서는 육성이 불가피한 산업이다.파인 세라믹스는 재래산업에 기술파급 및 응용으로 방대한 시장창출력을 보유하고 있으며 핵심기술확보, 원가절감, 생산성향상 등 향후 타산업의 국제 경쟁력을 결정짓는 주요인으로 작용할 것으로 전망된다.또한 파인세라믹스는 타산업과의 관련 효과가 큰 것으로 평가되고 있는데, 전자부품을 구성하는 핵심부품의 70~80%가 파인 세라믹스이고 내마모, 내열, 고강도 등의 특성이 우수하여 기계분야의 핵심소재로 부각되고 있으며 원자력, 에너지, 정보통신, 항공?우주, 해양개발, 생체 및 의료산업 등 첨단산업기술과 차세대 산업기술의 핵심재료로 중요한 산업적 위치를 지킬 것으로 보인다. 한편, 파인 세라믹스는 선진국의 기술보호정책으로 국내 자체개발이 불가피하나, 투자 리스크가 크기 때문에 선진각국이 전략산업으로 육성중에 있고, 선진국의 제품세대 교체후 덤핑 공세로 경쟁력 확보가 어려운 실정이며, 투자의 회수기간이 길고 기술개발의 속도가 빠르다는 특성으로 인해 연구개발에 많은 어려움을 안고 있다.파인 세라믹스의 용도와 기능을 보면, 크게 전자세라믹스와 구조용 세라믹스로 나눌 수 있다. 앞으로는 생체용 세라믹스, 초전도세라믹내열성, 내식성, 경질성, 절연성, 전열성, 투광성 등의 모든 특성을 살린 것이다. 이와 같이 파인 세라믹스는 세라믹스가 지니는 내열성, 내식성, 경질성은 물론이고, 물질 본래가 지니는 뛰어난 기능도 겸비한 것이다. 이를 위해선 고순도로서 미립의 원료, 정말한 성형법, 세심한 열처리법, 잘 제어된 정밀한 구조가 필요하다.1.기능에 의한 파인 세라믹스의 분류가. 일렉트로닉 세라믹스물질의 전자기적 기능은 절연성, 도전성, 압전성, 반도성, 자성, 유전성으로 크게 나눌 수 있다. 일렉트로닉 세라믹스는 이와 같은 기능을 이용하여 전자 부품 등에 응용되고 있는 세라믹의 총칭이며, 기능성 세라믹스의 중심적 존재이다. 절연성은 주로 회로기판에 응용되고 있고, 재질은 알루미나가 많이 쓰이고 있다. 특히 고열 전도성이 필요한 영역에서는 BeO, SiC, AIN이 사용된다. 도전성은 저항 발열체 등에 응용되며 SiC, MoSi₂, ZrO₂가 대표적인 물질이다. 압전성에서는 Pb(Zr촵Ti)O₃, LiTaO₃, SiNbO₃ 등이 각종 필터, 압전부저, 표면파 디바이스터 등에 사용되고 있다. 반도성을 이용한 디바이스는 산화아연계 바리스터가 대표적이다. 자성은 자기 헤드, 트랜스, 코일 등에 이용되고 있다.나. 엔지니어링 세라믹스(구조용 세라믹)열적 기능, 기계적 기능, 내부식적 기능다. 바이오 세라믹스(생체 세라믹)생체적합 기능, 기계적 기능▶ 일렉트로닉 세라믹의 기능에 따른 종류 및 설명1. 압전 세라믹스힘을 가하면 전압을 발생하고, 전압을 가하면 힘을 발샐하는 성질을 갖는 세라믹스를 말한다. 최초의 압전 세라믹스는 티탄산 바륨(BaTio3) 이지만 이것은 온도에 대한 결정형, 유전성 및 압전성의 물리정수가 크게 변화하기 때문에 고주파 진동자로 실용화되지 못하였다. 그러나 1995년 미국의 Jaffe 가 페로브스카이트형 결정구조인 티탄산납과 지르콘산납의 거의 중간조성으로 이루어진 Pb(Zr Ti)O3의 PZT 압전세라믹스를 발견한 후 광범위하게 활용되고 있다. PZT 세라믹스는 로 변환시키는 변환 효율의 향상 등, 성능이 개선된다면 응용범위의 확대가 기대된다. 아몰퍼스 반도체는 태양전지의 전극 재료와 장파장 에너지 흡수제로 사용되고 있다. 또 제조 코스트가 싸기 때문에 대면적을 필요로 하는 소자로 유리하며, 대형 박막 디스플레이 소자로서의 응용도 모색되고 있다.4. 자성 세라믹스세라믹스 자성 재료는 일반적으로 자기 이력 특성에 따라 연자성 재료 및 경자성 재료의 두 가지로 대변할 수 있으나, 그 중간적인 특성을 가진 자기 기록 재료 및 자기 광학 재료 등도 있다. 연자성 재료의 필요한 성질은 투자율이 크고 보자력은 작아야 하며, 고주파 영역에서 투자율이 낮아지지 않아야 한다. 경자성 재료는 주로 영구 자석으로 이용되므로 보자력 및 잔류자속밀도, 최대에너지적(BH)max가 큰 값을 가져야 한다.세라믹스 자성 재료는 통상 철족원소의 산화물인 페라이트를 말하며, 대부분 페리자성을 나타낸다. 페라이트를 결정 구조에 의하여 분류하면 스피넬형 페라이트, 육방정형 페라이트, 가네트형 페라이트, 페로브스카이트형 페라이트 등으로 나눌 수 있다.이들은 각종 고용체를 만들며, 고용체의 조성에 따라 성질이 틀리게 된다. Ni-Zn 페라이트, Mn-Zn 페라이트 등의 스피넬형 페라이트는 연자성 재료에 속하며, Ba-페라이트, Sr-페라이트 등의 육방정형 페라이트는 경자성 재료에 속한다.(1)자기적 특성치① 자장강도(H, Magnetic Field Intensity)코일에 전류를 통하면 전자의 회전운동으로 생기는 것이 자장강도이다.H(ampere-turn/m = 0.01257 Oersted)는 단위 코일 길이당 전류가 클수록, 코일을 감은 횟수가 많을수록 크다.Hc(corecive force)② 자속밀도 또는 자기감응강도(B, Magnetic Flux Density)자장 내에 있는 물질이 자장의 영향을 받아 나타내는 내부 자장의 밀도 크기가 자속밀도이다.B(Tesla)는 당연히 H에 비례한다.③ 투자율(μ, Permeability)자장 내에 있는 물질이 자장

공학/기술| 2004.12.21| 18페이지| 1,000원| 조회(801)

