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풍동 실험 리포트

실험명 - 풍동실험1. 실험목적1) 유체(공기)의 흐름을 이해한다.2) 유체(공기)의 흐름 내에서 에어포일의 작용을 살펴본다.3) 에어포일의 받음각 변화에 따른 압력의 변화를 살펴본다.2. 이론 및 원리1) 풍동의 정의- 인공으로 바람을 일으켜 기류가 물체에 미치는 작용이나 영향을 실험하는 터널형의 장치 로, 공기가 흐르는 현상이나 흐름 속에 있는 물체의 운동 등을 조사한다.항공기용의 경우, 실물과 비슷한 모형이나 실물을 이용하여 비행기가 받는 공기력·모멘트 등을 실험적으로 측정한다. 보통의 풍동에서는 기류를 순환시켜서 연속적인 흐름을 만드 는데, 기류를 어떻게 순환시키는가에 따라 폐회로식과 개회로식으로 분류하고 측정부의 측정방법에 따라 폐쇄식과 개방식으로 나눈다.풍동시험은 실물을 사용하여 직접 측정하는 것에 비하여 소형의 모형을 사용할 경우에는 모형을 계통적으로 변화시켜 측정결과를 해석할 수 있으므로 비용이 적게 들고 쉽고 안전 하게 실험할 수 있는 장점이 있다.하지만 모형과 실물 사이에서 크기의 차, 속도의 차 등 여러 측정량의 차이가 측정결과에 큰 영향을 미치므로 실험결과가 때때로 실물에 의한 시험결과와 다른 경우가 있으므로 측 정결과를 해석할 때 신중히 고려할 필요가 있다. 이 때문에 풍동 내의 압력을 높이기도 하고, 밀도가 큰 기체를 사용하거나 실물을 넣을 만큼 큰 풍동을 건설하기도 한다. 풍동 은 기류의 순환이나 용도 또는 성격 등 다양한 방법으로 분류가 가능한데, 우리는 이 풍 동실험을 에어포일을 통해 진행하도록 한다.2) 베르누이 방정식- 정압(Ps) + 동압(Pd) = 전압(Pt)유체속의 한 점의 압력은 방향에 관계없이 일정하게 작용하는데 이 정압의 크기는 유체가 정지 상태일 때 최대가 된다. 그리고 유체가 움직일 때 입자는 속도를 갖게 되는데, 이 속도가 압력으로 나타내어져 유체의 운동에너지를 해당 압력으로 환산한 것이 동압이다. 정상 흐름에서의 압력은 전압을 의미하고, 이것은 정압과 동압을 합한 값과 같다. 전압이 일정하기 때문에 동압이 증과 의 관계가 나타나며 항력과 양력에 영향을 준다.3) 항력물체는 유체 내에서 운동 을 하게 되면 저항력을 받는데, 반대로 흐르는 유 체 내에 물체가 정지해 있어도 저항력을 받는다. 예를 들어 나무판을 흐르 는 유체 속에 유체의 흐 름방향 에 대해서 경사지 게 놓았을 때 나무판에는 두 힘이 작용하게 된다.하나는 유체의 흐름방향으로 흘려보내려는 힘과 또 하나는 흐름방향에 수직으로 작용하는 힘인 항력이다. 항력은 흐름방향으로 작용하는 힘이다. 항력의 크기는 흐름의 속도를 v, 유체의 밀도를 ρ, 나무판의 단면적을 S라 하면 {1} over {2} c rho S upsilon ^{2}이 된다. 여기서 c는 나무판의 단면의 형태와 나무판이 흐름방향에 대한 기울기에 의해서 결정되는 상수로 보통 이것을 항력계수(drag coefficient)라 한다.4)양력가령 비행기 날개와 같은 형상의 물체를 유체 흐름방향으로 비스듬히 놓으면 그 물체에는 흐름 방향에 수직으로 물체를 들어 올리려고 하는 힘인 양력이 작용한다. 날개가 비행기본 체를 공중에 지탱시킬 수 있는 것은 이 때문이 다. 예를 들면 종이의 모서리 끝을 양손으로 잡고 종이 위로 바람을 불면, 종이가 밑으로 처져있는 상태에서 약간 위로 들린다. 이렇 게 종이를 들어 올리는 힘이 양력이다. 양력은 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 생긴 종 이 위로 바람을 불면 공기가 적어진다. 공기가 적어지면 압력이 낮아지고, 종이는 압력이 높은 종이 아래에서 압력이 낮은 종이 위로 올라가게 되는 것이다. 이처럼 물체를 유 체가 흐르는 방향으로 떠밀어 보내려고 하는 힘을 양력이라고 한다.에어포일에서는 3)번의 항력과 4)번의 양력이 함께 작용하게 된다.5) 풍동의 상사모형실험의 결과가 실제로 유용하게 사용되기 위해서는 실제크기의 원래 형상에 존재하는 힘과 모멘트 및 동적하중 등을 얻을 수 있는 비율로 모형실험 결과자료가 도출되어야 한 다. 따라서 가장 중요한 요구조건은 모형과 원형이 기하학적으로 상사를 이루어야 한다는 것이다.기하학적 상일 종류의 힘들이 서로 평행하고, 그 크기가 일정한 축적계수를 갖는 힘의 분포를 가질 때, 그 두 유동은 동역학적으로 상사하다. 완전한 동역학적 상사성을 이루는 데 요구되는 조건들을 설정하 기 위해서는, 그 유동 환경에서 중요한 모든 힘들이 고려되어야 한다. 그래서 점성력, 압 력, 표면장력 등의 영향들이 고려되어야 한다.우리는 실험에 앞서 이러한 상사원리가 있다는 것만 짚고 넘어가도록 한다.5) 미소요소에서의 유동유체의 점성으로 인한 마찰손실을 생각하지 않는 정상류(시간적으로 변하지 않는)의 운동 방정식을 유도하기 위하여 유체의 미소요소에 작용하는 힘을 생각한다. 이 요소에 작용하 는 힘은 흐름이 갖는 관성력, 유체에 걸리는 정적 압력, 그리고 체적력 세 가지이며, 이들 힘의 평형으로부터 운동방정식이 유도된다. 유선에 면한 거리를 x[m], 단면적 A[㎡], 유 체의 밀도ρ[㎏/㎥], 압력p[Pa=N/㎡], 기본 면으로부터의 높이를 z[m], 중력가속도g[㎨] 로 한다. 