[A+] 화공공정실습설계1 유체의 마찰 결과 레포트

소개글

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목차

Ⅰ. 실험 목적
Ⅱ. 실험 이론
Ⅲ. 실험 기구 및 시약
Ⅳ. 실험 방법
Ⅴ. 실험 결과
Ⅵ. 고찰
Ⅶ. 참고 문헌

본문내용

이론값과 비교한다. 마찬가지로 여러 가지 직경의 관(10A,15A,20A)에서 수두차를 측정하여 마찰계수(f)를 실험적으로 구하고 이론값과 비교한다. 마지막으로 90도 엘보우 등 관의 부속품에서 수두차를 측정하여 부차적 마찰손실게수(K) 혹은 마찰계수(f)를 구하는 것이 이 실험의 목적이라고 볼 수 있다. 관 내에서의 유체의 흐름을 생각하면 가장 먼저 떠오르는 식은 베르누이 방정식이다. 하지만 이번 실험에서 베르누이 방정식을 쓰지 않는 이유가 있다. 베르누이 유체와 실제 유체는 ‘비압축성‘이라는 점만 빼면 ‘비점성/점성, 열전달무시/열전달있음, 내부에너지변화 무시/내부에너지 변화 있음‘과 같이 차이가 크다. 따라서 실제에서는 마찰손실을 고려해야하므로 이 실험에서 일반적인 베르누이 방정식은 적합하지 않다. 유체는 크게 세가지로 나눌 수 있다. 규칙적이고 낮은 유속에서 발생하는 층류와 불규칙적이고 높은 유속에서 발생하는 난류, 그리고 층류와 난류의 중간쯤 되는 전이영역이 있다. 층류는 Re < 2100, 난류는 Re > 4000으로 실험 결과값은 모두 난류 영역이라고 볼 수 있다. 이처럼 흐름이 불안정하면 관 표면과 마찰이 더 많이 발생하게 된다. Cv는 Q측정/Q이론 이므로 값을 정확하게 구했다면 그 값은 1이 나와야 이상적이다. 벤츄리와 오리피스 유량계수의 문헌값은 다음과 같다.
(오리피스 유량계수 문헌값) + Corifive 0.61 (Re . 10000)
(벤츄리 유량계수 문헌값)
벤츄리 유량계수는 오직 두 개의 직경의 비의 값으로 정해지므로 두 개의 관직경의 비가 일정하면 일정한 상수값을 나타낼 수도 있다. 다음의 문헌값을 통해서 ‘오리피스 유량계수 C < 벤츄리 유량계수 C’ 의 결과가 나올 것이라고 예상할 수 있다.
실제로도 결과값에서 벤츄리의 유량계수는 1.0 이상이고 오리피스의 유량계수는 대체적으로 1.0보다 작다는 것을 확인할 수 있다. 여기서 의문점이 생긴다. 왜 로터미터의 눈금값을 측정유량으로 하지 않고 실린더로 측정한 유량값으로 하는 것일까? 그 이유는 로터미터의 유량눈금은 대략적인 값이기 때문이다. 그러한 이유로 실제로 초시계와 실린더를 이용하여 측정유량값으로 사용한다. 벤츄리 실험에서 좁은 직경 쪽의 유속을 구하는 이유로는, 직경이 좁은 쪽의 유체흐름 모양은 직경이 넓은 쪽의 유체흐름 모양에 비해 층류의 흐름모양과 유사하다. 실제로 층류는 아니지만 유체의 흐름이 일정해서 다른 곳보다 정확하게 데이터를 얻을 수 있다.
