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베르누이 실험

5. 베르누이 실험1. AbstractTo understand the interesting phenomena associated with fluid motion, one must consider the fundamental laws that govern the motion of fluid particles, such considerations include the concepts of force and acceleration.As Bernoulli equation is one of the fundamental laws, it can be applied to various flows and used to predict and analyze a variety of flow situations.2. 국문 요약유체 유동에 연관된 흥미있는 현상들의 이해하기 위해서는 유체입자의의 움직임에서 얻어진 기본적인 법칙들을 고려해야 한다. 그런 것에는 힘과 가속도의 개념이 들어 있다.기본적인 법칙들의 하나로서 베르누이 방정식은 여러 유동에 적용되어 질 수 있고, 유체의 상태를 예측, 분석 할 수도 있다.3. 실험 목적이 실험의 목적은 베르누이 방정식 및 이와 관련하여 유체유동 중에 일어나는 에너지 손실, 즉 역학적 에너지 손실 등에 대한 개념을 이해하는데 있다. 베르누이 방정식은 유속 및 유량의 측정, 관로 유동 해석 등 유체역학과 관련된 대부분의 문제를 해결하는데 출발점이 되는 기본 방정식이다.유동하는 유체는 속도에너지, 압력에너지 및 위치에너지를 가지며 이들의 관계를 나타내는 식이 잘 알려진 Bernoulli 방정식이다. 유체의 에너지를 이용하기 위해 Bernoulli 방정식을 정확히 이해하여야 한다.4. 이론1) 유량과 유속물이 하천·수로·관로 등을 흐를 때 임의의 단면적을 단위시간에 통과하는 물의 양을 유량(Rate of flow or Rate of discharge)이 라고 한다. 물이 난류운동을 하고 있을 때는 물론이고 유선운동을 하고 있을 때에도 흐름의 동일 단면적상로 흐르고, 관벽에 가까운 곳일수록 느린 속도로 흐른다. 이와 같이 수류의 속도는 단면의 각점에서 다르기 때문에 정확히 나타내기는 어려우므로, 일반적으로 사용하는 흐름의 속도는 단면의 각 점에서의 속도를 평균한 값을 가지고 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{Q＝AV즉, 유량=단면적*속도이다.2) 에너지와 수두물의 상태를 수력학적으로 분명히 하기 위해서는3가지 요소가 필요하다. 즉, 위치(높이) · 압력 · 속도가 그것이다. 물은 이러한 요소를 가짐으로써 각각의 일을 하는 능력(에너지)을 가지게 된다. 그런데 1(kg)의 물이 여러가지의 상태에서 가지고 있는 에너지를 수두(Head)라는 용어로 표현하는데, 원래 수두는 물의 높이 또는 깊이라는 의미였다. 단위를 몇 m라고 하는 길이의 단위로 나타내지만, 에너지를 나타내는 수두도 길이의 단위로 나타낸다.(1) 위치 수두높은 곳에 있는 물은 낮은 위치에 대하여 일을 할 수 있는 능력을 가지고 있다. 수차 등의 경우가 이에 해당된다. 위치수두 Z(m)라고 하는 것은 물 1(kg)당 Z(kg·m)의 에너지를 가지고 있다는 것을 의미한다.(2) 압력 수두압력을 가진 물은 그 압력에 의해서 일을 할 수 있으므로 압력에 의한 에너지를 가지고 있다. 이 P/Υ (m)를 압력 P(kg/m2)를 가진 물의 압력수두(Pressure head)라고 한다. 따라서 압력수두 P/Υ(m)라는 것은 물 1(kg)당 P/Υ(kg·m)의 에너지를 가지고 있음을 의미하고 있다.(3) 속도 수두어떤 속도를 가지고 흐르고 있는 물은 그 속도 때문에 운동에너지를 가지고 있다. 지금 W(kg)의 물이 V(m/S)의 속도로 흐르고 있다면, 그 때의 운동에너지는 중력가 속도(gravitional acceleration, 물체가 지구상에서 자연 낙하할 때의 가속도로 9.8m/s2임)를 g라고 하면, 역학적{{V}^{2}}over{2g}(kg·m)의 에너지를 가지고 있음을 의미한다.(4) 전수두물이 어떤 기준면에서 H(m)의 높이에 있고 압력 P, 속도 V일 때, 그 물은 위에서 설명한 3개의 에너지를 동시에 가지고 있게 된다. 일반적으로 물이 가지는 수두의 총합을 전수두(Total head)라고 한다. 이 전수두를 H라고 하면{H＝{P}over{Υ}＋{{V}^{2}}over{2g}＋Z즉, 이 물은 H(m)의 전수두를 가지고 단위중량(1kg)에 대하여 H(kg·m)의 전에너지를 가지고 있음을 의미한다.(5) Bernoulli 정리이 정리는 스위스 출생의 Darnel Bernoulli가 1738년에 발표한 정리로, 동수력 학의 기초가 되는 가장 중요한 정리이다.즉, 점성이 없는 유체(비점성 유체, Inviscid Fluid)에서 마찰저항, 공기마찰 등에 의한 손실이 전혀 없는 흐름을 가정하고, 임의의 위치에서의 전수두는 항상 일정하다. 이것을 Bernoulli의 정리(Bernoulli's theorem)라고 한다.일반적으로{H＝ {Z}_{n}＋{{P}_{n}}over{Υ}＋{{{V}_{n}}^{2}}over{2g}＝일정이 방정식을 Bernoulli의 방정식이라고 하고, 실제의 흐름에서 압력에서 몇 개의 미지수를 계산할 수 있는 중요한 식이다.이상은 마찰손실과 그 외의 모든 손실이 없는 이상적인 유체에 대해서 생각했지만 실제로는 이러한 에너지의 손실이 있으므로 이러한 손실을 고려하지 않으면 안된다.이 경우 이러한 모든 손실 에너지를 수두로서 환산해서 h(m)로 나타내면 Bernoulli의 방정식은 다음과 같이 쓸 수 있다.{{{P}_{1}}over{Υ}＋{{{V}_{1}}^{2}}over{2g}＋{Z}_{1}＝{{P}_{2}}over{Υ}＋{{{V}_{2}}^{2}}over{2g}＋ {Z}_{2} ＋ h이 h를 손실수두(Head loss)라고 한다.3) Bernoulli 방정식1750 년 Leonhard Euler 는 최초로 Newton 의 제2법칙을 유체입자의 운대하여 1차원 Euler 방정식은 임의의 두 점 사이에 대하여 (γ, g 모두 일정하므로) 다음과 같이 적분되며,{{{P}_{1}}over{Υ}＋{{{V}_{1}}^{2}}over{2g}＋{Z}_{1}＝{{P}_{2}}over{Υ}＋{{{V}_{2}}^{2}}over{2g}＋ {Z}_{2}점 1 과 2 는 stream line 상의 임의의 두 점이므로 다음과 같이 표현된다.{{P}over{Υ}＋{{V}^{2}}over{2g}＋Z ＝H＝일정이 식은 stream line 상의 모든 점에서 적용되고 Bernoulli efluation으로 알려져 있다. 그러므로 압력 P, 속도의 크기 V 와 기준면의 높이 Z 사이의 유용한 관계를 제공한다. 이 때 H 는 전수두(total head)로 상수이다.그러나 실제 마찰로 인한 손실을 고려하면 비압축성 유체가 관을 통하여 흐를 때 관의 임의의 두 단면 1과 2사이에는 다음과 같은 Bernoulli방정식이 성립된다.{{{P}_{1}}over{Υ}＋{{{V}_{1}}^{2}}over{2g}＋{Z}_{1}＝{{P}_{2}}over{Υ}＋{{{V}_{2}}^{2}}over{2g}＋ {Z}_{2} ＋ {h}_{L1-2} {}_{}{}_{}{}_{}{}_{}{}_{} CDOTS (1)P : 유체의 정압 V : 평균속도 z : 기준면에서부터의 높이g : 중력가속도 r : 비중량 {{ h}_{L1-2 }: 단면 1∼2 사이의 손실{< 관내의 유동 >위의 그림에서 P는 유체의 정압, V는 평균속도, γ는 비중량, Z는 기준면에서의 관의 중심선까지의 높이, g는 중력 가속도이고 는 단면 1에서 2까지 유체가 흐르는 동안에 마찰로 인하여 발생한 에너지 손실의 크기를 나타낸다.Bernoulli 방정식은 비압축성 유체의 관내의 유동에 있어서 에너지 보존법칙을 기술하고 있으며, 각 행은 단위 중량의 유체가 가지는 압력, 운동, 위치 및 손실에너지를 수두(head)로 나타내고 있다.수축, 확대부로 이루어진 Venturi 관 내의 유동에서의 식(1)의 관하며 위의 과정을 반복한다.7. 실험 결과 및 고찰♣ P/ + V2/2g + Z = Const♣ P = Pt - P에서(Pt:터빈 출구의 압력, P:측정위치의 압력, P:측정기로 측정된 압력, 즉 터빈 출구 압력과 측정 위치 압력의 압력차)♣ P = Pt - P압력 수두의 단위가 ㎜H2O 이므로 mAir 로 바꾸기 위해♣ P/ air = P/ H2O H2O/ air = P/ H2O ( H2O g)/( air g) = 1/1.2 P/ H2O==> (Pt - P)/1.2 H2O + V2/2g + Z = ConstⅠ. 회전 속도 20rps Pt=10㎜H2O1) P=2.5㎜H2O V=6.4㎧ Z=1.225m-> (Pt - P)/1.2 + V2/2g + Z = 9.56m2) P=4.2㎜H2O V=8.3㎧ Z=1.16m-> (Pt - P)/1.2 + V2/2g + Z = 9.51m3) P=3.1㎜H2O V=6.9㎧ Z=1.10m-> (Pt - P)/1.2 + V2/2g + Z = 9.28m4) P=2.0㎜H2O V=5.7㎧ Z=1.02m-> (Pt - P)/1.2 + V2/2g + Z = 9.34mⅡ. 회전 속도 30rps Pt=30㎜H2O1) P=5.9㎜H2O V=9.6㎧ Z=1.225m-> (Pt - P)/1.2 + V2/2g + Z = 26.01m2) P=9.9㎜H2O V=12.4㎧ Z=1.16m-> (Pt - P)/1.2 + V2/2g + Z = 25.75m3) P=7.0㎜H2O V=10.5㎧ Z=1.10m-> (Pt - P)/1.2 + V2/2g + Z = 25.9m4) P=4.9㎜H2O V=8.9㎧ Z=1.02m-> (Pt - P)/1.2 + V2/2g + Z = 25.98mⅢ. 회전 속도 40rps Pt=40㎜H2O1) P=10.8㎜H2O V=13.0㎧ Z=1.225m-> (Pt - P)/1.2 + V2/2g + Z = 34.18m2) P=17.4㎜H2O V=16.6㎧ Z=1.16m-> (Pt - P)/1.2 + V2/2g + Z = 34.05m3) P=12.03m

