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제트 유동의 운동량 변화와의 관계 고찰

실험 계획서과 목담 당 교 수 님학 과실 험 일 자작 성 자작 성 일학 번제 출 일Title : Spring - 공기를 저울에 각각 분사시킬때 그 크기에 따른 충격력을 측정하고 공기 유동의 운동량 변화와의 관계를 고찰1.실험 목적: 공기제트를 저울표면에 분사시킬 경우 발생하는 충격력과 거리에 따른 제트유 동의 운동량 변화와의 관계 고찰2.실험 장치1) 제트 파이프 직경 : 16 mm2) 유량 : 20 ~ 190 LPM3) 실험실 온도 : 20c4) 공기 밀도 : 1.2㎏/㎥.5) 파이프 높이(저울로부터) : 1, 3, 5cm3.기초 이론※ 무마찰 운동Berloulli의 법칙으로 높이에 따른 유체의 운동량을 계산한다.※뉴튼의 제 2법칙외부에서 유체에 가해지는 힘은 유체 운동량의 시간당 변화율과 동일하다.※ 선형운동량 Reynolds 이동정리4. 실험방법(1) 실험실 온도를 측정(2) 실험장치의 수평을 맞춤(3) 영점을 맞춤(4) 압축공기 공급용 밸브를 염(5) 유량계에 부착된 밸브를 이용해 유량 조절(6) 변화되 유량에 따른 질량 측정(7) 파이프 높이를 변화시키며 실험 반복5. 실험결과(1) F-V의 관계 그래프를 그리고 추세선 삽입을 이용하여 관계식을 구하라.파이프직경:0.016(m)단면적:0.0002(㎡)온도:20(℃)밀도:1.2(Kg/㎥)(1L=0.001㎥,,)※이론값이론치이론치유량(LPM)유량(㎥/s)유속(m/s)충격량(F)200.0003333331.6666666670.000666667300.00052.50.0015400.0006666673.3333333330.002666667500.0008333334.1666666670.004166667600.00150.006700.0011666675.8333333330.008166667800.0013333336.6666666670.010666667900.00157.50.01351000.0016666678.3333333330.0166666671100.0018333339.1666666670.0201666671200.0071500.002512.50.03751600.00266666713.333333330.0426666671700.00283333314.166666670.0481666671800.003150.0541900.00316666715.833333330.060166667※ 실험값1cm3cm5cm유량(㎥/s)유속(m/s)저울값(kg)충격량(F)저울값(kg)충격량(F)저울값(kg)충격량(F)0.0003333331.6666666670.080.7850.10.9810.090.880.00052.50.21.9620.242.3540.262.550.0006666673.3333333330.393.8260.43.9240.454.410.0008333334.1666666670.575.5920.646.2780.646.280.00150.898.7310.929.0250.888.630.0011666675.8333333331.1711.481.2512.261.22120.0013333336.6666666671.5415.111.6315.991.53150.00157.52.0219.821.9819.421.9919.50.0016666678.3333333332.5124.622.4724.232.45240.0018333339.1666666672.9128.552.8928.352.85280.002103.4934.243.4333.653.3833.20.00216666710.833333334.1240.424.1340.524.0940.10.00233333311.666666674.7846.894.746.114.7246.30.002512.55.6255.135.5354.255.5554.40.00266666713.333333336.4563.276.3562.296.3362.10.00283333314.166666677.2370.937.1169.757.24710.003158.3882.218.1880.258.0178.60.00316666715.833333339.8296.339.7795.849.6594.7(2) (1)의 결과를 이용하여 이론식과 비알 수가 있다.