[유체역학 실험] 관로 마찰 실험

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목차

유체역학 실험 - 관로 마찰 실험

1.실험목적

2.실험이론
2.1 관내유동에 대한 이론적 고찰
2.2 관내 유동에서 마찰 계수와 주손실 관계

3. 실험장치
(1) 장치설명
(2)장치의 재원

4. 실험과정

5. 결과

6. 오차분석 및 고찰
○오차
○오차분석
○고찰

본문내용

자료와 비교한다.
- 관의 마찰계수와 레이놀즈수의 관계 : Moody 선도와 비교
- 이음의 손실계수 : 유체역학 교재 혹은 부록의 자료와 비교
- 유량계의 토출계수와 레이놀즈수의 관계
11) 결과 분석에 대한 토의를 한다.
5. 결과
1) 직관의 주손실 ( )
①L(관의길이) : 110 = 1.1
②D(관의직경) : 37.7 = 0.0377
③A(관의 단면적) :
④Q(유량) :
⑤V(속도) :
⑥(수두) :
⑦(마찰계수) :
⑧(레이놀즈수-Moody선도와 비교할 때 필요하다. ) : 우리가 여기서 구하는 레이놀즈수는 15℃의 물을 기준으로 측정한 것이다. (15℃에서 물의 동점성 계수 : )
⑨Moody선도와의 비교 : Moody 선도에서 보이는 이론값과 우리가 구한 실험값과의 비교
○ 빨강색 값은 에 맞는 이론값이고 파란색 값은 실험값이다.
○Moody선도로 구한 이론마찰계수 : 0.023
실험으로 구한 마찰계수 : 0.0173
2) 90° 곡관의 부손실 (손실계수를 나타냄으로서 이론과 실험값을 비교한다.
: )
①D(관의직경) : 37.7 = 0.0377
②A(관의 단면적) :
③Q(유량) :
④V(속도) :
⑤ :
⑥K(손실계수) :
⑦밸브, 엘보우, 티에서의 손실계수, 와 실험값을 비교
○우리가 실험에 사용한 37.7mm의 공칭직경을 가진 나사식관의 직경을 inch로 변환하면 1.4843in 약 1.5in 나온다. 보간법으로 1.5in의 손실계수 K값을 구하면 1.225가 나온다.
○이론값K(1.5in직경) : 1.225
실험값K(37.7mm,약 1.5in) : 0.506
3)벤츄리와 노즐의 토출계수 ( 벤츄리와 노즐의 토출계수를 구한다음 레이놀즈수에 따른 토출계수를 나타내고 있는 표와 비교한다. )
3-1)벤츄리의 토출계수( , )
① (관의직경) :
② (관의 단면적) :
③ (수두) :
④ (유량) :
⑤ (토출계수) :
⑥ (속도) :
⑦(레이놀즈수) : 우리가 여기서 구하는 레이놀즈수는 15℃의 물을 기준으로 측정한 것이다. (15℃에서 물의 동점성 계수 : )
○밑의 표에서 보여지는 값과 비교해보면 레이놀즈수 32574.123에 대한
이론값 : 그래프와 만나는 값이 없다. 하지만 최소한 0.957정도는 되어야 한다.
실험값 : 1.355
3-2) 노즐의 토출계수(, )
① (관의직경) :
② (관의 단면적) :
③ (수두) :
④ (유량) :
⑤ (토출계수) :
⑥ (속도) :
⑦ (레이놀즈수) : 우리가 여기서 구하는 레이놀즈수는 15℃의 물을 기준으로 측정한 것이다. (15℃에서 물의 동점성 계수 : )
○밑의 표에서 보여지는 값과 비교해보면 레이놀즈수 18347.37에 대한
이론값 : 0.935
실험값 : 2.823
6. 오차분석 및 고찰
○오차
종류
비교방법
이론값
실험값
오차율(%)
직관
마찰계수 ()
