[단위조작실험] 관 마찰계수

목차

1. 직관에서의 유체의 마찰손실
1. 기계적 에너지 수지식에 대하여 설명하여라.
2. 마찰손실에 대하여 설명하여라
3. 실험 1)에서 관의 직경이 커짐에 따라 마찰계수는 어떠한 영향을 미치는가?
4. 실험 1)에서 레이놀즈수가 증가함에 따라 마찰계수는 어떠한 영향을 미치는가?

1. 실험목적

2. 실험이론
① 유량 및 연속의 법칙(연속방정식)
② 베르누이 정리
③ 수평관의 마찰손실
④ 관 마찰에의 적용
⑤ 관로 요소내의 마찰 손실에 대한 적용

3.실험장치

4. 실험재료

5. 실험 방법
실험1) 직관에서 유체의 마찰손실 측정

6.결과값에 따른 고찰

본문내용

다. 즉
(1)
이다.
완전히 발달된 유동에 있어서 이식은 에 관하여 적분되어
(2)
라는 식을 얻는다. 문제의 특성길이는 관 직경 로 택하여 이며, V가 관로의 평균속도일 때 무차원 압력은 이 되도록 택한다. 관의 길이ℓ을 지나는 압력 강하 Δp는 다음과 같이 손실수두 로 표현할 수 있다.
(3)
여기서 f는 f(Re)이다. 함수 f는 마갈계수 라고 부른다. Reynolds 수 Re는 일반적으로 평균속도 V와 관직경 d 및 동점성계수로 계산된다. Re에 대한 f의 실제 의존성은 실험으로부터 결정된다. Re대 f의 곡선을 결정하고 나면 어떤 유량에서 어떤 관 내의 마찰손실도 식 (3)으로부터 계산할 수 있다. 현재의 논의는 속도분포가 완전히 발달되었거나 길이방향을 따라서 균일한 “긴”관에 국한한다. 이 경우에 대하여 결정된 마찰계수는 각 단면에서 유동이 급격히 변하는 관 입구 부분이나 가속항이 무시될 수 없는 유동에는 적용할 수 없다.
⑤ 관로 요소내의 마찰 손실에 대한 적용
만일 90도 엘보우에서 마찰손실을 연구하고자 한다면, 이 손실을 다음과 같은 식으로 표현할 수 있을 것인데,
(4)
이는 식 (3)과 유사한 것이다.
기하학적 계수(geometrical factor: 파이프 마찰식에서의 길이/지름 비와 같은)가 여기서는 분리되어 나타날 필요는 없는데, 왜냐하면 기하학적으로 상사한 모든 에보우에 대하여 이 계수가 동일할 것이기 때문이다. 그러므로 이 계수는 k에 포함된다. 물론 k는 여전히Reynolds수의 함수가 될 것이다.
압력손실을 식(4)에서 정의한 것과 같이 k의 함수로 표현하는 대신, 이에 상응하는 다른 표현들이 또한 가능하다. 예를 들면 그림5.5에서 원추형 관에 대한 손실계수 k2는 다음과 같은 식으로 정의된다.
이 식에 포함된 양들은 그림에 첨부된 스케치에 표시되어 있다. 이처럼 내부에서 속도가 감소하며 또한 그에 따라서 정압이 증가해 가는 덕트를 디퓨져라고 한다.
식(4)의 손실계수 k가 직관의 등가길이라는 개념으로 간접적으로 표현도어 다음과 같이 쓰여진다.
계수 f는 문제의 관 요소와 동일한 방법으로 만들어져 동일한 지름을 가지는 직관의 Reynolds 수에 대하여 결정된다. 대부분의 실제 적용에서 Reynolds 수의 변화에 따른 손실계수 k의 변화는 미약하다.
3.실험장치
실험장치의 개략도는 그름 4-41, paned and pressur lead tubes connetion 의 상세도는 그름 4-43, Orifice flow meter의 상세도는 그림 4-44, nozzle flow meter의 상세도는 그림 4-45, venturi tube 의 상세도는 그림 4-46에 나타내었다.
표 4-6에는 관 및 관부속품의 pressure tapping 을 나타내었으며, 표 4-7에는 직관에 대한 직경과 단면적을 나타내었다.
