[실험보고서] 이동현상실험 - 유동가시화[Flow Visualization]

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본문내용

주입하여 유맥선을 관찰하는 방법으로 경계층의 천이나 물체 주위의 유동과 후류 등의 연구에 사용된다. 유동장이 정상상태인 경우는 유맥선과 유선이 일치하므로 유선 관찰이 가능하다. 염료는 작은 ejector나 오리피스를 통해 주입하며, 이 경우 ejecting device에 의해 유동이 교란되지 않도록 하기 위하여 관찰하고자 하는 유동장에서 먼 상류 위치에서 염료를 주입한다. 주입 유맥법의 염료로 사용되는 것에는 우유, AL 분말, 유화 물감 등이 있다.
◈ 흐르는 양상에 따른 유체유동
1) 층류유동: 유체입자들이 층을 이루면서 규칙정연하게 흐르는 유동을 보통 층류라고 한다. 예를 들면 가는 파이프에 물을 흘릴 경우, 잉크를 넣어 흐름의 상태를 관측하면 유속에 따라 레이놀즈수가 작을 때는 잉크의 흐름이 직선으로 나타나고, 물의 각 부분이 파이프벽에 평행으로 움직이며 서로 섞이지 않음을 알 수 있다. 이러한 흐름이 층류이다.
2) 천이유동: 천이유동은 층류유동에 대하여 외부교란을 조금 더 강하게 주거나 온도를 증가시키던지 아니면 흐르는 유체의 속도를 증가시키면 층류유체의 관성력이 커져서 주변의 약간의 섭동에도 층류로 가다가 불규칙하게 흐르는 난류로 가다가 하는 유동을 말한다.
3) 난류유동: 처음으로 난류의 발생을 체계적으로 연구한 사람은 레이놀즈이다. 그는 투명한 관 속에 물을 흘려보내고, 거기에 약간의 색소를 주입하여 관찰하였는데 관이 가늘거나 흐름의 속도가 느리면 색소의 흐름이 가는 선을 이루면서 똑바로 흐르고, 관이 굵거나 흐름의 속도가 빠르면 색소의 흐름이 입구를 지나면서부터 진동하고 굵기도 증가하여 마침내 관 전체로 퍼지는 사실을 관찰했다. 여기서 후자가 난류 유동이다. 즉 난류유동은 매우 무질서 한 듯이 불규칙하게 흐르는 유동을 말한다.
fig 4. 직선 관내의 층류와 난류 : (a) 층류 , (b) 난류
◈ 경계층 이론
점성 유동의 해석은 경계층에 대한 해석이라고 해도 과언이 아닐 만큼 점성 유동에서 경계층의 존재는 중요하다. 경계층(boundary layer)이란 유동과 고체표면 혹은 성질이 다른 유동과의 경계로부터 점성의 영향이 지배적으로 미치는 영역을 말한다. 모든 유체는 점성을 가지고 있다. 점성을 가진 유체가 고체 표면을 흘러가면 유체입자가 고체와 접촉하는 면에서는 유체의 점성 때문에 고체의 표면에 달라붙는다. 고체와 떨어지면서 유체는 점점 자신의 속도를 회복해서 고체표면으로부터 어느 정도 떨어진 곳에서는 자유흐름의 속도를 갖게 된다. 이때 유체가 점성으로 인해 고체표면의 영향을 받아 속도가 변하는데, 그 얇은 층을 경계층이라고 한다.
3. 실험 준비물
4. 실험 방법
① 유량공급 호스를 수돗물에 직접 연결한다.
② 배수호스를 배수구에 연결한다.
③ 시험부의 레벨을 조절볼트를 사용하여 맞춘다.
④ Sink 와 Source 밸브와 공급탱크와 배수탱크의 Drain V/V를 잠근다.
⑤ 실험하고자 하는 물체를 상판유리를 주의하여 들어낸 후 실험하고자
하는 부위에 설치한다.
