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숭실대학교 특허 작성 수업 특허명세서

【발명의 명칭】깔대기 내장형 리필 용기【기술분야】[0001] 본 발명은 화장품 등 리필 용액을 충전할 때 내장된 깔대기를 이용할 수 있는 용기로, 깔대기를 내부에 접어서 보관하고 사용해야 할 경우에 꺼내 쓸 수 있도록 하는 리필 용기에 관한 것이다.【발명의 배경이 되는 기술】[0002] 리필 용기와 같은 병들은 대부분 입구가 좁은 형태를 하고 있다. 일회용 용기의 경우에는 크게 상관이 없지만, 리필 용기의 경우에는 좁은 입구 때문에 내용물이 외부로 흘러나오는 경우가 있다.[0003] 이러한 문제를 해결하기 위해서 사용자가 깔때기를 준비하여 사용하거나 리필 카트리지를 사용하는 경우가 있지만 리필 카트리지를 따로 생산해야 할 경우 가격 문제와 파손 문제가 존재하고 또한 대형 용기의 경우에는 따로 카트리지를 제작하기 어려움이 있다.[0004] 따라서 리필 용기의 편의성을 높이면서도 대형 용기를 위해 카트리지를 사용하지 않고도 리필을 할 수 있는 용기의 개발이 필요하였다.[0005] 이런 문제점을 해결하기 위해 리필용기의 뚜껑을 이용해 깔때기를 대체할 수 있는 기술이 있으며, 도 1에 이런 리필용 깔때기 뚜껑을 도시하였다. 해당 용기는 출원번호 2020010002703에 개시된 것으로, 위 뚜껑에 숫나사를 돌출시킨 후, 깔때기 안쪽에 암나사를 만들어 서로 탈, 부착시킬 수 있도록 하여 깔때기를 이용해 리필 충전을 용이하게 할 수 있게 해준다.[0006] 하지만 해당 용기는 뚜껑이 긴 형상을 하고 있어야만 적용이 가능하고 외부의 오염 물질들에 오염될 가능성이 높다. 또한 외부에 깔때기가 노출되어 있을 경우 파손되기 쉽다는 문제점이 있다.

공학/기술| 2026.01.19| 8페이지| 3,000원| 조회(24)

기계공학부, 특허, 숭실대, 특허명세서

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숭실대학교 기계공학부 유체공학실험 풍동실험 결과보고서

