Hagen-Poiseuille 식의 응용: 액체 점도 측정 실험

본 내용은 " [화공단위조작실험 A+] Hagen-Poiseuille 식의 응용 - 액체 점도 측정 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.10.26

문서 내 토픽

• 1. Hagen-Poiseuille 식

  유체 흐름의 운동량 수지식과 기계적 에너지 수지식(Bernoulli 식)을 이용하여 유도되는 식으로, 수평인 원형관 내를 지나는 완전발달된 정상상태의 비압축성 유체 흐름에 적용된다. 이 식은 압력차와 유량 간의 관계를 나타내며, 점도에 대해 정리하면 모세관 점도계의 원리로 적용되어 액체의 점도 측정에 보편적으로 사용된다.

• 2. 점도(Viscosity) 측정

  상대적으로 움직이는 유체의 인접한 층 사이에서 발생하는 내부 마찰력을 정량화하는 물성으로, 모세관 점도계를 이용하여 측정된다. 실험에서 22℃ 물의 점도는 보간법을 사용하여 0.9548cP로 구해졌으며, 높이차에 따른 유량 측정을 통해 실험값을 도출하였다. 점도는 온도에 따라 변하며 온도 증가에 따라 감소하는 경향을 보인다.

• 3. 뉴턴 유체와 비뉴턴 유체

  뉴턴 유체는 모든 흐름에서 발생하는 점성 응력이 시간에 따른 변형률과 선형적으로 상관관계가 있는 유체로, 물과 공기 같은 일반적인 액체와 기체가 해당한다. 비뉴턴 유체는 뉴턴의 점도 법칙을 따르지 않으며 점도가 전단 속도에 따라 달라진다. 전단 응력과 전단 속도 사이의 관계가 선형이 아니며, 비뉴턴 유체의 특성 파악을 위해서는 넓은 범위의 점도 측정이 필요하다.

• 4. 레이놀즈 수(Reynolds Number)

  유체 유동 상황에서 흐름 패턴을 예측하는 무차원 양으로, 밀도, 점도, 속도, 특성 길이를 포함한다. 낮은 레이놀즈 수에서는 층류 흐름이 지배적이며 Re<2100일 때 발생하고, Re>4000일 때 난류 유동이 발생한다. 실험에서 구한 레이놀즈 수는 10000 이상으로 난류 영역에 해당하여 실험 조건의 층류 가정과 불일치하였다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. Hagen-Poiseuille 식

  Hagen-Poiseuille 식은 원형 관을 통한 층류 흐름의 유량을 계산하는 기본적이고 중요한 공식입니다. 이 식은 압력 차이, 관의 반지름, 유체의 점도 사이의 관계를 명확하게 나타내며, 실제 공학 응용에서 매우 유용합니다. 특히 혈류 역학, 마이크로플루이딕스, 파이프라인 설계 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 다만 이 식은 완전히 발달된 층류 조건에서만 적용되므로, 실제 상황에서는 입구 효과나 난류 조건을 고려해야 합니다. 이론과 실험의 좋은 일치는 이 식의 신뢰성을 증명하며, 유체역학 교육에서 필수적인 개념입니다.

• 2. 점도(Viscosity) 측정

  점도 측정은 유체의 특성을 이해하는 데 필수적인 작업입니다. 회전 점도계, 낙구 점도계, 모세관 점도계 등 다양한 측정 방법이 있으며, 각각의 장단점이 있습니다. 정확한 점도 측정은 품질 관리, 제품 개발, 공정 최적화에 중요한 역할을 합니다. 온도, 압력, 전단율 등 여러 요인이 점도에 영향을 미치므로, 측정 조건을 정확히 제어해야 합니다. 현대의 자동화된 점도 측정 장비는 재현성과 정확성을 크게 향상시켰으며, 산업 전반에서 광범위하게 활용되고 있습니다.

• 3. 뉴턴 유체와 비뉴턴 유체

  뉴턴 유체와 비뉴턴 유체의 구분은 유체역학에서 매우 중요한 개념입니다. 물이나 공기 같은 뉴턴 유체는 전단 응력과 전단율이 선형 관계를 가지므로 분석이 상대적으로 간단합니다. 반면 혈액, 케첩, 고분자 용액 같은 비뉴턴 유체는 복잡한 거동을 보이며, 전단 담화, 항복 응력, 시간 의존성 등을 고려해야 합니다. 비뉴턴 유체의 이해는 의료, 식품, 화학 산업에서 매우 중요합니다. 이 두 유체 유형의 차이를 명확히 이해하는 것은 올바른 공정 설계와 제품 개발의 기초가 됩니다.

• 4. 레이놀즈 수(Reynolds Number)

  레이놀즈 수는 유체 흐름의 성질을 결정하는 가장 중요한 무차원 수 중 하나입니다. 관성력과 점성력의 비를 나타내며, 층류와 난류를 구분하는 기준이 됩니다. 낮은 레이놀즈 수에서는 점성력이 지배적이어서 층류가 발생하고, 높은 레이놀즈 수에서는 관성력이 지배적이어서 난류가 발생합니다. 이 개념은 파이프 설계, 열 전달, 물질 전달 등 다양한 공학 문제에 필수적입니다. 레이놀즈 수를 통해 서로 다른 크기와 조건의 시스템을 비교할 수 있으므로, 모델링과 스케일 업에 매우 유용합니다.