[유체역학] 잔디밭 살수용 스프링쿨러 설계 Project

소개글

[유체역학] 잔디밭 살수용 스프링쿨러 설계 Project에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 설계 사항

2. 회 의 록

3. 의견 종합 및 가정

4. 스프링클러 조사

5. 계 산 식

6. 설계 도면

7. 결 과

본문내용

공급되는 물의 수압은 350kPa(계기압력)이다.
점성에 의한 마찰효과는 무시할 수 있다.
회전부와 고정부 사이의 마찰은 고려해야 한다.
설계도구
시중에서 판매되는 스프링클러에 관한 자료 수집.
설계세부내용
운동량모멘트 방정식 적용.
회전자의 길이, 노즐의 크기, 개수, 위치.
마찰토크 평가, 회전속도 평가, 살포범위 평가.
시행착오적 반복 적용하여 적절한 설계 결정.
2. 회의록
날짜
11월 18일
주제
주어진 조건에 대한 고찰
내용
2cm/hr란 무슨 조건일까에 대해 생각해봄.
즉, 시간당 반경15m의 면적에 2cm의 물이 쌓인다고 생각.
유량 공식을 이용해 유량을 구하기로 함.
결론
면적 단위시간당 쌓이는 물의 높이 = 단위 시간당 유량
=
∴
날짜
11월 19일
주제
스프링 쿨러의 외형을 정함.
내용
노즐의 외형을 어떻게 정할지 토의를 하고 각자 의견을 냄.
의견을 종합해서 노즐관은 2개로 정하고 각 노즐을 3개씩 뚫기로 함.
노즐의 각도와 단면적을 조절하여 주어진 범위내에 물을 분사.
결론
날짜
11월 20일
주제
출구 노즐의 유량을 구하기로 함.
내용
주어진 조건 2cm/hr로 입구 유량을 알수 있고 노즐의 총 개수는 6개 이므로 노즐관의 반쪽만을 고려했을 경우 출구 노즐의 유량은 입구 유량의 반과 같다.
따라서 노즐의 유량은 이다.
결론
날짜
11월 21일
주제
베르누이 방정식의 적용
내용
정리하면 다음과 같은 결과가 나온다.
베르누이 방정식의 유도 결과, 가 1~6으로 변할 때의 출구 속도(=상대속도 )가 모두 같은 결과로 나오게 됨을 알 수 있었다.
결국 각 노즐의 상대속도(W)는 같다는 사실을 알 수 있었다.
결론
연속 방정식에 의해 20일자 회의록 내용인 반쪽 노즐관에의한 유량은 임을 알 수 있었다. 즉, 단면적(A)를 다르게 설정 하였으므로 각 노즐의 유량이 다르다는 것을 알게 되었다.
또한 노즐의 유량을 다르다고 하고 면적A를 통하여 유량을 조절할 수 있다고 가정했다.
날짜
11월 23일
주제
유체가 정해진 영역에 도달하려면?
내용
노즐에서 나오는 물이 반경 m를 날아가게 하기위해서 물을 하나의 질점으로 놓고 해석 (가정. 공기저항 무시)
위 식⑤에 거리 S값과 높이 h값, 값을 대입함으로써 절대속도 를 구할 수 있다.
결론
포물선 공식에 의해서 를 구한다.
날짜
11월 24일
주제
노즐의 를 어떻게 정하나?
내용
23일자 공식⑤를 이용.
속도를 조절할 수 없기에 각각의 노즐에 지면과의 각도()를 주어서 거리를 조절한다. 임의로 을 주어 유체를 강체로 생각하고 동역학에서 배운 포물선 공식을 사용해서 절대속도 을 구한다. 구해진 절대속도 과 를 사용에 대입해서 노즐관의 속도 를 구한다. 를 구함으로써 식을 사용해서 값을 주어 각속도를 구한다.
나머지 ,의 값도 위와 같은 식으로 구할 수 있다.
식 ⑤와 식 ⑥이 같아야하므로
노즐 2와 3에서 값을 찾기 위해 임의의 값을 반복적으로 넣어서 근접한 값을 찾음.