공학/기술| 2002.11.03| 9페이지| 1,000원| 조회(681)

유속, 유량, 베르누이, 수두, 위치에너지

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열 교환기 실험

3. 열 교환기 실험1. AbstractThere is a temperature difference and we can see phenomenons of heat transfer in our surrounding frequently.In this laboratory work of heat exchange, we will experience many things which we have studied in the thermal-transfer class and can consider about how thermal-transfer takes place.2. 국문 요약온도의 차이가 있고, 우리는 열교환 현상들을 자주 우리의 주변에서 볼 수 있다.이 열교환기 실험을 통해서, 우리는 열전달 시간에 배웠던 이론을 실제로 접해보면서 어떠한 방식으로 열전달이 일어나는지 어떤 경로를 통해서 그리고 얼마나 효율이 좋은지 그러한 점들을 생각해 볼 수 있는 시간을 가질 것이다.3. 실험 목적이 실험의 목적은 대수평균온도차(Log Mean Temperature Difference)법의 기본 개념을 이해하고 이 방법을 사용하여 열교환기 해석을 수행함으로써 열교환기 설계와 작동에 대한 개용을 습득하는 것이다.4. 이론1) 열교환기의 정의 및 종류(1) 열교환기란두 물질간에 열에너지의 수수(授受)가 되고 있는 곳에 그 작용을 유효하게 할 목적의 장치로써 공정에서는 투입 열에너지의 회수용이나 반응 온도의 유지용으로 혹은 반응 조절용으로 쓰인다. 즉, 온도의 차이가 있고, 고체 벽으로 분리된 두 유체 사이의 열교환 현상은 많은 공업 응용 분야에서 찾아 볼수 있다. 이러한 열 교환을 수행하는 열교환기(heat exchange)라 하며, 공간 가열, 공조·냉동, 동력 발생, 폐인 회수, 화학 공정 등에 널리 사용되고 있다.(2) 열교환 방법1 두 유체를 직접 접촉하게 하는 방법2 이중관식 열 교환기로서 두 유체 사이에 고체벽을 두고 간접적으로 접촉시키는 방법이 있다.열교환기는 주로 유동 배열과다.2 Tube의 길이, 본체, 직경 등 거의 제한을 안받으며 공종조건에도 사용범위가 넓다.3 총괄 열전달 계수가 다른 형태보다 작은 편이다.4 저압의 열교환기는 TEMA Standard에 따라 최소 150 Psi의 압력으로 설계 되어 있어 비 경제적이다.5 Shell side는 매우 복잡하여 주로 점도가 큰 유체를 넣어서 난류를 촉진 시킬수 있는 장점이 있다.6 유동두(Floating head)형 등은 우회(By-Pass)양이 많다.7 Plain tube와 같은 외부치수를 가진 Low fintube 사용이 가능하다.2급수 가열기(Feed water heater)본 기기는 Boilor feed water system에서 재열 Cycle에 해당되는 열교환기의 일반으로서 밀폐된 Cyele을 급수(Boilor feed water)가 순환된다고 하여 Closed feed water heater'라 부른다. 또 Steam turbine 에서 배출한 Steam을 사용하여 급수를 가열하기 때문에 Extraction heater'라 하는데 이 Heater는 일반의 Shell내에 2∼3 개의 Zone이 들어있는 것이 특징이다.Ⅱ. Single-tube단일Tube 열교환기는 제한된 전열면적 때문에 모든 열부하를 만족시킬 수는 없지만 특별히 온도차가 큰 경우는(Thermally long duty)다른 어느 열교환기 보다도 더 쉽게 성취시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 단일Tube 열교환기에는 다음과 같은 3가지 형태가 있다.1Double - pipe열교환기그림과 같이 전열관 외부에 더 큰 용기를 두어 환상부를 만들고 전열관 내부와 외부(환상부)에 유체를 흐르도록한 간단한 구조로서 재료는 시장성이 넓은 배관용 관이 많이 사용되며 가격도 비교적 싸다. 이 열교환기는 Kern에 의해 최초로 기본설계 방법이 개발된것으로 구조면에서 열교환기는 원하는 길이만큼 직렬로 간단하게 하나의 Section을 더 증가시킬 수도 있으며 Tube 내부를 쉽게 청소할 수도 있기 때문에 Fouling이 큰착시킨 것으로 두 유체가 이 Plate를 통하여 열을 전달하는 장치이다.2Spiral plate 열교환기이 열교환기는 주름진 전열판의 묶음으로 이루어져 각기 다른 유로를 지나는 두 유체가 이 전열판을 통해 열을 주고 받는 형태로서 Shell & Tube 열교환기의 tube역할을 하게된다. Tube는 원형인 반면, 이 열교환기는 납작한 형상이며 2개의 Plate중간에 합금한 Spacer를 넣어 일정한 간격을 유지하도록 하고 양단을 밀폐해서 나선형(와류상)으로 감아 2유로를 구성한 것으로 가격이 비교적 싸고 전열효율이 우수한 장점을 가지고 있다. Plate가 최소한도 150 Ft까지 사용될수 있기 때문에 입출구 온도차가 큰 열부하도 수용할 수 있으며 유체유동은 진정한 대향류가 된다.3Lamella 열교환기이 열교환기는 다양한 Model이 있으나 Ramen model이 가장 단순하다. 통상 Plate는 Stainless steel이 사용되며 Rolling machine을 가지고 Channel 형태로 Press한 다음 두개의 Channel을 용접하여 Channel 유로를 만든다. Channel 길이는 Shell 길이가 되고 폭은 Channel두께의 10배정도이며 Shell 안에 Channel들을 평행하게 설치하고 끝은한다.Plate를 사용하기 때문에 주어진 전열면적당 가격도 저렴하고 높은 열전달 계수를 얻을수 있을뿐만 아니라 양면이 직선으로 되어 있기 때문에 압력손실에 비해 높은 유체속도를 가지는 것이 가능하다.Ⅳ. External heatingVessel이나 Pipe의 벽을 통하여 열을 전달시켜야 되는 경우에 주로 이 방법은 편리하거나, 또는 어떤이유보다는 단지 부하가 작아서 사용하는 경우가 많다.1Jacketed Vessel & PipeJacketed Vessel은 가열 또는 냉각을 겸한 용기로서 사용되고 있다. 형상으로 보면 열교환기로 보기 어렵지만 전열의 문제를 함유하고 있어 열교환기 범주에 넣어 취급한다.일반적으로 연속(Continues) 조작이 아니고 주로정과정에서 대락 40∼50°C 열을 얻은 물은 Pump로 냉각탑의 Riser를 통하여 Distribution basin까지 보내지면 수조의 구멍을 통하여 밑으로 떨어지고 (직교류형)하부의 Fill에서 바닥이나 옆에서 들어오는 공기와 접촉하면서 25∼30°C까지 냉각된다.냉각탑에서 물과 공기의 온도를 이용한 열전달에 의한 현열과 물 자체의 증발을 이용하는 물질 전달에 의한 잠열작용에 의해 이루어진다. 즉, 현열을 교환하여 냉각시키는 일과 증발로 냉각시키는 2가지 기구(Mechanism)가 있다.* 냉각방식에 의한 분류1 자연 통풍 방식(Natural draft)순환수를 냉각시키기 위한 공기의 유동 형태가 어떠한 기계적 장치 즉, Fan을 이용하지 않고 자연의 현상을 이용한 대기압식 냉각탑과 공기의 밀도차를 이용한 Hyperboic 냉각탑이 있다.2 강제 통풍 방식(Forced & induced)순환수를 냉각시키기 위한 공기의 유동형태가 기계적 장치 즉, Fan을 이용하여 공기를 강제로 밀어주는 압입식(Forced draft)와 공기를 유도하는 유입식이 있다. 이러한 강제 통풍방식은 자연 통풍식 보다는 열적 성능이 우수하고 습증기에 의한 영향을 덜 받는다. 그리고 운전 조작으로 열부하를 조작할 수 있다.3 Hybrid draft 냉각탑자연통풍 방식과 강제통풍 방식을 혼합한 것으로 열부하에 따라 강제 통풍장치를 운전하여 최대 열부하에 대처하며 또, 굴뚝의 설치 비용을 줄일 수 있다.* 공기 유동방식에 의한 분류1 향류형 (Counter flow)순환수는 압력을 가진 spray를 이용하여 상부에서 떨어지고 공기는 Fill하부에서 들어와 Fill을 통과하여 상부로 이동된다. 따라서 압력을 가진 spray로 분사되기 때문에 공 기압의 손실이 있어 냉각탑은 더 높아지고 이에따라 Pump의 Head도 커진다.2 직교류형(Cross flow)공기는 Fill 을 통하여 외부에서 내부로 수평으로 들어와 상부로 이동하고 순환수는 Fill이 있는 상부의 수조에서 작은 구멍을 통하여 기의 경우 열은 열면을 통해 고열체에서 저열체로 확산된다. 그러므로 일정한 에너지의 수위에 있는 액체나 기체를 가영 또는 냉각하는 것이 가능한 것이다.일교차느 곧 유동에너지와 같다.* 열은 항상 고열체에서 저열체로 이동한다.* 물체 사이의 온도차는 항상 존재한다.* 고열체에서 빼앗겨진 열의 양은 저열체에서 받아들인 열의 양과 같다.(단, 주변에 빼앗긴 열은 무시한다.)1 항류 : 열교환 장치이 양쪽 끝에서 두 유체가 들어가 그 장치이 내에서 서로 반대방향 으로 흐르는 흐름{{{(그림3-3) 향류 (Counter Flow)2 평행류 : 열교환 장치의 같은 끝부분에서 두 유체가 들어가고 그 방향이 같은 흐름{{{{(그림3-4) 병류 또는 평행류 (Parallel Flow)위 그림들에서 향류 배열에서는 유체들이 서로 반대쪽으로 들어가서 반대방향으로 흐르고, 서로 반대 반향으로 나온다. 평해류 배열에서는 고온 및 저온의 유체가 같은 쪽으로 들어가서, 같은 방향으로 흐르고, 같은 쪽으로 나온다. 향류 및 평행류에 대한 온도 분포는 다을 그림과 같다.{{(그림3-5) 병류 및 향류에 대한 온도 분포2) 대수 평균온도차(LMTD)면적 요소 {dA를 지나는 열전달률은{dq = (T_h -T_c ) U_A dA~~ CDOTS~~ 1고온 유체가 잃은 열량{dq `=` - BAR C_h `dT_h~~ CDOTS~~ 2저온 유체가 얻은 열량{dq &`=` BAR C_c `dT_c ~~ CDOTS~~ 3열전달면 A를 따른 {T_h -T_c의 변화를 식으로 나타내면,{d(T_h - T_c ) `&=` `-` dq over C_h`-` dq over C_c & LARROW ~2,3` 에서## &=` `-` left( 1 over C_h + 1 over C_c right) dq## &=` `-` left(1 over C_h + 1 over C_c right) `(T_h - T_c )`U_A `dA ~~~&LARROW ~1` 에서##양변을 {(T_h - T_c )로 나눔{1 over {(T

