1. 개 요1) 실험 목표: 다양한 조건 하에서 유체의 흐름이 어떻게 다른지 관찰한다. 실험을 통해 얻은 결과값으로 Reynolds number를 계산하고 laminar flow와 turbulent flow의 차이점을 이해한다. Reynolds number와 Reynolds number에 영향을 미치는 요인들 간의 관계를 이해한다.2) 실험 원리:(1) 용어 정의1. 유체 : 일정한 형체 없이 자유롭게 변형 가능하면서 흐를 수 있는 물질2. 전단응력 (shear stress) : 단위 면적당 작용하는 힘인 응력의 한 종류로, 물질에 변형이 생길 때 물질의 면에 접하는 방향으로 작용하는 힘에 의한 응력이다.3. 점성 (viscosity) : shear stress에 대한 유체의 저항으로, μ로 나타낸다.3-1. kinematic viscosity : 유체의 점도를 그 유체의 질량 밀도로 나눈 값으로, ν로 나타낸다.4. 정상상태 (steady state) : 들어가는 속도와 나가는 속도가 같아서 전체 양이 시간에 따른 변화가 없는 상태이다.5. 층류 (laminar flow) : 규칙적으로 일정하게 흐르는 유체의 흐름6. 난류 (turbulence flow) : 불규칙적으로 일정하지 않게 흐르는 유체의 흐름7. Reynolds number: 유체의 흐름 종류를 판정하는 무차원수(2) 이론1. laminar flow는 흐트러지지 않고 규칙적으로 일정하게 흐르는 유체의 흐름이다. 유체의 흐름을 관찰하기 위해 염료가 섞인 물을 관에 흘리면 물의 흐름은 직선으로 나타난다. laminar flow에서 물의 각 부분은 관에 평행으로 움직이며 유체의 각 부분이 서로 섞이지 않는다. turbulent flow는 유체의 각 부분이 섞이며 불규칙적으로 일정하지 않게 흐르는 유체의 흐름이다. 유체의 흐름을 관찰하기 위해 염료가 섞인 물을 관에 흘리면 laminar flow에서와 달리 물의 흐름은 관에서 흩어진다. 유체의 속도가 임계속도를 넘어가게되면 laminar flow에서 turbulent flow로 전이가 일어나는데 그 경계는 transition flow이다.2. Reynolds number: 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비를 나타낸다. 유체의 흐름이 laminar flow, turbulent flow 또는 transition flow인지를 판정할 때 사용하는 무차원수로 laminar flow와 turbulent flow의 경계를 나타낸다.Re==== (*u [m/s] : 유체의 속도, D [m]: 관의 길이, ρ [kg/m3]: 유체의 밀도, μ [kg/m∙s]: 점성계수) , Reynolds number4,000이면 turbulent flow, 그 사이면 transition flow이다.3. volumetric flow rate(Q):시간당 흐르는 유체의 부피로, Q=uavgA이다. (uavg: 평균유속, A: 단면적)(3) 기기 원리supply tank의 유체가 pump motor로 들어가면 전력을 사용하여 supply tank의 물을 Reynolds apparatus로 끌어올린다. 유체는 inlet tube를 따라 bell jar tank로 올라가는데 bell mouth를 넘는 수위로 차오르면 outlet tube로 내려온다 outlet tube에서 유체의 흐름을 관측할 수 있다. bell jar tank가 넘치지 않도록 일정 수위 이상에서는 overflow tube로 유체가 내려간다. 유체를 저장하는 large volumetric tank에 모이는 outlet flow 또는 overflow의 시간에 따른 부피변화를 측정하여 유체의 volumetric flow rate를 계산할 수 있다.2. 시약 및 실험 기구1) 물질(1) 실험에 사용되는 시약의 물리, 화학적 성질 및 MSDS1. 물 ① 화학식:H2O ② 분자량: 18.02g/mol ③ 녹는점: 0.0︒C ④ 끓는점: 100︒C ⑤ kinematic viscosity (20︒C): 10-6m2∙s-1 ⑥ viscosity: 1.002cP ⑦ 상: 액체 색: 무색 향: 무취 ⑧ health hazard: 0 fire hazard: 0 reactivity: 02) 실험 기구(1) 기타 실험 기구의 종류 : 스톱워치3) 실험 기기(1) 기기명1. Water Hydraulic Bench 2. Reynolds Demonstration Apparatus(2) 사용 목적1. Water Hydraulic Bench: Reynolds Demonstration Apparatus로 유체를 공급하고 유체의 시간에 따른 부피변화를 측정하기 위해 사용한다.2. Reynolds Demonstration Apparatus: laminar flow와 turbulent flow에서 다르게 나타나는 유체흐름을 직접 관찰하기 위해서 사용한다.(3) 사용 방법①dye jar에 dye를 채운다. ②supply tank에 물을 채운다. 이 때 pump inlet valve의 수위보다 높게 물을 채운다. ③펌프를 가동하고 bell jar tank에 유체를 채운다. ④inlet/outlet flow needle valve를 조절하여 유체 흐름이 정상 상태에 도달하게 한다. ⑤outlet flow가 large volumetric tank의 수위를 상승시키는 속도를 측정한다. ⑥dye jar의 밸브를 열어 염료가 bell mouth->outlet tube로 흐르게 하고 유체의 흐름을 관찰한다. ⑦관찰이 끝나면 펌프 전원을 끄고 전선도 뽑는다. inlet flow needle valve를 완전히 열어서 bell jar tank를 비우고, outlet flow needle valve도 열어서 tube에 남아있는 유체를 빼낸다. large dump valve를 열어서 유체가 supply tank에 모이게 하고 supply tank drain valve를 열어서 탱크의 물을 빼낸다. 물이 빠지면 열려있는 밸브를 모두 잠근다.(4) 결과의 해석 방법실험을 통해 눈으로 직접 확인한 유체 흐름의 모습이 laminar/transition/turbulent flow 중 어느 종류에 해당하는지 결정한다. Reynolds number를 계산해 유체의 흐름이 laminar/transition/turbulent flow중 어느 종류에 해당하는지 결정한다. 눈으로 확인한 유체 흐름의 종류와 문헌치가 일치하는지 비교해본다.3. 참고 자료1. Wilkes, Mott. (2022). Fluid Mechanics for Chemical Engineers, Pearson, London, pp.2. H G Riveros, D Riveros-Rosas(2010). “Laminar and turbulent flow in water”, Physics Education, 45(3), pp.288-291.3. Lewis A Baker, Alison M Taylor(2019). “A simple and affordable experiment to determine Reynolds number”, Physics Education, 54, pp.1-5.PAGE * MERGEFORMAT- 2 -