첫 번째 그래프의 충격력은만을 계산하여 나타낸 그래프이며, 나머지 4개그래프의 충격력은 저울로 측정한 질량(m)에 중력가속도(g)를 곱해서 나타낸 데이터를 이용하여 그린 그래프이다. 이는 차원 해석을 통해서 동차임을 알 수 있다.이론식단위차원차원해석[][]A[]실험식단워차원차원해석m[M][][]그러나 이론과 실험의 측정데이터가 약간의 차이가 있음을 그래프나 데이터를 통해 알 수있는데 실험에서는 유량이 80LPM이하 에서는 충격력이 거의 측정되지 않았다.이는 실험과정에서 측정하지 못한 요소들 또는 무시 되어진 부분이 있기 때문이라고예상된다. 그 이유로는첫째, 공기 일부분의 소실이다. 저울과 파이프의 간격이 멀어짐에 따라 충격력이 조금감소함을 알 수 있으며, 이론data와 비교해도 측정치가 작음을 알 수 있다.질량 보존 법칙에 있어, 또는이를 만족하여야 하나 그렇지 못함을 예상 할 수 있다. 공기가 파이프 입구를 나와서저울에 닿는 과정에서 옆으로 소산되거나, 저울의 넓이가 작아서 파이프에서 나오는 공기의 일부분이저 울의 전면에 닿지 않고, 소실되기 때문이라고 예상된다.또, 유량이 증가함에 따라 저울의 초기 평형상태의 오차와 유량계의 미묘한 눈금차이등이 있겠다.다음으로는 높이 차이에 의한 중력에 의한 힘이 무시 된 경우를 들 수 있다.Bernoulli Eq에서Bernoulli Eq. 으로부터가 유도가 된다.이는 이론치의 충격력에 높이 차이에 의한 충격력이 합해져서 충격력이 더욱 커져야 하나 그렇지못함을 알 수 있는데, 이는 앞에서 언급한 것과 같이 공기 일부분의 소실과 높이 차이에 의한 힘이실험에서 충격력에 아무런 영향을 미치지 못함을 예상 할 수 있다.6. 레귤레이터, 필터, 오일러의 역할 및 작동원리를 설명하라.1. 레귤레이터작동원리가스의 공급압력이 극히 제한된 영역에서 고압에서 중압으로 저압으로 감압하여 사용기구에 맞는 적당한 압력으로 감압하여 공급하기 위하여 사용되는 것이 정압기 이며 1차압력 및 부하유량의 변동에 관계없이 2차 압력을 일정한 차압력을 다양한 유량에서 자동적으로 유지시켜 준다.(1) Diaphragm(감지부)하류측 압력을 감지하기 위해 쓰이는 감지요소의 종류는 브르돈관(Bourdon tubes),벨로우(Bellows) 및 Diaphragm 등이 있다. 이 중에서 가장 보편적으로 쓰이는 것은 Diaphragm이다.직동식 정압기의 Diaphragm 상부는 부하요소로 작용하고 하부는 감지요소로 작용한다.(2) 제어부가스의 흐름을 제어하기 위한 제어부의 형태는 Single port valve, Double port valve, Out valve, In valve 등이 있다.제어부의 유로 면적은 배관쪽보다 좁으므로 유속이 빨라지게 된다. 유속의 증가란 운동에너지의 증가이므로 이에 상응되는 위치에너지가 감소하게 되어 압력 강하를 야기 시킨다.가스의 유속이 감소됨에 따라 압력이 어느 정도 증가하는데 이를 압력회복(Pressure recovery)이라 한다..제어부의 유속은 음속까지 도달할 수 있고 이 경우 유량은 출구측 압력에 상관없이 증가하지 않는데 이를 임계 유량이라 한다. 또한 이때의 제어부 압력강하를 임계압력강하라 한다.임계유량은 유속이 음속에 도달 시 입구측과 교축부(Venacontracta)사이의 압력차에 의해 결정된다. 이 때 교축부의 압력은 하류측 배관내의 압력보다 낮다.(3) 부하부 (스프링식)스프링은 정압기 제어부의 위치조정에 가장 많이 쓰이고 있으며 그림 5에서 나타난 것처럼 간결하고 유량 변화에 대한 응답속도가 매우 빠르다. 즉 스프링은 힘을 가함에 따라 일정범위 내에서 신축이 용이함으로 넓은 범위의 압력 조절이 가능하다.2. 필터Air filter1. Air Filter의 개요Filter란 어떠한 유체(Air, Oil, Fuel, Water, 기타)를일정한 시간내에 일정한 용량을 일정한 크기의 입자 로 통과시키는 시기를 말하며, 특히 대기중에 존재하는 분진을제거해 필요에 맞는 청정한 공기를 만들 어 내는 것이 Air Filter 이다2. Air Filter의 특징1. 무방있다3. 