공학/기술| 2002.11.03| 15페이지| 1,000원| 조회(563)

열교환, 열전도, 열교환기, 냉각탑, 공기유동

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1. 액정대부분의 물질은 고체 상태에서 규칙적인 입자 배열을 이루며, 액체로 되면서 입자의 배열이 불규칙해진다. 그러나 어떤 물질들은 분자의 배열이 규칙적인데도 액체처럼 유동적인 것이 있다. 이러한 물질을 액정(liquid crystal)이라고 부른다. 액정은 막대 모양의 분자가 배열되는 방식에 따라 아래와 같이 세 종류로 나뉜다. 액정분자가 움질일 때 분자끼리 사로 평행한 것을 네마틱(nematic)액정이라고 한다. 분작 평행할 뿐 아니라 층을 이루고 있는 것을 스멕틱(smectic)액정이라고 하는데, 이것은 각각의 분자가 층에 고정되어 층 단위로는 움직일 수 있으나 낱낱이 움직일 수 는 없다. 콜레스테릭(cholesteric) 액정도 분자가 층을 이루고 있지만, 스멕틱 액정과는 달리 한 층 의 분자와 다른 층의 분자가 평행하지는 않다. 빛이 스멕틱 또는 콜레스테릭 액정에 와 닿으면 액정 내의 분자층에 의해서 반사되어 색깔 을 나타내게 된다. 이때 반사되는 빛의 색깔은 액정 분자층 사이의 거리에 따라 달라지는데, 층 사이의 거리는 온도에 따라 변한다. 이러한 원리를 이용한 것이 피부에 부착시켜 체온을 측정하는 액정 온도계이다. 디지털 시계나 전자 계산기의 표시판에도 스멕틱 액정이 들어 있어 전압을 걸어 주면, 액정이 햇빛이 통과되지 못하도록 배열함으로써 숫자가 검게 나타난다. 앞으로 액정은 TV화면이나 컴퓨터 모니터 등에 널리 실용화될 전망이다.가. 액정의 원리액정 아래에 숫자나 글자 모양으로 전극을 장치하고 전압을 걸어 주면 전극 위에 있는 액정은 분자 배열 상태가 변하면서, 그 부분만 다른 색이 나타나 숫자나 글자가 표시된다. 색은 사용한 액정의 종류나 다른 장치를 조정해서 변화시킬 수 있다.나. 액정의 종류액정은 원리에 따라 크게 다음과 같이 2가지로 구분한다.* 리오트로픽(Lyotropicc) 액정다른 종류의 물질과 혼합되면 액정의 성질이 나타나는 것으로 생물 물리학이나 생체공학 분야에서 흥미있게 다루고 있지만, 아직까지 많이 응용되지는 않고 있다.*성 응력 변형곡선좌측 그림은 초탄성효과를 설명하기 위해서 응력- 변형 곡선을 이용한 것으로 모상(1)에 응력을 가해서 (2)상태로 변형시키고 하중을 제거하면 다시 모상으로 되돌아 오는 것이다.결국 형상기억효과와 초탄성효과 둘 다 재료를 변형시킨다는 면에서 동일한 것이며 단지 변형온도에 따라서 그 특성이 다르게 나타나는 것임을 알 수 있다.참고로 응력유기 마르텐사이트가 생성되는 이유는 외부에서 응력이 가해지면 모상과 마르텐사이트의 평형온도가 상승하게 되어 열역학적으로 마르텐사이트상이 더 안정해지기 때문에 마르텐사이트가 생성되며 역으로 응력을 제거하면 평형온도가 낮아지므로 다시 모상으로되돌아오기 때문이다.Ti-Ni계 형상기억합금에는 거의 나타나지 않지만 마르텐사이트상에서 나타나는 초탄성거동이 있으며 이를 rubber-like behavior라 하고 초탄성거동과 합하여 의탄성 이라 한다.* 형상기억합금의 제조a. Ni-Ti계 형상기억합금형상기억효과를 나타내는 Ti-Ni합금은 Ti와 Ni을 원자의 수로 동량씩, 즉 원자비 1:1로 함유한 합금이다. Ti과 Ni은 비중이 다르므로 중량비는 Ti 45%, Ni55%이다. 원자비 1:1의 Ti-Ni합금은 단지 Ti과 Ni이 혼합된 합금이 아니고 양쪽의 원자가 교대로 정렬한 규칙구조로 되어 있는 금속간 화합물이다항 목Ti-Ni합금회 복 왜 곡최대 8%회 복 응 력최대 50kgf/mm2반 복 수 명105(변형률 0.02)107(변형률 0.005)내 식 성양호가 공 성좋음절 삭 성나쁨형상기억처리용이함표 Ti-Ni합금의 기계적성질Ti-Ni합금의 마르텐사이트 변태온도는 합금의 성분조성, 열처리, 가공방법 등 많은 요인에 의해서 결정되는데 합금 조성이 가장 지배적이다. 일반적으로 Ti-Ni합금에서 Ti의 함유량이 48 at.%이하가 되면 그 변태온도(마르텐사이트 변태 개시온도, Ms)가 100K이하로 감소한다고 알려져 있고 0.1 at.%의 차이가 약 10K정도의 변태온도 변화를 가져온다. 따라서 변태온도를 일정하게 유지하기 위해서는 1, Ni 5의 조성의 합금 (LaNi5)가 1968년에 네덜란드의 필립스연구소에서 Zijistra와 Westerdrop에 의해 발견되었다. 이 발견이 이루어진 것은 강력한 영구자석재료인 Sm, Co합금(SmCo5)의 표면을 산으로 세정한 것이 처음이었다. 자석은 산으로 세정하게 되면, 자력이 감소되어 그 원인을 조사한 결과, 세정시에 산에 의해 발생한 수소가 합금에 다량 저장하고 있고, 이런 것으로 인해 자력이 저하하는 것으로 알았다. 더욱 합금의 자기특성에 대한 분위기의 영향을 조사중에서, 이 합금이 실온, 20기압의 수소중에서 수소를 저장하고, 분위기의 수소압을 낮추면, 저장하고 있는 수소가 방출되는 것을 발견했다. 이 발견이 있은 후 일련의 희토류계 수소저장합금(AB5형)의 개발의 계기가 되었다. La, Ce, Pr, Nd, Gd등의 희토류 금속과 Ni 또는 Co등과의 일련의 합금의 수소저장특성이 조사되었다. 