뉴튼의 법칙에 따라 이 미소 요소에 작용하는 외력의 총합은 요소 내에서 유체 의 운동량 변화와 같다. 외력 가운데 우선 2차 이상의 미소 항을 생략한 압력의 총합은pA-(p+dp)(A+dA)+(p+ {1} over {2} dp)dA=-Adp이 된다. 여기서 좌변의 제3항은 미소요소의 측면에 작용하는 압력의 흐름 방향 성분이 다. 다음으로 체적력은 질량 ρAdx에 작용하는 중력으로 생각하면, 그 흐름의 방향 성분 은 유선과 중력 작용선이 이루는 각을 θ로 놓을 때,- rho gAdxcos theta =- rho gAdz가 되고,다른 쪽의 운동량 변화는( rho +dp)(u+du) ^{2} (A+dA)- rho u ^{2} A#``#=Au ^{2} d rho + rho u ^{2} dA+2 rho uAdu따라서, 운동방정식은 이 유체요소에 작용하는 외력의 총합이 운동량의 변화와 같으므로-Adp- rho gAdz =A {u }^{2 }d rho + rho {u }^{2 }dA +2 rho uAdu { rho }+ { du} over {u } + { du} over { A}=0{ dp} over { rho { u}^{2 } }+ { gdz} over {{ u}^{2 } }+ { du} over {u } =0또 다음과 같은 꼴로 쓰면 오일러의 식이 된다.dp+ rho gdz+rhoudu=0비압축성 유체에서 밀도ρ를 일정으로 하고 유선에 따라 적분하면 (베르누이 전제)p+rho gz+ { 1} over {2 }rho { u}^{2 } =constant즉 베르누이 방정식이 된다. 기체의 흐름에 있어서도 유속이 음속에 비하여 낮을 경우에 는 비압축성 유체로 볼 수 있다.또 기체의 경우에는 중력의 영향을 무시할 수 있다. 즉, 정리하자면p+ { 1} over {2 }rho { u}^{2 } =constant라고 쓸 수 있다.위의 결과는 액체와 기체 모두에서 베르누이와 유동간의 관계를 보여주며, 미소요소에서 의 해석을 통해 처음에 살펴봤던 것처럼 속도와 압력간의 관계를 보여준다. 이번 실험에 서 반드시 필요한 이론적 내용은 아니지만 총괄적인 연관성을 보여주는데 사용된다.6) 피토관의 원리피토관은 베르누이 방정식에 따라 유속을 측정하는 장치이다. 유체흐름의 총압과 정압의 차이를 측정하고 그것에서 유속을 구한다. 비압축성 정상유동에 있어서 두지점 사이의 단 위 질량당 운동에너지의 변화량은 압력과 중력에 의한 일과 같다.{V _{1} ^{2}} over {2} + {p _{1}} over {rho _{g}} +gh _{1} = {V _{2} ^{2}} over {2} + {p _{2}} over {rho _{g}} +gh _{2}유선으로 연결되어 있다면 위의 베르누이 방정식이 성립하고 이에 따라 속도V에 대해 다음과 같 이 쓸 수 있다.V= sqrt {{2(p _{T} -p _{S} )} over {rho _{g}}} = sqrt {2g DELTA H}여기에서, P_T는 전압, P_S는 정압, g는 중력가속 도, ρg는 유체의 밀도를 나타낸다. 베르누이 방정식 이 만족측면 구멍에는 정압이 걸리므로 양쪽의 압력차를 측정함으로써 베르누이의 방정식에 따라 흐름 의 속도가 계산되어진다.3. 실험장치1) 실험장치 4. 실험방법1) 마노미터의 영점을 조정한다.2) 풍동 내의 높이를 30Cm로 하여 3Cm간격으로 눈금을 표시한다.3) 니크롬선에 파라핀 용액을 묻힌다.4) 익형의 받음각을 0°에 맞춘다.5) 전원을 on으로 한다.6) 어느 정도 시간이 흘러 풍량이 정상상태가 되었다면 눈금을 표시한 지점 30개의 속 도를 측정한다.7) 니크롬선에 전기를 흘려 보내어 풍동내 유동을 가시화한다8) 익형의 받음각을 10°, 20°, 30°로 변화시켜 6), 7)의 과정을 반복 실행 한다. 123678495※ 실험시 유의 사항1) 실험전 송풍기를 돌려 일정한 풍량이 흐르는 지 확인해야 한다.(정상상태 확인)2) 후류 및 박리의 현상을 자세히 확인한다.5. 실험결과1) 유선관측 모양0˚10˚20˚30˚2) 받음각 변화에 따른 압력 (mmAq)구 분0°10°20°30°상12.62.592.712.7822.622.622.832.9832.632.592.762.88중42.862.692.862.852.792.82.993.3262.161.551.121.6하72.492.483.522.5182.742.652.692.892.562.552.622.83에서이므로, 물에 대한 압력 수치를 수은에 대한 압력 값으로 바꿔주기 위해서 공식을 변환시키도록 한다.= 물의 밀도 (1000 kg/m3)= 공기의 밀도풍동내의 온도를 20도 라고 하였을 때 1기압에서 공기의 밀도는 1.205kg/m3이므로이 값이 이지만 계산하기 편하게 하기 위해 이라 놓고 계산을 하였 다.구 분0°10°20°30°상1*************2*************64*************22082304중4**************************3922*************961280하7*************0*************5*************0209622643) 단위환산 (

