유체 마찰 손실 실험 결과보고서

본 내용은 " 유체 마찰 손실/결과보고서/화학공학과/화학공학실험1/A+ " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.10.04

문서 내 토픽

• 1. 레이놀즈수(Reynolds Number)

  유체를 층류와 난류로 분류하는 무차원의 수로, 유체 흐름의 관성력과 점성력의 크기 비를 나타낸다. 레이놀즈수가 큰 유동을 난류, 작은 유동을 층류라고 부르며, 유체의 밀도, 평균속도, 관의 직경, 점성 계수, 동점성 계수 등으로 계산된다. 직관에서의 유체 마찰 손실은 층류(Re<2300)와 난류(3000

• 2. 직관에서의 마찰손실

  직관은 관 그 자체와 부속품, 이음쇠에 의한 마찰이 일어나는 파이프이다. 유체가 관 내를 흐를 때 발생하는 마찰에는 표면마찰과 형태 마찰이 있으며, 표면마찰은 관 벽의 경계층에서 발생한다. 관의 직경이 작을수록, 유량이 많을수록 마찰손실이 크며, 이는 유속이 커지면서 난류와 와류가 발생하기 때문이다.

• 3. 급확대 및 급축소 관에서의 마찰손실

  급확대 관에서는 물이 작은 지름에서 큰 지름으로 유동할 때 와류와 박리로 인해 에너지 손실이 발생한다. 급축소 관에서는 물이 큰 지름에서 작은 지름으로 유동할 때 수축부에서 충돌 및 와류 손실이 발생한다. 실험 결과 급축소에 의한 마찰손실이 급확대에 의한 마찰손실보다 크게 나타났다.

• 4. 유량 측정 장치

  벤츄리미터는 가늘었다가 넓어지는 형태의 관으로 압력 차에 의해 유량을 측정하며 압력 손실은 작지만 면적을 많이 차지한다. 오리피스미터는 얇은 판에 구멍을 뚫어 전후의 압력 차를 측정하는 장치로 구조가 간단하고 설치가 쉽지만 압력 손실이 크다는 단점이 있다.

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• 1. 레이놀즈수(Reynolds Number)

  레이놀즈수는 유체역학에서 가장 중요한 무차원 수 중 하나로, 유동의 성질을 결정하는 핵심 지표입니다. 관내 유동에서 층류와 난류를 구분하는 기준이 되며, 이를 통해 마찰계수와 압력손실을 예측할 수 있습니다. 레이놀즈수가 작을수록 점성력이 지배적이고, 클수록 관성력이 지배적입니다. 실무에서 배관 설계 시 레이놀즈수를 정확히 계산하는 것은 에너지 손실을 최소화하고 시스템 효율을 높이는 데 필수적입니다. 다양한 유체와 유동 조건에서 레이놀즈수의 영향을 이해하면 더욱 효율적인 유체 시스템을 설계할 수 있습니다.

• 2. 직관에서의 마찰손실

  직관에서의 마찰손실은 유체가 관벽과의 마찰으로 인해 에너지를 잃는 현상으로, 다르시-바이스바흐 방정식으로 정량화됩니다. 마찰계수는 레이놀즈수와 관의 상대 조도에 따라 달라지며, 무디 선도를 통해 쉽게 구할 수 있습니다. 층류에서는 마찰계수가 레이놀즈수에만 의존하지만, 난류에서는 상대 조도의 영향도 커집니다. 실제 배관 시스템에서 마찰손실은 펌프 용량 결정과 에너지 비용에 직접적인 영향을 미치므로, 정확한 계산과 관의 청결 유지가 중요합니다.

• 3. 급확대 및 급축소 관에서의 마찰손실

  급확대와 급축소 관에서의 손실은 국소손실로 분류되며, 유동의 박리와 와류 형성으로 인해 발생합니다. 급확대에서는 유동이 갑자기 넓어지면서 박리 영역이 생기고 에너지가 소산되며, 급축소에서는 축약 현상으로 인한 손실이 발생합니다. 이러한 손실은 손실계수를 이용하여 계산하며, 기하학적 형태와 레이놀즈수에 따라 달라집니다. 배관 설계 시 급격한 단면 변화를 피하고 점진적인 확대축소를 사용하면 손실을 크게 줄일 수 있으므로, 경제성과 효율성을 함께 고려한 설계가 필요합니다.

• 4. 유량 측정 장치

  유량 측정 장치는 산업 현장에서 공정 제어와 에너지 관리에 필수적인 도구입니다. 오리피스, 벤투리관, 피토관 등 다양한 형태의 측정 장치가 있으며, 각각 측정 원리와 정확도, 비용이 다릅니다. 오리피스는 설치가 간단하고 비용이 저렴하지만 손실이 크고, 벤투리관은 손실이 적어 에너지 효율이 좋습니다. 정확한 유량 측정을 위해서는 설치 위치, 배관 조건, 유체 특성을 고려해야 하며, 정기적인 검정과 유지보수가 중요합니다. 현대에는 전자식 유량계도 널리 사용되고 있어 측정 기술의 선택 폭이 넓어졌습니다.