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1. 서론
1.1. 파이프유동의 개념과 의의
파이프유동은 파이프 내부를 통과하는 유체의 흐름을 의미한다. 유체가 파이프를 통과할 때 발생하는 다양한 현상을 파악하고 분석하는 것이 파이프유동의 주요 개념이다. 이를 통해 파이프 시스템의 유동 특성을 이해하고 설계에 반영할 수 있다. 파이프유동은 실생활에서 다양한 산업 및 공학 분야에서 중요한 역할을 한다. 열교환기, 화학공정, 발전소 등의 시스템에서 유체 이송과 관련된 파이프유동의 이해와 분석은 시스템 설계와 성능 향상을 위한 필수적인 요소이다. 또한 수자원 관리, 건축설비, 자동차 등의 분야에서도 파이프유동에 대한 이해가 중요하다. 따라서 파이프유동에 대한 연구와 실험은 다양한 산업 분야의 발전을 위해 매우 중요하다고 할 수 있다.
1.2. 실험 목적
파이프유동 실험의 목적은 급확대, 급축소, 엘보우 형상의 파이프 내부 손실을 계산할 수 있고, 실험을 통해 손실 계수(K) 값을 도출하여 이러한 손실들이 어떠한 영향으로 발생하는지를 알 수 있다.
파이프 내에서 유체가 흐를 때, 모든 유체는 점성을 가지고 있기에 유동 중에 관내에 마찰하여 손실이 발생하게 된다. 이번 실험은 이때 일어나는 유동손실에 중점을 두고, 두께가 어떠한 관을 지나갈 때 유동손실이 얼마나 발생하게 되고, 관의 거칠기가 유동손실에 얼마나 영향을 끼치는지 알아보는 것이다.
유량, 압력 강하, 수두 손실 등의 용어를 정의하고, 에너지 방정식과 Darcy-Weisbash 공식을 설명하여 관 직경이 파이프 유동에 미치는 영향을 이해한다. 또한 관 마찰손실계수와 레이놀즈수의 관계를 설명하여 실험에 적용한다.
급확대, 급축소, 엘보우 실험에서는 단면적의 변화에 따른 유체 속도 변화로 인한 에너지 손실을 확인하고, 각 경우의 이론적 손실 계수와 실험 결과를 비교 분석한다. 이를 통해 파이프유동 실험의 실용적 의의를 도출한다.
1.3. 실험 이론 및 원리
유체의 흐름 중 마찰과 압력손실은 반드시 고려해야 하는 중요한 요소이다. 파이프 내부를 흐르는 유체는 점성을 가지고 있어 관벽과 마찰하면서 에너지 손실이 발생한다. 이번 실험에서는 이러한 유동 손실에 초점을 맞추어, 파이프 형상이 어떠할 때 손실이 얼마나 발생하는지 알아보고자 한다.
유동 손실은 압력강하와 필연적인 관계가 있는데, 이때의 압력강하가 손실에 어떠한 영향을 끼치는지 실험을 통해 확인할 수 있다. 유량은 단면적과 유속의 곱으로 표현되지만, 실제로는 여러 가지 손실로 인해 유속이 감소하여 유량이 감소하게 된다. 압력강하는 유체의 흐름 경로에서 압력이 감소하는 현상을 의미하며, 불가역적인 손실로는 갑작스러운 확대, 축소, 구부러짐 등의 형상손실이 존재한다.
수두손실은 마찰손실과 그 밖의 미소손실들의 합으로, 유속이나 마찰 등에 의해 발생하는 난류로 인해 수두나 압력 또는 에너지를 잃게 되는 현상이다. 마찰손실은 파이프의 길이, 형상, 재질 등에 의해 발생하며, 미소손실은 유입손실, 유출손실, 굴곡손실, 확대손실, 밸브 등에 의해 발생한다.
에너지 방정식은 p1, p2는 각 점에서의 압력, V1, V2는 각 점에서의 속도, Z1, Z2는 각 점의 위치, ρg는 밀도와 중력가속도의 곱으로 표현된다. 파이프 유동에서 지름의 변화는 Darc...
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