기초공학 실험[A+자료] - 유량측정 보고서

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기초공학 실험[A+자료] - 유량측정 보고서에 대한 보고서 자료입니다.

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본문내용

[l/min]
174.95013
217.1659
263.0649
307.5346
351.9152
396.8223
오차율 [%]
12.52
13.13
12.31
12.13
12.02
11.82
7. 토의사항 및 오차분석
(1) 각 유량별로 피토튜브로 측정된 유속분포를 도시하고 유동특성에 대하여 설명하시오.
50 l/min
100 l/min
150 l/min
- 위의 그래프는 우리가 텍스트북에서 보았던 속도 분포의 그래프와 유사한 형태로 보여주기 위해서 x축은 속도 [m/s]이고 y축은 원통의 바닥에서부터의 거리로 표현해 놓은 것이다. 원통의 지름이 0.04m이기 때문에 그 절반 까지만 표시해 놓았다. 위의 대략적인 속도 분포 그래프의 계형은 우리가 책에서 보던 것과 비슷하다. 바닥 부분에는 유체의 점성과 마찰력 때문에 속도가 낮다가 가운데 부근에서는 마찰력이 없기 때문에 제 속도를 찾은 모습이다.
오른쪽의 그래프는 유량별로 비교를 위해 세 그래프를 합쳐 보았다. 당연한 결과이지만 유량이 클수록 유속 역시 빨라지는 모습이다. 그리고 바닥에서부터 가운데까지의 속도구배가 유량이 클수록 커지는 모습도 확인 할 수 있다.
(2) 부자식 유량계 유량, 오리피스 유량계 유량, 그리고 피토튜브를 사용해서 측정한 유량을 상호 비교하고 그 차이를 분석하시오.
부자식 유량계 - 피토튜브
부자식 유량계 - 오리피스 유량계
- 위의 두 그래프를 보면 그 차이는 눈으로 확인 할 수 있다. 피토튜브의 실험 결과는 모두 부자식 유량계 보다 더 큰 값들을 가지고 있다. 하지만 오리피스 유량계의 실험은 그 반대였다. 모두 부자식 유량계의 값보다 작은 값을 가지고 있었다. 그 이유에 대해서 몇 가지 예상을 해보았다. 피토튜브의 실험에서는 정확하게 피토튜브의 구멍을 유체의 흐름방향으로 설치하지 않고 조금 틀어지면서 좀 더 많은 유체가 유입하면서 더 높은 압력이 생겼고, 그 때문에 더 큰 유속 값을 얻어 결과적으로는 좀 더 큰 유량을 얻은 것으로 생각된다. 오리피스 유량계에서는 우리가 유체의 온도를 측정하여 레이놀즈 수를 구한다음에 그것을 이용하여 유량계수를 구하여 유량을 구하였다. 하지만 이 유체의 온도를 측정하는 과정에서 우리는 출구의 온도를 측정하였다. 하지만 실제로 우리가 측정해야 하는 온도는 바로 vortex가 일어나는 오리피스 유량계의 가운데 부분이다. 이 부분부터 출구까지는 convection과 conduction으로 인하여 열을 빼앗겼을 것이다. 그래서 결국 출구에서는 우리가 측정해야 하는 온도보다 낮은 온도가 측정되었을 것으로 예상된다. 이렇게 더 낮은 온도를 측정함으로 υ값은 감소하였고, Re는 커졌다. 결과적으로는 유량계수는 작아지고, 유량 역시 적어진 것이다.
(3) 유량별 층/난류 확인
피토튜브
오리피스 유량계
유량 [l/min]
50
100
150
200
250
300
350
400
450
온도 [℃]
26
26
26
30.4
31.5
32.7
34
35.5
37
Re
3000
4550
7090
3981
4956
5920
6872
7808
8734
층/난류
모두 2300보다 크므로 ‘난류’라 할 수 있다.
(4) 오차분석
피토튜브
오리피스 유량계
유량 [l/min]
50
100
150
200
250
300
350
400
450
오차율 [%]
72.24
25.36
34.92
12.52
13.13
12.31
12.13
12.02
11.82
- 위에 표는 실험에 대한 오차들을 보기 좋게 정리해 놓은 것이다. 위의 표를 보면 대체적으로 오리피스 유량계가 피토튜브보다 오차가 작은 것을 확인 할 수 있고, 오리피스 유량계는 대부분 균일한 오차를 가진 반면, 피토튜브는 불규칙한 오차를 가지고 있다. 이는 오리피스 유량계는 이미 설치되어져 있고, 거기에서 일정한 오차값만 나오는 반면, 피토튜브는 우리가 직접 손으로 만지면서 일일이 실험을 하였기 때문에 그 오차가 불규칙하게 나온 것 같다. 그리고 피토튜브는 튜브의 구멍을 정확하게 유체의 흐름방향과 평행하게 설치하지 않으면 그 오차는 커질 것이다. 이러한 이유들 때문에 피토튜브의 오차가 오리피스 유량계에 비해서 대체적으로 불규칙하고 큰 것으로 생각된다.
(5) 기타 오차 원인
① 부자식 유량계
- 우리는 이번 실험에서 모두 부자식 유량계의 유량을 기준으로 다른 실험값들을 비교하였다. 하지만 이 기준이 되는 부자식 유량계의 유량 역시 확실한 값은 아니라는 것이 문제이다. 특히 50 l/min을 실험할 때에는 눈금 자체가 존재하지 않는 부분에서 측정하여야 했다. 그리고 밥(bob)이 가만히 떠있는 것이 아니라 조금씩 움직이면서 실험장치에 일정한 유량이 유입되지 않은 것 역시 문제가 되는 것 같다.
② 튜브의 평형
- 피토튜브의 실험 시 가장 문제가 되는 부분이 바로 이 튜브의 평형을 유지하는 부분이다. 먼저 측정하기 전에 튜브를 유체의 흐름방향과 평행하게 놓는 것 자체도 힘들다. 이 부분은 측정자가 직접 손으로 조작하면서 눈으로 확인해야 하는 부분이기 때문에 정확하지도 않고 가령 정확하게 놓았다 하더라도 다시 유체와 위의 고무관에 의해 조금씩 틀어지기 마련이다. 그리고 실험 당시에는 측정하면서 유체의 속도가 자꾸만 올라가는 것을 확인할 수 있었다. 그때는 단순히 기계의 오류라 생각하였는데, 이제와서 생각해보니 그것은 유체의 흐름에 의해서 튜브의 방향이 미세하게 틀어지면서 튜브로 흘러들어가는 유체의 양이 점점 많아져 유속의 값이 미세하게 조금씩 계속해서 올라갔던 것으로 생각된다.
③ 자에 의한 측정
- 튜브를 2mm씩 이동시키는 과정에서 우리는 자로 그 양을 측정하였고, 그 눈금을 가르키는 눈금 역시 정확하지 않았다. 처음에 이 문제로 우리 조는 실험을 다시 한번 실행해야 했었다.
④ 관내의 온도변화
- 이 부분 역시 오차의 한 원인이라 생각된다. 우리가 이번 실험에서 가정한 부분 중 하나는 바로 우리가 실험에 사용하는 모든 시스템은 정상상태라는 것이다. 하지만 실제로는 그렇지가 않다. 마찰력에 의한 열손실, convection과 conduction에 의한 열손실 등이 존재한다. 이런 모든 것을 배제한 상태에서 정확한 실험값을 얻기는 어렵다.

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기초공학 실험,   유량측정 보고서,   실험 이론