외부유동실험결과보고서학과: 기계공학부학년:학번:이름:분조:제출날짜:1. 개요물체 주위를 흐르는 외부 유동은 항공기, 우주선, 자동차, 토목 공학 등 다양한 분야에서 핵심적인 요소로 자리잡고 있다. 본 실험에서는 풍등 장치를 사용하여 원통형 모델 주위의 공기 흐름을 해석하여 보았다.실험은 서로 다른 유속 조건에서 수행되었으며, 원통 표면의 각도별 압력 분포를 측정하였다. 이를 통하여 압력 계수를 산출하고 물체에 작용하는 항력에 미치는 영향에 대해 고찰해 보았다. 또한 층류와 난류 경계층의 차이를 이해하고 골프공 딤플의 공기역학적 원리를 규명해 보았다.2. 실험 목적a) 압력 분포 측정 및 속도장 해석: 원통 표면의 압력을 0도에서 180도 까지 측정하여 유동 가속 구간과 감속 구간과 박리 구간을 식별한다b) 이론과 실제의 비교: 비점성 유체를 가정한 포텐셜 이론값과 실제 점성 유체의 실험값을 서로 비교하여 점성이 유동에 미치는 영향을 파악한다.c) 레이놀즈 수 효과 분석: 유속 변화에 따른 레이놀즈 수의 차이가 압력 계수 분포와 박리점의 위치에 미치는 영향을 분석해본다.d) 항력 발생 원리 규명:C _{p}와C _{p} cos theta 의 관계를 통해 둔체에 발생하는 압력 항력의 원인을 이해해본다.e) 공학적 원리 고찰: 실험 결과를 바탕으로 층류 박리와 난류 박리의 차이점을 이해해보고 이를 통해 골프공의 딤플이나 항공기 와류 발생기 같은 항력 저감 기술의 원리를 이해해본다.3. 이론적 배경3.1 베르누이 방정식베르누이 방정식이란 비압축성, 비점성, 정상 유동에서 유선을 따라 총압이 보존된다는 것을 의미한다.P+ {1} over {2} rho V ^{2} =P _{0} =ConstantP=정압,` rho =밀도,V=유속,`P _{0} =정체압이 식은 유속이 빨라지면 압력이 낮아지고 유속이 느려지면 압력이 높아짐을 의미한다.3.2 압력 계수서로 다른 유속이나 크기를 가진 대상의 실험 결과를 서로 비교하기 위해서는 압력을 무차원화하여 계수로 만들어야 한다,C _{p} = {P _{theta } -P _{INF }} over {{1} over {2} rho V _{INF } ^{2}} = {P _{theta } -P _{INF }} over {q _{INF }}P _{theta }= 원통 표면의 각도에서의 정압P _{INF }=자유류의 정압q _{INF }=자유류의 동압해당 식을 살펴보면 각도가 0도일 때 유속이 0임으로P _{theta } =P _{0} 이 되어C _{p}=1이 된다. 이 지점을 정체점이라고 한다또한P _{theta } =P _{INF }일 때C _{p} =0이다. 이 지점을 자유류 속도 지점 이라고 한다3.3 원통 주위의 포텐셜 유동점성이 없는 이상 유체가 원통 주변을 흐를 때 표면 속도 분포는V _{theta } =2V _{INF } sin theta 로 주어진다. 이를 3.1의 베르누이 방정식에 대입하면 압력 계수는 다음과 같이 나온다.C _{P} =1-4sin ^{2} theta 이 이론에 따르면 유동은 앞뒤로 대칭이 되고 물체에 작용하는 항력은 0이다. 이를 달랑베르의 역설이라고 한다. 하지만 실제 유체에서는 점성이 나타나고 박리가 발생하여 대칭이 깨지게 되고 이에 따라 항력이 발생한다.3.4 경계층 박리유체가 곡면을 따라서 흐를 때 압력이 감소하는 구간에서는 가속하고 압력이 증가하는 구간에서는 감속한다. 원통의 후면부에서는 역압력구배 구간이라 점성 유체가 표면 마찰로 인해 에너지를 잃은 상태에서 후면부에 진입하면 더 이상 나아가지 못하고 표면에서 떨어져 나간다. 