(결과) 피토관을 이용한 유속측정 실험

소개글

(결과) 피토관을 이용한 유속측정 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적 …………………………………………………………… 2 page
2. 피토관의 원리 ……………………………………………………… 2 page
3. Euler equation, Bernoulli equation의 이해 ……………………3 page
4. 실험 장비 및 실험 과정 ……………………………………………5 page
5. 실험결과 및 오차발생 요인 분석 …………………………………6 page
6. 결론 ……………………………………………………………………9 page
7. 참고 문헌 …………………………………………………………… 10 page

본문내용

유체여야 하고
: 사실상 유체는 모두 점성유체(viscous fluid)이지만, 운동의 해석 시 편의상 점성이 없는 유체를 가상 설정하게 되고 점성과 더불어 압축성까지를 무시한 유체를 이상유체라고 한다. 실험에 사용한 물 또한 점성을 가지고 있으므로 회류수조의 측벽부분의 유동에서는 점성에 의한 효과가 나타날 수 있다. 이는 오차의 원인이 될 수 있다.
④ 비압축성(incompressible) 유체여야 한다.
: 액체는 기체에 비해서 압축하기 어렵고, 또 압력을 제거해도 분자간의 응집력 때문에 거의 팽창하지 않는다. 따라서 기름, 물과 같은 액체는 대부분의 경우에 비압축성이라고 가정하는 것이 일반적이다. 실험에서 사용한 유체인 물 역시 비압축성이라고 가정했다. 하지만 물은 압축성을 가지고 있다. 이는 곧 오차의 원인이 될 수 있다.
- 회류수조의 속도 설정 값은 평균값(Average Velocity)이다.
회류수조의 속도조절기를 통해 속도를 설정을 해서 수조의 물을 흘려보냈다. 하지만 이 속도는 평균값이기 때문에 설정된 유속과 피토관의 입구와 평행한 유선 상에 위치한 물의 속도와 정확히 일치 하는지를 알 수가 없다. 따라서 우리는 설정 값이 수조의 어느 위치에서의 속도를 나타내는지 알 수가 없고 만약에 안다고 해도 우리가 측정하고자 하는 위치에서의 속도를 나타내 주는 것은 아니기 때문에 정확하다고 볼 수 없다.
- 회류 수조 내에서의 유동 방향
유동 방향과 피토관은 서로 평행해야 한다. 하지만 회류수조에서의 유동 방향이 피토관과 평행하였는지에 대해서는 확인이 불가능하다. 유동 방향이 피토관과 평행하지 않은 상태에서 실험을 하였다면 유속 측정에 분명 영향을 주었을 것으로 생각된다. 예를 들어 회류수조 내에 설치되어 있는 ‘타’는 (그림14) 유동 방향을 정해 줄 수 있는데 타가 유동과 평행하게 놓여있지 않고 약간만 옆으로 틀어져 있어도 실험 결과에 영향을 줄 것이다.
6. 결론
베르누이 방정식에 대한 이해를 바탕으로 피토관을 이용한 유속측정 실험을 하였다. 막상 시험동에 들어와서 조교님의 설명을 듣고 난 후 생각보다 매우 간단한 실험이라는 것을 알게 되었다. 때문에 우리가 장비를 만지거나 조작할 일 없이 실험은 매우 일찍 종료되었다.
한 가지 깨닫게 된 사실은 피토관의 사용 목적 이다. 우리 조원들 모두 실험 전부터 시험동에 들어가는 순간 까지 피토관의 사용 목적은 ‘유속 측정’이라고 생각했었지만 진정한 사용 목적은 ‘압력 측정’ 에 있다는 것을 알게 되었다. 다시 말해 실험을 통해 측정된 수두차를 이용하면 를 통해 압력차를 구할 수 있을 뿐만 아니라 베르누이 방정식을 통해 유도된 식 를 통해 유속도 추정할 수 있다.