세라믹스, 기계공학, 신소재, 일렉트로닉 세라믹스

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[기계공학 유체실험]외부유동실험

1. 실험목적외부유동은 유체 내에서의 어떤 물체의 움직임에 대해서 다루는데 이것 역시 실생활에서 많이 활용 된다 유체의 운동을 나타내는 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에, 한정된 경우 외에는 해석적인 해를 구하기 힘들다. 예들 들어 자동차나 항공기가 공기 중을 운동할 때 그 주위의 유동정보를 해석적으로 상세히 구할 수가 없다. 이때 실험적인 방법으로 물체 주위의 유동정보를 구하고자 할 때 풍동실험을 수행한다.본 실험에서는 자동차스포일러 주위의 압력과 속도분포를 구하고, 항력을 추에 의한 측정법을 적용하여, 원기둥의 각도 변환에 따른 항력을 측정하고, 후류에서 속도분포에 의한 측정을 하여 비교한다.2. 관련이론2-1. 물체 둘레의 유체 흐름속도가 일정한 유체흐름 속에 물체가 있을 때, 물체 주위의 유체 흐름을 고찰해 보자.균일한 유체흐름 속에 놓인 물체 둘레의 유체흐름은, 유체의 점성 때문에 물체 표면에 접하여 일어나는 속도변화가 현저한 얇은 유체층 즉, 경계층과 이 층 밖의 속도변화가 완만한 영역으로 나눌 수 있다. 흐름방향으로 압력기울기가 어느 정도 이상이 되면, 경계층은 물체 표면으로부터 떨어져서 박리가 일어나고 물체 주위의 유체흐름의 양상은 급변하게 된다. 이와 같은 물체 둘레의 유체흐름을 다소 상세히 검토하기 위하여 균일한 유체흐름 속에 놓여진 원주(圓柱) 주위의 유체흐름을 나타내어 보자.2-1-1. 완전유체의 흐름우선, 점성도 압축성도 없는 완전유체의 흐름에 대하여 생각해 보자.그림 1은 원주 주위의 흐름을 보여준다. 상류 a로부터 흐름은 원주표면이 b에서는 정체되고 따라서, 속도는 0이 된다. 다시, 표면 b에서는 흐름이 상하로 분리되어 c를 거쳐서 d에서 다시 합류되고, 하류 e의 방향으로 흘러간다. 이 때, b 및 d를 정체점이라 하고 그곳에서 압력을 p, 원주의 영향을 받지 않는 상류측의 위치에서의 압력을 p∞, 유속을 V라 하면이 된다.2-1-2. 점성유체의 흐름이 경우 원주 표면에 접하여 경계층이 생기고 더욱이, 유체흐름은 후방으로 박리를 의의 점(각 θ)의 유속은 식 (5)와 마찬가지로이다. 다음에 그림 14(b)와 같이 그 원주를 축의 둘레로 각속도 ω로 회전시키면, 원주 표면의 유체는 점성 때문에 원주에 부착하여 주속도 u=aω로서 운동한다(혹은 원주 둘레로 유체의 순환흐름이 있는 것으로 생각해도 좋다). 따라서 평행흐름 속에서 회전하고 있는 원주가 놓여진 때의 유체흐름은 그림 (c)와 같이 되며, 원주 표면의 유체속도는로 된다. 평행흐름의 압력을 p1 원주표면의 임의의 점의 압력을 p로 하고 베르누이의 정리를 적용하면(9)이 된다.따라서, 원주 표면의 미소면적 adθ(단위폭)에 작용하는 압력(p-p0)에 의한 힘(p-p0)adθ의 y방향 성분 {-(p-p0)adθsinθ}를 원주 표면 전체에 대하여 적분하면, 원주(단위길이)에 작용하는 양력이 다음과 같이 된다.====(10)그런데, 그림 16과 같이 임의의 폐곡선 S상의 임의의 점에서의 유속을 V라 하고, 그 점에 있어서의 폐곡선의 방향과 속도 V사이의 각을 θ로 한 경우(11)에 의해 정의되는 Γ를, 그 폐곡선 둘레의 순환이라 한다. 따라서 그림 14 (b)의 원주 표면을 따른 순환은로 되고, 이것을 식 (10)에 대입하면(12)로 된다.윗식은 회전원주를 예로서 설명하였지만, 일반적으로 평행흐름의 유체속에 놓여진 임의의 물체 둘레의 순환이 Γ인 경우(그림 16 참조), 그 물체에 작용하는 양력은 항상식 (12)로 표시된다. 이것을 쿠타-쥬코스키의 식이라 한다. 야구, 테니스 등 공에 회전운동을 주어서 던지는 경우에, 공이 휘는 현상은 앞서 이야기한 양력에 의한 것이다.2-5. 추에 의한 항력측정< Fig. 9.17 flow around car spoiler >위의 그림에서는 여러 가지 풍동을 보여 주고 있다.흡입형 풍동(suction type wind tunnel)은 난류강도를 낮추기가 어렵고, 시험 부분(testing section)이 대기압 이하로 떨어지므로 외부로부터 덕트 내로 공기가 유입되기 쉽다는 결점이 있다. 송출형 풍동(b지 지니고 있다. RoeM 수치기법은 Roe의 수치기법이 지니고 있던 충격파 불안정성을 근본적으로 제거하여 초음속 영역 및 극초음속 영역의 문제를 해결함에 있어 정확성을 보장해줄 수 있는 수치기법이다. AUSMPW+/M-AUSMPW+ 기법과 마찬가지로 접촉 불연속면을 정확히 표현할 수 있으며 Roe의 수치기법과 달리 총 엔탈피를 보존하도록 개발되었다.이러한 정확하고 강건한 수치 기법의 개발은 설계 및 유동 해석 결과의 신뢰성을 보장해 줄 수 있다. 본 연구실에서는 이렇게 개발된 수치 기법을 기반으로 유동 해석자를 꾸준히 향상시키고 있으며 아울러 발사체 주위 유동, 아크히터 내부 유동 등 다양한 응용 과제에 적용하고 있다.2-9-2. 고 엔탈피 유동극초음속 유동장에서는 강한 충격파 이후에 유동의 온도 상승과 경계층 내의 점성 소산으로 인해 물체 표면 근처에서 높은 엔탈피 유동이 만들어진다. 