[기계공학실험] - 레이놀즈수 실험

소개글

기계공학실험. 레이놀즈 수 실험.

목차

1. 실험 목적

2. 관련 이론

3. 관련 방정식

4. 실험 장치

5. 실험 방법

6. 실험 장치 사용시 유의사항

7. 실험 결과
1) 결과 계산 값 (상임계 레이놀즈 측정)

2) 결과 계산 값 (하임계 레이놀즈 측정)

3) 결과 그래프

8. 결과 분석 및 고찰

< 그림, 표, 그래프

<그림.1 실험장치>

<표.1 실험 >

<표.2 상임계 레이놀즈 수 측정 >

<표.3 상임계 레이놀즈 수 측정 >

<그래프.1 상임계 레이놀즈 수 측정>

<그래프.2 하임계 레이놀즈 수 측정>

<그래프.3 상,하임계 레이놀즈 수 측정>

본문내용

1. 실험 목적

실제 유체의 유동은 점성의 존재로 대단히 복잡하게 진행한다. 유체에 점성의 영향은 임계 레이놀즈수를 기점으로 층류와 난류로 구분하는데 그 경계면의 유동을 천이구역이라고 한다.
본 실험은 관의 유동에서 물의 흐름상태와 층류, 난류의 개념을 이해하고 임계레이놀즈수를 산출하는 데 목적이 있다.

2. 관련 이론

파이프내의 유체유동은 층류 또는 난류 유동이 있다. 실제 유체의 유동은 점성의 존재에 의하여 생기는 현상이며 대단히 복잡한 운동을 한다. 점성의 영향은 유체유동을 층류와 난류의 유체유동을 일으키게 한다. 영국의 과학자이자 수학자인 Osborn Reynold (1842~1912)는 간단한 장치를 사용하여, 이 두 가지 종류의 유동에 대한 차이를 처음으로 구분하였다.
물이 지름 d인 파이프를 평균속도 V로 흐를 때, 중간에 뜨는 물감을 분사시키면 다음과 같은 특성이 관찰된다. 충분히 “적은유량”에 대해서 물감이 유체내에서 그리는 선(유맥선)은 분자에 의한 확산 때문에 유체 속으로 스며들어 약간 번지기는 하지만 거의 명확한 선을 나타낸다. 충분히 많은 유량과 충분히 적은 유량의 “중간 정도의 유량”인 경우는, 물감이 그리는 선은 시간과 공간에 대해 요동하며 간헐적으로 불규칙한 운동형태가 선을 따라 나타난다. 반면에, “충분히 많은 유량”에 대해서는 물감선이 불규칙한 형태로 전 영역에 걸쳐 순간적으로 퍼지고 확산된다. 이러한 3가지 유동특성은 각각 층류운동, 천이운동, 난류운동이라 칭한다.

▸ 층류 : 유체유동에서 유체입자들이 층을 이루고 안정된 진로를 따른 움직임
▸ 난류 : 유체입자들이 대단히 불규칙적인 진로로 움직임

레이놀드수는 관성력과 점성력의 비로 정의되어지는데 점성유체의 유동은 뉴튼의 점성 법칙이 적용되어 점성이 낮을수록, 유체의 속도가 빠를수록, 관의 단면적이 클수록 불안정해지며 난류가 된다.(변수 : 점성, 속도, 관의 단면적)

유체의 평균 운동속도 : 관의 내경 :
유체의 밀도 : 점 성 :

레이놀즈수는 다음과 같이 정의된다.

( : 동점성계수 ㎡/s )



층류에서 난류로 또는 난류에서 층류로 천이할 때의 유속을 임계속도라 하고 그 때의 레이놀즈수를 임계레이놀즈수라고 한다.
층류에서 난류로 파괴되는 순간의 속도를 임계속도, 이 때의 레이놀즈수의 값을 상임계 레이놀즈수라고 한다. 이와 반대로 난류에서 층류로 변화하는 순간의 속도를 하임계속도, 이 때의 레이놀즈수를 하임계 레이놀즈수라고 한다.
일반적으로 임계레이놀즈수라고 하면 하임계 레이놀즈수를 지칭하고 관유동의 경우에는 보통 2,300으로 취한다.
하임계값은 약 2,000이며 Schiller의 실험에서는 2,300이었다고 하며 하임계값은 약 2,000에서 10,000 또는 그 이상이 된다고도 한다. 이와 값이값이 일정치 않은 것은 관내부로 흐를 때 외부의 영향으로 유체입자의 운동이 달라지기 때문이다.

3. 관련 방정식

상사의 법칙
2개의 물체에 대해 흐름이 상사이기 위한 필요조건은 우선 물체의 형상이 기하학적으로 상사형이어야 한다. 다음에 흐름은 외력, 압력의 차에 의한 힘, 점성력등과 관성력이 균형이 되도록 동일해야 한다.
=
(운동방정식)에서 우변 제 2항의는 실물과 모형이 동일하므로 그 계수 이 동일해야 한다. 즉 이 역수는가 된다.

유체역학에서 사용하는 무차원의 예

① Froude Number :
⇒ 수면에 생기는 중력파의 문제라든가 선박의 조파저항 또는 관로에 의한
모래, 석탄 등의 수송에 마찰 손실을 논하는 문제에 적용

참고 자료

Yusangsin. Baesincheo. Seosangho., 2000, “Introduction to Fluid Mechanics, ” Fifthth edition, Scitech, pp.76~92.
유상신, 배신철, 서상호, 유체역학 제4판, 희중당, 1994