기초공학실험 - 유속측정

본문내용

변하도록 한 경사 마노미터(Inclined Manometer)가 있다.
<그림. 실험실에 설치된 마노미터(Manometer) 사진>
2-3. 유속측정이론 (베르누이정리)
베르누이 정리란 ‘임의의 관내를 유동하는 유체의 에너지 총합(전 에너지, total energy)은 일정하다’ 이다. 즉 그림과 같이 단면 A1 및 A2에 작용하는 전 에너지(=운동에너지+위치에너지+압력에너지)는 동일하다는 것이다. 이 정리는 두 단면 사이에 유체의 전 에너지 손실이 없다고 가정하여야 한다. 즉, 유체입자간의 충돌과 마찰 등으로 인한 에너지 손실이 없어야한다는 전제를 깔고 있다.
- Bernoulli 정리는 “정압 + 동압 = 전압” 이다.
즉, 동압이 크면(속도가 크면) 정압은 작아짐을 의미한다.
<그림. 베루누이 정리>
또는
2-4. 피토관에 의한 유속측정
위의 베르누이방정식을 적용하면 다음의 식으로 표시할 수 있다.
그림의 (2)점에서의 유속 v2=0이므로 위식 에서 v1에 대하여 재차 정리하면 아래식을 유도 할 수 있다.
위에 식에서 주(main) 유동의 속도는 아래 식으로 표현된다.
<그림. 정압공과 동압공>
<그림. 정압공과 동압곱을 U자관으로 연결하여 유속을 척정할 수 있게 된다.>
3.실험 방법
·피토관을 이용한 유속측정법
①
수리실험대의 물탱크에 물을 채운다. 이때 수리실험대의 관계통을 미리 파악하고 있어야한다. 수리 실험대의 사용법에 대해서는 별도의 지시 및 자료가 배분되므로 이를 참고한다.
②
밸브를 열어 10초 20초간의 "유량"과 "유속"을 측정한다.
③
"유량 높이차”와 “피토관 높이차”를 측정한다.
④
유량측정은 유량계로 실시하거나 초시계와 임의의 용기를 이용하여 측정한다.
⑤
피토관이 연결된 배관을 수리 실험대의 관계통과 연결한다.
⑥
U자관의 수두를 관찬하여 수두차를 기록한다.
⑦
유속을 계산한다 (이론값과 실제유량을 비교하기 위함)
·측정시 안전 및 유의사항
①
유관은 아크릴제로 되어 잇으므로 충격에 취약하므로 강한 충격 혹은 급작스런 벨브조작등에 유의한다.
②
유관에 연결된 비닐의 U자 관의 수두(물의 높이)를 관찰할 때 수평으로 관찰하여야 한다.
③
심한 미소압력변동에 의하여 수두가 흔들릴 경우가 있는데 이때에는 평균 높이로 수두를 산정한다.
4. 실험결과
DATA SHEET
조 : 2조
성 명 : 조 항 석
실 험 일 자 : 2009년 4월 15일
장 비 : 수리실험대 계량 수조와 Pitot Tube
담당교수 : 도덕희 교수님
담당조교 : 김병열 조교님
파이프 직경 = 35mm
수 조 : 가로 × 세로 = 360 × 570
NO.
시간
[s]
수조
높이
[mm]
실제
유량
[mm³/s]
h1
[mm]
h2
[mm]
△h
[mm]
유속
[mm/s]
이론
유량
[mm³/s]
K
(고정계수)
1
10
67
1374840
222
236
14
523.8
503954.7
2.7281
2
10
66
1354320
221
237
16
560
538783.1
2.5137
3
10
61
1251720
223
234
11
464.3
446708.9
2.8021
4
20
128
1313280
220
237
17
577.2
555331.5
2.3649
5
20
132
1354320
220
237
17
577.2
555331.5
2.4388
※수조높이는 최초높이와 최종높이의 차를 측정한 값이다.
※K(고정계수) = 실제유량/이론유량 으로 계산함.
5.계산과정
ⅰ.
①
②
③
④
⑤
ⅱ.
①
②
③
④
⑤
ⅲ.
※ 파이프 직경 = 35mm
①
②
③
④
⑤
ⅳ.
①
②
③
④
⑤
6. 분석 및 고찰
이번 실험은 피토관을 이용한 유속측정 실험이다. 실험에 앞서 우리조원들은 조교님의 설명을 잘 숙지하고 조교님과 함께 유속측정 실험을 쉽게 할 수 있었다. 유속 측정을 위해 우리는 피토관에 대해 알아보았고 수리 실험대의 원리 및 작동 법을 익혔다. 실험은 2조에서도 2개의 조를 나누어서 실험을 하였다. 나는 두 번째 조에 속했으며 실험오차를 줄이기 위해 앞에 조 실험에도 참여하여 어떤 변화가 있는지를 살펴보았다. 그것이 도움이 돼서 이었는지 모르겠지만 내가 속해있는 조 실험을 할 때 이해가 잘된다는 생각을 했다. 실험에 앞서 조교님은 현재 피토관의 상태를 알려주셨다. 어디가 문제인지는 모르겠지만 아마 피토관이 막혀있을 거라고 말씀하시고 때문에 오차가 크게 발생 할 거라고 하셨다. 역시 실험을 할 때 피토관이 막혀있는지 나노미터의 차이가 많이 차이가 나지 않았음을 볼 수 있었다. 실험의 정확한 측정보다 오차가 생기는 이유와 이러한 방법으로 유속을 측정할 수 있음을 알 수 있었던 뜻 깊은 실험이었고 피토관이라는 도구를 알 배울 수 있었던 좋은 기회였다.
7. 오차 발생 원인
무슨 실험이든지 오차는 발생하기 마련이다. 실험자에 의한 실수라든지 도구조작법 미숙달로 인한 오차든지 이번실험에서 가장 큰 오차를 차지했던 것은 피토관 이였다. 피토관 안이 막혀있어서 그런지 마노미터 높이 차이가 많이 차이 나지 않았으며 피토관이 관내에 중심이 아닌 약간 중심에서 멀어진 곳에 있었다. 그래서 유속측정에 있어 오차가 발생하였다. 그리고 수조에 물을 채우는 과정에서 물의 높이를 실험자가 조절하기 때문에 높이에 대한 오차역시 무시할수 없었다. 타이머를 재는 것 역시 오차가 발생할 수 있다. 시간을 측정함과 동시에 수리 실험대를 작동시키지만 수리실험대 모터에서 물을 보낼 때 시작하는 시간 1초정도 소비함으로써 시간적 오차 또한 무시할 수 없을 것이라고 생각한다. 즉, 다시 말해 펌프가 일정하게 작동을 하는 것이 아니기 때문에 펌프에서 일정양의 물을 공급해야 하는데 그렇지 못했다. 마노미터 측정값을 읽을 때에도 오차가 발생하였을 수도 있었다. 관이 조금 떨어져 있었었고 그것을 읽기 위해 마노미터를 벽에 붙여서 봐야했다. 처음 평행해야할 눈금도 피토관에 압력이 차서 그런지 평행을 이루고 있지 않았고, 눈금을 읽는 개개인의 시각차이도 오차가 될 수 있으며, 눈금을 읽을 때 눈과 눈금이 수평이 되어야 하는데 이것 또한 각각의 실험자 마다 차이가 있을 수 있다.

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