공학/기술| 2010.11.21| 11페이지| 2,000원| 조회(411)

풍동실험, 베르누이 방정식

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열전도 실험 리포트

실험명 - 열전도 실험1. 실험목적1)Fourier 열전도 법칙을 응용하여 미지 물체의 열전도도를 구한다.2)Fourier 열전도 법칙의 이해를 증대시킨다.3)열전도 시험기기의 사용방법을 능숙화 한다.4)열전도 시험기기를 이용해 열을 측정하고 전체 전열량을 구한다.2. 이론 및 원리1)Fourier 법칙- 열전도도는 전도체 내에서 인접한 분자와 전자들 사이의 에너지 교환과정과 밀접한 관계 가 있다. 막대 모양 물체에서 그 열류량은 막대의 단면적과 양끝 사이의 온도차에 비례하 며 막대의 길이에 반비례한다.Q``=`kA {dT} over {dx} ``=`kA DELTA T/L``=` DELTA T/R Q : 전열량 (W)K : 열전도도 (W/m℃)A : 열전도면적 (m2)ΔT : 온도차 T1-T2 (℃)L : 열전도 진행방향 거리 (m)--> 전도 열저항;R``= {L} over {kA}열저항 보다는 fourier 법칙의 일반적인 첫 번째 공식의 사용이 이번실험에서 크다.2)접촉저항: Rc- 서로 다른 두 재료가 접촉 시 열이 전도되며 발생하는 저항을 뜻한다.1) ~~K_a = {Δt_R over Δt_a} ? {L_a over L_R } ?K_R2)~~K_b = {Δt_R over Δt_b} ? {L_b over L_R } ?K_R- 여기서 ΔtR : 기준통의 온도차(LR로 잡은 부분의 온도차 : ℃)Δta : a 시험편의 온도차(℃) Δtb : b 시험편의 온도차(℃)La : a 시험편의 길이 (두께)(m) Lb : b 시험편의 길이 (두께)(m)LR : 기준통의 길이(m) KR : 기준통의 열전도도(kcal/mh℃)3)실험장치 이론Ra prime ``=2Rc+Ra``= {T4 prime -T5 prime } over {Q} ,`##Rb prime ``=2Rc+Rb``= {T6 prime -T7 prime } over {Q}Q1``=k _{r} A` {T1-T4} over {L1-L4} ```````and``````Q2``=k _{r} A {T7-T10} ov 고려하자. 벽의 두 표면은T _{1`} ``,`T _{2} 의 일정한 온도로 유지되고 있다. 벽을 통한 1차원 정상 열전도에 대해 온도는T(x)이다. 벽에 대 한 Fourier의 열전도 법칙은 다음과 같다.3dot{Q} _{cond,wall} ``=-kA {dT} over {dx} (W) (1)여기서 전도 열전달률dot{Q} _{cond,wall} 와 표면적 A는 일정하다. 따라서 dT/dx 는 일정하며, 벽을 통하여 온도는 x에 따라 선형적으로 변한다는 것을 의미한다.즉, 정상 상태에서 벽의 온도분포는 직선이다. 위의 식을 변수 분리하고T(0)=T _{1} ``,`T(L)`=T _{2} 를 이용하여 x=0에서 x=L까지 적분하면 다음을 얻는다.int _{x=0} ^{L} {dot{Q} _{cond,wall} `dx} `=`- int _{T=T _{1}} ^{T _{2}} {kA} `dT`적분을 수행하고 정리하면 다음 식을 얻을 수 있다.dot{Q} _{cond,wall`} ``=`kA {T _{1} -T _{2}} over {L} (W) (2)다시 언급하면, 평면벽을 통한 전도 열전달률은 열전도율, 면적, 온도 차이에 비례하고 벽 의 두께에 반비례한다.앞에서 설명을 못한 furier 법칙의 유도과정을 보충 설명하였다.5)열저항 (보충)- 평면 벽에 대한 열전도에 관한 식 (2)는 다음과 같이 표시할 수 있다dot{Q _{cond,wall`}} ``=` {T _{1} -T _{2}} over {R _{wall}} (W) (3)여기서R _{wall} = {L} over {kA} (°C/W) (4)식(1-14)는 열전도에 대한 벽의 열저항 또는 단순하게 벽의 전도저항이라 한다. 매개체 의 열저항은 형상과 매개체의 물성치의 함수임에 주의해야 된다. 열 유동에 대한 앞의 식 은 다음으로 표시되는 전류와 유시하다.I```= { xi _{1} `-` xi _{2}} over {`R _{e}} ` (5)여기서R _{e`} =` {L} over {rho _{e} A}은 전이 일어나는 표면이 이 경우에 가깝다. 하지만 평면 벽에만 국한되는 것은 아니다. 대류저항에 관한 식 (6)은 h가 일정하고 균일한 조건에서는 어떠한 형상의 표 면에 대해서도 성립한다.벽의 주위를 기체가 둘러싸고 있을 때 지금까지는 무시했지만 복사 효과가 중요하므로 고려해야 할 필요가 있다. 방사율epsilon , 면적 A이고 온도T _{s}인 표면과 평균온도가T _{surr} 인 주위 표면과의 복사 열전달은 다음과 같이 표현된다.dot{Q _{rad}} ``=` epsilon sigma A(T _{s} ^{4} -T _{surr} ^{4} )`=`h _{rad} `A(T _{s} -T _{surr} )`##````````````````````````````````````````````````````````````= {T _{s} -T _{surr}} over {R _{rad}} 여기서R _{rad} =` {1} over {h _{rad} A} 는 복사에 대한 표면의 열저항 또는 단순하게 표면의 복사저항이라 한다. 그리고h _{rad} = epsilon sigma (T _{s} ^{2} +T _{surr} ^{2} )(T _{s} ^{} +T _{surr} ^{} )```[W/(m ^{2} BULLET K)]는 복사 열전달 계수이다.h _{rad}을 구할 때T _{s}와T _{surr}는 단위가 켈빈온도(K)로 되어 야 한다. 복사 열전달계수를 정의하면 대류와 비슷하게 복사를 온도차이의 함수 형태로 표시할 수 있다. 그러나h _{rad}는h _{conv} 와 달리 온도에 따라 그 값이 많이 달라진다. 표 면에서 주위로 대류와 복사가 동시에 일어날 때의 대류와 복사 성분을 더하여 전체 열전 달을 구한다. 대류와 복사 저항은 병렬이고, 열저항 회로를 복잡하게 만들 수 있다.T _{surr} ` APPROX T _{INF }일 때는 열저항에서의 h 대신에h`=`h _{conv} +h _{rad}로 대체하면 복사 효과가 고려되어 진다. 이렇게 하면 복사와 관련된 복잡 쉽게 이해를 높일 수 있도록 하였다. 결과적으로 전체 저항은 위와 같이 나눠 살펴볼 수가 있다.3. 실험장치1) 실험장치4. 실험방법1) 두께가 다른 시편 2개를 장치의 a(0.0038m 두께, 반지름 0.02m)와 b(0.0064m 두께, 반지 름 0.021m)에 각각 설치하고 유량계를 통하여 냉각수를 일정량 하부에 통과시킨다.2) 전원버튼을 누른 후 히터조절계로 전력을 올리고, 온도와 냉각수량을 조절한다.3) 온도가 220℃로 정상상태(일정한 온도상태)에 이르면 1~10의 온도를 기록한다.4) 전력을 바꿔 시편의 온도가 200℃, 220℃로 정상상태에 이르면 기록을 반복한다.5. 실험결과1) 기록한 온도(℃)를 표로 정리하였다.실험온도위 치220℃200℃180℃1196.2182.15165.52168.6155.1140.63166.5152.95138.54165.2151.6137.35160.25146.95132.856159.15146.05132.2772.66863.05871.967.5562.6971.166.6561.951070.465.861.32) 이론식으로 부터 열전도도 k 및 접촉저항 Rc를 계산한다.- 여기서 T4'와 T5'는 균일하게 성분이 분포된 물체 내에서 열전도의 선형적 변화를 이용하 여 유추한다. Q는 다음과 같은 방법으로 구한다.Q``= {Q1+ Q2} over {2}Q1``=k _{r} A` {T1-T4} over {L1-L4} ```````and``````Q2``=k _{r} A {T7-T10} over {L7-L10} 이며, 따라서 Q1과 Q2를 계산하기 위해선 Kr값을 알아야 하는데 실험기기에 사용된 재료 는 황동이므로 황동의 열전도도 Kr=111W/m℃를 넣어 계산한다.Rb prime -Ra prime ``=2R _{C} -2R _{C} +Rb-Ra``= {L _{b} -L _{a}} over {kA}는k``= {L _{b} -L _{a}} over {A(Rb prime -Ra prime )} 여기서 Lb는 시험편이 두꺼울 때의 두께,`DELTAt_7,8`DELTAt_8,9`DELTAt_9,10`24.92.11.24.450.6569.150.450.650.653) 계산값- 180℃일때Q=(Q1+Q2)/2 = 11.6+0.67 / 2 = 6.135 [w]Q1=KrA(T1-T4)/(L1-L4) = 110*(π/4)*0.022(165.5-137.3) / 0.084 = 11.6Q2=KrA(T7-T10)/(L7-L10) = 110*(π/4)*0.0212(63.05-61.3) / 0.09 = 0.67[w/m°c]- 200°C일때Q=(Q1+Q2)/2 = 58.1+54.7 / 2 = 56.4 [w]Q1=KrA(T1-T4)/(L1-L4) = 110*(π/4)*0.02(153.1-141.1) / 0.084 = 58.1Q2=KrA(T7-T10)/(L7-L10) = 110*(π/4)*0.021(95.5-83.4) / 0.09 = 54.7[w/m°c]- 220°C일때Q=(Q1+Q2)/2 = 75+79.5 / 2 = 77.25 [w]Q1=KrA(T1-T4)/(L1-L4) = 320*(π/4)*0.042(185.6-170.1) / 0.083 = 75Q2=KrA(T7-T10)/(L7-L10) = 320*(π/4)*0.042(102.4-84.8) / 0.089 = 79.5[w/m°c]6. 고찰1)T4', T5', T6', T7'- 2.이론 및 원리 중에서 3)실험장치 이론’에서 이런 생각을 하였다. 시편의 전후에서 일어 나는 온도의 선형적 관계를 이용하여 선형방정식을 세우고 임의의 위치에서의 온도를 방 정식을 계산하여 풀 수 있다고 말이다. 그래서 나는 3번의 실험에서 각각 3번씩 2차 방 정식을 세웠다.그 2차방정식을 세워서 계산하는 과정은 위에 포함되어 있지 않다. 하지만 X축을 시편의 위치로 놓고 Y축을 온도로 놓은 후 두 지점의 X값과 Y값을 알면 선형 방정식을 세울 수 있다는 점만 이야기 하겠다.따라서 그 방정식 16개를 풀어서 나는 T4'부터 T7'까지의 온도를 계산하였다. 물론 열전 도도는 비교적 선형인 형태

