레이놀즈 수 실험

목차

2. 목적 Objective
3. 요지 Summary
4. 이론 Theory
5. 시약, 기구, 장치 Reagents, Instruments, Apparatus
6. 실험 방법 및 과정 Experimental Procedure
7. 계산 Calculation
8. 결과 및 고찰 Results and Discussion
9. 인용문헌 References

본문내용

2. 목적 Objective

Reynolds 실험 장치를 이용하여 관을 통과하는 유체의 흐름 모양을 시각적으로 관찰하여 층류인지 난류인지 전이영역인지를 파악한다. 또한 각 영역에서 평균 유속의 측정으로부터 Reynolds 수를 계산한다.

3. 요지 Summary
Reynolds 수를 계산하고 기존의 f-NRe 그래프와 비교함으로써 Reynolds 수와 흐름형태(층류, 난류, 전이영역)의 상관관계를 연구한다.

4. 이론 Theory
유체의 속도가 작을때는 유체는 측방혼합(lateral mixing)없이 흐르는데 이를 층류 (larminar flow)라 한다. 반면에 속도가 증가하면 측방혼합이 일어나서 소용돌이(eddy)가 생성되는데 이를 난류(turbulence flow)라 한다. 층류와 난류사이의 영역에서의 흐름 상태를 전이영역 흐름 상태라고 한다.
유체의 흐름형태는 레이놀즈 실험 장치를 이용하여 육안으로 관찰할 수 있다. 즉, 관속을 흐르는 물속에 액체물감(잉크)을 가늘게 흘려보내면, 층류 영역에서는 물감줄기가 흐름에 따라 흩어지지 않고 흐르지만 유속이 증가하여 임계속도(critical velocity)에 도달하면 물감의 줄기가 파형이 되고 점차 흩어져서 관내 단면 전체에 퍼져서 난류흐름상태가 된다. 이와같은 실험기법을 flow visualization이라고 한다.
일정온도와 압력에서 전단응력과 전단율에 대해서 선형관계로 표현되는 뉴턴 유체(Newtonian fluid)에 대한 흐름형태는 레이놀즈 수로서 표현할 수 있다. 그러나 비유턴 유체(non-Newtonian fluid)는 전단율(rate of shear)과 무관한 단일 점도값을 가지지 않으므로 뉴턴 유체에서 정의된 레이놀즈 수를 적용할 수가 없다.

4-1 뉴톤 유체에서 레이놀즈 수와 흐름형태의 상관성
레이놀즈는 유체의 흐름이 한 형태에서 다른 형태로 바뀌는 조건을 레이놀즈 수(NRe)와 관련시켰다. 즉, 층류가 난류로 바뀌기 시작하는 임계속도는 튜브의 지름, 액체의 점도, 밀도 및 평균 유속 등 4가지 변수에 의하여 좌우되었다. 이와같은 네가지 변수를 하나의 군으로 조합하여 레이놀즈 수는 아래와 같이 정의되며 유체의 관성력(inertia force)과 점성력(viscous force)의 비를 나타낸다.

참고 자료

실험유체역학 / 모양우 / 보문당 / 2000
Full development of the flow occurs as the flow enters the pipe, the boundary layer thickens and then stabilises after several diameters distance into the pipe.
15. J.P Holman Heat transfer, McGraw-Hill, 2002, p.207
Fundamentals of momentum, heat, and mass transfer, 5 edition, Welty, Wicks, Wilson, Rorrer, Wiley, p174~180