이를 박리 현상이라고 한다. 박리된 유체는 물체 뒤쪽에 불규칙한 소용돌이를 형성하게 된다.3.5 항력물체가 유체 속을 이동할 때 받는 저항력은 크게 2가지가 있다.a) 마찰 항력: 유체의 점성에 의한 표면 마찰력b) 압력 항력: 물체 전면부와 후면부의 압력 차이에 의한 힘원통 주위를 유동하는 경우에는 박리로 인해 후면 압력이 강해지지 못함으로 압력 항력이 전체 항력의 대부분을 차지한다.4. 실험 장치 및 방법4.1 실험 장치a) 아음속 풍등: 공기를 흡입하여 정류시킨 후 시험부로 균일하게 불어주는 장치b) 원통 모델: 원통 모형의 기구로 표면에 압력 탭이 설치되어 있어서 회전시키며 해당 부분의 압력을 측정할 수 있다.c) 파토관: 풍등 내부의 유속을 측정하기 위한 장비d) 디지털 차압계: 원통 표면 압력과 대기압의 차이를 측정한다4.2 실험 방법a) 실험실의 온도와 기압을 측정하여 공기의 밀도와 점성계수를 산출한다.b) 원통 모형을 풍동 시험부에 장착한 후 압력을 측정하는 부분이 정면을 향하도록 조절한다.c) 풍동을 가동하여 목표 RPM에 도달시킨다.d) 원통을 10도 간격으로 회전시키며 압력 데이터와 속도를 기록한다.e) RPM을 변경 시켜가며 해당 과정을 반복한다.f) 측정된 차압을 이용하여 각 지점의 유속과 압력 계수를 계산한다5. 실험 결과 및 데이터 분석5.1 실험 조건실험실 온도: 24도점성계수:1.83 TIMES 10 ^{-5} Pa BULLET s밀도:1.194kg/m ^{3}원통 직경: 0.1m표1) RPM 629일 경우의 측정 결과표2) RPM 1083일 경우의 측정 결과둘 다 레이놀즈 수를 측정하면 층류 박리 현상을 띄고 있음을 알수 있다.5.2 측정 속도와 이론 속도의 차이 및 오차 분석실험에서는 풍동의 유속과 원통 표면의 차압을 이용해 베르누이 식으로 속도를 역산해 보았다. 특히 정체점에서의 압력을 이용해 유속을 추정해 볼 수 있다.기준 유속:V=8.28m/s정체점 데이터:TRIANGLE P=51.2 Pa차압으로 계산한 유속:V _{calc} = sqrt {{2 TRIANGLE P} over {rho }} APPROX 9.26m/s결과: 차압으로 계산한 속도가 기준 유속보다 약 11.8% 높게 나타났다.오차 원인 분석a) 차폐 효과: 풍동 시험부 단면적은 유한하다. 하지만 원통 모델이 공간을 차지함으로 유체가 흐를 수 있는 유효 단면적이 감소한다. 따라서 좁아진 유로를 통과하는 실제 유속은 자유류 속도보다 빨라지게 된다. 이로 인해 원통 표면에서 측정된 압력이 이론보다 더 크게 나타난다.b) 정체점 정렬 오차: 정확히 0도에서 정체압을 측정하지 못하였을 가능성이 있다,c) 계측기 오차: 디지털 센서의 미세한 오차 혹은 유동의 미세한 변동 등이 영향을 줄 수 있다.5.3 원통 각도에 따른 압력 그래프와 층류/난류 차이각도에 따른 정압의 변화를 비교해 보면두 케이스 모두 0도에서 채되 압력을 갖고 70~75도 인근에서 최저 압력을 찍은후 약간 상승하다가 일정해지는 형태를 보인다.고속의 경우가 베르누이 원리에 따라 압력 강하의 폭이 훨씬 커진다. 따라서 고속의 경우에 진폭이 더 크게 나타난다.해당 실험에서는 두가지 경우 모두 층류 상태에서의 박리가 나타난다. 유속은 다르지만 유동의 경향성은 도일함을 알 수 있다.5.4theta -C _{p} 및theta -C _{p} cos theta 관계 및 이상 유동 비교이상 유동:1-4sin ^{2} theta 의 형태로 완벽한 대칭을 이룬다