홈페이지에 업로드 된 결과 데이터는 임의의 고정유속 에 대해 각기 다른 위치에서 측정된 마노미터의 수두 차 를 보여주었다. 유속 에 대한 추정치를 구하는 것은 정말 쉬운 작업이었다. 에 만 대입하면 끝나는 작업이었기 때문이다. 하지만 의 실제 값을 모르기 때문에 오차가 얼마나 발생했는지 알 수 없었고, 그렇다면 이것이 100% 신뢰할 수 있는 데이터 인지 여부를 판단해 보았을 때 일단 ‘No’라는 대답을 할 수 밖에 없었다.
먼저, 유속에 대한 추정치는 라는 식을 통해서 얻을 수 있는데 이 식은 베르누이 방정식을 통해 유도된 식이다. 베르누이 방정식을 통해 유도 되고 사용되었다는 것은 이 방정식의 기본적인(하지만 핵심적인) 전제조건들을 만족한다는 전제가 뒷받침 되어야 한다. 하지만 위의 오차 발생 요인 분석에서도 소개했다시피 거의 모든 전제조건을 만족하지 않았다.
다음으로 마노미터의 눈금을 읽을 때 발생하는 오차인데, 마노미터의 눈금을 읽을 때 대개는 매우 Rough하게 1mm간격으로 읽기 마련이다. 왜냐하면 마노미터 옆에 설치된 눈금자의 최소 단위가 1mm 이기 때문이다. 하지만 위에서도 언급했다 시피 0.1mm의 눈금 오차가 약 0.001m/s의 속도 오차를 발생시킬 수 있고 만약 1mm를 잘못 측정 한다면 이는 대략 0.01m/s의 속도 오차를 발생시킬 수 있다. 이는 매우 큰 오차 발생 요인이라 할 수 있다. 이론과 실험 결과와의 괴리를 줄이기 위해서는 이러한 오차 발생 요소를 최소화 시키는 것이 관건이므로 최대한 눈에 띄는 오차 발생 요소를 줄일 수 있는 몇 가지 방법들을 아래에 정리해 보았다. 모두 위에서 언급한 내용들이다.
1) 피토관의 방향과 유속의 방향이 완벽히 평행하도록 설치한다.
2) 고무관 안에 있는 불순물 및 공기기포 등을 확실하게 제거 한다.
3) 큰 수조를 사용하여 수조와 유체의 마찰에 따른 저항의 영향을 줄인다.
4) 피토관에서 마노미터와 연결되는 관의 길이를 최대한 짧게 하여 관내의 마찰을 줄인다.
5) 마노미터의 1mm의 측정오차도 매우 크므로 정밀 계측이 가능한 마노미터를 사용한다.
하지만 수두 차 가 측정되기 까지는 무수히 많은 오차 발생 요소들이 존재하기 때문에
단순히 몇 가지의 요소를 컨트롤 하는 것만으로는 실제 유속과 추정치간의 오차를 줄이는 것은 무리라는 생각도 들었다. 이번 실험을 통해 베르누이 정리 같은 중요한 내용을 복습 하고 적용할 수 있었다는 것에 만족한다.
7. 참고 문헌
1) 김경호 외 3인 공역, 1999, “유체역학”, 싸이텍미디어:서울.
2) 김기현, 2002, “평균피토튜브유량계의 문제점과 해결방안”, 제어계측, 9월호
3) 한홍걸, 2004, “기계 유체역학 연습”, ㈜북스힐
4) 양희준 외 2인 공역, 2005, “유체역학”, 보문당:서울.
5) 조강래 외 2인 공역, 2007, “유체역학”, McGrawHill
6) Frank M. White., 2003, Fluid Mechanics, 5\'th edition
7) http://100.naver.com, 네이버 백과사전( 그림10,13 )
이름
역할
기여도 (120점 만점)
확인
이은아
결과 분석, 표 작성
19
겅신
사진촬영, 그림 준비
18
권순조
배경 이론, 오차분석, 결론
22
양인준
배경 이론, 결론
20
이지수
사진 촬영, 실험 원리 및 목적
21
구건하
결과 분석, 오차 분석
20
8. 조원 기여도 평가

키워드

피토관,   베르누이,   압력,   속도,   오일러,   Euler,   Bernoulli,   회류 수조,   결과 보고서,   유속측정