높은 엔탈피 유동으로 인한 공력가열 현상은 비행체 주위 기체의 물리적 화학적 특성을 바뀌게 한다. 비행체가 극초음속으로 비행하는 경우, 비행체가 갖는 큰 운동에너지와 높은 포텐셜 에너지로 인해, 비행체 부근의 공기는 충격파를 지나면서 온도가 상승하며, 이 유동은 물체를 따라 흐르면서 높은 온도의 층을 만든다.게다가 경계층 내의 점성소산 작용은 물체 주위의 유동의 온도를 더욱더 높인다. 이러한 고온의 기체 환경에서는 천음속이나 초음속에서 경험할 수 없는 기체 진동의 여기(vibration excitation), 기체 분자의 해리 (dissociation)와 결합에 의한 반응이 일어난다. 지구를 재진입 하는 비행체는 극초음기 보다 강한 공력가열 현상을 경험하게 되고, 비행체 주위의 기체 분자는 이온화(ionization)되어 플라즈마 층을 이룬다.플라즈마층 내의 자유 전자들은 라이오 주파수를 흡수하여 지상과의 통신두절 현상을 일으키며 높은 기체 온도는 복사에 의한 열전달이 일어나게 된다. 공력가열에 의해 높아진 비행체 표면 온도는 열에너지 형태로 기체구조표면으로 전달된다. 전달된ynamic model)을 제안하였다. 이 방법은, 직접 수치모사와 레이놀즈 평균된 Navier-Stokes 방정식 해법의 한계를 극복하고, 정밀한 해를 얻는 방법으로서 최근 활발한 연구가 이루어지고 있다.직접 수치모사 기법과 큰 에디 모사 기법은 유체 유동의 지배 방정식인 Navier-Stokes 방정식을 비정상 (unsteady), 삼차원으로 해석해야 하기 때문에 종래의 수치모사와는 비교가 되지 않을 정도의 큰 CPU와 메모리를 요구하게 된다. 그러나, 이 방법을 사용하는 경우, 난류의 시간과 공간에 따른 변화 및 유동 구조를 제대로 파악할 수 있는 큰 장점을 지니게 된다. 본 논문에서는 DNS와 LES에 대한 소개와 아울러, 이를 이용한 유동의 예측과 그 응용 분야를 다루고자 한다.2-11. 난류유동해석을 위한 DNS 기법Direct Numerical Simulation (DNS)1) No turbulence modelDNS는 난류 모델을 전혀 사용하지 않고 난류의 가장 작은 스케일인 Kolmogorov 길이 스케일보다 작게 격자의 크기를 결정하여, 비정상 삼차원 Navier-Stokes 방정식을 직접 해석하는 방법이다. 비정상, 비압축성 유동의 지배 방정식은 아래와 같다:여기서는 공간 좌표,는방향의 속도 성분,는 압력,는 Reynolds수를 나타낸다.일반적으로 DNS를 행하는 데에 있어서 수퍼컴퓨터로 약 100시간 이상의 CPU 시간이 소요되므로 식 (1), (2)를 시간에 대해 적분하는 데에 경제적인 수치해석 방법이 필수적이다. 현재, 비압축성 유동해석에 가장 많이 사용되는 방법은 속도와 압력을 분리하는 fractional step method다 (Kim & Moin 1985; Le & Moin 1991; Choi & Moin 1994; Aksellvol & Moin 1996). 많은 경우, 대류항에는 3차 정확도의 Runge-Kutta 방법을, 점성항에는 Crank-Nicolson 방법을 각각 사용하고 있다. 한편, 모서리가 존재하거나, 유동장의 급카니즘을 연구하는 데 크게 기여하고 있다 (Robinson 1991). 이와 같이 난류 구조를 파악하는 작업 그 자체가 새로운 난류 제어 기법의 아이디어를 제공해 주기도 하며, 실험적으로 바로 구현하기 힘든 새로운 난류 제어 기법의 가능성을 타진해 보는 데에도 DNS가 활발하게 적용되고 있다 (Choi et al. 1994, Lee et al. 1997). DNS의 또다른 중요한 역할은 실험적으로 측정하기 힘든 압력-변형률 상관관계 (pressure-strain correlation), 소산율 (dissipation rate) 등의 난류 통계량에 대한 상세한 데이타베이스를 제공해 주는 것이다 (Mansour et al. 1988). 이는 보다 정확한 난류 모델을 개발하는 데 귀중한 자료로 사용되고 있다.2-12. 난류유동해석을 위한 LES 기법1) Compromise between DNS and RANSLES는 난류 유동의 동적 특성을 결정하는 큰 에디는 DNS와 같이 직접 수치해석하고, 등방성 가정이 성립할 수 있는 작은 에디의 효과는 모델링을 통하여 해석함으로써 DNS의 정확도와 RANS의 효율성을 절충하고자 하는 방법이다. 현재 널리 사용되고 있는계열의 난류 모델은 난류의 평균 유동을 제외한 크고 작은 모든 에디를 모델링하므로 그 오차가 커질 수 밖에 없는 반면에, LES에서는 작은 에디만을 모델링하므로 RANS에 비해 상대적으로 정확한 예측이 가능하다.2) Isotropic turbulence난류 유동에서 작은 스케일의 에디는 등방성을 갖는 특징이 있으며, 난류 이론에 의하면 등방성 난류 (isotropic turbulence)는 에너지 스펙트럼이 파동수에 대해서에 비례하여 감소한다. Fig. 4는 여러 난류 유동장에서의 주유동 방향 속도의 에너지 스펙트럼을 보여 주는데, 대부분의 난류 유동장에 에너지 스펙트럼이에 비례하여 감소하는 등방성 난류 영역이 존재함을 알 수 있다. 등방성 난류는 비교적 모델링이 용이하므로, 대부분의 LES에서는 등방성 가정이 동