공학/기술| 2026.01.19| 5페이지| 2,500원| 조회(45)

실험, 보고서, 풍동실험, 기계공학부, 숭실대, 풍동, 유체공학실험

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숭실대학교 유체공학실험 정수압 측정실험 보고서

유체공학실험 보고서실험주제: 정수압 측정실험일시:실험인원:분자들 사이에 상대적인 운동이 없을 때 유체 내에서는 전단응력이 발생하지 않으며 면에 수직한 응력만이 서로 반대 방향으로 작용한다. 이를 압력이라고 하며 유체가 물인 경우에는 정수압(hydrostatic pressure)라고 한다.정수압은 용기의 벽 내면 혹은 수중에 있는 물체의 면에 항상 직각인 방향으로 작용한다. 이는 면을 따르는 방향의 힘인 전단응력이 존재하지 않음을 고려한다면 당연한 일이라고 볼 수 있다.이번 정수압 측정 실험의 목적은 면이 전체적으로 물에 잠겨 있을 때와 부분적으로 물에 잠겨 있을 경우에 면에 작용하는 압력의 작용점과 크기를 결정하는 것에 있다. 이론값과 실제값을 비교하고, 수면의 높이가 높아짐에 따라 면에 가해지는 정수압의 크기가 어떻게 변하는지에 관해 알아볼 계획이다.1. 실험 목적전체적으로 물에 잠겨 있는 경우와 부분적으로 잠겨 있을 때 어떤 면에 작용하는 압력의 작용점과 크기를 조사한다. 그리고 이론값과 실제의 값을 비교하여 정수압의 타당성을 조사한다.2. 실험 관련 이론유체 속에 있는 물체 표면에 작용하는 정수압을 결정하기 위해서는 힘의 크기, 힘의 방향, 힘의 작용선을 구체적으로 설정하여야 한다.힘들의 합은 미소한 힘들의 합이다.{vec{F}} =- {vec{PdA}}어떤 축에 대한 힘들의 합의 모멘트는 분포력의 모멘트와 같다.Y:F= int _{A} ^{} {ypdA} ,X:F= int _{A} ^{} {xpdA}이때 정지한 유체가 작용하는 힘의 크기는 다음과 같다.F= rho gXA합력의 작용점은 어떤 축에 대한 합력의 모멘트가 같은 축에 대한 분포력의 모멘트와 같은 위치에 존재해야 한다. 원점에 대한 모멘트의 합은 다음과 같다.M= int _{} ^{} {X ^{2} rho gdA}해당 식에서int _{} ^{} {X ^{2} dA}는 2차 모멘트I _{INF }이므로 전 모멘트는 다음과 같이 나타낼 수 있다M= rho gI _{INF } =Fz따라서,z= {rho gI _{INF }} over {rho gAX} = {I _{INF }} over {AX}이고, 평행축 정리를 이용하면I _{INF } =I _{gg} +AX이다여기서I _{gg}는 도심축 gg에 대한 관성의 단면 2차 모멘트다.z= {I _{gg} +AX ^{2}} over {AX} = {I _{gg}} over {AX} +X,`X _{c} =Z+q이때,q는 balance arm에서 수면 까지 거리를 나타낸다.I _{gg} = {br ^{3}} over {12}이고,X= {r} over {2} ,`A=br이기 때문에z= {2} over {3} r 이 된다. 따라서 압력의 작용점X _{c}는 다음과 같이 나타낼 수 있다.X _{c} = {2} over {3} r+qa) 물에 부분적으로 잠겨 있을 때( y < d )mL= {lg} over {2} rho bdy ^{2} a+d( {-y} over {3} )b) 물에 완전히 잠겨 있는 경우완전히 잠긴 평면에 작용하는 힘 F는 도심에서 압력과 표면적 A의 곱과 동일함.3. 실험 방법 및 장치3.1 실험 장치a) Balance pan : 추를 매달아 무게를 조절하는 곳b) Adjustable Counter balance : 추를 앞뒤로 이동시켜 물이 채워지지 않을 때 수평유지 시키는 부분c) scale : 눈금자d) Drain cork : 수조 안의 유량 조절 장치e) Levelling feet :기기의 수평 조절 장치3.2 실험 방법3.2.1 공통 부분a) Clamping screw를 이용해 quadrant를 balance arm에 고정시켜 두 개의 핀 위에 위치 시킨다.b) 장치의 a,L,d,b를 측정한다.c) bench 위에 수조를 올려놓고 balance arm을 pivot 위에 올린다.d) balance arm 끝에 balance pan을 위치시킨다e) Drain cork에 호스를 연결한다.f) levelling feet를 이용해 탱크의 수평을 유지시킨다.g) balance arm이 수평이 되도록 adjustable counter balance를 조절한다.h) Drain cork를 닫고, quadrant의 바닥 면에 닿을 때까지 물을 넣는다.3.2.2 물에 부분적으로 잠겨 있는 경우I-1) Balance pan에 추를 올리고 balance arm이 수평이 될 때까지 물을 넣는다.j-1) quadrant로 측정한 수위를 결과표에 기록하고 추의 무게를 늘리며 balance arm이 수평이 되는 수위를 측정한다. 