급확대 실험을 보면 수두차 식은 H이론 = ke문헌값(v1^2/2g) 이다. Kf는 난류일 때 직경이 정해져있어 일정한 상수를 취하므로 수두차는 유속의 제곱에 비례함을 알 수 있다. 따라서 이론적으로 수두차는 증가하는 추세를 보인다. 하지만 실제 실험에서는 수두차가 8LPM과 12LPM에서 6mm로 비슷하게 나온다. 그래프를 보면 4,8LPM에서는 이론값과 실험값이 비슷하지만 12LPM에서 오차가 발생했다고 생각 할 수 있다. 그 이유로는 급확대 실험에서 수두차가 아주 잠깐 생겼다가 기포가 생겨서 사라졌다. 반복적으로 실험을 했을 때 수두차가 잠깐 생기고 기포가 계속 찼기 때문에 생긴 순간 눈금을 사진으로 찍어 그 눈금을 읽는 방법을 택했다. 정확한 방법이라고는 결코 할 수 없지만 순간적으로 눈으로 읽는 방법보다는 정확하다는 판단이 들었다. 급축소의 경우도 급확대와 마찬가지로 Kf값은 직경이 정해지면 상수취급이 되므로 마찰손실F는 유속의 제곱에 비례하게된다. 실험 데이터를 통해 유속이 점점 빨라지므로 마찰손실 역시 증가하는 그래프를 예상할 수 있다. 90도엘보우 역시 손실계수는 0.9로 상수이고 유속의 제곱에 비례하므로 위 실험들처럼 예측할 수 있다. 직관 실험에서는 재실험을 진행하였다. 실험 교재의 DATA에 따르면 길이가 약 1.5m로 나와있어서 직관의 양 끝부분을 연결하여 실험하였다. 실험 결과, 직관의 길이가 너무 길어서 수두차가 너무 크게 나타나 계측 범위를 넘었다. 따라서 직관 연결부 중 가장 짧은 두 지점을 연결해 길이를 쟀더니 0.5m 였고 그 직관을 이용해 재실험을 하여 결과값을 얻었다. 직관이 짧다보니 마찰도 크게 줄어 수두차가 계측 가능했다. 실험 중 생긴 오차 원인을 제외하고는 그래프가 전체적으로 이론값과 비슷한 양상을 보였다. 몇 가지 오차 원인을 생각해보자면, 먼저 유체가 통하는 고무관에 기포가 발생하였다. 기포가 발생하면 유량 뿐만 아니라 부수적인 마찰도 생겨서 실험에 큰 영향을 미친다. Water manometer에서 수두차가 발생하다가 더 아래로 떨어져서 공기가 빠져나가게되면 호스를 통해 고무관에 공기가 들어간다. 따라서 공기가 들어가지 않게 하기 위해서는 물탱크의 밸브를 조금 세게 틀어 manometer 내의 모든 공기를 제거해주고 계측을 할 때 manometer에서 물이 다 빠져나가기 전에 공기주입 밸브를 잠가서 정지시켜야한다. 또한 유량을 잴 때 타이머를 설정하고 손수 실린더에 물을 받는 작업이기 때문에 매번 정확한 유량을 구할 수 없다. 실제로 12LPM의 경우 유속이 세고 유량이 많기 때문에 0.1초만 더 받아도 꽤 많은 양이 차이가 난다. 반복적인 실험을 통해 관의 모양이 달라도 각각 4,8,12 LPM일 때의 유량은 비슷하다는 것을 알게 되었다. 따라서 실험을 진행하면서 유량이 상대적으로 많거나 적을 때 두 세 번 더 물을 받아 정확성을 높였다. 유체마찰손실 실험에서 가장 중요한 점은 유량 조절과 water manometer 조작이다. 이번 실험에서 manometer 조작을 내가 맡아서 하였는데, 실험 중반이 넘어가서야 조작에 익숙해졌다. 만약 조원들이 돌아가면서 조작했다면 컨트롤이 힘들어서 실험값에 큰 오차원인이 발생했을 것이다. 이번 실험에서 가장 큰 오차원인을 꼽자면 유량을 확인하는 로터미터의 눈금을 맨 위쪽 끝선을 읽어야하는데 로터미터의 중간 선 부분에 LPM을 맞추었다. 이는 대략 2 LPM정도 차이가 나는 값이다. 실험 방법을 좀 더 자세하고 꼼꼼하게 숙지하여 이런 어이없는 오차를 줄여야겠다는 생각이 들고 반성하는 계기가 되었다.
7. 참고 문헌
-화공실습설계. 순천향대학교

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