유체역학 오리피스 실험 레포트

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유체역학 오리피스 실험 레포트

본문내용

라 증가한다. H 는 유체가 노즐 밖으로 떨어진 거리 이다. 베르누이 방정식을 사용하여 지점 (3), (4) 사이의 을 대입시키면 식또한 얻어진다.
물리학과 동역학에서 배운 것처럼 진공상태의 정지상태 높이 h에서 떨어지는 어느 물체는, 속도 를 얻는다. 이를 배출구에서 분출되는 물에서 똑같이 생각해볼 수 있다.
이것은 무시할만한 마찰력과 함을 제공하면서, 모든 입자의 위치에너지는 운 동 에너지로 전환된다는 것과 함께 일정하다. 수두의 용어로 바꾼다면, 지점 (1)의 수두의 높이는 지점(2)의 속도수두로 전환된다. <그림4>와 같은 경우 에서는 (1)과 (2)는 대기로써 압력이 같다.
<그림5. 탱크로부터의 수평적인 흐름1>
<그림5>와 같은 수평적인 노즐에서, 높이의 차이 때문에 도심에서의 유 체 의 속도 는 맨 위의 속도 보다 조금 크다. 그리고 맨 밑바닥의 속도 보다는 조금 작다.
<그림6. 탱크로부터의 수평적인 흐름2>
일반적으로 <그림6>처럼 이면 중앙라인의 속도를 타당하게 평균속 도라고 말할 수 있다.
<그림7. 날카로운 가장자리를 가진 오리피스에서의 Vena contracta효과>
만일 출구가 부드럽지 못하지만(완전히 굽은 노즐처럼) 다소 평평한 판 이라 면<그림7> 분출구의 지름 는 구멍의 지름 보다 작아질 것이다. 이러 한 현상은 vena contracta 현상이라고 한다. 이 현상은 그림에서 점으로 표 시된 곳처럼 날카로운 코너를 돌아야하는 유체의 무능함의 결과이다. 출 구면의 유선은 굽어져있기 때문에 그곳을 가로지르는 압력은 일정하지 않다. 이 때 유선을 가로지르며 압력은 끊임없는 변화도를 갖는다. 가장 높은 압력 은 중심 라인 (2)를 따라서 발생한다, 그리고 가장 낮은 압력 은 분출구의 가장자리에서 발생한다. 따라서 곧은 유선과 일정한 압력에서의 일 정한 속도의 가정은 그 출구 면에서 유효하지 않다. 하지만 <그림6>에서 처 럼 구역 a-a , vena contracta 면에서는 유효하다. 균일한 속도 가정은 로 제공 된 구역에서만 유효하다.
이 vena contracta 효과는 배출구의 기하학적인 함수이다. 실험적인 수축 계수 를 따라서 몇몇 대표적인 경우는 다음 <그림8,9,10,11>들과 같다,
<그림8.knife edge> <그림9.Well rounded>
<그림10. Sharp edge> <그림11. Re-entrance>
와 는 vena contracta의 분출구와 구멍의 면적이다. 이 수축 계수를 사용해서 유량계수를 구하면 다음과 같다
유량계수는 수축계수와 유속계수의 곱인 것이다.
다음과 그림과 같은 실험 장치가 주어져있다고 하자.
<그림12. 시험 장치에 대한 계수>
그러면 유량계수에 의한 사출경로 x와 y의 관계식은 다음과 같이 구할 수 있다.
또한 배수 시간을 이용한 경험식은 다음과 같이 주어진다.
4. 실험 기구 및 실험 방법
4.1 실험 기구
오리피스 장치
저울
수리실험대
메스실린더
시계
양동이
유량 조절 밸브
4.2 실험 방법
①오리피스 장치의 높이와 직경을 측정한다.
②수면의 높이를 정하고(100cm), 높이가 변하지 않게 유출량과 유입량이 같도록 조절한다.
③높이가 일정해 지면 큰 비커에 10초 동안 물을 담아 부피를 측정한다.
④유출구의 물줄기를 일정한 간격마다 사출경로를 측정한다.
⑤실험 수면의 높이보다 낮은 높이(90cm)를 정해 유입량을 없앨 때까지 걸리는 시간을 측정한다.
⑥수면 높이 값을 일정하게 변화시키면서 위의 과정을 한번 반복한다.
5. 실험 결과 정리
제 원
수로
오리피스
직경 D()
284.2
직경 d()
5.85
단면적 A()
634.36
단면적 a()
0.269
수위가 일정할 때 유량계수 ()
측정횟수
부피()
시간()
유량
()
높이()
유량계수 C
1
880
10
88
100
0.74
2
800
10
80
90
0.71
3
750
10
75
80
0.70
경험식에 의한 유량 계수 ()
측정횟수
오리피스 직경()
높이
동점성계수
레이놀즈수
유량계수C
1
5.85
100
23652.10
0.62
2
5.85
90
22438.36
0.62
3
5.85
80
21155.09
0.62
일 때 측정값에 의한 사출경로
11.7
24.7
37.7
50.7
63.7
0.5
2.5
4.6
7.6
11.7
일 때 계산된 유량계수에 의한 사출경로
11.7
24.7
37.7
50.7
63.7
0.42
1.86
4.33
7.84
12.37
일 때 경험식에 의한 사출경로
11.7
24.7
37.7
50.7
63.7
0.50
2.21
5.15
9.31
14.70
<그래프1. H1일 때의 사출경로>
일 때 측정값에 의한 사출경로
11.7
24.7
37.7
50.7
63.7
0.6
2.3
5.2
8.4
12.8
일 때 계산된 유량계수에 의한 사출경로
11.7
24.7
37.7
50.7
63.7
0.48
2.15
5.00
9.04
14.27
일 때 경험식에 의한 사출경로
11.7
24.7
37.7
50.7
63.7
0.55
2.46
5.72
10.35
16.34
<그래프2. H2일 때의 사출경로>
<실험결과 계산>
수위가 일정할 때 유량계수
경험식에 의한 유량계수
일 때 계산된 유량계수에 의한 사출경로
일 때 경험식에 의한 사출경로
일 때 계산된 유량계수에 의한 사출경로
일 때 경험식에 의한 사출경로
<수위일정>
H1 (cm)
H2 (cm)
유출계수 C
수로 직경
(cn)
오리피스
직경 (cm)
수로 단면적
A()
오리피스 단면적 a()
계산한 배수시간
(sec)
측정한 배수시간 (sec)
100
90
0.725
28.42
0.585
634.36
0.269
75.41
80
90
80
0.705
28.42
0.585
634.36
0.269
81.99
93
<경험식>
H1 (cm)
H2 (cm)
유출계수 C
수로 직경
(cn)
오리피스
직경 (cm)
수로 단면적
A()
오리피스 단면적 a()
계산한 배수시간
(sec)
측정한 배수시간 (sec)
100
90
0.62
28.42
0.585
634.36
0.269
88.18
80
90
80
0.62
28.42
0.585
634.36
0.269
93.23
83

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