[공학실험]비압축성 난류 자유제트 실험

소개글

[공학실험]비압축성 난류 자유제트 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험목적

2. 실험이론

3. 실험장치

4. 실험방법
4.1 제트유동 중심축에서의 정압변화 측정
4.2 제트유동장 내의 속도분포 측정

5. 실험결과
5.1 속도분포의 변화
5.2 중심축상에서의 속도의 변화
5.3 제트경계의 변화
5.4 제트유동의 상사성
5.5 Similarity Variable 의 변경
5.6 제트유동의 유입현상

6. 고찰

본문내용

계`두께
r _{9D} =14.6916`mm
,
r _{13D} =18.7637`mm
,
r _{16D} =32.2923`mm
B _{9D} =34.6085mm
,
B _{13D} =46.9593mm
,
B _{16D} =59.1464mm
eta
를 변화시켜가며 상사성을 확인해본 결과,
eta=r/Z
의 경우에 상사성을 가장 잘 만족하였다. 그 외의 두 가지 경우에는 9D와 13D는 그래프가 거의 겹치게 나타났으나, 16D의 경우에 약간 다른 모습을 보여주었다.
이것은 5.2절의 중심축 상에서의 속도의 변화 그래프에서 16D가 완벽한 선형에서 약간 벗어나 있는 것과 같은 맥락에서의 오차인 것으로 생각된다.
결과적으로
eta=r/Z
의 경우에 상사성을 가장 완벽하게 보여주었다.
5.6 제트유동의 유입현상
6개의 축방향 위치에 대하여 측정된 속도분포를 이용하여 그 위치에서의 체적유량을 계산하여보자. 본 연구에서의 자유제트는 비압축성이며, 얻어진 체적유량에 상수인 밀도를 곱하면 질량유량이 얻어질 것이며, 체적유량은 다음 식(6-6)을 이용하여 계산될 수 있다.
Q= int _{A} ^{} {udA}
(6-6)
본 실험의 경우와 같이 축대칭 유동의 경우는 다음 식(6-7)과 같이 정리될 수 있다.
Q= int _{0} ^{B} {u(2pirdr)}
(6-7)
이때 적분계산은 구간을 나누어 면적적분 하여야 한다.
최종적으로 계산된 체적유량, Q 가 축 방향을 따라 어떻게 변화하는지를 그래프로 나타내어 보자. 계산의 결과, 체적유량은 유동의 하류방향으로 증가함을 볼 수 있을 것이다. 이러한 이유는 앞서 밝힌 바와 같이, 제트는 정지해 있는 주변유체와 혼합되며, 이러한 혼합현상으로 인하여 적은 모멘텀을 가진 주변유체가 상대적으로 큰 모멘텀의 제트유동으로 섞여 들어오게 되는 유입현상 때문일 것이다.
밀도가 일정한 상수이므로, 체적유량으로 계산하여도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 각 구간의 평균속도를 그 유동이 지나가는 면적에 곱하여 동일한 축 방향 거리에 대해 모두 합하면, 해당 축 방향 거리의 체적유량을 계산할 수 있다.
여기에서는 다음 식을 사용하여 각 축 방향 거리에 대한 체적 유량을 계산하였다.
Q _{i} =pi(r _{i} ^{2} -r _{i+1} ^{2} )timesV _{i,mean}
,
Q _{total} = sum _{i=1} ^{n} Q _{i}
계산된 결과는 다음과 같다.
Q _{0D} =15522`m ^{3} /s
,
Q _{3D} =24201.75`m ^{3} /s
,
Q _{6D} =32092.74`m ^{3} /s
Q _{9D} =37381.25`m ^{3} /s
,
Q _{13D} =49074.55`m ^{3} /s
,
Q _{16D} =62502.64m ^{3} /s
이 결과를 각 축 방향 거리에 대해 그래프로 표현하면 다음과 같다.
정상적인 유동이라면 같은 유동장 내에서는 체적유량이 일정해야 하나, 위의 그래프에서 볼 수 있듯이 축 방향 거리가 증가함에 따라 체적유량이 증가함을 알 수 있다. 이것은 앞서 기술한 것과 같이, 높은 모멘텀의 난류제트 흐름이 낮은 모멘텀의 주변 공기를 유동장 안으로 끌어들이는 과정에서 전체 유량이 증가한 것으로 해석할 수 있다
또한, 유량은 축 방향 거리에 근사적으로 선형적으로 비례하여 증가함을 확인할 수 있다.
실험 측정 데이터
no
0D
3D
6D
r(mm)
P(Pa)
r(mm)
P(Pa)
r(mm)
P(Pa)
1
0
1685
0
1742
0
1477
2
1.5
1695
3
1716
4
1221
3
3
1675
6
1519
8
925
4
4.5
1674
9
1102
12
582
5
6
1685
12
656
16
330
6
7.5
1692
15
313
20
162
7
9
1694
18
141
24
115
8
10.5
1728
21
87
28
92
9
12.5
85
25
81
34
81
no
9D
13D
16D
r(mm)
P(Pa)
r(mm)
P(Pa)
r(mm)
P(Pa)
1
0
977
0
497
0
371
2
4.5
803
6
442
7
324
3
9
651
12
371
14
258
4
13.5
433
18
241
21
225
5
18
265
24
177
28
171
6
22.5
170
30
136
35
128
7
27
125
36
102
43
98
8
31.5
102
42
94
51
90
9
36
85
50
81
59
83
초기압력 : 80 Pa
D : 25mm
6. 고찰
실험을 통해 난류 자유제트의 유동특성에 대해 알아보았다.
축 방향의 거리가 증가할수록 최대 속도는 감소하였으나, 자유제트의 흐름이 영향을 미치는 범위는 점점 커졌다. 자유제트 유동이 영향을 미치는 범위 즉, Jet Boundary는 축 방향 거리 Z 에 선형적으로 비례함을 직접 그래프를 통해 확인하였고, 유동이 완전히 발달한 일정거리 이후 영역(Potential Core 후방)에서 속도의 분포는 무차원 변수의 도입을 통해 하나의 그래프로 그려지며, 이로써 각 속도 분포간의 상사성을 확인할 수 있었다. 우리는 이렇게 얻어진 상사성을 통해 실제로 우리가 측정하지 않은 곳의 속도분포까지도 예상할 수 있을 것이다.
이번 실험에서는 한 가지 유량에 대해서만 고려하였기 때문에, 서로 다른 유량에 대해서도 이 상사성이 만족되는지 확인하기는 힘들었다. 만일 서로 다른 유량에서도 상사성이 만족되거나, 혹은 유량과 어떠한 관계를 가지고 있다면, 하나의 실험을 통해 서로 다른 여러 가지 경우에 대해서도 그 특성을 예측할 수 있는 매우 강력한 도구를 얻는 셈이다.
사실, 난류 자유제트라는 말이 좀 익숙하지 않게 느껴지긴 했지만, 이미 우리는 주변에서 이러한 난류 유동의 특성을 이용하고 있다. 헤어드라이어의 초기 공기온도는 매우 높지만, 주변 공기와의 혼합현상으로 뜨거운 공기가 냉각되어 머리를 말리는데 사용되며, 엔진 실린더 내에 혼합기를 분사하는 과정에서 연료와 공기를 효과적으로 mixing 하는 용도로 난류를 발생시키는 방법 또한 이미 사용되고 있다.
그동안 불확실할 것이라고 생각해온 난류의 유동특성을 확인할 수 있는 좋은 기회가 되었다.

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비압축성,   난류,   자유제트,   난류제트,   공학실험,   속도분포,   정압변화,   제트경계