공학/기술| 2010.11.21| 12페이지| 2,000원| 조회(603)

열역학, 열전도

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열교환기 실험 리포트

실험명 - 열교환기 실험1. 실험목적1) 열교환기의 흐름 형태(대향류와 평행류)에 따른 전열 특성을 이해한다.2) 강제대류로 직접 열전달 이론을 실험해 본다.3) 열교환기의 UA를 계산해 보고, 각 효율을 비교한다.2. 이론 및 원리1) 열교환기란열교환기는 온도가 다른 두 유체가 서로 섞이지 않으면서 열의 교환을 행하는 장치이다. 열교환기는 가정용 냉?난방 관련 공조 시스템에서 큰 공장의 공정이나, 발전설비에 이르기 까지 넓은 범위의 응용분야에서 실질적으로 많이 쓰이고 있다. 열 교환기는 두 유체가 섞 이도록 구성되어 있는 혼합실과는 다르다. 예를 들어 자동차 라디에이터 관을 흐르는 뜨 거운 물로부터 관의 바깥에 촘촘히 부착된 수많은 휜 사이를 흐르는 공기로 열이 전달된 다. 열교환기에서의 열전달은 보통 벽을 사이에 두고 나눠진 두 유체에서의 대류와 벽에 서의 전도를 포함하므로, 열교환기의 해석은 열전달에 영향을 주는 모든 요소들을 감안한 열관류율()로 해석하는 것이 편리하다.열교환기의 한 지점에서 두 유체 사이의 열전달률은 그 지점에서의 온도차 크기에 의존하 며 그 온도의 차이는 열교환기의 길이방향에 따라 변한다. 따라서 열교환기의 해석에 있 어서는 열교환기 전체에서 두 유체 사이의 평균 온도차에 해당하는 대수평균온도차를 사 용하는 것이 편리하다.그러므로 이번 실험에서는 열관류율과 대수평균온도차를 사용한다.2) 열교환기의 종류가장 간단한 형식의 열교환기는 이중관 열교환기라 할 수 있는데, 이는 지름이 서로 다른 두 동심 관으로 구성된다. 이중관 열교환기의 한 유체는 작은 관 속을 흐르고, 다른 유체 는 두 관 사이의 환형 공간 속을 흐른다. 이중관 열교환기에서 흐름의 배치는 두 가지로 볼 수 있다. 첫째, 평행류에서는 고온 유체와 저온 유체가 열교환기의 같은 방향에서 들 어와 같은 방향으로 나간다. 둘째, 대향류에서는 고온 유체와 저온 유체가 열교환기의 서 로 다른 방향으로 들어와 반대로 흘러 나간다.이밖에 단위 부피당 열교환 면적이 특별히 크도록 설계된 것기체-기체, 기체-액체 열교환기에 많이 사용된다. 밀집형 열교환기에 있어서 두 유체는 보통 서로 수직으로 작용하며, 그런 흐름의 형태를 직교류라 한다.일반적으로 널리 사용되고 있는 열교환기는 평판형 열교환기이다. 이는 물결모양의 유동 통로를 연속적으로 구성한 열교환기이다. 고온과 저온유체가 통로들에 번갈아 들어가서, 저온 유체는 샌드위치처럼 두 고온 유체로 둘러싸이게 되어, 매우 효과적인 열전달을 하 게 된다.이중에서 우리는 가장 간단한 형식의 이중관 열교환기 실험 장치로, 실험을 진행할 것이며, 대향류와 평행류에서의 차이를 살펴보겠다.3) 대수평균온도차(LMTD)대수평균온도차는 LMTD라 하여, 위와 같은 방법으로 계산한다. 여기에서의과는 열교환기의 양끝(입구와 출구)에서 고온과 저온 유체 사이의 온도차이다. 입구와 출구는 임의로 정하면 되지만,을보다 큰 값으로 정한다.두 유체 사이의 온도는 입구에서의에서 출구에서의로 감소한다. 그러므로 평균 온도차로서 산술평균을 사용할 수 있다. 대수평 균 온도차은 열교환기를 따라 유체의 실제 온도차를 추적해서 얻어진 것으로 고 온과 저온 유체 사이의 평균 온도차에 대한 엄밀한 표현이다. 그것은 실제로 국소 온도차 의 지수적인 감소를 반영한다.여기서은 언제나보다 작다. 그러므로을대신에 사용하 는 것은 열교환기 안에서 두 유체 사이의 열 교환을 과대평가하는 것인데이에 비해 40% 이상 차이가 나지 않으면, 산술평균 온도차를 사용하는 것에 대한 오 차는 1% 미만이다. 그러나 그 오차는과의 차이가 커질수록 바람직하지 못 한 수준으로 증가한다. 그러므로 열교환기에서 열전달률을 결정할 때에는 언제나 대수 평 균 온도차를 사용해야 한다.LMTD 법에 의한 과제는 규정된 열전달 요구를 만족시킬 열교환기를 선택하는 것으로 다 음과 같은 절차를 따르게 된다. 첫째, 응용분야에 알맞은 열교환기의 형식을 선택한다. 둘 째, 에너지 균형을 이용하여 모르는 입 출구온도나 열 전달률을 구한다. 셋째, 대수평균 온도차을 구하고, 필요시 수정계수를 야 하는 경우 에 LMTD법으로는 반복계산이 필요하다. 하지만 이 방법은 반복계산이 필요없다. 열용량이 다른 두 유체의 열교환에서 최대가능 열전달률은 열용량이 작은 유체가 도달할 수 있는 최대 가능 온도차에서 얻을 수 있다. 따라서 아래 식 같이 쓸 수 있고 모두 주어진 조건 (given condition)이 된다.열교환기의 열교환율을 ηh 라 하면 고온 유체 W에 관계되는 계산식은 다음과 같다.※ 평행류의 경우※ 대향류의 경우5) 직교류 및 대향류 열교환기U : 총합열전달계수 (W/m2K)A : 전열면적 (m2)k : 관의 열전도도 (W/mK)t : 관 벽의 두께 (m)ΔTlm : 로그평균 온도차(K)UA값과 대수평균온도차(ΔTlm)를 이용하여 열교환기에서 교환된 열량 Q를 계산 할 수 있 다. 그리고 UA의 역수는 위와 같은 공식으로 계산되어지므로, 나머지 값들만 대입하면 총 체적인 열전달계수 U를 구할 수 있다.3. 