공학/기술| 2004.12.21| 41페이지| 1,500원| 조회(627)

기계공학, 유체실험, 외부유동실험

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[기계공학 유체실험]제트(분류)충돌실험 평가A+최고예요

1. 실험 목적형상이 다른 유체에 제트에 의해 작용하는 힘을 구하고 이론값과 비교한다.2. 관련 지식2-1. 분류의 정의분류란 액체가 노즐에서 속도가 느린 주위 유체중에 유출한 때의 흐름을 말한다.유출의 초기단계에서는 분류의 중심부에 속도가 고른 영역이 존재하는데 분류의 중심부와 주의 유체와의 사이에 형성되는 흐름은 자유 혼합층(free mixing layer)으로 불린다.이것은 엷은 격판으로 구분된, 속도가 다른 2개의 흐름이 격판의 후면에서 하류로 혼합할 때에 형성되는 흐름과 동일하다.2-2. 분류의 종류2-2-1. 자유 분류정지 유체중에 유출하는 분류를 자유 분류라 한다. 무한히 퍼진 정지 유체 중에 분출구에서 유체를 분출시킨 경우의 분류를 자유 분류라고 부른다. 속도 분포는 분류 단면을 통과하는 흐름이 갖는 운동량이 일정하고 압력경사가 존재하지 않는다는 등을 가정하면 경계층 방식으로 계산할 수 있다.2-2-2. 선회 분류노즐 출구의 흐름이 주방향의 속도 성분을 지날때의 분류를 선회 분류라 한다2-2-3. 환상 분류둥근 노즐에서의 분류가 환상 분류이다 노즐 출구부근에 있어서는 고리 모양으 로 분출한 분류에 의해 둘러싸인 부압력이 존재한다 이 때문에 분류는 중심으로 향해서 휘어지고 공중분류에서 실질적인 분류로 이행한다2-2-4. 국화형 분류제트 소음을 감소시키기 위해 제트 노즐을 원통형 또는 국화형으로 분류하는 수가 있 다. 노즐의 각 부분에서 분출하는 분류사이의 간섭에 의해 혼합역에서의 소음 발 생이 저하된다2-2-5. 충돌 수 분류분류와 주위 유체와의 경계가 명확하여 주위 유체로의 분류 확산이 무시 가능한 충돌 제트로서 간단한 냉각 시스템을 가지고 비등이 없는 단순 강제 대류에서 비등 영역까지 포괄할 수 있고 높은 열전달 효율을 나타내므로 고온물체 제조공정에서의 냉각과 고효율 발전기 및 미세 전자회로 등의 냉각에 이용된다.2-2-6. 벽면 분류고체벽을 따라서 유출하는 분류를 벽면 분류라 하며 벽면이 평면일 때의 2차원 및 방사상 벽면 분류가 대표적이다. 있다. 설계사의 목적으로는 분류의 궤적 ,주류중으로의 침투거리 및 주류와의 혼합을 아는 것이 필요하다.. 대향분류는 제트엔진의 에프터버너용 연료의 공급에 사용되는 경우가 있다.2-2-4. 벽면 분류벽면분류는 고체표면의 막냉각, 가열, 열적 차단등에 널리 이용되고 있다. 가스터빈 날개, 디스크 브레이크의 냉각 등도 그 예이다. 벽면 분류가 곡면 고체벽을 따라서 흐르는 공기 제트의 편향, 유리 공업에서의 주형의 냉각 등에 사용된다. 원기둥을 냉각하려면 일양류 보다도 코안다 효과를 수반하는 분류쪽이 유리하다. 측벽 부착 분류는 순유 체소자에서의 온오프 신호의 발생, 파워폴리 스크에서의 흐름의 전환에 이용된다.2-2-5. 충돌 분류충돌 분류는 유리, 제지, 제철공업 등에서의 가열, 냉각, 건조 등에 응용된다.그 이점은 동력원의 용량이 비교적 적어도 된다는 것, 유량 제어에 따른 열 및 물질 전단율의 조절이 쉽다는 것, 물체상에서 극소적으로 높은 열 및 물질 전 달률을 얻을 수 있다는 것 등이다.2-2-6. 2차원 분류2차원 분류의 응용은 에어 커튼, 워터 커튼, 항공기의 제트 풀랩등, 다방면에 걸쳐있 다. 연료, 분사와 순유체 소자에서는 2개의 분류를 어떤 각도를 가지고 충돌 시 키는 것이 이루어진다.순유체 소자에 있어서는 2개의 분류를 어떤 각도를 가지고 충돌시키는 것이 어 분류를 충돌 시켜서 주분류의 편향을 행한다.2-2-7. 기중액 분류기중액 분류는 수력 차단(hydraulic excavation)에 응용된다. 3～10MPa의 고압수를 끝까지 이끌어, 지름 15～30㎜의 노즐에서 1.5～6m 벗어난 암벽에 물분류를 대는데 이 방법을 터널굴착 및 터널 내면의 평판 마무리등에 이용할 가능성이 있다.또한 주력 재탄의 성공에 자극되어 액체(보통은 물)분류를 사용해서 금속 재료 의 절삭을 하는 방법을 개발하고 있다. 액체를 0.2～1GPa에 가압해서 지름 0. 1～수㎜의 노즐에서 수백～1000수백㎧의 속도로 분출시켜 가공물에 대고, 그때 의 충격압력 캐비테이션등의 작용이상의 출력을 발생시킬 수 있도록 제작되고 있다. 실험에 사용된 Tecquipment Co의 장치를 표시하고 있으며 위에 그림은 그 실물을 표시하는 것이다.급수관을 통해 공급되는 물은 말단에 노즐을 가진 수직관을 통해 분사토록 되어 있으며 분사된 물줄기는 금속제 평판 혹은 반구형 컵 날개를 치게 되어 있고 평판이나 컵은 그림에서와 같이 저울대에 연결되어 있다. Nozzle과 날개는 투명한 실린더 속에 들어 있으며 실린더의 바닥 부분에는 유출관이 연결되어 있어 이로부터 흘러나가는 물을 계양하여 분사되는 유량을 측정할 수 있도록 되어 있다.또한 바닥 부분에는 분사되는 물줄기가 날개를 정확하게 충격할 수 있도록 노줄을 일정한 위치에 맞추기 위한 조절용 Screw가 3개 장치되어있다.