본문내용
1. 유체역학 실험
1.1. 실험 목적
이 실험의 목적은 수평 원형관의 압력 강하를 측정하여 압력 강하와 마찰 계수의 관계를 이해하고, 펌프 및 유체 수송 시스템의 설계 능력을 배양하는 것이다.
관로에서의 압력 강하와 마찰 계수에 대한 이해는 유체 수송 시스템 설계에 매우 중요한 정보가 된다. 실험을 통해 관의 마찰계수를 직접 측정하고, 이를 이론적으로 계산된 값과 비교함으로써 실험결과의 정확성을 검증할 수 있다. 또한 유량 변화에 따른 압력 강하와 마찰 계수의 관계를 살펴봄으로써 유체 수송 시스템 설계에 필요한 기본적인 지식을 습득할 수 있다.
1.2. 실험 장치 및 방법
1.2.1. 실험 장치
실험 장치는 유량계, 디지털 차압계, 디지털 오실로스코프, 수평 원형관으로 구성되어 있다.
유량계는 펌프에서 밀어낸 유체의 유량을 측정하며, 실험에서는 아날로그 방식의 유량계가 사용되었다.
디지털 차압계는 수평 원형관을 지나면서 발생한 압력 강하를 측정한다.
디지털 오실로스코프는 차압계에서 측정한 데이터를 저장한다.
수평 원형관은 압력 강하와 마찰계수를 측정하는 데 사용되며, 직경이 0.016m, 길이가 0.8m이고 재질은 Seamless stainless이다.
1.2.2. 실험 방법
차압계의 출력 단자를 디지털 오실로스코프에 연결한다.
펌프를 가동하고 주파수 조절 다이얼을 이용해 유량을 조절한다.
유량계의 눈금을 읽어 유량을 확인한다.
5~10분간 차압을 측정하고 데이터를 저장한다.
유량 측정을 통해 유체의 속도와 Reynolds 수를 계산한다.
관의 직경, 길이, 유량, 압력 강하 정보를 이용해 마찰 계수를 계산한다.
측정된 마찰계수를 상관식 값과 비교하고 Moody chart에 측정값을 표시한다.
1.3. 결과 및 토의
1.3.1. 실험 결과
실험 결과, 유량에 따른 마찰 계수를 계산한 결과는 다음과 같다.
유량이 20L/min일 때, 유속 V=1.662m/s, 레이놀즈수 Re=29720, 층류/난류 상태는 난류이다. 이 때 압력 강하는 1.976kPa, 실험을 통해 구한 마찰계수는 0.02877이다. Colebrook 식을 이용해 계산한 마찰계수는 0.02363으로, 실험값과 21.8%의 상대오차가 발생하였다.
유량이 35L/min일 때, 유속 V=2.90m/s, 레이놀즈수 Re=51920, 층류/난류 상태는 난류이다. 이 때 압력 강하는 4.899kPa, 실험을 통해 구한 마찰계수는 0.02337이다. Colebrook 식을 이용해 계산한 마찰계수는 0.02091로, 실험값과 11.8%의 상대오차가 발생하였다.
유량이 50L/min일 때, 유속 V=4.14m/s, 레이놀즈수 Re=74080, 층류/난류 상태는 난류이다. 이 때 압력 강하는 8.808kPa, 실험을 통해 구한 마찰계수는 0.02062이다. Colebrook 식을 이용해 계산한 마찰계수는 0.01946으로, 실험값과 5.96%의 상대오차가 발생하였다.
1.3.2. 결과 분석
실험 결과 분석을 보면, Colebrook 식을 이용해 예측된 마찰계수보다 실험으로 측정된 마찰계수가 다소 높게 나왔다. 특히 유량이 20L/min일 때는 20%가 넘는 오차가 발생하였다.
이러한 오차 발생의 원인으로는 첫째, 관의 거칠기 오차를 들 수 있다. 내부 부식이 진행돼 통상보다 큰 거칠기를 가졌을 수 있고, 거칠기 값의 불확실도가 60%까지 될 수 있기 때문에 오차가 발생할 수 있다.
둘째, 유량의 오차가 발생할 수 있다. 사용된 유량계는 디지털 방식이 아닌 아날로그 방식이기 때문에 눈금을 읽는 과정에서 오차가 발생할 수 있다. 또한 유체가 포함한 이물질 또는 공기방울 역시 오차의 원인이 될 수 있다.
셋째, 차압계를 설치하며 발생한 부차적 손실도 오차의 원인이 될 수 있다. 차압계는 제거할 수 없기 때문에 이 손실은 피할 수 없다.
오차를 줄이기 위해 초음파 유량계를 사용하거나 이물질을 걸러내는 등의 방법을 사용할 수 있다. 또한 실험 장치의 노후화로 인한 영향도 고려해볼 필요가 있다.
1.4. 결론
이번 실험에서는 수평 원형관의 압력 강하를 측정하여 관의 마찰계수를 구하고, 이를 통해 펌프 및 유체 수송 시스템의 설계 능력을 배양하는 것이 목적이었다. 실험 결과, Colebrook 식을 이용해 예측된 마찰계수보다 실험으로 측정된 마찰계수가 다소 높게 나왔다. 특히 유량이 20L/min일 때는 20%가 넘는 오차가 발생하였다. 이러한 오차 발생의 원인으로는 관의 거칠기 오차, 유량 측정 오차, 유체 내 이물질 및 공기방울 등이 있었다. 이를 줄이기 위해 초음파 유량계 사용, 이물질 여과 등의 방법이 제안되었다. 마찰계수를 알면 수두손실을 알 수 있고 펌프의 용량을 결정하는데 중요한 정보가 되기 때문에, 압력강하와 마찰계수에 대한 이해는 유체 수송 시스템 설계에 있어 필수적이다. 이번 실험을 통해 유량이 증가할수록 마찰계수가 감소하는 경향을 확인할 수 있었으며, 같은 관과 유체를 사용하여 유량별 차이를 비교할 수 있었다.
1.5. 참고문헌
[참고문헌]
Cengel 외, 박운진 외 옮김, 유체역학 제3판(2014), McGrawHill Education.이 교재는 유체의 물리적 특성과 유체 역학의 기본적인 개념을 잘 정리하고 있다. 특히 마찰계수 및 베르누이 방정식, 에너지 방정식 등 관 내 유동과 관련된 핵심적인 내용을 상세히 다루고 있...
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