이런 합금 중에서 대표적인 수소저장합금으로 탄생한 것이 LaNi5합금이다.LaNi5합금은 가격이 약간 높다는 점을 제외하면, 현재의 실용합금 중에서는 매우 우수한 특성을 갖고 있다.LaNi5합금의 특징은 수소저장량 1.4wt%, 수소화반응열 -30.1kJ/molH2, 수소방출압 20도에서 수소방출압은 약 2기압, 상온에서 수소를 저장·방출하는 것이 가능하다는 것이다.특히 수소의 저장, 방출반응이 연속적으로 진행하고 활성화처리가 용이한 것이 특징이다. 활성화처리는 일반적으로 수소저장합금을 고온탈기나 고압수소의 저장, 방출처리를 필요로 하고, 교반하여 조작을 행한 후 실제의 수소를 저장시키는 것이다. La-Ni합금은 이런 활성화처리는 불필요하고, 이 합금의 분말은 상온하에서 30기압 정도의 수소중으로 치환하면, 용이하게 수소를 저장할 수 있다. 현재도 이런 합금의 수소저장특성이나 실용화를 위한 개량 연구가 행해지고 있다.이후 일본을 기점으로 각국에서, 보다 값싸고 실용성이 높은 희토류금속의 혼합물을 베이스로 한 희토류-Ni계합금의 그룹이 등장하게 되여 운전함으로써 열을 퍼 올리는 것과 공급을 연속적으로 할 수 있다.(5) 기타의 응용수소저장합금은 상기의 응용 분야 이외에도 수소 동위 원소의 분리, 촉매, 연료전지 및 수소화물 센서 등의 분야에도 응용이 기대되고 있다. 또한 수소저장합금이 장래 우리 생활에 어떻게 이용될 수 있는가를 생각해 보면 다음 그림에 나타낸 바와 같다. 즉, 열에너지는 현재의 도시가스나 휘발유에 대신하여 수소가 등장함으로써 쾌적한 생활환경이 조성되고, 각 가정에서는 소형 고체 전해질 水電解 장치나 수소-공기 연료전지가 마련되어 수소 자가(自家) 발생과 수소에 의한 자가 발전이 이루어진다.여기서 얻어진 수소는 수소저장합금을 이용한 수소저장탱크에 축적되고, 필요에 따라서는 태양열이나 자가 발전에 의한 전력을 보조 에너지로 하여 수소와 수소저장합금을 이용한 가정용 열펌프를 가동시켜서 냉난방, 급탕 장치, 오븐, 렌지, 벽난로 등을 작동시킬 수 있고, 수소저장합금의 압력 이용 센서, 창문이나 블라인더의 자동개폐장치, 자동문, 수소저장합금의 냉각반응을 이용한 냉장고, 아이스박스, 수소가스에 의한 라이터 등 우리 실생활에 직접적으로 관련되는 응용 분야는 무궁무진하다.3. 파인 세라믹스가. 파인 세라믹스의 정의규산염 광물을 기본 성분으로 한 이제까지의 세라믹스(Old ceramics)에 대비한 용어로서, 근년 세라믹스 기술의 진보로 개발되어 이제까지의 도자기, 유리, 시멘트, 내화물 공업을 중심으로 하는 구요업 공업에서는 기대할 수 없었던 고성능ㆍ고기능성의 세라믹스를 총칭하여 Fine ceramics, New ceramics 또는 Advanced ceramics 라고 한다.'Fine ceramics' 라는 말은 '정교하고 치밀한 미술품의 도자기'를 가리키는 것으로 현재의 고성능ㆍ고기능 세라믹스로서의 용법상, 이것은 일본식 영어이고, 본래는 New ceramics, Advanced ceramics 등으로 불러야 한다. 그러나 현재는 일본형의 용법이 구미 각국에까지 침투하여 정교하고 치밀한 미술품적도 부품으로서 사용이 시도되고 있다. SiC는 내열성 및 내산화성이 우수하여 Si3N4와 더불어 고온 고강도 재료로서 유망하다. 특히 고온에서는 Si3N4보다 높은 강도를 나타내며 1500∼1600℃까지 강도 저하가 일어나지 않는다. SiAION은 Si3N4에 Ai 및 O가 고용한 것으로써 Si3N4보다 소결이 잘 되는 장점이 있으면서 고온 고강도 재료로는 Si3N4에 버금가는 특성을 가진다. Si3N4, SiAION, SiC 등은 엔진 재료, 터빈 재료 등의 기계 구조용 세라믹스로서 개발되고 있으며 특히 SiC는 용광로형 내화 재료, 가마재임도구, 원자로형 재료, 복합 재료의 보강제, 발열체 등으로 널리 사용되고 있다. 알루미나, Mullite, PSZ 등 산화물은 비산화물에 비해 고온 물성이 떨어지지만 알루미나는 특히 상온 강도가 크고 제조 방법이 안정화되어 있어서 매우 널리 사용되고 있다. 현재 파인 세라믹스로서 구조 재료 세라믹스의 시장 규모를 조사해 보면 알루미나, PSZ, Si3N4, SiC 순으로 되어 있다.(2) 초경재료세라믹스 중에서 높은 경도를 이용하는 제품으로는 절삭 공구, 연삭 공구, 치구 등이 있다. 사용 재료로는 다이아몬드, 알루미나, CBN, Al2O3-TiC계, Al2O3-ZrO2계 등이 있다.초경 재료의 대표적인 것으로 머시너블 세라믹스가 있다. 최근 보통의 금속 가공 공구, 예를 들면 고속도강 공구(하이스)나 초경도 공구로 금속을 가공하는 것과 같이 절삭 가공되는 세라믹스가 개발되어 있다. 보통 세라믹스가 연마 가공 즉 숫돌로 연마하는 방식밖에 기계가공할 수 없는데 대하여 이 세라믹스는 바이트로 절삭할 수 있다. 물론 연마 가공도 된다. 머시너블 세라믹스라고 총칭되는 이들 세라믹스는 보통의 공작 기계와 공구로 가공할 수 있는데 그 가공 내용도 다양하여 절단, 절삭, 연마, 구멍 뚫기, 탭 세우기, 나사 절삭 등이 가능하다. 가공 후에는 그대로 소성하지 않고 사용할 수 있으며 소성이 불필요하므로 소성에 따른 변형이 없고 또 즉시