실험장치1) 실험장치 2) 시험장치 스케치① 위의 밸브를 이용하여 이중관 열교환기 내의 흐름 방향을 조절 할 수 있도록 설계되어 있다.② 뜨거운 물은 계속 순환하며, 열교환기를 나온 물을 히터를 통해서 계속 가열한다.③ 차가운 물은 계속 새롭게 공급된다.④ 유량계를 통해 뜨거운 물과 차가운 물 모두 그 유량을 알 수 있다.4. 실험방법1) 시험부 뒤의 탱크에 물을 충분히 채운다.2) 콘트럴 밸브를 평행류 형태로 세팅한다.3) 펌프를 작동시키고 유량조절 밸브를 사용하여 유량을 Qh = 2000cc/min,Qc = 1000cc/min 에 맞춘다.4) 히터를 60℃로 세팅한다.5) 온수의 온도가 60℃에 도달하면 측정을 시작한다.6) 냉각수의 유량을 Qc = 1500cc/min 과 Qc = 2000cc/min 로 변화시켜 재 측정 한다.7) 콘트럴 밸브를 대향류로 바꾸고 Qh = 2000cc/min, Qc = 1000cc/min 에 맞춘 후 실험을 수행한다.5. 실험결과1) 데이터값평행류온수유량냉수유량Th,inTh,mTh,outTc,inTc,mTc/min =kg/s)Cp : 물의 비열 (4.2kJ/Kg·K)차가운 물과 뜨거운 물의 비열을 같게 본다.- 유량 환산 시 2L/min = 0.0333kg/s1.5L/min = 0.0250kg/s1L/min = 0.0167kg/s로 대체할 수 있다.온수유량냉수유량평행류210.791.2821.51.111.58221.501.73대항류220.972.363) 상기 온도로부터 열교환기의 UA를 구한다.- 온수 전열량 =- 냉수 전열량 =----온수유량냉수유량외부 열손실효율(%)LMTD(℃)UA(kW/K)평행류210.791.28-0.49162.021.850.05921.51.111.58-0.47142.322.580.070221.501.73-0.23115.322.620.076대항류220.972.36-1.39243.322.890.103- 평행류: ΔT1=Th,in - Tc,in / ΔT2=Th,out - Tc,out대향류: ΔT1=Th,in - Tc,out / ΔT2=Th,out - Tc,in- 평행류 : Qh = 2 L/min, Qc = 1 L/min ; ΔT1=36℃, ΔT2=12℃Qh = 2 L/min, Qc = 1 L/min ; ΔT1=36℃, ΔT2=13℃Qh = 2 L/min, Qc = 2 L/min ; ΔT1=36.5℃, ΔT2=12.8℃- 대향류 : Qh = 2000cc/min, Qc = 1000cc/min ; ΔT1=17.7℃, ΔT2=29℃4) 그래프-평행류와 대항류-로그평균온도차- UA6. 고찰1) 평행류평행류에서 온수가 일정하고, 냉수는 1000cc/min ~ 2000cc/min로 유량이 증가함에 따 라 UA값도 증가하는 것을 그래프로 쉽게 확인할 수 있다. 이것은 열전달에 있어서 유량 이 변수로 작용된다는 것을 보여준다. 냉수의 유량이 500cc 증가하며 1000cc와 1500cc 사이에서는 UA가 11W/K만큼, 1500cc와 2000cc사이에서는 6W/K만큼 증가한 것으로 보 선형적 증가관계는 아님을 알 수 있다.2) 대향류같은 조건의 평행류 시스템행류보다 열전달 효율이 좋다. 하지만 실험에서 는 이론과 달리 냉수의 열 전달량에 있어서 대향류가 평행류보다 적게 나왔다. 이것은 대 향류 시스템이 냉수의 열전달보다 온수의 열전달에서 더 유리하다는 것을 보여준다. 대향 류가 냉수 전열량이 적은 이유는, 냉수 유량 1L/min이 온수 유량 2L/min에 비해 유량차 가 너무 컸기 때문에 이러한 결과가 나타났다고 생각한다.그래프를 살펴보면 UA값이 대향류가 평행류보다 낮게 나왔다. 이처럼 다양한 면에서 열 전달효율이 평행류가 더 좋게 나타나 보이는 원인은 바로 위에서 설명한 유량차가 가장 큰 원인이며, 대향류와의 차이가 미미함에 주목하여야 한다.3) 외부 열손실열손실량을 살펴보면 같은 조건의 대향류가 평행류보다 적게 나왔다. 그리고 평행류의 냉 수 유량이 증가함에 따라 대체로 열손실량이 증가하고 있다. 데이터가 (-)이지만 여기에 서 중요한 것은 열손실의 크기이므로 절대 값으로 보아도 무방할 것이다.여기서도 유량이 변수로 작용하며 열손실에 있어서 중요함을 확인하였다. 평행류의 냉수 유량증가와 외부 열손실의 증가는 실험을 진행하며 예상하였던 바이므로 재확인하였다고 본다.4) 오차원인실험을 진행하며 몇 가지 오차 원인이 작용하였다. 첫째, 평행류에서 대향류로 바로 전환 하여 실험을 계속 하였다. 따라서 출구와 입구에서의 온도에 어느 정도 대향류 데이터가 영향을 받았으리라 본다. 둘째, 연이은 실험으로 인한 오차. 약간의 텀을 주었으나 충분하 지 않았던 것 같다. 셋째, 밸브확인. 밸브를 평행류에서 대향류로 전환하였을 때 몇 번이 나 재확인 하였지만 불안하였다. 누수가 발생했을지도 모르겠다. 넷째, 온도계의 눈금. 눈 금을 읽을 시에는 항상 수평으로 정확하게 눈금을 읽어야 하나 온도계의 위치상 작은 오 차가 발생했으리라 본다.그러므로 좀 더 나은 실험을 하기 위해서는 몇 가지 주의 사항이 있다. 파이프로 이루어 진 실험장비에 누설이 있는지 없는지를 살펴보아야 하며, 밸브도 확인해 보아야 한다. 밸 브의 노후는 유량이 한다.

