유체 마찰 손실 실험 보고서

본 내용은 " 유체 마찰 손실 보고서 A+ (이론, 결과, 고찰, 출처 모두 자세함!!!, 13p 표지제외) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.11.30

문서 내 토픽

• 1. 유체의 기본 개념 및 분류

  유체는 기체, 액체, 증기를 총괄하며 작은 전단응력을 받아도 연속적으로 변형되는 물질입니다. 점성은 유체 층 사이의 상대 운동을 방해하는 유체 마찰이며, 유체는 점성의 유무에 따라 점성 유체와 비점성 유체로, 압축의 유무에 따라 압축성 유체와 비압축성 유체로 분류됩니다. 층류는 유속이 느릴 때 측방향 혼합이 없이 인접한 유체층이 미끄러지듯 지나가는 흐름이고, 난류는 유속이 빨라지면서 입자가 불규칙한 형태로 흐르는 무질서한 흐름입니다.

• 2. 레이놀즈 수와 마찰계수

  레이놀즈 수는 다양한 유체 흐름을 구별하는 무차원 수로, 관의 직경, 평균 유속, 밀도, 점도의 4가지 인자에 관계가 있습니다. 레이놀즈 수가 2100 이하면 층류, 4000을 초과하면 난류가 됩니다. 마찰계수는 Fanning 마찰계수로 표현되며, 벽 전단응력에 대한 밀도와 속도의 곱의 비로 나타냅니다. 직관에서의 마찰 손실은 층류일 때 Hagen-Poiseuillie 법칙, 난류일 때 Fanning 방정식을 이용하여 계산합니다.

• 3. 배관 형태 변화에 따른 마찰 손실

  단면의 급격한 확대 시 흐름이 벽에서 분리되어 제트처럼 분출되며, 팽창 제트와 유로 벽 사이의 와류 운동으로 상당한 마찰이 발생합니다. 급축소 시 흐름의 조각들이 벽에 접하면서 제트가 형성되고 와류가 생겨 마찰 손실이 발생합니다. 90° L-bow 같은 구부러진 관에서는 벽면의 박리 현상과 2차 유동으로 인해 많은 에너지 손실이 일어납니다. 관 이음쇠와 벨브는 정상 유선을 교란시켜 마찰의 원인이 됩니다.

• 4. 유량 측정 장치

  벤츄리 미터는 상류의 원뿔 부분에서 유속이 증가하여 압력 감소가 일어나고, 이 압력 강하를 이용하여 유량을 측정합니다. 오리피스 미터는 압력차로 유속을 구하는 장치로, 오리피스 판을 유로에 직각으로 장치하면 경계층 분리 현상이 일어나 형태마찰에 의한 압력 손실이 발생합니다. 벤츄리 미터는 가격이 비싸고 공간을 많이 차지하는 단점이 있고, 오리피스 미터는 비용이 적게 들고 구조가 간단하지만 와류 현상으로 인한 압력 손실이 큽니다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 유체의 기본 개념 및 분류

  유체의 기본 개념은 유체역학의 토대를 이루는 중요한 주제입니다. 유체를 뉴턴 유체와 비뉴턴 유체로 분류하는 것은 실무 적용에서 매우 실질적입니다. 특히 점성의 개념을 정확히 이해하는 것이 후속 학습에 필수적입니다. 압축성 유체와 비압축성 유체의 구분도 문제 해결 방식을 결정하는 중요한 요소입니다. 이론적 이해뿐만 아니라 실제 산업 현장에서 다양한 유체의 특성을 파악하고 적절한 모델을 선택하는 능력이 중요합니다.

• 2. 레이놀즈 수와 마찰계수

  레이놀즈 수는 유동 현상을 예측하는 가장 중요한 무차원 수입니다. 층류와 난류를 구분하는 기준이 되며, 이를 통해 마찰계수를 결정할 수 있습니다. 무차원 해석의 강력함을 보여주는 좋은 예시입니다. 다르시-바이스바흐 식과 함께 사용되어 배관 내 압력 손실을 계산하는 데 필수적입니다. 실제 계산에서는 무디 선도를 활용하거나 상관식을 사용하는데, 이들 방법의 장단점을 이해하는 것이 실무에서 정확한 설계를 가능하게 합니다.

• 3. 배관 형태 변화에 따른 마찰 손실

  배관의 형태 변화는 국소 손실을 발생시키며, 이는 직관적으로 이해하기 쉬운 현상입니다. 엘보우, 티, 밸브 등 각 부품에서의 손실 계수는 실험적으로 결정되어 설계에 활용됩니다. 직관적인 손실 계수 개념보다는 동압 기준으로 정규화된 값을 사용하는 것이 더 정확합니다. 배관 시스템 설계 시 마찰 손실과 국소 손실의 합을 고려해야 하며, 펌프 선정에 직접적인 영향을 미칩니다. 실제 배관 설계에서는 이러한 손실들을 정확히 예측하는 것이 에너지 효율성을 결정합니다.

• 4. 유량 측정 장치

  유량 측정은 산업 공정 제어와 품질 관리의 핵심입니다. 오리피스, 벤투리, 피토관 등 다양한 측정 원리가 있으며, 각각의 장단점을 이해하는 것이 중요합니다. 측정 원리의 이론적 기초는 베르누이 방정식과 연속 방정식에 있으며, 이를 통해 유량 계산식을 유도할 수 있습니다. 실제 측정에서는 보정 계수와 측정 불확실성을 고려해야 합니다. 최근 전자식 유량계의 발전으로 측정 정확도가 향상되었지만, 기본 원리를 이해하는 것이 올바른 장치 선택과 운영을 가능하게 합니다.