정밀한 조절은 Drain cork를 이용해 조절한다.k-1) quadrant의 눈금이 100mm가 될때까지 수면의 높이와 추의 중량을 단계별로 조절하며 실험 결과표에 기록한다.l-1) 이후 중량을 한 단계씩 감소시키며 수위를 측정해 결과표에 기록한다.3.2.3 물에 완전히 잠긴 경우j-2) balance pan에 추를 올리고, balance arm이 수평이 될 때까지 물을 넣는다. 이때 추의 무게는 물에 부분적으로 잠겨 있는 경우보다 무겁게 설정한다.k-2) quadrant로 측정한 수위를 결과표에 기록하고 추의 무게를 늘리며 balance arm이 수평이 되는 수위를 측정한다. 정밀한 조절은 Drain cork를 이용해 조절한다.l-2) quadrant의 눈금이 160mm가 될때까지 수면의 높이와 추의 중량을 단계별로 조절하며 실험 결과표에 기록한다.4. 실험 결과실험 기구 치수 측정 값B(사면체 폭):0.069m, D(사면체 높이):0.1m, L(암길이): 0.286m, H(피봇까지 높이):0.198m4.1 물속에 부분적으로 잠겨 있는 경우질량 증가 횟수질량(kg)d(m)1회2회3회평균10.0150.02600.02700.02600.026320.0350.03900.04000.04300.040730.0750.06000.06000.06200.062040.1250.8000.08000.08000.080050.1900.10000.10200.10200.1020실험값(h_exp)={mgl} over {F} = {mgl} over {0.5 rho gBd ^{2}} = {2mL} over {rho Bd ^{2}}이론값(h_ther)=H-d+h'=H-d+ {2d} over {3} =H- {d} over {3}질량 증가h_exp(m)h_ther(m)차이상대오차(%)10.17930.1892-0.0099-5.2320.17540.1844-0.0090-4.8830.16890.1778-0.0088-4.9840.16190.1713-0.0094-5.5050.15340.1642-0.0108-6.604.2 물속에 전체가 잠겨 있을 경우질량 증가 횟수질량(kg)d(m)1회2회3회평균10.220.110.110.110.11020.250.1190.1190.1190.11930.300.1340.1340.1340.13440.350.1490.1490.1490.14950.370.1550.1550.1540.155실험값(h_exp)=M=Fh'',`Fh''=WL=mgL#h'' _{exp} = {mL} over {rho BD(d-D/2)}이론값(h_ther)=h prime = {I _{c}} over {Ah} ,`I _{xx} =I _{c} +Ah ^{2} =Bd[ {D ^{3}} over {12} +(d- {D} over {2} ) ^{2} ]#h'' _{ther} =H-d+h'= {[ {D ^{2}} over {12} +(d- {D} over {2} ) ^{2} ]} over {d- {D} over {2}} +H-d질량 증가h_exp(m)h_ther(m)차이상대오차(%)10.15200.1619-0.0099-6.1220.15020.1601-0.0099-6.1830.14800.1579-0.0099-6.2640.14650.1564-0.0099-6.3250.14650.1560-0.0194-6.055. 고찰이론값과 실험값을 비교한 그래프를 보았을 때, 물에 부분적으로 침수 된 그래프와 완전 침수 된 그래프가 이어지는 모습을 하고 있음을 알 수 있다.수위가 높아짐에 따라 작용 하중이 늘어나는 모습을 볼 수 있다.또한 압력의 작용점은 도심보다 항상 아래쪽에 있음을 알 수 있다. 유체가 정지 상태일 때 유체와 맞닿은 면은 하중을 받는다. 이때 정지된 유체는 전단응력이 없음으로 하중이 면에 수직하게 작용하고, 압력 P가 일정하고 균일하게 분포되며 집중하중은 면의 도심에 작용하는 것으로 가정된다. 하중의 크기는 유체의 밀도, 단면적, 도심까지의 수직 거리에 비례한다. 하지만 본 실험에서 측정된 작용점은 전부 도심보다 아래에 있음을 알 수 있다. 이는 실제로는 분포하중이 아래로 갈수록 커지기 때문에 집중하중으로 가정하면 작용점이 달라지기 때문이다.또한 오차가 존재하긴 하지만 그래프의 형태가 유사함을 볼 수 있었다. 그래프의 오차도 편차가 큰 것이 아니라 일정 범위 내에서 존재하는 것을 보아 측정과 계산은 정상적으로 했지만, 실험 과정에서 측정된 값이 일관된 오차를 띄고 있음을 예측해 볼수 있었다.