공학/기술| 2010.11.21| 10페이지| 2,000원| 조회(286)

열역학, 열교환기

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베르누이 실험 리포트

실험명 - 베르누이 실험1. 실험목적1) 베르누이 방정식을 이용하여 압력수두, 속도수두, 위치수두 사이의 관계를 이해한다.2) 유체의 흐름을 데이터로 분석해보고 유체의 흐름의 특징과 베르누이 방정식과의 연관성 에 대해 살펴본다.3) 유체 유동 중에 일어나는 에너지 손실(손실수두와 속도의 관계 이해)를 이해한다.2. 이론 및 원리1) 베르누이 정리- 운동하고 있는 유체 내에서의 압력 과 유속(流速), 임의의 수평면에 대 한 높이 사이의 관계를 나타내는 유 체역학의 정리이다. 이때 유체의 압 축률과 점성(粘性：내부저항)은 무시 될 수 있어야 하며 유체의 흐름은 균일하거나 층류이어야 한다. 1738 년 스위스의 수학자 다니엘 베르누 이가 이 정리를 처음으로 유도했다. 사실상 이 정리가 의미하는 것은 운 동하고 있는 유체의 역학적 총에너 지, 즉 유체의 압력에 의한 에너지와 임의의 수평면에 대한 중력에 의한 위치 에너지 그 리고 유체의 운동 에너지의 총합이 일정하다는 것이다. 그러므로 베르누이 정리는 흐름이 균일하거나 층류인 이상유체에 대한 에너지 보존 원리이다. 따라서 유체가 수평면에서 운 동할 때, 즉 위치 에너지의 변화가 없는 경우 베르누이정리에 의하면, 유체 압력의 감소 는 유속의 증가를 뜻한다. 예를 들어 수평면에 놓인 단면적이 변하는 도관을 통해 유 체가 흐를 때, 도관의 단면적이 줄어들수록 유속은 증가한다. 그러므로 유체가 도관에 대 해 작용하는 압력은 도관의 단면적이 최소인 부분에서 가장 작아진다. 유체의 흐름에 대 해 부분적으로 단면적이 좁아진 도관이 미치는 효과를 벤추리 효과라고도 하는데, 이 현 상을 처음으로 밝힌 이탈리아의 과학자 G. B. 벤추리(1746~1822)의 이름을 따서 명명했 다. 베르누이 정리는 항공기 날개의 설계와 같은 다양한 공학적 응용분야에서 그 근간을 이루고 있다. 항공기 날개의 상단부 곡면을 따라 흐르는 공기는 날개 밑을 지나는 공기보 다 빠르다. 따라서 날개 하단면의 압력이 날개 상단면의 압력보다 커지게 되는데 이러한 원음과 같다.유선이 수평인 경우에는이고, 중량의 성분 중에 유선방향의 가속도에 기여하는 부 분은 없다. 그리고 정지된 유체 속의 압력은 유체의 중량 때문에 일정하지 않다. (). 마찬가지로, 흐르는 유체속의 압력도 보통 일정하지 않다. 정상 유동인 경우, 일반적으로이다. 입자 중심에서 압력을 p라 하면, 유선에 수직인 양쪽 끝에 서의(면) 평균 압력은이다. 유체입자는 작기 때문에, 압력 장에 대한 테일러급수 전개를 하면을 얻을 수 있다 따라서를 유선방향의 압력에 의한 총 힘이라면이며, 다음과 같이 정리된다.여기서 압력 p의 크기가 중요한 것이 아니라, 유체 전체에 걸쳐서 압력차이가 발생하는 것에 중점을 둬야 한다.압력구배가 입자에 압력에 의한 힘을 발생시킨다. 비점성 유체이 므로,로 표현되는 점성에 의한 힘은 영이다. 따라서 입자에 작용하는 유선방향에 대한 다음과 같은 운동방정식을 얻는다.‥‥‥‥‥‥②그리고 식 ①과 식②를 결합하여, 유선방향에 대한 운동방정식을 얻을 수 있다.‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥③이 식은 힘과 가속도의 항인 양변에서 입자의 부피를 약분한 것이다. 이로부터 유체 입자의 질량보다는 밀도가 중요한 것임을 알 수 있다. 식 ③의 우변이 영이면 입자는 정 지된 상태로 유지된다. 즉, 우변이 영이라는 것은 입자가 정지된 상태로 유지된다는 의미 다. 유동하는 유체에서는 압력과 중력의 힘이 균형을 이룰 필요는 없다. 이 힘의 불균형 이 가속도와 그에 따른 운동을 유발한다.식 ③을 재정리하고 적분하면 다음과 같이 된다.먼저, 식 ②에서 유선을 따라이고이다. 또한, 유선을 따라서 n값은 일정하므로이며 따라서이다. 이들을 식 (3)과 결합하면 유선을 따라 유효한 다음과 같은 결과를 얻는다.이 식을 정리하면이며, 이를 적분하면‥‥‥‥‥‥‥④가 되며, 여기에서 C는 유선 위 한 점에서의 조건으로부터 결정되는 적분상수이다.일반적으로 밀도는 일정하지 않고서는 밀도가 적분기호 밖으로 빠져나올 수 없으므로, 압 력 항을 적분하는 것이 불가능하다. 이 적분을 수행하기 위해 첫 째, 점성효과가 무시되고 둘째, 정상유동이며 셋째, 비압축성유동으로 가정되고 넷째, 유 선을 따라서만 적용할 수 있다.또, 베르누이 방정식의 유도과정에서 유동이 평면상에서 일어나는 것으로 가정했는데, 일 반적으로 유선을 따라 적용만 한다면 베르누이 방정식은 2차원뿐만 아니라 3차원에서의 유동에서도 물론 유효하다.유동장 속의 두 점의 속도 V1과 V2의 차이는 유동장의 기하학적인 형상을 통해서 조절이 가능하다. 예를 들어, 정원에서 사용되는 호스의 노즐은 호스에 붙은 쪽인 노즐의 입구에 서보다 노즐의 출구에서 훨씬 큰 속도가 되도록 설계되어 있다. 베르누이 방정식으로부터 알 수 있듯이, 호스 안의 압력은 출구의 압력보다 커야 한다. 그리고 같은 높이에서 속 도의 증가는 압력의 감소를 필요로 한다. 물이 노즐을 통과하면서 가속하는 것은 바로 이 압력의 감소에 의한 것이다.