난연성으로 화재의 위험이 없다.4. 재생가능하여 장기간 사용할 수 있으므로 경제적이다.5. 습도가 변화하여도 형상을 유지한다6. 최대 2m 폭까지 생산가능하고 규격조절이 가능핟.7. 환기용, 공기조절기용, 자동차공장의 도장 Booth용, 각 제조산업의 공장공조용, 소형에어콘용 등 광범위한 사용이 가능하다4. Air Filter의 집진원리Air Filter의 제거원리는 여과식, 침전식, 정전식, 충돌점착식, 차단확산식 등 여러가지 방법이 있으나 일반적으로 정전식, 여과식, 충돌점착식의 3가지 방식으로 분류한다.(1) 정전식공기중의 먼지를 전기적으로 흡착 제거하기도 하고 고압에 의한 멸균작용, Gas 분자의 파괴에 의한 냄새제거 등 현재 Air Filter중에서는 이론적으로나 구조적으로 가장 우수한 Filter중 하나이다.담배연기, 먼지등 초미립 먼지까지도 제거하는 고효율, 고포집율을 얻을 수 있다.초기투자비는 높으나 유지와 관리면에서 매우 경제적이며, 세계적으로 가장 많이 사용하는 추세이다.(2) 건식여과식무수하게 작은 구멍이 있는 Glass Fiber여재를 이용해서 공기를 통과시켜 먼지를 제거한다.최근에는 Air Filter 의 구조및 여재가 눈부시게 발전되어 왔다.(3) 충돌점착식점착제를 바른 금속판에 먼지가 함유되어 있는 공기를 충돌시킴으로서 먼지를 기계적으로 분리시켜 Oil tank에 포착되도록 하는 방식. 먼지보유용량이 높으며 대용량 공기청정에 적합하다.Air Filter의 포집이론Air Filter는 공간율이 높은 섬유층이기 때문에 입자는 Filter내의 1올 섬유로 부터 주로 아래와 같은 4가지의 효과로서 포집된다.▶ 관성효과 (Inertia)공기의 흐름을 타고 섬유에 접근한 입자는 자신의 관성에 의해 기류로부터 벗어나 Filter의 섬유에 충돌되어 포집되어 진다 입경·여과속도가 클때 이 효과가 나타난다▶ 확산효과 (Brownial Diffusion)작은 입자는 공기의 흐름과 관계없이 Brown 운동을 하고 있다. 따라서 기류를 타고 여지사

공학/기술| 2009.06.16| 8페이지| 1,000원| 조회(295)

유체역학실험, 브르돈관, 압력회복, 부하유량, 공급압력

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플라스틱신을 이용한 압축 모사 실험

실험 결과 보고서목 차1. 실험목적......... 32. 문헌조사....3 ~ 53. 실험과정 및 방법............... 54. 실험 결과. 5 ~ 95. 결과분석.10 ~ 12자료출저1. 실험목적.- 플라스틱신을 이용한 압축 모사 실험을 통하여, 소재의 압축 거동을 살펴보고, 이를 CAE(CAMPform2D) 프로그램을 이용하여 소재의 마찰에 변화에 따른 거동의 변화를 살펴본다.그리고 이를 실제 실험과 비교 분석함에 있다.2. 문헌조사.◎ 압축시험압축시험은 재료가 압축력을 받을 경우 어느 정도 저항력을 나타내는 가를 측정하는 시험으로, 구조물의 설계, 압연, 단조 등 많은 공정이 압축력을 받는 상태에서 수행되는 압축력에 대한 물성값을 측정을 위해 아주 중요하며, 보통 재료의 변형저항이나 파괴강도 ,압축강도, 비례한도, 항복점, 탄성계수 등을 구하기 위해 압축실험을 하게 된다. 주로 주철, 베어링 합금(BEARING METAL), 연화, 콘크리트, 목재 ,타일, 플라스틱, 경질고무 등 내압에 사용되는 재료 즉, 무른 재료의 압축파괴강도의 판정(금속의 소성가공의 판정)에 사용하며, 하중이 반대로 작용하는 것을 제외하고는 인장실험과 많은 유사한 점을 가진다. 그리고 일반적으로 압축강도는 취성재료를 시험하였을 때 잘 나타나게 되며, 연성재료의 경우에는 재료가 파괴를 일으키지 않으므로 압축강도를 구하기가 힘들다. 그래서 편의상 시편에 주편이 생길 때 즉, 균열이 발생하는 응력으로써 압축강도를 취급하는 경우도 있다.압축력은 크랙을 짓누르는 작용을 하기 때문에 현저히 여린 재료의 항복점을 구하는 데는 인장시험보다 압축시험이 바람직하다. 연성재료에서는 하중측과 45도를 이루는 면에서 최대전단응의 경우로써 압축응력은 같은 재료의 인장항복응력과 거의 같게 나타나고 탄성계수도 거의 같게 나타난다. 