4. 실험재료
1) 압력손실 측정 장치
2) 물 , 수은 또는 사염화탄소
3) 메스 실린더 <200ml>
4) 초시계
5. 실험 방법
실험1) 직관에서 유체의 마찰손실 측정
1,밸브 속에 공기가 있나를 확인한다.
공기배출밸브를 열어 공기를 제거시키며, 물이 흐를 수 있도록 control 밸브 ,Glove 밸브
Gate 밸브, coke 밸브를 모두 열어 놓는다.
2,펌프로 물을 순환시키기 위하여 모터의 스위치를 작동 시킨다.
3,관 마찰의 측정에 대하여 관을 선택한다.
a, 1/2인치 관 2-1)-(1)
control 밸브를 열고(VF-9) control 밸브(VF-6, VF-7, VF-8)를 닫는다.
b, 1/2인치 관 2-1)-(2)
control 밸브을 열고(VF-8) control 밸브(VF-6, VF-7, VF-9)를 닫는다.
c, 1인치 관 2-1)-(3)
control 밸브을 열고(VF-7) control 밸브(VF-6, VF-8, VF-9)를 닫는다.
d, 인치 관 2-1)-(4)
control 밸브을 열고(VF-6) control 밸브(VF-7, VF-8, VF-9)를 닫는다.
6.결과값에 따른 고찰
레이놀즈수는 유체의 흐름의 형태를 알려주는 척도라 할 수 있다. 또한 유체가 흐르는 관의 직경과 마찰계수, 또 그 요인들과 관련지어 계산될 수 있는 압력손실을 실험과 함께 계산함으로써 알 수 있었던 사실은 관의 직경이 크면 그만큼 유체가 흘러가는 면적이 넓어지고, 상대적으로 넓어지는 면적만큼 유체의 흐르는 양도 많아져 그에 비례하여 유속은 떨어진다는 것을 실험에서 얻은 수치로 알 수 있었으며, 유량이 많을수록 해당 면적당 흘러가는 액체의 양이 많다는 얘기이므로 유속이 빨라지고, 그 때문에 레이놀즈 수도 높아진다. 마찰계수는 다소 오차가 있었지만, 실험으로 얻은 수치를 보면 유량이 증가할수록, 또한 유량의 증가에 따른 레이놀즈 수의 증가에 따라 관의 마찰계수는 줄어들었다. 그것뿐만이 아니라, 마찰계수가 줄어든 만큼 관내의 압력손실도 줄어들었다.
이를 통해 알 수 있는 사실은, 앞서 실험해보았던 유체에 대한 실험들과 마찬가지로 어느 한 가지 요인만 달라져도 이어져서 나올 값들이 모두 달라지는 것을 알 수 있었다. 실험중에 처음으로 조작하는 유량에 따라 시간당 흘러가는 유체의 양이 많아지고, 그에 따라 유속이 증가하고, 유속이 증가하면 따라서 레이놀즈 수는 증가한다. 관의 거친정도를 알려주는 조도는 레이놀즈수가 2100 이하, 즉 층류일때는 전혀 영향을 받지 않지만, 그 이상일때는 따로 마찰계수를 계산하여주어야 하는데, 우리가 실험을 통해 얻은 값을 토대로 계산해본 마찰계수는 레이놀즈 수가 증가함에 따라 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 마찰계수가 감소함에 따라 직관내에서의 압력손실 역시 감소한다는 것을 알 수 있었다.
본 실험을 하면서 노후된 장비로 녹물을 제거해가며 밸브를 새로 고치는 등 약간의 수고와 애로사항이 있었지만, 같은 조원들과 함께 기기를 조작하면서 뭔가를 한번 더 다시 생각해보고, 자세히 관찰할 수 있었던 실험이었다. 솔직히 이론값에 많이 의존하며 공부했던 내용도 많이 있었고 다소 실험과 계산상의 오차로 인해 결과값이 정확하지 못한 아쉬움이 많았지만 열심히 노력하며 완성한 실험이라 만족한다.

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