공학/기술| 2002.10.03| 39페이지| 1,000원| 조회(629)

초전도체, 신소재, 파인 세라믹스

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풍동실험 평가B괜찮아요

2. 풍동 실험1. AbstractIt is probably fair to say that very few problems involving real fluids can be solved by analysis alone. The most of solutions are found out though the use of combination of anaylsis and experimaent data.Thus An goal of experiment obtain the results as widely applicable as possible. To achieve this end, the concept of similitude is used so that measurements made on the model in the laboratory can describe the behavior of the real model.2. 국문 요약해석적 방법을 통해 풀 수 있는 실제 유동은 극히 적다. 대부분의 문제들은 해석적 방법과 실험결과와의 조합으로 그 근사해를 찾는다.따라서 실험의 목표는 가능한 실제에 가깝게 적용할 수 있는 결과치를 얻는 것이다. 그러기 위해 상사성의 개념은 실험실에서의 모형으로 실제의 모형을 기술하는데 사용된다3. 실험 목적유체의 운동을 나타내는 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에, 한정된 경우외에는 해석적인 해를 구하기 힘들다. 자동차나 항공기가 공기 중을 운동할 때 그 주위의 유동정보를 해석적으로 상세히 구할 수가 없다. 이때 실험적인 방법으로 물체 주위의 유동정보를 구하고자 할 때 풍동실험을 수행한다. 공기속에 놓인 물체에 작용하는 힘과 여러 가지 현상을 정확히 측정하기 위한 장치가 풍동이다.풍동실험의 일반적인 주목적은 물체에 작용하는 양력 그리고 항력(운동에 대한 저항)같은 공기역학의 힘의 작용을 측정하는데 있다. 그리나, 힘의 측정만으로 공기역학의 특징을 이해하거나 완전히 분석할 수 없다. 따라서 공기유동을 가시화 시키고 그것을 분석할 필요가 있다.라는 것은 동체의 기수에서부터 미부까지 전후방을 이은 직선 즉 종축을 말한다. 취부각 (약 1~3°)은 주익이 동체에 취부되는 각도로 측정한다. 취부각은 고정돼 있어 조종사가 이것이 바뀌어 지도록 할 수는 없다.4) 상대기류(Relative Wind)상대기류란 주익에 대한 공기의 흐름의 방향을 말하는 것이다. 만약 주익이 전하방향으로 움직이면 상대기류는 후상방향으로 흘러 (그림2-3) 만약 주익이 전하방향으로 움직이면 상대기류는 후하방향으로 흐른다. 따라서 비행방향(flight path)과 상대기류의 방향은 평행이나 향하는 방향은 정반대이다. 상대기류는 비행기가 공중에서 움직임에 따라 만들어진다. 또한 상대기류는 정지하고 있는 물체의 주위를 공기가 움직임에 따라 만들어진다. 지상에 있는 비행기의 표면에 공기덩어리(바람)가 흐를 때에도 기체는 상대기류의 영향을 받는다. 상대기류는 똑같은 형태로 물체와 공기의 양쪽이 움직이는 경우에도 만들어진다. 이륙활주 중의 비행기는 지상에서 움직이는 비행기와 움직이고 있는 공기덩어리(바람)의 양쪽에 의해 만들어진 상대기류의 영향을 받게 된다. 그리하여 비행기는 바람을 향하여 이륙하는 것이다. 그러나 비행중인 비행기의 운동만이 상대기류를 만들며 바람(공기와 지표면과의 관계)의 방향과 속도는 아무런 영향도 주지 않는다는 것을 잘 기억해 두어야 한다. 풍향과 풍속은 지표면에 대한 비행기의 운동에 영향이 있을 뿐이다. 비행 중에는 비행기의 실제 비행방향이 상대기류의 방향을 정하며 상대기류는 비행방향과 방향이 같이 향하는 쪽이 반대가 되는 것이다.(그림2-3) 상대풍5) 영각(Angle of Attack)영각이란 익현선과 상대기류의 방향과의 사이에 각도를 말한다(그림2-4). 영각은 항공기를 부양시킬 수 있는 항공역학적 각이며 양력을 발생시키는 요소가 된다. 이같은 영각은 달리는 차창 밖으로 손을 내밀어 손의 각도에 따라 영각의 형태를 느낄 수 있다. 손바닥을 지면과 수평으로 유지했을 때는 손바닥과 상대풍이 이루는 각이 거의 없기 때문 느낄 수 있을 것이다. 익형(이 경우 사람의 손바닥)은 바람(기류)의 방향을 변하게 하며 동시에 익형의 하면에 그 크기와 같은 반대 방향에 동압을 만들어내 그 힘에 의해 익형은 후상방을 향하여 힘을 받게 된다. 이 힘의 위로 향하려는 성질이 양력이며 뒤로 향하려는 성질을 항력이라고 한다.(1) 양력의 발생비행기 날개에서 비행기의 무게를 감당하는 양력이 어떻게 발생되는가를 알아보기 위하여, 먼저 유체속에 원통이 놓여 있는 경우를 생각해 보자.(그림2-6a)에서와 같이 유선의 모양은 완전히 대층이므로 원통에는 아무런 힘도 작용하지 않는다. 이제 원통주위에 시계방향으로 순환하는 흐름을 겹쳐 놓으면 (그림2-6b)와 같이 A점에서는 원래의 흐름속도에 순환흐름으로 속도가 더해저 속도가 빨라지고, B점에서는 그 반대로 순환흐름이 원래의 흐름을 방해하여 결국 속도가 줄어든다. 