그 외 특별한 이방성을 가진 재료나 바우싱거 효과가 있는 재료에서는 인장과 압축에서의 항복점이 다르게 나타난다.압축실험에서 가압판(상판)과의 마찰력 때문에 변형력이 구속되어지는데, 이는 시험편 각 부의 변형량이 불균일하게 되고, 이에 따라 진응력을 구하기 어렵게 된다. 이것을 피하기 위해 단면직경에 비해 충분히 큰 높이의 시험편을 사용하며, 실제로 압축탄성률이나 압축응력을 구하는데 키가 큰 시험편을 사용한다. 그러나 압축시험에 필요한 시험편의 길이와 단면적과의 비는 시험결과에 중요한 영향을 미치게 된다. 단면적에 비교하여 길이가 지나치게 길면 가한 하중이 재료를 압축하는 힘이 되지 않고 재료를 굽혀 파괴되는 현상을 초래하고 이와 반대로 너무 짧을 때에는 실제 압축력이 표시되지 않는다. 그리고 연성이 풍부한 재료에는 하중의 증가에 따라 단면적이 증대하여 파단 시킬 수 없는 경우가 생길수도 있다.일반적으로 연강은 압축탄성한계가 인장시험의 결과와 거의 일치하기 때문에 보통 압축시험을 잘 행하지 않는다.◎ 상사성 이론(모사 실험)모델재료와 실제재료 사이에 물리적으로 유사한 성질을 지닌다는 이론으로 만일 기하학적으로 유사한 재료가 어떤 물리적인 조건이나 경계조건, 열적조건 사이에서 변형이 같은 스케일로 발생되어 진다면, 두 재료는 상사 조건을 이룬다고 할 수 있으며 만약 완전히 같게 된다면 이는 완전상사라고 할 수 있다. 그러나 변형하는 동안 열의 전도, 복사등을 포함하는 열적상사를 이루는 것을 극히 어려우므로, 대부분의 공학문제에서는 근사적인 해로도 충분하기 때문에 실재재료와 모델 재료 사이에 근사상사방법은 타당한 것으로 보고 있다.◎ 플라스티신..플라스티신은 기름과 혼합된 소상용 점토의 일종으로 상온에서 변형률 속도 민감도 값이 작은 가공 경화재이다. 기계적 성질은 시효, 온도 및 수분의 함량에 따라 달라지는 것으로 알려져 있으나 일반적으로, 동적인 성질이 고온의 사실험을 할 때 가장 널리 쓰이는 재료이다.비용이 저렴하고, 무독성이기 때문에 손쉬운 사용이 가능하며, 작은 하중만으로도 성형이 가능하기 때문에 가공시간의 단축과 실제 금형재료를 사용하여 제작할 필요가 없기때문에 .금형제작비용 절감이라는 장점이 있다. 또한 여러 가지 색깔로 시편을 제작할 수 있기 때문에 재료의 유동을 쉽게 관찰 할 수 있기 때문에 최근 금속의 소성변형의 가시화법 재료로 사용되고 있으며, 클레이메이션, 모형제작 등 여러 분야에 쓰이고 있다.플라스티신의 화학성분은 제조사마다 다른 것으로 알려져 있으나 탄화칼슘을 주성분으로 하며 광물유, 탄산마그네슘, 염료 등을 섞어서 만든 점토계통의 물질로써 물에 불용성이며, 온도에 큰 영향을 받고 있다. 또한 어떤 형태로든 시편 제작이 쉽고 색깔이 다양하므로 관찰이 용이하며 실험장비의 용량은 작아지게 된다.일반적으로 오일 계통의 성분을 50%이상 함유하고 있어 변형 특성상 온도에 매우 민감하므로 실험할 때는 온도를 일정하게 유지시켜야 한다.모사실험에서 윤활제를 사용하지 않을 경우에는 0.7~1.0사이의 마찰계수를 갖게 되므로 일반적으로 모사실험에서는 윤활제를 사용하게 되며, 일반적으로 플라스티신에 사용되는 윤활제는 다음과 같다.Lubricants마찰 계수telfon & vaseline0.08 ~ 0.15tissue0.20 ~ 0.35wrapping paper0.01 ~ 0.17baby powder0.05 ~ 0.75molybdenum disulfide & telfon0.12 ~ 0.15calcium carbonate & liquid soap mixed glycerine & talc0.40 ~ 0.50윤활제의 종류와 마찰계수종 류값Specific gravity1,920kg/m3Specific heat0.24 Kcal/kg℃Thermal conductivity06.Kcal/mh℃HardnessHB 15(24°)Young's modulus675,000 lbs/sq ( 475kg/mm21)Poisson's ratio0 sensitivity0.06°플라스티신의 물성치◎ CAMPformKAIST 전산자료성형 연구실에서 개발된 소성가공 공정 해석 프로그램으로써 역학적, 수치적 해석방법을 단조공정에 적용한 소성 유한요소 해석 프로그램이다. 