날개를 지지하는 저울 역할을 하는 것으로서 스프림을 연결되어 있고 한쪽 끝은 “ㄱ”자 모양으로 저울대 받침 점에서 기득되어 있으며 저울대 위에서 움직일수 있는 저울추가 걸려 있다. 또한 실린더의 뚜껑 외곽에 꼬리표가 붙어있어서 저울 추를 눈금의 영점에 맞추었을 때 저울대 수평 조절용 나사에 의해 저울대의 평가를 맞추며 이를 표시하도록 되어 있다.Nozzle로부터 분사되는 물줄기에 의한 충격력은 저울대의 평형을 깨뜨리게 되며 이때 저울추를 오른쪽으로 움직여 꼬리표가 원래의 평가성능을 가리키도록 함으로써 충격력의 크기를 측정하게 된다.2-6. 제트충돌의 계산식위 그림과 같이 노즐로부터 분사되는 물줄기 방향이 x축에 대해 대칭인 평판 날개에 유속가 된다고 가정하자.날개를 치기 전후의 물줄기의 고도차와 정지해 있을 때의 수두차는 아주 작으므로 이것을 무시하면 날개를 향해 x방향으로 유입하는 물줄기의 운동량의 x방향 성분은이며 날개를 떠나는 물줄기가 가지 유입하는 물줄기의 운동량은이다.역실 운동량의 원리 가속전후의 운동량의 변화률이 바로 가속력과 같음을 의미하므로.--(식1)날개로서 평판을 사용할 경우 β=90°로 가정할 수 있으므로F=한편 반구형 컵을 날개로 사용할 경우에는 β=180°로 가정할해서는, 일반적으로 적 절한 실험에 의해 구해진 계수들을 사용한다.첫 번째 근사로서, 위어평판의 상류에서의 속도분포가 균일하고 댐을 넘쳐흐르 는 물의 압력은 대기압이라고 가정하며, 또한 그림 2에 나타낸 바와 같이, 유체 는 위어 위를 수평으로 흐르고 속도 분포는 균일하지 않은 것으로 가정한다.PB = 0이므로 임의의 유선 A-B에 다른 유동에 대한 Bernoulli 방정식은 다음과 같이 된다.(식 3-1)여기서 h는 자유표면 아래 B점까지의 거리이며 위어 위의 점 B를 통과하는 유체의 시작점 A의 위치는 알지 못한다. 그러나, 수직단면(1)상의 임의의 입자가 가지는 총수두는와 같기 때문에, A의 특정된 위치는 필요하지 않고 위어평판 위의 속도는 (식 3-1)으로부터 다음과 같이 구해진다.유량은 다음식으로부터 계산될 수 있다.(식 3-2)여기서 l = l(h)는 그림 3(b)에 나타낸 바와 같이 위어에서의 수로의 미소단면 폭이다.2) 사각위어 (Rectangutar Weir)사각위어의 경우에 l은 일정하다. 삼각 혹은 원형위어와 같은 다른 종류의 위어 에서 l의 값은 h의 함수가 된다.사각위어(Rectangutar Weir)의 경우에 l = b이고, 유량은또는(식 3-3) 와 같다.(식 2-3)은 다소복잡하므로,(실제상황에서 일어난다)와 상류에서 속도가 무시할 숭 lT을 정도록 작다는 점을 이용하여 단순화할 수 있다.즉,로 하면 (식 3-3)은 기본적인 사각위어방정식으로 단순화된다.(식 3-4)위어의 수도 H는 봉우리 위에서 상류 자유표면까지의 높이이다.그러나 그림 10.24에 보이는 것과 같은 수위의 저하효과 때문에 H는 위어평판이 위치한 바로 위의 자유수면까지의 거리는 아니다. (식 3-2)를 얻기 위하여 많은 근사가 행하여졌기 때문에, 위어수두의 함수인 실제유량을 구하기 위하여 실험적으로 결정된 수정계수가 사용되어야 하며, 따라서 최종형태는(식 3-5)여기서 Cwr은 사각위어계수로서 차원해석으로부터 Cwr는 Reynolds 수 (점성효과), Weber 수 얻어질 수 있다.여기서 θ 는 V형 노치(Notch)의 각도이다. 적분을 수행한 후 상류속도를 무시하 면 다음식을 얻는다.실험적으로 결정되는 삼각위어계수 Cwt는 해석상 무시된 실제효과를 고려하기 위햐여 사용된다.(식 3-7)Cwt와 θ는 무차원이지만, Cwt의 값은 차원을 가진 위어수두 H의 함수로 주어 진다. 차원을 가진 매개변수의 사용을 권장하지는 않지만 계수로 유동에서는 흔 히 그런 매개변수들이 사용된다.-------------------삼각예봉 위어에 적용되는 기타공식------------------(가) Thomson 공식Thomson은 H=0.05～0.18의 범위에서 유량계수 Cwt=0.593로 되는 것을 제시하였다.(나) ourley-Crimp 공식Gourley와 Crimp(1915)는 이등변 삼각형 위어에 대한 실험을 통하여 다음과 같은 공식을 제안하였다.(다) Strickland 공식위어각 θ=90°일 때 Strickland는 삼각형 위어에 대한 다음과 같은 식을 제안하였다.이식의 적용범위는 다음과 같다.수로폭=4H+0.3mPW=4HH＞0.05m----------------------------------------------------------------------4) 광봉위어(Broad-crested Weir)광봉위어(Broad-crested Weir)는 개수로내에 수평봉우리를 갖는 구조물이고 봉 우리 위의 유체압력은 정수압으로 고려된다.적절한 작동을 위하여, 이 위어는 보통 0.08＜H/Lw＜0.50 의 범위로 제한되 는데, 위어 블록이 길면 (H/Lw＜0.08) 위어에 따른 수도손실은 무시할 수 없 으며, 반면에 짧은 위어블록(H/Lw＞0.50)인 경우는 위어블록에 위의 유선은 수평이 아니다.광봉위어는 어떤 단면형상에 대해서도 사용될 수 있지만, 여기서는 사각형 수로 에 대해서만 고려하기로 한다.광봉위어의 작용은 위어블록의 짧은 거리내에서 거의 균일임계유동을 얻을 수 있다는 점에 기초를 두고 있다. (만약 H/Lw＜0.08 이면,

