[기계공학실험] 유동가시화 실험

소개글

[기계공학실험] 유동가시화 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험제목

2. 실험목적

3. 실험장비

4. 실험방법

5. 실험이론
가. 유선
나. 유적선
다. 유맥선
라. 층류와 난류
마. 레이놀즈수 (Reynolds Number)
바. 임계 레이놀즈수(Critical Reynolds Number, Rec)
사. 유동가시화 - 주입 유맥법
아. 기타 유동가시화 방법

6. 실험 결과

7. 토의

8. 참고문헌

본문내용

류 후류이론으로부터 기포의
속도는 음극 전선에서 직경의 70～100 배 정도 떨어진 위치에서 자유유동속도에 도
달함을 알 수 있으므로, 시험유동장은 적어도 전선으로부터 직경의 100배 이상 뒤
에 위치해야 한다. 전극 양단에 일정한 간격으로 전압을 걸어주면 시간선과 유맥선
이 결합된 형태를 관찰할 수 있어, 보텍스구조연구에 이 기법이 많이 적용된다.
-Smoke Wire법
: 관측하고 싶은 기류 중에 금속세선(약0.1㎜ 정도)을 설치하여 그 곳에 기름을 바
르면 표면에 유막을 형성하던가 혹은 표면장력에 의해 보다 작은 유적선으로 되어
거의 등간격으로 금속세선에 부착하게 된다. 이때 금속세선에 전류를 통하게 하면
흰 연기가 발생하여 유동장을 가시화할 수 있다. 감지할 만한 충분한 빛을 얻기 위
해서는 smoke입자의 직경은 0.15㎛ 보다는 커야 한다. (참고로 담배연기의 크기는
0.2～ 0.4 ㎛ 정도이다.) 연소시킴으로써 smoke를 발생시킬 경우 인체에 해로운 성
분이 발생하기 때문에 상용되고 있는 smoke generator 의 대부분은 보다 안전한
hydrogen carbon oils의 기화를 이용하고 있다. 이러한 oil들 중에서 석유가 평균입
자크기, 증발온도, 그리고 화염성 측면에서 장점이 많기 때문에 보편적으로 사용하
는 oil이다. 하지만 재순환 풍동에서의 유동가시화를 위해 smoke를 사용하면 일정
시간 후엔 터널 안이 연기로 가득차게 되는 문제가 발생한다. 이러한 단점을 해결
하기 위해 액체질소와 같은 찬 물질과 섞여 있는 stream이 공기유동에 노출되는 연
무 현상이 형성되는 점을 이용하여 tracer로 증기를 사용하기도 한다. 이러한
smoke는 공기의 주유동과 평행하게 놓여진 smoke 분사파이프를 통해 외부에서 주
입할 수 있다.
6.광학적 방법
섀도우 그래프법 슈리렌 법 마하첸다 간섭법 레이저 로그 그래프법 미라지법 방전법 모아레법스테레오 사진법 유동 복굴절법 서모 그래프법
6. 실험 결과
다음의 사진은 실험 모형별로 왼쪽은 유동의 속도를 느리게 해서(층류유동) 촬영한 것이고, 오른쪽은 유동의 속도를 빠르게 해서(천이유동) 촬영한 것이다.
1) 타원형 (가로)
2) 타원형 (세로)
3) 원형
4) 익형 (영각 0)
5) 익형 (영각 약 15)
6) 사각형
7) 평판형
8) 난류유동에 대한 유동가시화
레이놀즈 수 약1000의 유동가시화 실험결과.
7. 토의
이번 실험은 Visualization Flow Unit 실험 장치를 이용한 유동가시화를 통하여 유체가 지나가는 물체의 형상에 따라, 그리고 유속에 따라 달라지는 유동양상을 볼 수 있는 실험이었다.
