고려대학교 기계공학실험II 관마찰실험 결과 보고서

목차

1. 결론 및 고찰
A. Darcy Weisbach equation에 대하여 기술하시오.
B. 직관 손실실험 : 관경에 따른 마찰 수두손실 비교 및 고찰
C. 부속품 손실실험 : 밸브에 따른 손실계수, 비교 및 고찰
D. Gate valve, Globe valve, Ball valve의 특성조사
E. 오차 및 원인 분석
F. 본 실험에서 배운 이론과 관련된 기기에 대한 설계 개선 방안을 제안하시오.
G. 벤츄리 유량계의 수두차를 이용해 계산된 유량과 유량계를 통해 측정된 유량 값의 비교

본문내용

1. 결론 및 고찰
A. Darcy Weisbach equation에 대하여 기술하시오.

이상유체가 아닌 유체의 유동에서는 점성효과 때문에 관 내벽에서 에너지 손실이 발생하게 되는데 이러한 손실을 마찰로 인해 발생하는 주손실이라 하며 이는 Darcy-Weisbach공식을 적용하여 구할 수 있다. 난류유동의 경우 내벽의 거칠기로 인한 영향 또한 고려해야한다.

관내 유동의 경우 입구를 통해 들어온 유동이 어느 정도 흐르다가 벽면에서 발달한 경계층이 관 중심까지 성장하게 되면 완전한 점성유동을 하게 되고, 더 이상 속도형상에 변화가 없을 때 유동이 완전 발달되었다고 한다. 관 내벽에서의 마찰로 인해 발생한 손실을 구하기 위해 원형 파이프 내의 완전발달 유동을 분석해보고자 한다.
파이프 유동에서 에너지 방정식을 통해 마찰수두를 표현하면 다음과 같다.

< 중 략 >

관경이 증가함에 따라 수두손실은 증가하는 경향을 보였고, 이는 앞서 알아본 Darcy-Weisbach식에서 수두손실과 관경이 반비례 관계에 있다는 사실과 일치하는 것을 확인할 수 있다.

마찰계수의 이론값과 실험을 통해 구한 마찰계수의 실험값을 비교하기 위해 유량계로 측정한 유량을 관 단면적으로 나누어 유속을 구하고 이를 이용해 레이놀즈수를 구한다. Moody Chart에서 부드러운 관이라고 가정하여 관 치수별로 마찰계수의 이론값을 구할 수 있다. 실험값의 경우 측정된 수두손실, 관 치수, 유속을 Darcy-Weisbach식에 대입하여 구할 수 있고, 그 결과 1.00“에서의 결과를 제외하고 관 직경이 감소함에 따라 마찰계수 역시 감소하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

추가로 실험 데이터를 이용해 구한 레이놀즈수를 통해 관내 유동의 형태가 모두 난류임을 알 수 있고, 레이놀즈수가 9000~20000정도이므로 다양한 마찰계수 실험식들 중 이번 실험조건에 가장 적합한 식인 Weisbach식을 이용한 값을 함께 비교해보고자 한다.

참고 자료

https://www.pipeflow.co.uk/
http://www.biosystems.okstate.edu/
https://www.princeton.edu/
Robert W. Fox, Fluid Mechanics, Ninth Edition, John Wiley & Sons
F.M. White, Fluid Mechanics, Seventh Edition, McGraw-Hill
M.M. Denn, Process Fluid Mechanics, Prentice-Hall