⑥ 유량 조절밸브를 조금씩 열면서 유량을 조절한다.
⑦ 색소 밸브를 서서히 열어 색소의 흐름을 관찰한다.
⑧ 유량 조절 밸브 및 색소 조절밸브를 조절하여 흐름을 층류상태로
맞춘 후 실험을 행한다.
⑨ 유속을 확인하고 유동을 관찰한다.
⑩ 물의 공급량을 조절하여 유속을 변화시키고 유동을 관찰한다.
⑪ 물체를 바꾸어 반복한다.
⑫ 실험을 반복하여 행하고 결과를 토의 한다.
5. 실험 결과
온도 : 21.2 ℃
출구 지름 D : 1.5 cm
출구 면적 A : 1.77 cm2
21℃ 에서의 물밀도 (g/cm3) 0.998
21℃ 에서의 물점도 (g/cms) 0.01
폭 12mm
높이 138mm
시간(s)
부피
부피유량(m³/s)
1
20.95
2L
95.46
2
21.34
2L
93.72
3
21.09
2L
94.83
평균
21.13
2L
94.65
직사각형의 도관이나 파이프의 수력학적 직경
Dh = 2 a b / (a + b)
a = 도관의 폭/높이 (m, ft)
b = 도관의 높이/폭 (m, ft)
‘ 층류 상태’ 서의 흐름 측정
6. 고찰
☞ 이번 실험은 여러 가지 복잡한 계산을 하여 결과를 도출하기 보다는 여러 다른 조건에서 유체의 흐름을 눈으로 직접 확인을 하는 실험 이었다. 우선 input과 output을 동일하게 하여 steady-state 상태를 만든 후 유량을 측정하여 선속도를 구해 일정 온도에서의 물성치를 사용하여 레이놀즈 수를 구해서 어떤 영역인지 확인 후 흐름 중간에 장애물을 설치하여 흐름을 관찰하였다.
우선 우리 조는 레이놀즈 수가 1260 이므로 층류 영역에서의 흐름을 관찰 하였는데, 유량을 크게 하여 난류에서의 여러 장애물에 관한 흐름들도 관찰을 하지 못한 것이 아쉬웠다. 위의 실험 결과 사진을 보면 알 수 있듯이 실험이 제대로 이루어지지 않았다. 우선 잉크가 일정하게 흘러나오지가 않았다. 예전의 레이놀즈 수 실험을 할 때도 그랬지만 잉크가 균일하게 나오지 않으면 흐름을 나타내는 잉크선이 울퉁불퉁하게 보여서 흐름을 제대로 확인하기 어렵고 또한 그에 따른 물에서의 잉크의 확산이 잘 일어나서 층류임에도 난류영역처럼 보일수가 있다. 또한 이번에는 잉크가 중간에 부족하여 잉크를 직접 만들어서 보충을 하였는데 잉크 만들 때 주의를 해야 한다. 가루가 손에 묻지 않게 주의를 하고 만약에 묻으면 우선 최대한 털어내고 씻어내야 한다. 또한 맨손보다는 장갑을 꼭 착용하고 하는 것이 좋다. 또한 장애물을 두 평판 사이에 설치를 해야 하는데 물이 그 순간에 밖으로 나오기 때문에 최대한 신속하게 하는 것이 바람직하다. 또한 장애물 설치 후 약간의 시간을 두어 정상상태로 만든 후 잉크를 흘려보내 흐름을 관찰해야 한다. 위의 사진을 보면 장애물 오른편에서 잉크가 막 뒤엉킨 것을 볼 수 있는데 난류 영역 때문이기도 한데 장애물과 벽 사이에 미세한 공간이 있어서 잉크의 확산으로 그러한 현상이 일어나기도 했다. 살짝 두 평판을 압착하면 조금 더 정확한 흐름을 관찰 할 수 있을 것이다. 또한 장애물 설치를 완료하고 미리 흐름을 예상하고 결과를 확인하면 더 좋은 실험이 될 수 있을 듯하다.

키워드

Hele-Shaw 실험 장치,   유동가시화,   포텐셜 유동,   균일유동