공학/기술| 2004.12.21| 20페이지| 1,000원| 조회(2,064)

기계공학, 유체실험, 제트(분류)충돌실험

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[기계공학 유체실험]정수압 측정실험 평가A좋아요

1. 실험 목적물 속에 완전히 잠겨 있거나 부분적으로 잠겨 있는 물체의 평면에 작용하는 압력의 작용점을 결정하고 그 위치를 이론적인 결과와 비교한다.2. 관련 지식2-1. 정수압이란?분자 간에 상대적 운동이 없는 경우 유체 내에서는 전단응력이 발생하지 않으며 다만 면에 수직한 응력만이 상호 간에 반대방향으로 작용한다. 이와같은 압력(pressure)이라 하며, 취급하는 유체가 물인 경우를 정수압(hydrostatic pressure)라 한다.정수압은 물을 넣은 용기 벽 내면 또는 수중의 가상면에 항상 직각인 방향으로 작용한다. 이것은 면을 따르는 방향의 힘, 즉 전단응력이 정수 중에는 존재하지 않음을 생각하면 당연한 일이다.물 속의 임의 단면을 생각하면, 균일한 압력이 작용하는 단위면적당의 압력강도는[평면의 단면적,평면에 작용하는 전압력(힘)] ()압력강도가 균일하지 않을 경우[미소면적,에 작용하는 힘] ()정수압은 수중의 한 점에서 모든 방향으로 같은 크기를 가진다.그림물 속에 있는 미소삼각형의 수체는 지면에 대해 수직이며 미소한 면은 미소한 두께를 가진다고 가정한다.,,는 각 면에 작용하는 평균압력강도이며물의 단위 중량이다.정역학적인 평형방정식은()()그런데,,이므로,를 식 (), ()에 대입하면수체 내의 미소 삼각형의 물의 무게는 매우 미소하므로은 생략 가능하므로이다.따라서로 정수 중의 한 점에 작용하는 수압의 크기는 모든 방향으로 같은 크기를 가진다는 것을 증명했다.2-2. 정수압의 특성1. 정수 중의 정수압은 용기벽 내면, 가상면, 물체 표면에 대하여 연직으로 작용한다.2. 정수중의 임의의 한 점에 작용하는 정수압의 크기는 모든 방향에서 동일하다. 즉, 정수중 의 미소 3각주에서 힘의 평형조건을 적용하면3. 유체의 점성은 정수압에 영향을 주지 못한다.4. 정지하고 있는 유체 중에서는 수평방향으로 압력의 변화는 전혀 없으며(즉, 같은 깊이의 수압은 항상 일정), 정수압 강도는 수심에 비례하여 커진다.2-3. 정수압의 압력정지유체의 압력1) 유체의 압력은) 유체 내부의 임의 한 점에서 유체의 압력은 모든 방향에 동일 [그림(b)]3) 밀폐 용기에 가한 유체의 압력은 같은 세기로 모든 방향에 전달 [그림(c)그림정지 유체의 압력[그림(c)] 파스칼의 원리(정수압의 전달)로서외부로부터 가하는 힘을 충분히 크게 하면는 외력비하여 미소하므로 이를 무시한다. 위 식을 다시 정리하면 다음과 같다.압력은 압력의 상대적 차를 측정하는 계기압력(gage pressure)과 절대압력(absbolute pressure)가 있다.를 대기압,를 절대압력,를 계기압력이라고 하면 이들의 관계는 다음과 같다.2-4. 정수압의 크기수면으로부터 깊이인 위치에서 정수압의 크기를 구해보자.1. 점에 하나의 정점을 가진 미소육면체를 생각한다.2.방향에 대한 변의 길이를 각각라 하자.2.방향에 대한 힘의 평형조건으로부터 다음 식과 같이 된다.여기서, ω는 물의 단위중량이다.가. 평면에 작용하는 정수압의 크기정수중에 위치한 이상적인 평판에서 양측에 같은 크기의 정수압이 작용하므로, 합력은 0이다.의 위치에서 미소면적요소의방향 길이를로 하면1) 작용하는 수압는도심까지의 수심을라 하면,이므로전수압에 대한방향의 성분와방향의 성분는이것은 평면을 바닥으로 하여 수표면까지 연직수주의 무게와 같다.2) 압력의 작용점은이 평면의 도심를 통하는 수평선의 단면 2차모멘트를라 하면,따라서, 압력중심까지의 거리는나. 곡면에 작용하는 정수압의 크기정수중에 있는 하나의 곡면에 작용하는 정수압을 생각할 때 이 곡면을 미소면적로 나누어 생각한다. 각각의 미소요소를 평면이라고 볼 수 있으므로, 앞절에서 서술한 결과를 응용할 수가 있다.1)＝연직면에 투영한 EF에 작용하는 전수압(즉,)2)＝곡면(CDE)을 저면으로 하는 수면까지의 수주 무게(즉,)(투영면이 중복 되는 부분은 빼준다.)2-5. 정수압 관련이론합력의 작용점은 임의의 축에 대한 합력의 모멘트가 같은 축에 대한 분포력의 모멘트와 동일하게 되는 위치에 있어야 한다. O점에 대한 전모멘트는 다음과 같다.위 식에서는 2차모멘트라서,이고, 평행축 정리로부터이다.여기서,는 도심축 gg에 관한 관성의 단면상승적이다.,여기서, q는 balance arm에서 수면까지의 거리를 말한다.이고,이며,=이므로가 된다. 따라서 압력의 작용점 Xc는 다음 식과 같게 된다.가. 물속에 부분적으로 잠겨있는 경우 (y > d)Fig 1. Partially be submerged=이므로나. 물속에 완전히 잠겨있는 경우 (y > d)Fig 2. Perfectly be submerged3. 실험 장치4. 실험 방법가. 물 속에 부분적으로 잠겨 있는 경우1) Clamping screw를 사용하여 quadrant를 balance arm에 고정시키고 두 개의 핀 위에 이를 위치시킨다.2) 실험장치의 a, L, d, b를 측정한다.3) Bench 위에 물탱크를 올려 놓고 balance arm을 pivot에 위치시킨다.4) Balance arm의 끝에 balance pan을 건다.5) Drain cork에서 sump로 호스를 연결하고, bench feed를 탱크의윗쪽 삼각구멍에 연결시킨다.6) Adjustable feet와 spirit level을 이용해 탱크의 수평을 유지시킨다.7) Balance arm이 수평이 될 때까지 countbalance를 조절한다.8) Drain cork를 잠그고, quadrant의 바닥면에 이를 때까지물을 공급한다.9) Balance pan에 중량을 올려 놓고 balance arm이 수평이 될 때까지탱크에 천천히 물을 공급한다.10) Quadrant상의 수위를 실험결과표에 기록하고 balance pan에 중량을 더한다. 이때 수위의 정밀한 조절은 stop cork을 사용해서 감소 시키거나, 물을 공급하면서 수행한다.11) Quadrant end face의 제일 윗부분까지 수위가 도달할 때까지 중량을 증가시키면서 위의 과정들을 반복한다. 그 후에 증가시켰던 중량을 한 단계씩 감소시키면서 수위를 측정하여 실험결과표에 기록한다.나. 물 속에 완전히 잠겨 있는 경우1) Bench 위에 물탱크를 올에 위치시킨다.2) Balance arm의 끝에 balance pan을 건다.3) Drain cork에서 sump로 호스를 연결하고, bench feed를 탱크의윗쪽 삼각 구멍에 연결시킨다.4) Adjustable feet와 spirit level을 이용해 탱크의 수평을 유지시킨다.5) Balance arm이 수평이 될 때까지 countbalance를 조절한다.6) Drain cork를 잠그고, quadrant의 바닥면에 이를 때까지 물을공급한다.7) Balance pan에 중량을 올려 놓고 balance arm이 수평이 될 때까지탱크에 천천히 물을 공급한다.8) Quadrant상의 수위를 실험결과표에 기록하고 balance pan에중량을 더한다. 이 때 수위의 정밀한 조절은 stop cork을 사용해서감소시키거나, 물을 공급하면서 수행한다.9) Quadrant end face의 제일 윗부분까지 수위가 도달할 때까지중량을 증가시키면서 위의 과정들을 반복한다. 그 후에 증가시켰던중량을 한 단계씩 감소시키면서 수위를 측정하여 실험결과표에기록한다.5. 결과실험은 오차를 줄이기 위해 3번씩 측정하였으며 그 값의 평균값을 취했다.가. 물 속에 부분적으로 잠겨 있는 경우질량(g)y수위(m)Xc(m)모멘트()작용힘(N)()500.0490.1880.13230.7150.002401416.4931000.0690.1810.26461.4620.004761210.0341500.0850.1760.36962.2550.007225138.4082000.0990.1710.52923.0950.009801102.03050g 일때 계산과정을 한 예로 들면★ 작용 높이(m) :★ 모멘트(Nm) :★ 작용힘(N) :★:★() :나. 물 속에 완전히 잠겨 있는 경우질량(g)y수위(m)Xc(m)모멘트()작용힘(N)()2500.1120.1670.66153.9610.01254479.7193000.1250.1620.79384.9000.01562564.0003500.1380.1580.92615.8610.019005846.8730.02280143.858다. 도심()과 작용점()의 관계피봇으로부터 지면의 방향을방향이라고 할 때.- 도심()의 위치 :(고정 값)- 힘의 작용점() 구하기여기서은 다음과 같이 쓸 수 있으므로결과적으로 힘의 작용점은 다음과 같다.이 그래프를 통하여 힘의 작용점()은 도심()보다 항상 아래쪽에 있다는 것을 알 수 있다.6. 결론위 그래프로 알 수 있듯이 수위가 높아짐에 따라 작용하중이 늘어나는 것을 알 수 있다.또은 y가 커짐에 따라 반비례하는 것을 알 수 있다.그런데 여기서 주목해야 할 것은는 정수압을 받는 물체가 유체 속에 완전히 잠긴 경우가 아니라 부분적으로 잠겨 있을 때를 기준으로 만들어진 식 이라는 것이다.그렇기 때문에이 커짐에 따라 수면과 모멘트에 영향을 끼치는 정수압을 받는 부분의 거리가 멀어지면서 오차도 크게 발생하게 된다는 것을 참고해야 한다.7. 소감물의 높이에 따라 작용하중을 구할 수 있다는 것은 예를 들어 댐 설계 시 구조물의 받는 하중으로부터 얼마를 견딜 수 있는 하중으로 설계 되어야 하는지를 알고 재질이나 구조설계 등을 할 수 있는 기초 이론일 것이다. 이번 실험을 통해 가장 흥미 있었던 것은 99년도 정도에 하천 이름은 잘 기억나지 않지만 자연환경으로 보존할 가치 있는 하천에 댐 건설한다는 기사를 접한 기억이 떠올랐는데 그때당시 문제가 되었던 것은 환경파괴의 이유도 있었지만 댐이 건설되어 수중에 잠기게 되는 산 한쪽 부분에 동굴이 많아 문제점이 된다고 들었던 기억이 떠올랐다. 지금 이 보고서를 작성하며 유체역학 관련 서적이나 건축에 관련된 서적, 인터넷 사이트에서 찿아 보면서 그때 당시는 잘 몰랐는데 사실을 알 수 있었는데 이런 수중동굴에 받는 하중을 잘 계산 못하면 수압을 견디지 못해 붕괴 할 수도 있다는 것이다. 이 댐 건설 계획에서 수심 몇 미터이상 되면 붕괴한다는 전문가의 말이 이번 실험을 통해 우리가 하고 있는 이런 작은 실험들이 어떻게 보면 아무것도 아니게 생각할 수 있지만 이런 옛 기사를 통해 왠지 모를 이었다.

