[기계공학응용실험] 1장 제트의 유동장 측정 실험

소개

2010년도 2학기 부산대학교 기계공학응용실험 입니다.
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1장 제트의 유동장 측정 실험

목차

1. 서론
1.1 실험목적
1.2 이론적 배경

2. 본론
2.1 실험장치의 구성 및 방법
2.2 실험결과 및 고찰

3. 결론

4. 참고문헌

본문내용

1. 서론

1.1 실험목적
유체 유동은 크게 층류와 난류로 구분된다. 층류는 유동이 상대적으로 단순하여 해석적인 풀이가 가능하고 이에 대한 실험은 비교적 단순하다. 그러나 우리가 실제로 접하거나 공학적인 의미가 있는 유동은 대부분 난류이고, 이 유동은 매우 복잡하여 해석적인 접근이 어려우므로 실험적인 방법이 일반적이다. 이번 실험에서는 이러한 난류유동의 특성을 실제측정을 통해 체험적으로 이해하는 데 있다.
유동의 표본으로 2차원 제트유동을 택하여 이에 대한 난류유동의 특성을 이해하고 유동장의 측정법 및 측정 장비인 열선유속계와 피토관의 사용방법을 숙지하며 측정된 자료의 분석 및 취합능력을 함양하는 데 있다.
1.2 이론적 배경
1.2.1 난류강도
난류유동은 속도가 시간에 따라 불규칙적으로 급격하게 변하는 유동이다. 난류속도 중에서 공학적으로 의미 있는 양으로 사용되는 양은 Reynolds의 시간평균을 한 양이다. 즉, 평균속도는

으로 표현하고 여기서 시간주기 T는 보통 5초 정도이다. 따라서 임의의 시간에서 측정된 속도인 순간속도(instantaneous velocity) 는 평균속도(mean velocity)인 와 난류섭동(fluctuation) 에 의해 다음 식으로 표현된다.

정의에 의하면,
------ ①
------ ②
이므로, 난류섭동(fluctuation)의 정도는 인 난류강도로 나타낸다.
위와 같이 섭동을 시간평균하면 확실히 영이다(①식). 섭동은 평균값 위아래에 균등하게 분포되어 있다. 하지만 섭동의 제곱은 음수가 될 수 없기 때문에[], 그 평균은 양의 값이다(②식).
난류의 구조와 특성은 유동의 상황에 따라 다르다. 예를 들어 난류강도(turbulence intensity)는 상대적으로 안정된(난류이긴 하지만) 바람보다 매우 세찬 바람에서 더 크다. 난류강도는 섭동의 제곱을 평균하고 이것의 제곱근을 평균속도로 나는 것으로 정의한다. 난류강도가 클수록 속도(또는 다른 변수)의 섭동은 더 크다. 잘 설계된 풍동에서는 보통 0.01정도의 값을 가지고, 매우 주의 깊게 설치하면 0.0002 정도로 낮은 값을 얻을 수 있다. 반면에 0.1보다 큰 값은 대기나 강의 유동에서 볼 수 있다.
1.2.2 제트 유동의 일반적인 특성
노즐을 통해 분출되면서 주위의 유체보다 국소적으로 높은 속도를 가지는 유동을 제트(jet)라고 하며, 여기서는 정지된 공간 내로 분사되는 제트에 대한 실험을 수행한다. 제트가 분사되면 중심선상에서의 속도가 최대이고 폭 방향으로 갈수록 속도가 감소되어 속도가 영으로까지 떨어진다. 또한 가장자리로부터는 주변의 유체가 유입되는데, 이러한 제트가 하류로 갈수록 넓어지는 정도를 나타내는 척도는 분류반폭(jet half width)이라는 것을 사용한다. 이는 제트하류의 임의의 위치에서 최대속도의 반이 되는 속도크기를 가지는 거리를 측정하여 연결한 선이다. 그 외에도 제트가 갖는 유동의 특성을 나타내는 것으로는 아래와 같다.

참고자료

· ① 기계공학실험교재편찬회, "기계공학 응용실험 개정판", 청문각.
· ② 윤순현, 김광선, 김병하, 김성훈, 박형구, 주원구 공역(Munson Young Okiishi 원저),
· Fundamentals of Fluid Mechanics, 5판, WILEY.
· ③ http://vlab.metric.or.kr 검색
· ④ http://www.naver.com 검색