공학/기술| 2026.01.19| 6페이지| 2,500원| 조회(33)

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숭실대학교 유체공학실험 점성계수 측정실험 보고서

점성계수 측정실험결과보고서학과: 기계공학부학년:학번:이름:분조:제출날짜:1. 실험목적해당 실험의 목적은 모세관 점도계(Capillary Viscometer)를 이용해서 유체의 점성계수를 측정하는 것이다. 점도와 밀도의 값이 잘 알려진 물을 이용하고 특정 온도에서 물의 점도와 밀도를 이용하여 Poiseuille’s Law를 이용하여 상대 점도 측정법을 활용하여 점도와 밀도의 값이 알려지지 않은 유체의 상대 점도를 알아낼 수 있다.최종적으로는 기존 유체인 물과 미지 유체의 유출 시간 및 밀도를 비교 분석하여 미지 유체의 점성계수를 측정하고 이 과정에서 측정에 가장 큰 영향을 미치는 변수의 중요성을 이해하는 것이 해당 실험의 목적이다.2. 실험 관련 이론2.1 뉴턴의 점성 법칙유체가 흐를 때 인접한 유체 층 사이에 발생하는 마찰력은 속도 구배에 비례한다. 이 과정에서 사용되는 비례 상수가 바로 점성 계수이다.tau = mu {dV} over {dy}tau : 전단응력mu : 점성계수{dV} over {dy}: 속도 구배2.2 Poiseuille’s Law모세관 점도계의 원리는 길고 좁은 원형 관인 모세관 내부를 흐르는 비압축성 유체의 층류 운동을 설명하는 Poiseuille’s Law에 근거하고 있다. 해당 법칙은 양단의 압력 변화와 체적 유량의 관계를 정의하는 것이다.Q= {TRIANGLE P pi r ^{4}} over {128 mu L}Q: 체적 유량TRIANGLE P: 관 양단의 압력 강하r: 모세관 반경L: 모세관 길이mu : 유체 점성계수2.3 모세관 점도계 적용 및 방정식이번 실험에서 사용하는 모세관 점도계는 중력을 동력원으로 사용한다. 따라서 압력 강하는TRIANGLE P= rho gh(rho : 유체 밀도,h: 액주차,g: 중력가속도)체적 유량Q= {V} over {t} 임으로{V} over {t} = {( rho gh) pi r ^{4}} over {128 mu L}#mu =( {pi r ^{4} gL} over {128LV} ) rho t라는 식으로 정리할 수 있다.2.4 상대 점도 계산법2.3의 식에서(r,L,h,V,g)는 모두 점도계에 대한 고유 상수이다. 따라서 괄호 안의 식은 특정 상수로 표현할 수 있다. 하지만 모세관 내부 직경을 측정하기는 매우 어렵기 때문에 물을 이용한 상대 측정법을 사용한다.물:mu _{w} =C rho _{w} t _{w}측정 유체:mu =C rho t{mu } over {mu _{w}} = {rho t} over {rho _{w} t _{w}}따라서 측정 유체의 점성계수는mu = mu _{w} {rho } over {rho _{w}} {t} over {t _{w}}로 표현이 가능하다.3. 실험 장치해당 실험을 진행하는데 사용된 도구는 다음과 같다.1. 모세관 점도계: U자형 유리관으로, 일정 부피의 유체가 중력에 의해 모세관을 통과하는데 걸리는 시간을 측정하기 위한 장치이다.2. 온도계3. 초시계4. 비중계: 두 유체의 밀도를 측정하기 위한 도구이다.5. 측정 유체: 500ml 정도의 기포가 없고 점성이 너무 강하지 않은 유체를 준비한다.4. 실험 방법a) 측정 유체와 물을 상온에 두어서 서로 온도를 비슷하게 만들어 측정한다.b) 메스실린더에 물과 측정 유체를 각각 채우고 비중계를 이용하여 비중을 각각 측정한다.c)점도계를 클램프에 고정하고 지면과 수평으로 유지시킨다.d)점도계의 g부분을 통해 물을 b선까지 기포 없이 채운다.e)물이 b부터 e까지 하강하는 시간을 초시계로 측정한다f)해당 과정을 5회 반복한다.g)그 후 물을 모두 제거하고 점성계수를 측정하고자 하는 유체를 점도계에 넣는다.g)d~f 과정을 다시 5회 반복하여 측정 유체가 하강하는 시간을 기록한다.5. 결과 및 토론5.1 결과값 처리 및 계산유체물횟수12345평균시간33.9833.3333.3733.4333.4333.508밀도0.9980.998점성계수0.00090.0008529온도26유체콘트라베이스 저칼로리 라떼횟수12345평균시간36.6737.4336.9137.237.2537.092밀도1.0141.014점성계수0.0009480.0009680.0009550.0009620.0009630.00096온도26관련 이론에 따르면 점성계수는 밀도와 시간의 곱에 정비례한다.측정 유체의 점성계수는mu = mu _{w} ( {rho } over {rho _{w}} )( {t} over {t _{w}} ) 로 측정 가능하다.mu =0.000853*1.01603*1.10696 APPROX 0.0009595같은 점도계로 계산한 값임으로 물과 측정 유체를 이용해 얻은 점도계 상수를 계산해보면{0.000959-0.000853} over {37.611-33.441} APPROX 2.542*10 ^{-5}이 나오고 물만 이용해서 계산해보면{0.000853} over {33.441} APPROX 2.551*10 ^{-5}로 거의 일치하게 나옴을 알 수 있다.5.2 오차 분석실험 결과를 보면 결과값이 거의 이론값과 동일하지만 약간의 오차를 보임을 알 수 있다. 이에 대한 원인을 분석해보면1) 온도 오차: 액체의 점성과 밀도는 온도에 민감하게 영향을 받는다. 물과 유체의 온도를 측정했을 때는 26도로 동일하였으나 액체를 점도계에 주입하는 과정에서 손의 온도가 액체에 영향을 미쳐서 온도가 올라가거나 내려간 경우에는 밀도와 점도에 크게 영향을 끼칠 수 있다. 만약 실제 온도가 26도보다 높았다면 유체의 점성계수는 실제 값보다 낮게 나왔을것임을 예상해볼 수 있다.2) 점도계 오차: 점도계가 지면과 수직하게 설치되지 않고 약간 기울어져 있었다면 중력이 수직하게 작용하는 것이 아니라gcos theta 의 성분으로 작용하게 된다. 이는 유체를 밀어내는 힘이 작아지는 것과 동일한 효과를 나타내고, 성분

공학/기술| 2026.01.19| 5페이지| 2,500원| 조회(30)

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숭실대학교 유체공학실험 유체관로의 주손실 부손실 실험보고서