여기서 베르누이의 정의를 적용하면 순환흐름이 겹치기 전에는 A점과 B점의 압력이 같았으나 순환흐름이 겹치면 B점의 압력이 A점보다 높아지게 되고 이 압력차이에 의해 밑에서 위로 힘이 발생한다. 만일 시계반대방향으로 순환흐름을 겹치게 하면 반대로 아래 방향으로 힘이 발생한다. 이 원리와 같이 날개가 공기의 흐름을 받으면 흐름은 날개의 앞전에서 상하로 갈라져서 날개 윗면의 유속은 에어포일의 최대두께 지점(공력중심선)까지 속도가 증가하여 공력중심선에서 최대유속을 나타내며, 날개 밑면에서는 날개 뒷전으로 갈수록 밑면의 곡율이 적어지게 되어 있으므로 유속은 날개 윗면의 유속보다 상대적으로 느려진다. 날개를 통과한 상·하의 2가지 흐름은 날개 뒷전에서 서로 만나서 원래의 흐름속도(비행기의 진행속도)로 되돌아간다.(그림2-7a)'베르누이의 정의’에서 설명되어 있는 것과 같이, 흐름이 빠른 곳에서는 압력이 낫고, 흐름이 느린 곳에서는 압력이 높아진다.따라서 날개 윗면의 압력은 날개 밑면에 비해서 낮으므로 이 압력차에 의하여 날개의 윗 방향으로 ‘공기력’이 발생한다 (그림2-7b) 이 공기력이 공기의 흐르는 방향(무시할 수 있으므로 양력의 대부분은 주익 상면의 압력 감소에 의해 발생한다. 영각이 증가함에 따라 주익하면의 공기의 충격이나 정(正)압이 증가한다. 또, 주익 상면에서도 공기가 주익의 커브를 따라 흐르고 있는 한 익형의 유효만곡도가 증가하여 익상면의 기류는 보다 긴 거리를 흘러야 하므로 상면의 압력은 감소돼 간다. 이것은 베르누이 정의에 의해 보다 긴 거리를 흐르기 위해서는 보다 빨리 흘러야 하므로 보다 큰 압력감소 현상이 발생하기 때문이다. 주익 하면의 압력증가와 주익 상면의 압력감소와의 2가지 이유로 주익의 상면과 하면에서 큰 압력차이가 발생한다. 이와 같은 큰 압력차이에 의해 커다란 위로 향하려는 힘 즉 양력이 발생하는 것이다. 동시에 이것은 보다 큰 항력을 발생한다. 영각이 약 18도에서 20도까지 증가하면 대부분의 익형의 익상면에서는 공기가 유연하게 흐를 수 없게 된다. 이것은 흐름의 방향에 과도한 변화를 필요로 하기 때문이다. 기류는 주익 상면의 캠버(camber:위로 튀어 오른 부분) 최대위치 근처에서 이탈하여 곧바로 후방으로 흐른다. 그리하여 기류가 날개표면에 따라 흐르려고 하면 소용돌이나 기포(氣泡)가 발생된다. (그림2-10) 이와 같은 기류의 기포가 발생하기 시작하는 특정의 영각을 실속각(失速角)이라고 한다. 영각이 적은 동안에 는 주익 후연 근처에서 볼 수 있는 기류의 소용돌이가 이 각도에서 갑자기 익상면 전체에 퍼진다. 그러므로 익상면의 압력이 갑자기 증가하여 한 순간에 양력이 격감되고 저항(항력)이 급증한다.(그림2-10) 각 영각에서의 익상면의 와류의 상태(4) 추력과 항력과의 관계비행기가 가속이나 감속을 하지 않은 일정한 비행속도를 갖고 있는 상태에서는 추력과 항력의 크기가 같다. 프로펠러의 추력이 증가하면 추력이 일시적으로 항력보다 크게 되어 비행기는 속도가 증가한다. 즉 가속하게 되는 것이다. 그러나 비행속도의 증가는 동시에 항력의 증가를 일으킨다. 이러한 상태에서 추력과 항력은 또다시 같게 되며 속도 또한 일정하게 된다. 어느증가한다. 보조익이 올려져 있을 때에는 주익 일부분의 커브를 적게 하여 양력을 감소시킨다. 승강타는 수평미익의 커브를 조정하여 양력의 크기를 변화시킬 수 있다. 방향타도 수직미익과 같은 작용을 하게 할 수 있다. 만약 익면에 빙착현상이 발생하면 일형은 변화한다. 많은 사람들이 고 고도 에서나 한냉시에 비행기의 주익에 빙착하는 얼음의 무게로 인하여 이러한 현상이 발생하면 대단히 위험한 것으로 생각하고 있다. 그러나 빙착 현상으로 인해 증가하는 중량은 빙착의 위험을 일으키는 일부일 뿐이다. 특히 날개의 전연에 빙착이 발생하면 기류는 익면으로부터 이탈해 버리며 얼음이 날개의 캠버를 변화시켜 비행기에 최대효율(최대의 양항비)을 부여하게끔 설계된 익형의 효력에 손상을 가져온다. 날개에 극히 적은 서리가 서려 있는 것만으로도 비행기가 이륙을 할 수 없게 되는 경우가 있다. 익상면의 공기의 원활한 흐름이 방해를 받아 양력을 발생하게 하는 능력을 잃고 만다. 그리하여 이륙하기 전에 비행기 표면의 서리, 눈 또는 얼음을 제거하는 것은 대단히 중요한 것이다.(그림2-11) 플랩을 사용하면 양력과 항력을 증가시킨다.(9) 대기속도가 양력과 항력에 미치는 영향익년을 흐르는 기류의 속도(대기속도)가 증가하면 양력 및 항력도 증가한다. 그 양력이 증가하는 이유는 다음과 같다.① 익하면에 부딪치는 상대기류의 속도의 증가는 보다 높고 큰 정(正)압력을 만들어 낸다.② 익상면에서의 상대기류의 속도 증가는 그 부분의 압력 저하를 의미한다(베르누이 정의).③ 익하면의 보다 큰 압력차가 발생한다. 양력을 증가시키는 여하한 변화도 반드시 항력을 증가시키므로 이로 인하여 항력이 증가된다. 실험결과 양력과 항력은 속도의 제곱에 비례 하여 변하는 것이 판명되었다. 익면을 흐르는 기류의 속도는 비행기의 대기속도에 의해 정해진다. 이것은 만약 비행기가 속도를 2배로 비행하면 양력과 항력 및 영각이 변화하지 않는다고 가정해도 4배가 되는 것을 의미한다.(10) 공기 밀도가 양력과 항력에 미치는 영향양력과 항 된다.

