화학공학실험 결과보고서 와류

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화학공학실험 결과보고서 와류

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이번실험은 정지하고 있는 원통 속의 유체를 일정 각속도로 회전시킬 때 유체 유동을 관측해보는 것으로 이와 같은 경우의 유동현상을 강제와류라 일컫는다.
중심에서 2cm 간격으로 유체의 높이를 측정한 결과 40rpm에 비해 60rpm 경우 최대높이가 크게 나타났다. 반면 최저높이는 작게 나타났는데 실험값과 이론값을 그래프로 그려본 결과 유동현상을 분명히 알 수 있었다. 데이터처리에서 볼 수 있듯이 측정된 유체 표면은 포물면과 같은 형태를 이루고 있는데 이론값 역시 각속도의 제곱을 계수로 갖는 이차방정식이다.
이론값과 비교하여 약간의 오차가 있는 것을 알 수 있는데 이는 측정오차로 생각할 수 있다.
강제와류는 정의의 의해 초기의 천이기간을 거친 후 강체로써 움직이게 되는데 이 경우 아무런 변형이 없고 전단응력도 없으며 용기 내의 모든 유체입자는 동일한 각속도로 움직이게 된다. 강체는 고체와 같이 고정된 상태를 말하는데 유체인 물은 강체와 같이 움직일 뿐 엄밀히 강체는 아니다. 때문에 유체의 높이를 재는 핀이 유체 위에 닿았을 때 유체가 찌그러지면서 오차가 발생하게 된다. 핀이 유체에 닿아 유체가 흔들리는 것은 힘의 평형이 깨진 것으로 실험 그래프에서 매끄럽지 않은 부분이 바로 정상상태가 될 때까지 충분한 시간을 두지 않고 측정한 부분이라 할 수 있겠다. 자유표면에 의해 형성된 포물면의 체적계산은 각속도에 대한 높이(h)를 함수형태로 치환하여 아래의 적분식으로 계산할 수 있다.

참고 자료

1) 화학공학 유체역학 James O. Wilkes Prentice Hall p. 45~48, 420
2) 유체역학 Yunus A. Cengel / John M. Cimbala McGrawHill p.92~99