실제 소성 가공공정 설계에 유익한 정보 제공 및 해석과정의 편의성 가져다주는 프로그램이다.전처리 모듈-해석 및 공정조건 설정, 금형 및 소재 관련, 데이터 입력, 해석 관련 값 설정, 격자 재구성 설정 조건, 출력 데이터 선정해석 모듈-해석 모듈 제어, 유한 요소 해석, 격자 재구성, 데이터 변환후처리 모듈-응력성분, 유효응력, 변형률성분, 유효변형률, 속도장, 온도, 금형마모, 연성파괴, 격자 및 금형 형상, 하중-변위선도, 소재 유동 선도, 동영상, 금형 마모량, 탄성 변형 해석.3. 실험과정 및 방법.◎ 압축실험1. 노란색과 검정색 플라스티신을 소형압연기를 이용하여 압연압연속도 조절 중요(끊어지거나 가운데 홀이 생김, 압연기 청결 유지)2. 적층 제작형틀에 윤활제 충분히 바름(파우더 활용)3. 두가지색의 플라스틱신을 번갈아가며 적층 재작.(12층), 프레스에 압축하중을 가해 플라스틱신을 적당히 압축, 분리4. 적층 시편의 높이를 측정.5. 소형프레스를 이용하여 시편을 압축.(2조 연합, 1/3가량, 다른 한조는 1/2가량 압축)6. 압축한 시편의 높이를 측정.◎ CAE해석.1. 새 작업을 할 파일을 생성.2. 해석조건을 설정.(비압축성, 냉간(상온), 단공정, 축대칭)3. 공정 조건 설정을 설정한다.(시간증분은 0.25, die stroke - 공정 완료 조건)5. 금형 속도를 입력을 입력.(- 1mm/sec)6. 금형소재의 물성치을 입력,(마찰 계수=0.0~1.0사이를 입력)7. 소재 형상 입력 및 격자생성. ( 반지름= 17.5mm(대칭조건),높이=35mm mash size=3).8. 소재의 물성치 입력을 입력( K= 275MPa, n=0.262, m=0.0)9. 축대칭 공정의 구속경계조건을 부여10. 해석에 필요한 변수 설정(디폴트값를 분석.-압축실험 매뉴얼 참조4. 실험 결과(CAE해석 결과).마찰계수변형형상 및 stress응력-변형율 선도f=0f=0.1f=0.2f=0.3f=0.4f=0.5f=0.6f=0.7f=0.8f=0.9f= 1마찰계수변형형상 및 stress응력-변형율 선도f=0f=0.1f=0.2f=0.3f=0.4f=0.5f=0.6f=0.7f=0.8f=0.9f= 15. 결과분석초기시편(h=34.5,d=35)실험시편시편1시편2높이 변화-13.5mm-21mm직경변화아래,위+5mm+12mm가운데+11mm+17mm높이 변형률0.3910.609직경변형률윗면기준0.1430.343중간기준0.3140.486푸아송 비윗면기준0.3660.562중간기준0.8030.798(시편1)-실험 사진과 CAE해석(시편2)-실험 사진과 CAE해석실험 결론위의 표에서 알 수 있듯이 일반적으로 베이비파우더의 경우 마찰계수가 0.05~0.75사이라고 조사결과에 나왔고, 실험에서도 베이비파우더를 충분히 시편에 발라줬다고 생각했다. 그러나 CAE해석 결과에서 볼 수 있듯이.약1/2압축, 1/3압축 모두 마찰계수 0.8부분에서 변형이 가장 유사하게 나타났으며, 이는 파우더가 압축금형과 시편사이에서 원래가지고 있던 윤활제 역할을 충분히 하지 못했다고 생각한다. 그리고 둘 모두 비슷한 마찰계수에서 변형형상이 나왔다는 것은 실험과정에서 시편의 옆면에 파우더를 바름으로써 생긴 현상이라고 생각한다. 일반적으로 변형이 많이 일어나게 되면 내부에서 밀려나온 시편이 금형과 접하는 부분에 닿게 되고, 그렇기 때문에 마찰계수가 다르게 나와야 하지만 실험 과정에서의 작은 실수 때문에 이러한 현상이 발생되었다고 생각 되어진다.이 넓어져 마찰이 더 커진 것으로 판단되어진다. 응력과 변형률은 압축한 모서리 부분과 중앙부분에서 가장 크게 나타남을 알수있는데 이는 응력-변형률 maximum 분포가 시편 내부에서 X자 모양으로 분포됨을 알 수 있고 이는 연성재료에서 45°각도로 응력분포가 나타난다고 하는 문헌 조사와 일치함을 알 수 있다. 만약 시편의 재된다.

공학/기술| 2009.06.16| 14페이지| 1,000원| 조회(376)

고체역학, 기계공학 실험, 바우싱거, 인장항복응력

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