※노즐의 물 분사 범위
와 는 같고 는 각각 10m, 5m이며 은 0.2m, 0.1m이다.
결론
날짜
11월 25일
주제
운동량모멘트방정식
내용
노즐의 와 팔길이과 질량유량을 고려하여 계산한다.
또한 각 노즐의 토크 값을 더한다.
결론
3. 의견 종합 및 가정
· 실제의 스프링클러 내의 유동은 유체의 점성마찰과 관의 굴곡 등에 의해서 여러 가지 손실이 있을 수 있다. 하지만 우리는 이를 고려하지 않았기에 각 노즐 출구 의 상대속도 W는 동일하다.
· 위의 가정을 고려하여 각 노즐의 출구 유량은 노즐의 단면적A에 비례하여 증가 혹은 감소한다고 하자.
· 각각의 노즐은 지면과의 각도를 주어서 유체의 날아가는 거리를 조절한다.
4. 현재 판매중인 스프링 쿨러 조사
5. 계산과정
결정시 고려사항
▷반지름 15m의 구역에 시간당 2cm의 물을 가능한 한 균일하게 살포하는 출구 유량 은 입구 유량인 과 같다.
시중에 나와 있는 스프링클러의 제원을 조사한 입구직경
유량 투입(입구) 지점과 각 노즐 출구 간의 베르누이 방정식 사용.
포물선 공식 사용.
위 식을 에 관하여 정리하면 다음과 같다.
앞에서 구한 의 값과 제원 조사에 의한 높이 값 를 위의 식에 대입한다.
즉, 모든 출구에서 물의 상대속도 는 임을 알 수 있다.
각 출구의 단면적을 동일하다고 하면 다음 식으로인해 단면적를 구할 수있다.
초기값 을 정해줌으로 절대속도 값을구함
식 을 사용해서 값을 구한다.
(회전자의 길이 은 0.3m로 정해준다.)
(회전속도)
각 노즐의 지평면에 대한 각도 설정
를 대입해서 임의의 값을 반복적으로 넣어서 양변의 값이 근접해지는 값을 구한다.
,
를 대입.
,
마찰토크 계산
각각의 값을 대입하고 각각의 값을 대입해준다.
이때 값은 노즐의 면적이 같기 때문에 같은 값을 가진다.
6. 설계 도면
7. 결과
회전자의 길이 : 0.3m
노즐 단면적 :
노즐 개수 : 총 6개
노즐 사이 거리: 0.1m
노즐과 지면과의 각도 :
회전 속도 :
마찰 토크 :
저희가 설계한 스프링클러는 시중에 나와 있는 스프링클러의 제원을 토대로 해서 입구직경과 높이와 회전자의 길이를 주어진 후에 베르누이 방정식을 이용해서 노즐에서 나오는 물의 상대속도를 구하였다. 그리고 물의 절대속도를 구하기 위해서 물을 질점으로 놓고 공기 저항을 무시한 후 동역학적으로 15m를 날아가게 끔 절대속도를 구하였다. 그러면 노즐의 속도가 나오게 되며, 또한 회전속도도 구할 수 있었다. 하지만 그렇게 되면 15m에만 물이 뿌려지게 되므로 노즐을 2개 더 뚫어서 하나는 10m, 또 하나는 5m로 하여 물이 뿌려지게 설계하였다. 하지만 실제에서는 이 설계대로 만들어서 하기엔 여러 가지 변수들이 있어서 손실이 생기기 때문에 계산한 값보다 적게 속도가 나오기 때문에 15m만큼 날아갈 수 가 없으며 그러므로 더 적은 거리로 날아가게 되며 그리고 회전자가 돌기 때문에 직선상으로 날아가지 않기 때문에 이 것 또한 적게 날아가게 되는 이유가 된다. 그렇기에 실제로 그만큼의 범위로 날아가게 하기위해서 설계시 무시한 점성이나 스프링클러의 유동마찰, 공기 저항등의 손실되는 값들을 고려해서 설계를 해야한다.

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