유체관로의 주,부손실 실험 보고서학과:학년:학번:이름:분조:제출날짜:유체관로의 주,부손실 실험 보고서1. 실험 목적현대 공학에서 유체 역학은 플랜트 산업, 상하수도, 공조 냉동 등 여러 응용 분야를 가진다. 특히 파이프를 통한 유체 수송은 가장 일반적인 운송 수단이다. 이런 시스템의 설계와 운영 효율은 에너지 보존 및 비용 절감에서 매우 중요하다. 유체가 배관을 통과할 때 발생하는 에너지 손실은 펌프의 소요 동력을 결정하는 핵심 요소이며 전체 시스템의 성능에 크게 영향을 미친다.관내 유동에서 에너지 손실은 크게 주손실과 부손실로 분류된다. 주손실은 관의 마찰에 의한 손실이고 부손실은 입구, 곡관, 부속품 등의 유동손실과 마찰에 의한 손실이다. 관로 내의 손실은 층류, 난류에 따라 달라진다. 본 실험에서는 주손실과 부손실을 관찰하고 측정법을 숙지한 후 손실의 의미를 이해할 것이다. 또한 유량의 변화에 따른 수두손실을 측정하고 마찰계수를 구한다.2. 관련 이론2.1 주손실주수두 손실은 단면적이 일정한 파이프를 통과하는 유동에 대한 압력 손실로 나타낼 수 있다. 수두 손실은 마찰효과에 의해 기계에너지가 열 에너지로 변환되는 것을 나타냄으로 단면적이 일정한 덕트 안의 완전히 발달된 유동의 수두 손실은 덕트를 통과하는 유동 특성에 달려 있다. 수두손실은 파이프의 방향과 무관하다.Darcy-Weisbach식에 의해h _{L} =`f {l} over {d} {V ^{2}} over {2g}수평 파이프일 때 베르누이 방정식에 따르면{V _{1}^{2}} over {2g} + {P _{1}} over {gamma } = {V _{2}^{2}} over {2g} + {P _{2}} over {gamma } +h _{L}따라서h _{l} = {P _{1}} over {gamma } - {P _{2}} over {gamma } =h _{1} -h _{2} = TRIANGLE h이 된다.2.2 부손실부차적 손실이란 밸브, 엘보를 통한 유동 손실 혹은 장치의 면적이 일정하지 않은 부분격히 감소하면서 운동 에너지가 압력 에너지로 변환되는 현상이 발생한다. 이때 확대부의 모서리에서 발생한 유동이 에너지를 소산시킨다. 이때 운동량 방정식과 베르누이 방정식을 결합하여 유도된 Borda Carnot 식은 다음과 같다.h _{E} = {(V _{1} -V _{2} ) ^{2}} over {2g}2.5 마찰 계수 상관식레이놀즈 수 Re>4000인 난류 영역에서는 유체 입자의 불규칙한 운동으로 인해 운동량 교환이 활발하게 일어나고 벽면 전단 응력이 크게 증가한다. 이때 마찰계수를 구하는 수식은 여러 가지가 있다.1) Colebrool 방정식: 난류 영역 전반에 걸친 실험 데이터를 가장 잘 반영하는 음함수 형태의 식이다. Moody 선도의 기초가 된다.{1} over {sqrt {f}} =-2.0log _{10} ( {epsilon /D} over {3.7} + {2.51} over {Re sqrt {f}} )여기서epsilon 는 배관의 절대 조도 이다.2) Blasius 상관식: 수력학적으로 매끄러운 관 내의 난류 유동에 대해 사용할 수 있는 간단한 양함수 식이다. 본 실험에서는 아크릴 및 매끄러운 금속 관을 사용함으로 이론값의 기준으로 해당 식을 사용한다.f _{Blasius} = {0.3164} over {Re ^{0.25}}3-1. 실험 장치 및 기구유체 관로의 실험장치는 다음과 같다.유체 관로 실험장치의 각 부분에 대한 치수는 다음 표와 같다.위치치수측정 액주계 번호주손실배관 1내경 36.7mm길이 830mm6,7배관 2내경 28.0mm길이 1,200mm10,11배관 3내경 21.2mm길이 1,200mm13,14급축소D=36.7 -> d=11.8 (AR=(d/D) ^{2}=0.103)급축소급확대d=11.8 -> D=36.7 (AR=(d/D) ^{2}=0.103)급확대90도 곡관D=21.0, R=503,4게이트 밸브D=1 {1} over {4} ''5,63-2 실험 방법실험 준비1) 전원을 킨다2) 상부 수조에 물을 채워 유입되는 유량을 유량계를1,2,3은 완전히 닫고 급축소 급확대 관인 조절밸브 4만 조금 닫아서 안에 유체가 가득 차게 한다.2) 수두차이를 측정한 후 유량을 바꾸어 가며 여러번 측정한다3) 급확대 급축소의 경우에는 해당 전용 액주계, 90도 곡관 실험의 경우에는 3,4번 액주계의 수위 차를 측정한다부손실 측정(게이트 밸브 손실)1) 유량을 일정하게 유지한 후 조절밸브 3을 열어서 유량을 흘려보낸다.2) 게이트 밸브 전후의 액주계인 5,6번 액주계의 수위차를 측정한다.3) 배관 1의 밸브를 완전 개방, 1/2 개방으로 나누어 가며 밸브를 닫아가며 액주계의 수위차를 측정한다.4) 유량을 바꾸어 가며 여러번 실험하여 수두 차이를 측정한다.4. 실험 결과4.1 주손실 실험4.1.1 큰 직경Q(m ^{3} /hr)V(m/s)TRIANGLE h(m)Ref _{exp}f _{theo}오차(%)2.00.5250.009189380.02830.0269-4.882.20.5780.010208310.02590.02631.372.40.6310.011227250.02400.02576.832.60.6830.014246190.02600.0252-3.082.80.7360.016265130.02560.0248-3.473.00.7880.018284060.02510.0243-3.17해당 실험에서 레이놀즈 수는 19000~29000으로 난류 영역에 속한다. 