비압축성 이상 유체가 정상유동을 하고 있다고 가정하면, 임의의 유선 또는 미소단면의 유관에서 다음과 같은 베르누이 방정식이 성립한다.여기서 p는 유체의 압력, v는 유체의 속도,는 공기의 비중량, z는 임의의 수평기준선으 로부터의 높이, 그리고 g는 중력가속도를 나타내고 하 첨자 1,2는 각각 유선상의 점 1, 2 를 표시한다.이로써 베르누이 방정식의 유도와 그에 대한 이해를 조금이나마 할 수 있겠다.3) 벤추리관- 차압식 유량계의 일종인 벤츄리 유량계는 관로 일부분의 단면적을 축소시켜 유속과 압력 과의 크기가 바뀌게 되는 원리를 이용하여 관의 단면 축소 전후 압력의 차이를 측정함으 로서 유속과 유량을 측정한다. 이를 토대로 방정식을 유도하면여기서 v는 유체의 속도, A는 유체가 들어오는 입구의 관의 단면적,ρ는 유체의 밀도, a는 관의 출구 쪽의 단면적, ρ′는 압력계에 들어 있는 유체의 밀도, h는 단면적 A와 단면적 a 에서의 압력계의 높이차이고, g는 중력가속도이다. 이 공식을 이용하여 유속을 계산할 수 가 있다.4) 유량과 유속- 물이 흐를 때 임의의 단면적을 단위시간에 통과하는 물적으로 사용하는 흐름의 속도는 단면의 각 점에서의 속도를 평균한 값을 가지 고 균일하다고 가정하여 나타낸다. 즉, 평균속도(Mean velocity)로 나타낸다.단면적 A(m)인 곳을 유속 V(m/s)의 평균속도로 물이 홀러갈 때, 유량 Q는 1초당 AV(m3) 이므로. 즉, 유량=단면적X속도이다.5) 피토관에서,이므로이 된다.따라서또는가 된다3. 실험장치1) 벤추리관2) 압력표시기 및 유량증가기(Hz조절) 및 공기공급탱크 4. 실험 방법1) 정압과 동압의 영점을 잡는다.2) 베르누이 실험기기에 바람이 통하게 한다.3) 19Hz로 모터를 맞추고 피토관을 벤추리관에 설치하여 압력이 안정되길 기다린다.4) 압력이 안정해지면 압력을 잰다.5) 피토관을 2cm씩 내려가면서 위의 내용을 반복한다.6) 5)의 과정을 10번 반복한다.7) 13Hz로 모터를 바꿔서 같은 방법으로 측정하여 기록한다.5. 실험결과1) 13Hz일 때T=26.2℃ (13Hz)압력 P[mmAg]속도 V[m/s]높이 Z[m]C17.4511.050.0416.6228.4011.650.0217.3138.6511.75017.5248.211.33-0.0217.1557.1210.60-0.0416.2566.229.96-0.0615.4975.649.57-0.0815.0185.219.23-0.1014.7394.908.90-0.1214.38104.568.53-0.1414.122) 19Hz일 때T=26.9℃ (19Hz)압력 P[mmAg]속도 V[m/s]높이 Z[m]C116.3714.590.0423.94218.5615.360.0225.74318.9815.48026.10417.5714.89-0.0224.92515.2514.04-0.0423.00613.3813.24-0.0622.11712.1112.69-0.0821.23811.0312.27-0.1019.49910.3411.77-0.1218.92109.5711.24-0.1418.283) 높이에 따른 압력높이간격 0.02[m]T=26.2℃ (13Hz)일때T=26.9℃ (19Hz)서는 C의 값이 증가하였다. 그 원인은 1.노후된 장비, 2.실험자의 실수 3.불안한 전기 시설이라고 생각한다. 그 원인에 대한 나의 추측은 이러하다.- 노후된 장비: 실험 장비가 노후 되어서 관에 공기의 유동이 계속 변한다. 처음에는 관에 여러 가지 이물질이 있었으나 계속 실험이 진행 될수록 이물질이 제거되어 압력과 속도가 상승한 것 같다.- 실험자의 실수: 주의사항에도 나와 있듯이 측정장비로 들어가는 고무호스를 잘못 놓은게 아닌지 의심난다. 고무호스가 제대로 놓여져있지 않다면 측정기에 들어가는 공기의 양이 실험할 때마다 달랐을 것이고 결과적으로 C의 값도 달라졌다고 생각한다.- 불안한 전기 시설: 실험실의 전기시설이 불안했다. 그 예로 풍동실험을 하는 도중에 과전 류 때문에 풍동실험에 사용되는 모터가 정지하는 일이 잦았다. 이번 실험에 불안한 전기 시설이 변수로 작용했다면 모터의 출력이 실험할 때마다 달라서 공기의 유속도 달랐을 것 이다. 모터의 속도조절장치없이 그냥 스위치에 연결된 경우는 출력이 일정하다는 보장을 하지 못한다.2) 주의사항압력 표시기에 연결된 호스는 휘어지지 않도록 늘 유의한다.3) 해결 방법실험장치를 깨끗이 청소하고 실험을 하고 측정기를 주의해서 다루고, 모터에 CONTROLLER를 설치하는 것이다.4) 실험을 마치고실험에서 정확한 데이터를 얻지는 못했지만, 베르누이 실험을 하는 방법과 베르누이 방정 식을 이해할 수 있었고, 벤추리 관에 대해서도 배울 수 있었다. 또 비록 베르누이의 방정 식의 정확한 계산은 못하더라도 일상생활에서 베르누이원리를 찾아볼 수 있는 계기가 되 었다.※ 느낀점이번 실험을 통해서는 베르누이 방정식을 이해하는데 도움이 되었다. 베르누이 방정식은 유체역학 시간에 오일러 방정식으로부터 유도되어서 유속 및 유량의 측정 등에 관련된 문 제를 해결하는데 사용되는 것이라고 배웠었다. 이번 실험을 통해서 베르누이 방정식이 그 러한 곳에 어떻게 사용되는지를 알 수 있었다. 그리고 피토관을 이용하였기에 유체역학 시간에 배운 내용이다)