공학/기술| 2004.12.21| 15페이지| 1,000원| 조회(1,653)

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[기계공학 유체실험]회전식 점도계 측정실험 평가A좋아요

1. 실험 목적본 실험에서는 회전형 점도계(con & plate viscometer)를 이용하여 유체의 점성계수를 구하는 방법과 그 사용법을 숙지하는데 실험의 목적이 있다. 회전형 점도계는 평판상에 원추의 회전속도로 인하여 발생하는 토크로 유체의 점성력을 측정하게 된다.2. 관련 지식2-1. 점도란?물을 용기에 따를 때는 줄줄 잘 흘러내리지만 물엿이나 꿀은 끈적거려서 잘 흘러내리지 않는다. 이 때 액체의 끈기를 점성이라고 하며 점성은 액체 뿐만 아니라 비록 적지만 기체에도 있는데 이것은 유체 특유의 성질이다. 즉, 기체가 들어있는 두 부위를 약한 압력으로 누르면 변형하지만 누르는 힘을 빼면 원상 복귀하는 성질을 지닌다. 이상유체가 아닌 모든 실제유체 는 점성이라는 성질을 가지며, 점성은 유체 흐름에 저항하는 값의 크기로 측정된다. 단위 면적당의 힘의 크기로서 점성의 점도를 나타낸다.※ Viscosity Coefficient에 영향을 미치는 인자와 이유? 기체의 점성은 온도가 증가하면 같이 증가.? 액체의 경우에는 온도가 상승하면 점성은 감소하고, 반대로 온도가 하 강하면 점성은 증가한다.-이런 이유는, 기체의 주된 점성 원인이 분자 상호간에 운동이지만, 액체는 분자간의 응집력이 점성을 크게 좌우하기 때문이다.※ Newton의 법칙과 점도유체가 관 또는 두 평판사이와 같은 밀폐된 공간을 흐를 때 유체의 평균 속도는 유량을 유체가흐르는 유로의 단면적으로 나눈 값이 된다.(유량/면적=유속)그러나 유체의 속도는 관이나 판의 표면으로부터의 거리에 따라 변하며 실험결과에 의하면 유동하는 유체에 작용하는 힘(F)는 속도차(Δu, m/s)와 면적(A, m2)에 비례하고 거리(Δy, m)에 반비례하는 것을 알 수 있다. 이것을 Newton의 점도법칙이라 하며 다음 식으로 나타낼 수 있다.여기서 비례상수에 해당하는 μ를 점성계수 또는 절대점성계수(absolute viscosity)라 한다. 점성계수의 차원은 다음과 같다.만약 Δy가 영에 수렴할 경우 식은 다음과 같은 미분식으로25 ℃, 30 ℃, 35 ℃로 변화시켜 온도에 따른 점도를 구한다.유의사항1. 대상 액체의 점도는 여러번 관찰하여야 한다.2. 동일한 시료의 측정된 시간이 서로 1 % 범위내에 들어 야 한다.3. 시료액체의 부피와 기준액체의 부피는 동일 하여야 한다.4. 여러번 측정된 점도의 값의 그래프상 기울기와 arrhenius 식의 관계로 값을 내어야 한다.2-3. 시료인 윤활유의 일반적 성질?비중(Specific Gravity)윤활유의 비중은 성능을 결정 짓는 데 있어서 적접 관계되는 중요한 요소는 아니나, 규정의 오일인가를 파악하는데 유용하다.점도(Viscosity)점도는 윤활유의 물리화학적 성질 중 가장 기본이 되는 성질중의하나로서 점도의 의미는 액체가 유동할 때 나타나는 내부 저항을말한다. 기계 윤활에 있어서 기계의 조건이 동일하다면마찰손실, 마찰열, 기계적 효율이 점도로서 결정된다.점도지수 (Viscosity Index)점도는 온도가 상승하면 점도는 떨어지고 반대로 온도가 떨어지면점도는 커진다. 이와같이 온도에 따른 점도의 변화관계를 지수로나타낸 것이 점도지수이고, 점도지수는 paraffine계가 풍부한미국의 Pennsylvania산 오일을 점도지수 100으로하고,Naphthene계가 풍부한 미국의 Gulf Coast산 오일을 점도지수0으로 하여 다른 오일의 점도지수를 이것과 비교하여 나타낸 것이다.유동점 (Pour Point)윤활유의 온도를 낮추면 유동성을 잃어 마침내는 응고되고 만다.윤활유가 이와같이 유동성을 잃기 직전의 온도를 유동점이라고하며 유동점은 윤활유의 급유와 관계가 깊다.인화점(Flash Point)석유제품은 모두 그들의 온도에 상당하는 증기압을 갖기 때문에 이들은어느 온도까지 가열하게 되면 증기가 발생하게 되고 그 증기는 공기와의혼합가스가 되어 인화성물질로 변한다. 이때 혼합가스에 외부로부터불꽃을 접근시키면 순간적으로 인화되어 발생증기가 소멸된다.이때의 온도를 인화점이라고 한다.석유제품에서 인화점을 대단히 중요하다.그것은 인화의 위험을 표시하는접 촉면적당 단위 유막 두께의 단위 전단력을 유지시키는 1 g 의 힘을 나 타낸다. Poise는 실제 목적을 위해서는 상당히 큰 단위이며, 1/100인 Centipoise 가 주로 사용된다. 점도계에서 오일의 상단(Oil Head)은 조절된다. 결과적으로 고밀도의 오일은 같은 절대 점도의 저밀도 오일 보다 오리피스 통과가 빠를 것이다. 점도의 다른 표현으로 밀도를 고 려하는 동점도가 있는데 사실상 절대 점도를 밀도로 나누면 된다. 동 일한 동점도의 오일들은 점도계의 오리피스를 동일한 속도로 흐르게 된다. 동점도의 단위는 m2/sec 혹은 mm2/sec 인데 엔진 윤활유를 위해 항상 일정 온도에서 측정된다.개략적인 점도 변화표나. 