실험적으로 구해진 마찰계수는 약 0.024~0.028의 범위를 가지고 이론값과는 오차가+- 7%이내로 어느정도 일치하는 값을 보인다. 이는 Blausis 이론값과 일치한다는 것을 보여주고 내부 표면이 수력학적으로 매끄러운 상태에 가깝다는 것을 의미한다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라 f값이 감소하는 경향이 뚜렷하게 나타나는데 이는 난류 마찰 계수의 거동임을 알 수 있다.4.1.2 중간 직경Q(m ^{3} /hr)V(m/s)TRIANGLE h(m)Ref _{exp}f _{theo}오차(%)2.00.9030.050248220.02710.0252-11.472.20.9930.0(m ^{3} /hr)V(m/s)TRIANGLE h(m)Ref _{exp}f _{theo}오차(%)1.00.7870.050283760.02790.0243-14.711.20.9450.061340520.02370.0233-1.721.41.1020.088397270.02510.0224-12.051.61.2600.110454020.02400.0216-10.871.81.4170.150510770.02590.0210-23.032.01.5750.168567530.02350.0205-14.59해당 실험에서 주손실이 가장 큰 오차를 보였다. 난류 영역에서 레이놀즈 수가 증가할수록 점성 저층의 두께가 얇아지는데 관 내벽의 조도가 점성 저층을 뚫고 나오면 마찰계수는 레이놀즈 수에 따라 감소하지 않고 일정 값에 수렴하거나 증가하는 경향을 보인다. 해당 데이터는 Balsius 값보다 훨씬 높은 마찰 저항을 보여주며 이는 실제 배관 시스템 설계시 조도 계수를 고려한 Colebrook 식이나 Moody 선도를 사용해야 함을 보인다.실험결과, 주손실 실험에서는 레이놀즈 수가 증가함에 따라 마찰계수는 감소하는 경향을 보였다. 이는 난류 영역에서 점성 저층이 얇아지며 발생하는 거동이며 Blausis 상관식의 예측과 거의 일치하는 모습을 보여준다.4,2 부손실 실험4.2.1 급축소Q(m ^{3} /hr)V(m/s)TRIANGLE h(m)K _{exp}K _{theo}등가길이(m)0.51.270.0350.4250.3770.1750.61.520.0450.3790.3770.1630.71.780.0560.3470.3770.1550.82.030.0730.3460.3770.1600.92.290.1310.4910.3770.2341.02.540.1350.4100.3770.200해당 실험에서 구한 K값은 대략 0.3~0.4의 값을 보여주며 이는 이론값인 0.377과 근접함을 알 수 있다. 이는 급축소 시 발생하는 Vena Contracta 현상이 이론과 잘 부합함을 보인다. 유체가 좁은 관으로 유입될 때 유선복 구간 내 측정의 구조적 문제로 예상된다. 급확대 직후에는 유속이 느려지면서 압력이 상승해야 하지만 유동 박리로 인해 강한 와류와 역류가 존재하는 재순환 영역이 형성된다. 이론식은 압력이 완전히 회복된 지점에서의 압력을 가정하지만 실험 장치가 재순환 영역 내에 존재한다면 아직 회복되지 않은 값이 측정되어 압력 강하가 과대 평가 되고 손실 계수가 매우 크게 산출될 것이다.4.2.3 90도 곡관Q(m ^{3} /hr)V(m/s)TRIANGLE h(m)K _{exp}Re등가길이(m)0.50.400.0010.12284140.080.60.480.00150.127100970.080.70.560.00170.106117800.070.80.640.00250.119134630.080.90.720.0030.113151460.081.00.800.0040.122168290.09측정된 K값은 약 0.12 정도로 매우 낮음을 알 수 있다. 일반적인 나사 이음 엘보우나 플랜지 엘보우와 비교하면 매우 작은 값이다. 이는 사용된 곡관이 곡률 반경이 큰 장반경 엘보우 혹은 매끄러운 형태이기 때문이다. 곡률이 완만할수록 유동 박리가 억제되고 2차 유동의 강도가 약해져서 에너지 손실이 최소화 된다.4.2.4 게이트 밸브완전 개방Q(m ^{3} /hr)V(m/s)TRIANGLE h(m)K _{exp}Re등가길이(m)10.3510.00150.23940680.1271.10.3860.0020.26344750.1631.20.4210.00250.27648810.1531.30.4560.0030.28252880.1601.40.4910.00350.28456950.1641.50.5270.0040.28361020.1661/2 개방Q(m ^{3} /hr)V(m/s)TRIANGLE h(m)K _{exp}Re등가길이(m)10.3510.0132.06840681.0971.10.3860.0162.10344751.1431.20.4210.022.20978811.2271.30.4560.0232.21252881.2531.40.491.

공학/기술| 2026.01.19| 11페이지| 2,500원| 조회(46)

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