0.023
0.0173
24.78%
90° 곡관
손실계수 (K)
1.225
0.506
58.69%
VENTURI
토출계수 ()
0.957
1.355
41.59%
NOZZLE
토출계수 ()
0.935
2.823
201.9%
○오차분석
실험분석 후 오차에 대하여 심각하게 고려해보지 않을 수 없었다.
가장 눈에 부분이 토출계수가 벤추리,노즐상에서 1을 넘는 부분이다.
실제 실험에서 측정되는 유량은 항상 이론 유량 값보다 작아야하며 따라서 이론과 실제의 값은 절대 1을 넘을 수 없어야 하지만 실험 결과에서 보여주듯이 벤추리 노즐에서 각각1.3
,2.8로 이상적은 유량계보다 결과로만 본다면 더욱 우수한 성능인 듯하다. 하지만 이 오차는 상식적으로 있을 수 없음은 당연하다. 오차의 원인을 생각해 보자. 가장먼저 실험 장비의 노후에서 오는 변수들의 순간적인 변화 이다. 특히 이번실험은 모든 데이터가 압력의 차이로 얻어지기 때문에 압력의 측정이 가장중요 한 부분이었다. 하지만 장비의 노후에 따른
비닐튜브에서 이어지는 다관나노미터에 의한 압력측정에서 비닐튜브 입구 쪽에 일어나는 강한 seperation 과 난류의 흐름은 정확한 전압측정에서 계속적으로 동압의 변화로 간섭하여 정확한 압력측정이 어려웠다. (변화가 심하여서 여러 번 측정 후 평균값으로 계산함)
또한 직관 및 곡관의 마찰계수 손실계수의 측정에서 내부 조도부분에서 노후장비의 문제로 인해 손실이 이론값 보다 더욱 클 것이라 예상할 수 있다. 그래도 상대적으로 외부의 변수들의 영향을 덜 받는 직관에서의 오차는 다른 실험들의 오차보다 상대적으로 적은 오차를 낸 것을 본다면 마찰에 영향을 미칠 수 있는 외부 요인들이 많을수록 오차의 크기가 커짐을 알 수 있다.
그 다음 오차의 발생 원인으로는 유량을 공급하는 모터동력의 불안정이다. 실험 측정 중 파이프관으로 일정한 유량을 공급해 줘야 하지만 실험 시 순간적인 유량 증가나 감소는 측정 데이터의 신뢰성을 크게 낮추었다.
그 외로는 눈으로 압력눈금의 차이를 측정하는데에 따른 오차가 발생할 수 있지만 앞에서 열거한 요인들에 비하면 그 영향이 무시할 정도라 판단된다.
○고찰
이번 실험에서 우리는 유체의 파이프내의 유동상에서 실제 일어날 수 있는 주손실과 부손실을 측정하였다. 이론적으로 배우는 내용이 실제 파이프내 유동에서도 충분히 적용가능하다는 충분한 근사를 앞의 오차분석 내용에서 열거한 이유 때문에 이루지는 못했다.
하지만 압력차로 나타나는 정확한 데이터 값 외에도 거시적으로 볼 수 있는, 관내의 유동이 길어지면 길어질수록 또는 유동에 변화를 주는 요인(엘보우관 , 노즐 또는 관내의 거칠기등)이 많아지면 압력강화가 확실히 나타남을 눈으로 직접 확인 할 수 있는 기회가 되었다.
이번 실험은 유체역학을 공부한 학생으로서 모든 상황에서 유체는 사용되며 파이프형태의 이동을 하는 한 발생할 수 있는 손실을 예측하고 정확하게 파악해야 한다는 부분을 배울 수 있는 기회가 되었다. 더 나아가 그 손실을 보상하기 위해 어떠한 조치를 해야하는지 그것이 얼마나 중요한 부분이지를 다시한번 진지하게 고민할 수 있는 기회였으며 원활한 실험을 의해 너무나 고생하신 교수님과 조교님께 감사하다는 말을 전하고 싶다.

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