실험결과를 분석해보면 유속에 따라 느린 유속에서의 유동은 정상 상태의 유동으로 유선, 유적선, 유맥선 모두 동일한 층류로 볼 수 있고 빠른 유속에서의 유동은 층류와 난류의 중간인 천이구간으로 볼 수 있겠다. 그리고 동영상에서 캡쳐한 레이놀즈수 약 1000에서의 유동은 난류에서의 유동으로 볼 수 있다. 먼저 층류에서의 유동은 유선이 또렷하게 보이는 반면에 천이구간에서 유동에서는 유맥선이 곧지 못하고 흐리고 불규칙한 모양을 보였다. 그리고 경계층의 박리현상도 층류에서보다 두두러지게 보이고 특히 난류영역에서는 박리가 가장 잘 일어나고 후류영역에서의 와류현상까지 볼 수 있었다. 형상에 따라서는 평판형 - 사각형 - 타원형 - 원형 - 익형 순으로 박리가 가장 잘 일어나는 것을 볼 수 있었다.
직사각형과 받음각이 있는 익형이 이 경우에는 이론에서 보듯이 형상계수가 큰 경우 작은 Re차이에도 눈에 띄는 결과를 보여주었다. 받음각이 없을 경우는 항력계수가 적기 때문에 같은 익형이라도 다른 결과를 보이는 것이다. 항력계수가 클수록 형상이 큰 영향을 주게 된다. 이번 가시화 실험을 통하여 볼 수 있듯이 형상계수가 큰 형상일수록 Re변화에 따라 큰 영향을 받음을 정량적이지는 않지만 정성적으로 확인할 수 있었다.
또 한가지 집중해서 볼 것은 박리이다. 이것은 경계층이 떨어져 나감을 의미하지만 또 다른 큰 의미를 가지고 있다. 이 박리점 이후 속도가 낮고 매우 불규칙한 후류가 발생한다는 것이다. 이는 앞과 뒤의 상이한 압력분포를 생기게 한다. 이것이 중요한 형상은 바로 받음각이 있는 익형이다. 하지만 양력을 위해서는 위쪽이 유속이 빨라야 하고 압력도 더 낮아야 한다는 것을 알 쉬 있다. 여기서 말하는 박리 구간은 실험에서 익형 위에 생기는 갈라진 유체가 만나는 사이의 공간을 의미하는 것이다. 오히려 익형을 따라 유체가 흐를 때 보다 이것을 넘어 다시 만나야 하기에 속도구배를 더 나게 하여 압력차가 나는 것이다. 이런 박리 후류는 직사각형이 가장 심하게 나타났다.
Re가 1000인 경우를 표를 살펴보면 층류와 함께 와류가 일어난다는 것을 알 수 있다. 실제 가시화 결과를 보면 층류임을 눈으로 알 수는 없지만 형상을 지난 후 와류가 생김은 눈으로 확인할 수 있다. 이것을 기반으로 다른 형상들을 분석해볼 수 있는데 먼저 가로형 타원형상은 원과 비슷하나 좀 더 유동이 형상을 따라 흐르는 것을 보아 마찰 항력이 적음을 확인 할 수 있었다. 사각형 형상들은 뒤쪽에 두 색의 염료가 섞임을 통하여 원에 비하여 더 복잡한 후류가 생김을 예상할 수 있다. 즉, 불규칙적 흐름이 일어나 유동이 섞이게 되는 것이다. 그리고 직사각형이 후류는 정사각형에 비하여 덜 복잡한 것으로 보이나 와류의 크기는 더 크게 나타난다. 결국 더 큰 저항을 받고 있다는 것이다. 마지막으로 받음각이 없는 익형의 경우를 살펴보면 와류가 일어나지 않았으며 약간의 박리만이 일어났다. 이 경우는 거의 유체의 흐름을 방해하지 않는 형상이라고 보면 된다. 즉, 항력이 매우 적은 것이다. 유속이 적은 경우뿐 아니라 빠를 때도 익형이 항력이 적음을 확인 할 수 있다. 이런 이유로 비행기나 잠수정 등이 이런 모양을 하고 있는 것이다.
8. 참고문헌
1) 유체역학/ Alexander J. Smits / 허남건 공역/ 시그마프레스 / 2003
2) 유체역학/ 이종춘 외 12명 공역/ Prentice Hall(사이텍미디어)/ 1998
3) 네이버 백과사전

키워드

유동가시화,   기계공학,   기계공학실험,   유체,   유선,   유맥선,   유적선,   Visualization Flow Unit