공학/기술| 2002.10.03| 15페이지| 1,000원| 조회(1,655)

풍동실험, 양력, 항력

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레이놀즈 수

1. 레이놀즈 수 실험1. AbstractThis laboratory work is that we set up the Reynolds Number which we studied in the Fluid Dynamics Class again and research how it is adjusted. The flow of water is divided the Lamirnar flow and the Turbulent flow. The Lamirnar flow is that a layer keeps when fluid flows in a pipe, while the turbulent flow is that fluid flows irrergularly when fluid flows in a pipe.2. 국문 요약이 실험은 우리가 유체 역학 시간에 배운 레이놀즈 수에 관해 이론을 다시 한번 정립하고 그 이론이 어떻게 적용되는지 알아보는 실험이다. 물의 유동은 크게 층류와 난류로 나누어진다. 층류는 유체가 관로내를 흐를때 층을 유지한 채 흐르는 상태를 말하며, 난류는 관로내를 흐를 때 불규칙하게 흐르는 상태를 말한다.3. 실험 목적실제 유체의 유동은 점성에 의한 마찰로 인해 이상유체의 유동보다 대단히 복잡하다. 점성 유체의 유동에 있어서 난류 유동(turbulent flow)과 층류 유동(laminar flow)을 구분하는데 사용되는 Reynolds 실험을 수행하여 무차원 수인 Reynolds Number를 실제 실험을 통해 측정하여 비교하고 Reynolds Number가 의미하는 것이 무엇인가를 이해하고, 층류와 난류의 개념을 이해하며, 임계 레이놀즈 수를 계산하는데 목적이 있다.4. 이론1) 물의 유동관내에 물을 흘려 이 물의 속도를 점점 빠르게 해가는 경우를 생각한다. 처음에는 그림 (a)에 나타낸바와 같이 물은 고요히 흘러 물의 각 분자는 마치 선을 그리는 것처럼 전체는 층을 이루며 이동한다. 그러나 이 속도가 점차 빨라짐에 따라 물의 내부는 결국에는 그림 (b)에게 유동하는 것을 난류(Turblent flow) 또는 난류운동(Turblent motion)이라고 한다. 이 경우에는 물의 분자가 유동하므로 난류의 이러한 것을 Eddy flow라고 한다.이 층류에서 난류로 바뀌는 경계점 속도를 임계속도(Critical velocity)라고 한다.영국의 Osborne Reynolds(레이놀즈)는 관내를 흐르는 흐름이 층류인지 난류인지를 가늠하는 레이놀즈수(Reynolds number)라는 무차원수를 발견했다. 레이놀즈수는 Re로 표기하며, 유체의 점성에 기인한 고유의 값으로, 유속 관경에 의해 결정되는 수로서, 실험에 의하면 관내 흐름에서는 Re=2000 이하이면 층류로 됨이 알려져 있다.공업용수로에서의 물의 흐름 대부분이 임계속도 이상의 난류이다. 이러한 난류는 운동상태가 대단히 복잡하여 도저히 계산식으로 나타낼 수 없으므로, 편의상 층류로 가정하여 계산한 다음 물의 운동의 경향을 파악하는 경우가 많다.2) 유량의 개요유량(Flow rate)이라 함은 유체의 흐름중 일정 면적의 단면을 통과하는 유체의 체적, 질량 또는 중량을 시간에 대한 비율로 표현한 것을 유량이라 칭하며 각각 유체의 체적을 시간에 대한 비율로 표시한 유량을 체적 유량 (용적유량), 유체의 질량을 시간에 대한 비율로 표시한 질량유량, 유체를 일정시간 동안 흐르는 량을 표시한 유량을 적산유량이라 칭한다.① 체적유량 : Q = A.v [㎥/s]② 질량유량 : M = Q.ρ = A.v.ρ [kg/s]③ 중량유량 : W = Q.ρ.g = A.v.ρ.g [N/s]④ 적산유량 : G = ∫Q.ρ = ∫A.v.ρ [㎥,kg]A : 단면적 v : 속도 ρ = 밀도측정 대상인 유체의 분류는 기체, 액체, 증기, 혼합 기체 등으로 일반적으로 분류하고 흐름 상태에 따라 층류, 난류, 맥동류 등으로, 온도에 따라서 고온도로부터 극저온, 압력에 따라서 고압력으로부터 저압력, 점도에 따라 고점도로부터 저점도, 유량에 따라서 대유량으로부터 극소유량 유체 등으로 다양하게 분류한다.유량(Laminar flow)유체의 질서 정연한 흐름이고 난류와 대비된다. 가는 파이프에 물을 흘릴 경우 가령 잉크를 넣어 흐름의 상태를 관측하면 유속에 따라 레이놀즈수가 작을 때에는 색줄이 직선으로 되고, 물의 각분이 파이프 벽에 평형으로 움직이며 서로 섞이지 않는 것을 알 수 있다. 이러한 흐름이 층류이다.(2) 난류(Turbulent flow)유량을 증가시키면 임계속도(Critical Velocity)에 이르게 되는데 이때부터 물감 줄기가 파형이 되고 점점 없어져서 마침내 물이 흐르는 단면 전체에 퍼진다. 이러한 물감의 이동으로부터 물이 더 이상 층류로 흐르지 않고 교차혼합 흐름 및 소용돌이를 이루며 흐른다는 것을 알 수 있다. 이러한 운동형태가 난류(turbulence)이다.4) 관로내 유체의 흐름(1) 층류와 난류관로내 흐름에는 층류와 난류가 있고, 층류는 유체가 관로내를 흐를때 층을 유지한 채 흐르는 상태를 말하며, 보통 유량이 적은 경우에 나타나는 현상이고, 난류는 흐름 중 와류 등을 발생시키는 흐름으로 유량이 크거나 압력 강하가 적은 경우에 나타난다.