본문내용
1. 실험 목적과 이론적 배경
1.1. 레이놀즈 수와 유동 양상
1.1.1. 레이놀즈 수의 정의 및 의미
레이놀즈 수는 유체 흐름에서 관성력과 점성력의 비를 나타내는 무차원 수로, 유체 흐름 양상을 결정하는 중요한 지표이다. 레이놀즈 수는 다음과 같이 정의된다:
Re = ρuL / η
여기서 ρ는 유체의 밀도, u는 유체의 평균 유속, L은 특성 길이(파이프의 직경 등), η는 유체의 동점성 계수이다.
레이놀즈 수가 작은 경우, 유체 흐름은 점성력이 지배적이므로 층류(laminar flow)를 이루게 된다. 즉 유체 입자들이 일정한 흐름선을 따라 규칙적으로 움직이게 된다. 반면 레이놀즈 수가 크면 관성력이 지배적이므로 유체 입자들이 불규칙적으로 섞이는 난류(turbulent flow) 상태가 된다.
일반적으로 레이놀즈 수 2,000 이하에서는 층류, 4,000 이상에서는 난류가 나타나며, 2,000과 4,000 사이의 구간을 천이 영역(transition region)이라 한다. 이 영역에서는 유체 흐름의 상태가 불안정하여 층류에서 난류로 변화한다.
레이놀즈 수는 유체 공학 분야에서 매우 중요한 무차원 수로 활용된다. 파이프 내 압력 강하, 열전달 계수, 마찰 계수 등을 예측하는데 사용되며, 유체 기계 설계 시 중요한 지표로 고려된다.
1.1.2. 층류와 난류의 특징
층류는 흐트러짐 없이 일정하고 규칙적으로 흐르는 유동 양상이다. 층류에서는 유체 속의 섞임이 거의 발생하지 않으며, 파이프 벽에 평행하게 움직인다. 층류는 Poiseuille 식이 성립하는 영역에서 일어나며, 이 식에 따르면 압력강하가 부피유량의 1승에 비례한다.
난류는 불규칙하게 움직이면서 서로 섞이는 유동 양상이다. 난류에서는 한 점의 속도 크기와 방향이 계속해서 변하므로 흐름이 잔잔하더라도 소용돌이가 생긴다. 대부분의 유체는 난류이지만 물체 표면이나 점성이 큰 유체가 좁은 수로를 천천히 흐르는 경우에는 층류가 나타난다. 난류의 대표적인 예로는 송유관 내 기름 흐름, 용암 흐름, 기류 및 해류 등이 있다.
1.1.3. 천이유동과 한계유속
천이유동은 층류에서 난류로 바뀌어가는 중간 지점의 유동이다. 층류에서 난류로 바뀌어가는 중간형태의 유동으로, 난류나 층류 범주에 넣을 수 없는 특성이 있는 유동을 의미한다.
천이유동 영역에서는 유체의 흐름이 불안정하고 불규칙한 모습을 보인다. 이 구간에서는 층류와 난류가 공존하며 유동이 매우 복잡한 양상을 나타낸다. 천이유동은 유체의 유속이나 관 내경, 점성, 밀도 등에 따라 결정되며, 일반적으로 레이놀즈 수가 2,000~4,000 사이에 해당한다.
천이유동 영역에서의 유동 상태는 매우 불안정하기 때문에 공학적으로 피해야 할 영역이다. 층류에서 난류로의 전이가 일어나는 한계유속은 유체와 시스템의 특성에 따라 달라지며, 이를 정확히 파악하는 것이 중요하다. 따라서 실험을 통해 천이유동과 한계유속을 확인하고 이해하는 것이 필요하다.
1.2. 유체의 점도 측정
1.2.1. Cone & Plate 점도계의 원리
Cone & Plate 점도계의 원리는 다음과 같다.
Cone & Plate 점도계는 유체의 점도를 측정하는 대표적인 장치로, 유체 사이의 전단 응력과 전단 속도의 관계를 통해 점도를 구하는 방식이다. 이 장치는 고정된 평판(Plate) 위에 일정한 각도로 경사진 원추형 부분(Cone)이 회전하도록 되어 있다. 유체 시료를 Cone과 Plate 사이에 넣으면 Cone의 회전에 의해 유체에 전단력이 가해지게 된다. 이때 Cone과 Plate 사이의 각도 β는 매우 작은데, 이는 전단 응력과 전단 속도 사이의 관계를 단순화시켜 점도 측정의 정확성을 높이기 위함이다.
전단 응력 τ와 전단 속도
1.2.2. Newtonian 유체와 Non-Newtonian 유체
Newtonian 유체와 Non-Newtonian 유체는 유체의 물리적 특성에 따라 구분되는 개념이다. Newtonian 유체는 전단 응력과 전단 속도의 관계가 선형적이며, 온도나 압력 등 외부 조건 변화에도 유체의 점도가 일정한 특성을 가지고 있다. 즉, 전단 속도에 관계없이 점도가 일정한 유체이다. 대표적인 Newtonian 유체로는 물, 에틸렌 글리콜과 같은 단순 용매가 있다.
반면 Non-Newtonian 유체는 전단 응력과 전단 속도의 관계가 선형적이지 않으며, 점도가 전단 속도에 따라 변화하는 특성을 나타낸다. 예를 들어 전단 속도가 빨라질수록 점도가 감소하는 Pseudo-plastic 유체, 전단 속도가 증가함에 따라 점도가 증가하는 Dilatant 유체, 특정 전단 응력 이상에서 유체가 흐르기 시작하는 Bingham 유체 등이 Non-Newtonian 유체에 해당한다. Non-Newtonian 유체는 주로 고분자 용액, 현탁액, 페이스트 등 복잡한 구조의 유체에서 나타난다.
이번 실험에서는 Newtonian 유체인 에틸렌 글리콜과 Non-Newtonian 유체인 자단검 용액의 점도 특성을 비교 분석하였다. 에틸렌 글리콜의 경우 전단 속도 증가에 따른 점도 변화가 미미한 반면, 자단검 용액은 전단 속도가 증가할수록 점도가 크게 감소하는 Pseudo-plastic 특성을 보였다. 또한 전단 응력과 전단 속도의 관계에서도 에틸렌 글리콜은 선형적인 반면, 자단검 용액은 비선형적인 경향을 나타내었다.
이처럼 Newtonian 유체와 Non-Newtonian 유체는 점도 및 유동 특성에서 뚜렷한 차이를 보이며, 이는 유체의 분자 구조와 밀접한 관련이 있다. Newtonian 유체는 단순한 분자 구조를 가지고 있어 외부 조건 변화에도 점도가 일정하게 유지되지만, Non-Newtonian 유체는 복잡한 고분자 구조로 인해 전단 속도에 따라 분자 배열이 달라져 점도 변화가 나타나는 것이다.
이러한 N...