점도 분류가장 널리 쓰이는 분류 시스템은 SAE(미국 자동차 엔지니어 협회) 에서 만들어진 것이다. SAE 점도 등급에는 두가지 시리즈가 있는데 겨울의 온도조건에 맞춰진 W 자가 붙은 것과 W 자가 없는 것이 있 다. W등급은 2가지시험 방법으로 측정되는 cold Cranking Simulator 의 하나와 경계 펌핑온도를 산출하기 위한 펌핑시험이 있다. Cold Cranking Simulator는 Centipoise 로 점도를 나타내나 W 등급은 100 도에서 Centipoise로 측정된 최저 점도 요구사항을 추가로 만족시켜 야 한다. W 가 없는 등급은, 점도가 100℃ 에서의 Centistokes로 나 타나게 되나 W 등급에 적용되는 Test의 요구사항은 없다. 주로 다급 점도로 표시되는 다급점도 등급 오일은 W 등급중 하나의 규격내에 100℃에서의 점도를 가져야 한다. 예를 들면 10W 와 30등급을 만족 시키는 오일은 SAE 10W/30오일로 불린다. 다급점도 오일은 대개 130~140의 높은 점도지수를 가지며 종래의 점도지수가 100 이나 그 이하인 오일보다 온도에 따른 점도변화가 작다. 미국시험 및 재료 협 회 (ASTM)는 40℃와 10℃ 에서 Centistokes로 측정된 점도에 기준하 여 오일 (엔진오일포함)의 점도지을 놓고 건조제를 유지하며, 점도계의 관 개부구에 고무 관 등으로 접속할 수 있는 것.5). 시험의준비가). 점도계의 세척시험에서 사용한 점도계는, 시료를 녹이는 적당한 용제로 수회 씻은 다 음, 휘밠성의 용제로 충분히 씻는다. 계속하여, 거른 건조공기를 점도계 내에 2분간, 또는 용제가 완전히 없어질 때까지 통하여 건조한다.세척제를 사용해도 제거가 곤란한 시료 (가령 실리콘유, 폴로로카아본 등) 를 사용하는 점도계는 이 들의 전용으로서 가끔 교정하여야 한다.나). 시험온도의 설정시험온도에 따라 적당한 용액을 항온조에 넣고, 액면을 점도계의 상부 시료 저장구의 웟쪽 20mm이상이 되도록 조절한다.참고 표시험온도℃용액의종 류비 고15이하메 타 올에 탄 올물용액의 사용구분은 다음과 같이 하면 좋다.- 25℃ 이하 ----- 메탄올- 25 ~ 5℃ ----- 에탄올5 ~ 15℃ ----- 물15를 초과 100이하물1) 물은 증류수 또는 탈이온수의 쪽이 변질하지 않고, 수돗물은 변질하기 쉬우므로 사용하지 않는 것이좋다.2) 90 ~ 100℃의 시험온도에 대하여는 글리세 린, 에틸렌글리콜 등의 수용성 물질과 물과의 혼합액을 사용하면 좋다. 단 이 혼합액은 물 에 비하여 금속에 대한 부식성이 크다.3) 100℃의 시험온도에 대하여는 점도가 적고 , 담색의 광유를 물 대신으로 사용하면 좋다.100을 초과할때광 유광유는 점도가 적고, 담색의 것 (가령 유동파라 핀, 텅어빈유 등이 적당하다.)다). 시료의 준비① 시료는 균일한 액상으로 먼지, 고형물, 물 등이 포함되지 않았음을 확인한다. 혹시 먼지 및 고형물이 혼입하고 있는 경우에는 체눈 75㎛의 철망으로 거른다. 또한 수분이 현탁하고 있는 경우에는 거름 종이로 거르고 , 원심 분리 등의 적당한 방법으로 제거한다.② 아스팔렌을 많이 포함하는 윤활유, 고정동점 중유, 고점도 중유 및 왁스분이 많은 시료의 동점도는 열이력의 영향을 받을 수가 있음므 로 95℃ 이하의 온도로 시험할 경우에는 다음의 예열조작을 하여야 한다. 다만 열작을 때에는가 된다, 단 속도변화는 거리 a에서이다. 원판면적에 대하여 적분하고,으로 대치하면,이 된다. 원판과 원관에 의한 회전응률은 비틀림줄의 회전능률 T와 같아야 하므로 식과에서,이 된다. 이 식에서 μ이외의 양들은 모두 알고 있으므로 μ가 측량된다.Brookfield점도계(회전형점도계)Brookfield점도계는 회전형 점도계로서 시료속에 담긴 spindle을 일정한 속도로 회전시킬 때 발생하는 torque를 측정하여 점도값으로 환산시키며 이러한 회전형 점도계의 장점으로는?Spindle이 회전하여 연속적으로 점도를 측정하므로 장시간에 걸쳐 측정하거나 시간에 따라 점도가 변하는 물질의 점도 측정에 유용하다.?시료용액의 shear rate(rotation of spindle, RPM)를 일정하게 유지실킬 수 있으므로 뉴톤유체와 비뉴톤 유체의 측정에 모두 유용하다.?Spindle의 회전속도를 변경시켜줄 수 있으므로 비뉴톤 유체의 경우 shear rate의 변화에 따른 점도값의 변화를 측정할 수 있다.2-7. 현장이나 연구소등에서 회전형 점도계 실제 실험시 제기되는 문제점 및 해결책질문1. 부룩필드 점도계를 사용하여 일정온도 일정용기에서의 점도를 측정 하는데 측정시 torque가 10-100%에 존재하고 100에 가까울수록 점 도가 신빙성이 있다고 하는데 서로 다른 원액을 비교 할 때 torgue의 차이에 따라 점도가 차이가 많은데 이런 경우는 어떻게 처리하나?-------->일반적으로 회전형 점도계는 토오크 범위가 30-80% 에 들어 오도록 실린더를 선택하여 측정하도록 추천하고 있읍니다. 토오크 범위가 너무 낮던지 너무 높으면 사전 교정된 토크센서가 지시하는 값이 부 정확할 수 있다. 따라서 지시치가 극단에 치우치지 않도록 하여 측 정한다.두 번째 각 개별측정 데이터가 동일한 그리고 정확히 유지되는 온도 에서 측정된 것인지 확인 할 것. 온도가 증가하면 액체의 점도는 기하급수 적으로 증가하고, 고분자의 경우 약 20도 차이이면 두배의 값을 나타내는 것 이다.한다.

공학/기술| 2004.12.21| 30페이지| 1,000원| 조회(3,313)

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