관로중의 일정구간에서 2점의 압력 취출공으로부터 취출된 압력 강하와 유량과의 특성관계를 보면은 압력강하와 유량과 비례하는 범위에서의 흐름을 층류라하고, 유량의 2승에 비례하는 유량이 큰 범위에서의 흐름을 난류라 한다.층류천이영역난류물가 선의 거동Dye in직선적인 흐름층류와 난류 사이에서 진동하는 흐름Dye in불규칙적인 흐름압력 강하Q^10에 비례한 값에서 다름 값으로 진도한다. 측정이 아주 어렵다.아주 매끈한 관:Q^10에 비례.아주 거친 관:Q^20에 비례Reynolds Number< 20002000 4000> 4000실제로 원통형 관내의 유속분포를 측정하여 보면은 점도가 높은 경우 관벽과 유체의 마찰력은 크게 작용함으로 유속분포는 변화한다. 유속이 느릴 때는 점도가 낮은 유체가 흐르는 것과 같은 유속분포를 가진다. 즉, 관로내의 흐름이 층류일 때는 관의 단면에서 본 유속은 거의 같은 유속분포가 된류로 구분하는 경계치는 2320이다.ReD````=````{4`Q`p}over{π`D_n}(2) 유속분포와 평균유속유체는 점성이 있으므로 관로내 흐르는 유체중 관로벽과 마찰하며 흐르는 유체는 관벽과의 점성에 의해 유속이 늦어지고 관로의 중심으로 갈수록 유속이 증가하여 관 중심에서는 최대가 되는 것으로 관로내의 유체의 유속은 동일하며, 관로 단면상에 있어서도 위치에 따라 달라진다.원형 단면을 갖는 관로내의 유속분포는 관내의 유속 분포 오른쪽 그림과 같다.또한 층류에서는 레이놀즈수가 변화해도 유속분포는 항상 일정하나 난류에서는 레이놀즈수에 따라 유속 분포는 변한다. 주의할 점은 층류나 난류도 앞서 설명한대로 되는 것은 아니다. 그렇게 되는 조건은 직관부를 흐르는 경우로서, 만일 곡관이나 유속이 빠른 난류에서는 그와 같은 법칙이 성립되지 않으므로 충분한 직관부를 통한 흐름이 요구되는 것이다.유속 변화의 영향을 받는 유량계에서는 유량계의 전후단에 대해 적당한 길이의 직관부를 필요로하게 된다.5) 레이놀즈수기하학적으로 상이한 몇 개의 물체가 있을 때 그 주위의 유체 흐름의 역학적 모양을 비교하는 경우 등에 표시되는 중요한 무차원의 수로서 각각의 물체에 있어서 계산된 레이놀즈수가 같을 때 그때의 유체의 흐름은 역학적으로 같게 된다.레이놀즈수를 구하는 방식은 산출 방법에 따라 여러가지가 있다.(1) 유로의 흐름중에 있는 임의 물체의 대표적인 길이를 L이라 하고, 유체의 유속(관벽으 로부터 충분히 떨어진 위치에 있는 유속)을 v, 유체의 η,밀도는 ρ, 동점성도를 ν라 하 면 레이놀즈수 Rd는 다음과 같다.(2) 관로내의 흐름 등을 비교하는 경우에 대표적인 길이로서 관로의 직경 D또는 관로 반경 R을 이용하고, 유체의 평균유속을 v로 했을때, 관로의 직경을 이용시와 레이놀즈수 RD와 반경을 이용했을 때, 레이놀즈수 RR은 아래와 같고 RD = 2RR 이다,(3) 관로내 차압식 유량 검출소자가 부착되어 있는 경우에 대표적인 길이로서 조리개의 직 경 d를 이용하고, 조리개 부분 상임계 레이놀즈 수(Upper Critical Reynolds Number)와 하임계 레이놀즈수 (Lower Critical Reynolds Number)층류로부터 난류로 천이될 때의 Reynolds수를 상임계 Reynolds수(Upper Critical Reynolds Number)라 한다. Reynolds의 실험에 의하면 상임계 Reynolds수는 12,000∼14,000사이의 범위였다. 그러나 이 상임계 Reynolds수는 수조내의 조건, 관입구의 형상, 관의 조도 등의 영향을 크게 받으므로 실험조건에 따라 변동이 심하다. 그리하여 공학자들은 많은 실험결과를 종합하여 상임계 Reynolds수로서 원관에 대해 2,700∼4,000사이의 범위를 택하였다. 난류운동에서 속도를 감소시키면 다시 층류로 되돌아온다. 난류로부터 층류로 천이될 때의 Reynolds수를 하임계 Reynolds수(Lower Critical Reynolds Number)라 한다. 많은 실험에 의하면 원관에 대하여 하임계 Reynolds수는 2,100∼4,000사이 였다. 하임계 Reynolds수는 공학적으로 매우 중요한 뜻을 갖는다. 왜냐하면 하임계 Reynolds수 이하에서는 외부로부터 교란을 주어 난류로 만들더라도, 점성력의 작용 때문에 결국은 스스로 층류로 천이되어버리기 때문이다. 그러므로 공학에서는 이 하임계 Reynolds수를 임계 Reynolds수(Critical Reynolds Number)라 하고 층류로부터 난류로 천이되는 척도로 삼는다. 하임계 Reynolds수는 2,100과 4,000사이에 존재한다. 그러나 공학자들은 설계시 안전한 쪽을 택하는 것을 원칙이므로 원관에 대한 임계 Reynolds수로서 2,100을 택한다. 학자에 따라 2,000 , 2,100 , 2,300 또는 2,320등을 주장하기도 했다. 원관 이외에 평행벽 사이의 유동에서는 평균속도 Ｖ와 벽간격 D를 사용하여 Reynolds수를 계산할 때 임계 Reynolds수 NRec=1,000 , 넓은 개수로 유

공학/기술| 2002.10.03| 8페이지| 1,000원| 조회(690)

레이놀주수, 층류, 난류

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