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1. 유체 마찰손실 측정 실험
1.1. 실험 목적 및 개요
실험의 목적 및 개요는 다음과 같다.
관수로에 유체가 흐를 때 발생하는 마찰손실을 측정하고 분석하는 것이 이번 실험의 핵심 목적이다. 관내를 흐르는 유체는 관 표면과의 마찰로 인해 기계적 에너지가 손실되며, 관부속품이나 밸브류 등의 유로변화로 인해서도 에너지 손실이 발생한다. 본 실험에서는 이러한 주손실과 부손실을 관찰하고 측정하여 마찰계수를 구하고자 한다.
구체적으로 실험에서는 ① 직선관 내 유체마찰손실, ② 관 이음쇠에 의한 마찰손실, ③ 밸브류에 의한 마찰손실, ④ 유량측정장치에 의한 마찰손실 등을 측정하고 분석하고자 한다. 이를 통해 관내 유체 흐름에서 발생하는 다양한 종류의 압력손실과 에너지 소비에 대한 이해를 높이고자 한다.
1.2. 직선관 내 유체마찰손실
1.2.1. 이론 및 실험 원리
유체가 직선 관내를 통해 흐를 때 발생하는 표면마찰손실(h_fs)은 다음 식을 사용하여 계산할 수 있다""
h_fs = {2τ_w L} over {ρr_w} = {ΔP_s} over {ρ} = {4fL} over {D} {_bar{V}^2} over {2} = {2f_bar{V}^2 L} over {D}
여기서,
- f는 Fanning 마찰계수로, f = {2τ_w} over {ρ_bar{V}^2}
- L은 측정한 관의 길이(m)
- D는 관의 직경(m)
- _bar{V}는 유체의 평균 속도(m/s)
Fanning 마찰계수 f는 레이놀즈수 Re 값에 따라 결정되며, 마찰계수 선도(Moody diagram)에서 주어진다.
유체가 관내를 흐를 때, 벽면과의 마찰로 인해 기계적 에너지가 손실되는데 이를 마찰손실이라 한다. 직선 관내에서의 마찰손실은 관의 길이, 관 표면의 거칠기, 유체의 속도 등에 따라 달라진다.
1.2.2. 실험 결과 및 분석
직선관 내 유체마찰손실에 대한 실험 결과를 살펴보면, 유량이 증가함에 따라 압력강하(TRIANGLE P)가 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있다. 유량 5 L/min, 7.5 L/min, 15 L/min일 때 각각 압력강하가 1.34 kPa, 3 kPa, 5.95 kPa로 측정되었다.
이를 통해 유체 유속이 증가하면 관 내 표면마찰에 의한 에너지 손실, 즉 마찰손실이 커진다는 것을 알 수 있다. 실험에서 측정된 유속은 0.265 m/s, 0.398 m/s, 0.796 m/s이며, 이에 따른 레이놀즈수는 각각 5.3×103, 7.96×103, 16.0×103으로 나타났다.
레이놀즈수가 증가함에 따라 마찰계수 f가 감소하는 경향을 보였는데, 이는 층류구간에서 난류구간으로 접어들면서 발생하는 현상이다. 층류구간에서는 레이놀즈수에 반비례하여 마찰계수가 결정되나, 난류구간에서는 관 벽면의 거칠기 등 다른 요인들의 영향을 받기 때문이다.
한편, 계산한 마찰손실수두(TRIANGLE h1)와 실제 측정한 마찰손실수두(TRIANGLE h2)를 비교해보면, 실제 측정값이 계산값보다 훨씬 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 ...
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