공학/기술| 2010.11.21| 10페이지| 2,000원| 조회(506)

유체역학, 베르누이

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레이놀즈 실험리포트

실험명 - 레이놀즈 수 측정 실험1. 실험목적1)레이놀즈수를 계산해보고 층류와 난류시의 모습을 구별해 본다.2)유량, 유속에 따른 유체의 흐름을 파악한다.3)레이놀즈수와 유체의 흐름이 어떤 상관관계가 있는지 알아본다.2. 이론 및 원리1)난류층류는 매끄러운 유로나 층을 이루는 흐름인 데 반해 난류는 불규칙하게 움직이면서 서로 섞이는 흐름이다. 난류는 한 점에서 속도의 크기와 방향이 계속해서 변하므로 흐름이 잔 잔하다 할지라도 바람이나 강은 일반적으로 난류이며, 전체적인 흐름이 일정한 방향으로 움직이더라도 공기 또는 물은 소용돌이를 친다.대부분의 유체흐름은 난류이지만 유체 속을 움직이는 물체의 앞부분이나 관의 내면, 또는 점성이 큰 유체가 폭이 좁은 수로를 천천히 움직이는 경우처럼 물체의 표면과 매우 가까 운 부분에서는 층류가 나타난다. 난류의 대표적인 예로는 동맥(피의 흐름), 송유관 속의 기름의 흐름, 용암의 흐름, 기류 및 해류, 펌프나 터빈 속의 유체의 흐름, 배가 지나갈 때 물의 흐름 및 항공기 날개 끝 주위의 공기의 흐름 등이 있다2)층류- 매끄럽고 규칙적인 경로로 운동하는 유체(기체나 액체) 유동의 한 형태로 이는 유선형 유 동의 한 형태이다. 유체의 어느 한 지점에서 속도, 압력과 같은 여러 가지 유동 성질이 시간에 대해 일정한 값을 갖는다. 수평의 평면에 대한 층류는 각각이 서로 평행인 얇은 층으로 이루어진 것으로 생각할 수 있다. 수평면과 접촉하고 있는 유체는 정지해 있으며 나머지 모든 층은 서로 미끄러지고 있는 것을 말하는데, 한 벌의 카드가 미끄러진 형태를 층류'에 비유할 수 있다.곧은 관내에서 층류는 동심원을 이루는 여러 개의 유동원통이 서로 상대적인 운동을 하는 것으로 생각할 수 있는데 맨 바깥층은 관의 벽면에 부착되어 있으며 관의 중심 쪽으로 갈 수록 빠른 속도로 운동한다. 층류는 유동 경로의 단면이 비교적 작고 유동의 속도가 느리 며 점성이 비교적 큰 경우에만 발생한다. 기름이 가는 관내를 통과할 때나 혈액이 모세관 을 통과할 때에도 층류가 된다. 고체 경계면 근처, 특히 표면과 인접한 얇은 층을 제외하 고 대부분의 경우에는 난류가 된다.3)점성- 형태가 변화할 때 나타나는 유체(액체나 기체)의 저항, 또는 서로 붙어 있는 부분이 떨어 지지 않으려는 성질로 이는 어떤 물질이 잘 흐르는 정도를 나타내는 것이다. 예를 들면 당밀은 물보다 점성이 훨씬 크다. 유체의 한 부분이 움직일 때 인접한 부분이 같이 따라 움직이기 때문에 점성은 분자들 사이의 내적 마찰이라고 생각할 수도 있다.이때 마찰은 유체 내에서 속력의 차이가 생기는 것을 저지하려는 힘이다. 점성은 유체를 윤활유로 사용하거나 파이프라인을 통해 운반할 때 생기는 저항력을 산출할 때 고려해야 하는 주된 요소이다. 분무, 주입식 조형, 도장 같은 과정에서 점성은 액체의 흐름을 조절 한다. 대부분의 유체에 대하여 흐름을 일으키는 접선 방향의 응력 또는 전단응력은 전단 변형률에 정비례한다.즉, 전단응력을 전단변형률로 나눈 값은 같은 액체일 경우 주어진 온도에서는 일정하다. 이 일정한 값(상수)을 동적 점성도, 또는 절대점성도라고 부르는데 흔히 단순하게 점성도 라고 한다. 이와 같은 방식으로 움직이는 유체의 점성을 최초로 수학적으로 공식화한 뉴 턴의 이름을 따서 뉴턴 유체라고 부른다. 액체의 점성도는 온도가 올라가면 급속히 감소 하고, 반대로 기체의 점성도는 온도가 올라가면 증가한다. 그러므로 열을 가하면 액체의 유동속도는 빨라지지만 기체의 유동속도는 더 늦어진다.동적 점성도의 크기는 힘에 단위면적당 시간을 곱한 값이다. 따라서 점성의 단위는 N·s/ ㎡이다. 응용 면에서는 운동점성도가 절대점성도보다 더 유용하다. 운동점성도는 유체의 절대점성도를 질량 밀도로 나눈 값이다(질량 밀도는 물체의 질량을 부피로 나눈 값). 운 동점성도의 크기는 면적을 시간으로 나눈 값이다. 따라서 그 단위는 ㎡/s가 된다.4)레이놀즈수- 기하학적으로 상이한 몇 개의 물체가 있을 때 그 주위의 유체 흐름의 역학적 모양을 비교하는 경우 등에 표시되는 중요한 무차원의 수로서 각각의 물체에 있어서 계산된 레이 놀즈수가 같을 때 그때의 유체의 흐름은 역학적으로 같게 된다. 레이놀즈수를 구하는 방 식은 산출 방법에 따라 여러 방식이 있다.a. 유로의 흐름 중에 있는 임의 물체의 대표적인 길이를 L 이라 하고, 유체의 유속(관 벽 으로부터 충분히 떨어진 위치에 있는 유속)을 v, 유체의점도eta , 밀도는rho , 동점도를nu 라 하면 레이놀즈수 Rd는 다음과 같다R _{d} = {L`v rho } over {eta } = {L`v} over {nu }b. 관로내의 흐름 등을 비교하는 경우에 대표적인 길이로서 관로의 직경D 또는 관로 반경 R을 이용하고, 유체의 평균유속을upsilon 로 했을 때, 관로의 직경을 이용했을 때와 레이놀즈 수 Rd와 반경을 이용했을 때, 레이놀즈수 RR은 다음과 같고 RD=2RR 이다.R _{D} = {D`v` rho } over {eta } = {D`v} over {nu } ````````````````,```R _{R} = {R`v rho } over {eta } = {R`v} over {nu }c. 관로내의 차압식 유량 검출소자가 부착되어 있는 경우에 대표적인 길이로서 조리개의 직경 d를 이용하고, 조리개 부분의 유체 평균 유속을upsilon 로 했을 때 오리피스가 취부 되어 있는 레이놀즈수 ReD 는 다음과 같은 식으로 된다.Re _{D} = {d`v rho } over {eta } = {d`v} over {nu }d. 관로내의 직경(D)를 대표적인 길이로 하고, 평균유속 대신 체적유량 Q와의 관계로 부터 구해지는 레이놀즈수 ReD 는v= {Q} over {F} = {4Q} over {pi D ^{2}} `````(F= {pi D ^{2}} over {4} )여기서 b.에서의 결과 식을 대입하고, RD를 ReD로 바꾸면 다음과 같다.Re _{D} = {{4Q} over {pi D ^{2}} D} over {nu } = {4Q} over {pi D nu } = {4Q} over {pi D eta }3. 실험장치1)실험장치- 실험장치를 제대로 사진을 찍지 못하여 간단히 설명만 하겠다.a. 잉크통 : 잉크가 담겨져 잉크를 관에 흐를수 있게 설치한다.b. 급수장치 : 실험을 하는 과정에 있어 물이 당연히 빠지게 되기 때문에 실험의 변수를 일정하게 하기 위해 물을 공급해주는 장치이다.c. 관 : 잉크를 관에 흘려보내 유속에 따라 난류와 층류를 눈으로 쉽게 볼 수 있도록 장치 한 장치이다.4. 실험방법1) 물의 공급- 실험관을 통해 물이 흘러나가므로 그 만큼의 물을 공급해준다.- 공급 호스로 나가는 물의 양만큼 공급할 수 있도록 기준을 정한다.- 수조내의 물의 흐름은 실험에 영향을 미칠 수 있기 때문에 실험관 입구로부터최대한 먼 곳에서 물을 공급한다.- 물의 공급이 너무 많을 시에는 수위 조절 장치에 의해 밖으로 배수된다.- 이때 물의 온도는 9˚C로 유지한다.2) 밸브를 반시계 방향으로 180°돌려 5000cc비커에 물을 받고 이 시간을 측정한다.- 유량을 계산하기 위해 물의 양을 3000cc로 동일하게 한다.- 시간은 초시계를 사용하여 측정한다.- 밸브를 열어 물을 얼마간 흘린 후 비커에 물을 받는다. 이는 좀더 정확히 측정하기 위함이다.- 사람의 눈과 손으로 측정하는 것이므로 오차를 줄이기 2~3번 실험을 하여 평균값으로 값을 정한다.3) 밸브각도를 360°, 540°, 720°, 900° 에서 2)와 같은 방법으로 측정한다.4) 측정된 값으로 유량Q, 속도v, Re(NR)를 구한다.- 앞서 언급한 계산 방법으로 유량, 속도, 레이놀즈수를 구한다.5) 잉크를 떨어뜨려 물의 흐름을 관찰하고 이론과 일치하는지 확인한다.- 밸브 각도 180°, 360°, 540°, 720°, 900°에서의 물의 흐름을 관찰하기 위해 잉크를사용한다.- 실험관내의 층류와 난류는 잉크의 흐름에서 관찰 할 수 있다.- 이론으로 계산된 층류, 난류 영역과 실제 관찰된 영역을 비교, 분석한다.※주의 사항1) 잉크 주입 시 손을 배관 너무 가까이 넣게 되면 배관 안에 흐르는 유체의 흐름에 영향을 준다. 그렇다고 너무 손을 빼게 되면 잉크가 제대로 유입되지 못한다.2) 배수통에 물이 평규적으로 균일하게 차도록 해야 한다.3) 잉크가 고르게 나올 수 있도록 유의 한다.5. 실험결과1) 데이터 값180°360°540°720°900°시간1분 32초35초 3322초 4914초 4514초 14물의 양3000cc3050cc3010cc3100cc3250cc2) 실험값을 이용함에 필요한 사항- Re

공학/기술| 2010.11.21| 11페이지| 2,000원| 조회(181)

레이놀즈, 유체역학

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