유체의 흐름상태 관찰8조실험 목적이 실험의 목적은 여러 유속에서의 유체의 흐름에 Reynolds수에 대하여 어떤 함수 관계를 갖는가 알아보고, 유속의 변화에 따라 흐름의 모양이 어떻게 변화하는지 알아보고자 하는 실험입니다.실험 이론Reynolds Number는 다음식으로 정의되는 무차원 그룹이다. D:관의 직경 μ:액체의 점도 V:유체의 속도 ρ:액체의 밀도 흐름을 연구하는데 중요한 것으로, 이값이 작을때는 흐름이 규칙적인 층류가 되지만, 어떤값 이상이 되면 난류가 됩니다. 이와 같이 난류와 층류의 경계가 되는 Nre 값을 '임계 레이놀드수'라합니다.일반적으로 Reynolds 수가 2100이하면층류 라고 보고, 2100이상 4000이하이면 전이영역이라고 하며, 4000이상이면 난류라고 봅니다. 층류의 특징은 소용돌이나, 측면혼합이 일어나지 않는다는 점이고, 난류의 특징은 내부혼합이 잘일어난다는 것입니다. 같은 상황에서 Reynolds 수가 커진다는 것은 유속이 커진다는 것을 의미하며, 층류에서 난류로의 전이가 일어나는 것은 다른곳으로 소모되지 않는 운동량으로 인해 유체 분자들간에 마찰이 일어나면서 소용돌이와 종단 흐름이 생겨 불안정해지기 때문입니다.점 성 유체의 점성은 유체의 물리적 성질 중에서 가장 중요한 것 중의 하나로 유체의 유동 특성을 지배하는 요소로서 유체 분자간 또는 유체분자와 고체경계면 사이에서와 같이 서로 인접하여 상대운동을 하는 유체층 사이에 마찰력을 유발하는 성질을 말하며 이는 유체분자의 응집력 및 유체 분자간의 상호작용으로 생긴다. 점 도 뉴턴유체에서 전단응력은 전단율에 비례하는데, 이때의 비례상수를 점도라한다실험 방법(Flow Chart)레이놀즈 수 실험장치의 유리관 직경을 측정한다.유출구 밸브를 닫은 상태에서, 유입구로 실험에 사용되는 유리관 위쪽까지 물을 채워넣고, 유입구 밸브가 열린 상태에서 유출구 밸브를 열어 물이 순환되도록 한다. 이때,물이 수조 바깥으로 넘치지 않도록 밸브로 유량을 조절한다.수조에 채워진 물의 온도를 측정하고, 잉크조절밸브를 열어, 유리관으로 일정한 유량의잉크를 주입한다.유량조절밸브로 유리관 내부유량을 조절한다.유체의 유량을 일정하게 맞춘 후, 유체흐름이 정상상태에 도달할 때까지 기다린 후 잉크의 유동을 관찰한다.유체의 흐름을 임의의 층류로 만들어서, 이때의 유속을 측정한다. ( 유속의 측정은 메스실린더와 스톱워치를 이용하여 측정한다.)층류에서부터 유속을 천천히 증가시켜, 흐름이 전이영역으로 판단되면 그때의 유속을 측정한다.유속을 천천히 증가시켜, 흐름이 난류로 판단되면 그때의 유속을 측정한다. 이와 같은방법으로 위의 실험과정을 3회 측정한다.유체의 흐름을 임의의 난류로 만들어서, 이때의 유속을 측정한다.난류에서부터 유속을 천천히 감소시켜, 흐름이 전이영역으로 판단되면 그때의 유속을측정한다.유속을 천천히 감소시켜 흐름이 층류로 판단되면 그 때의 유속을 측정한다. 위의 과정을 3회 반복한다.예상 결과다음의 그림에 각각 유속이 매우느려 층류의 상태를 보일때와, 유속이 점점 빨라져 각각 전이영역, 난류 일때의 잉크의 상태를 표시하였습니다.Reynolds수는 식에서도 알수 있듯이 관의 직경은 일정하며, 유체의 점도 와 밀도는 온도에 따라 일정한 값이 주어집니다. 따라서 Reynolds수는 유체의 속도에 비례하계 되므로 유속이 빠를수록 난류의 상태를 보일것이며, Reynolds수가 2100이하일때는 층류, 2100~4000 사이면 전이영역, 4000이상의 값에서는 난류의 상태를 보일것입니다.실험시 유의사항, 시약 및 기구유의사항 -유리관 속에서 색소액이 흐르는 모양을 관찰하여야 하므로, 눈의 높이를 적당한 곳에 정한다. -유량 조절 밸브로 5~8종류의 유속을 조정하여 통과시키는 방법을 익혀둔다 -유량의 조정으로 각기 일정량이 흐를때의 색소액을 통과시켜 유선에서의 색소액이 흐트러지는 변화점을 관찰한다. -정밀을 요하는 실험이므로, 반복실험하여 오차를 줄인다. -수조에 물이 넘치지 않도록 주의하여야 한다.시약 및 기구 Reynolds 실험장치버니어 캘리퍼스 메스실린더 초시계참고문헌유체역학5판, Fronk M.White, 조강래·유정열·강신형 공역, 한국 맥그로힐,2003, pp25~26 최신 유체역학, 박상인·전성택 공저,삼성북스,2003, pp1~2 단위조작5판,Warren L.McCabe/Julian C.smith/ Peter Harriott, 이화영 · 전해수·조영일 공역,Mcgraw-Hill,1995,pp35~50 자료사진 -http://www.samjinuc.com/pro2/p21.htm -http://imagesearch.naver.com/search.naverData Table실험횟수측정값계산값물의 유량유출시간유량속도평균유속Reynolds수흐름상태(층류,난류)123{nameOfApplication=Show}
