관로 pipe 유동 마찰 실험

소개글

기계공학- major and minor loss in pipe flow
파이프 유동에서 수두손실과 부차적 손실을 구하는 실험

목차

■ 실험목적
■ 기초이론
1. 관 내부에서의 층류와 난류에 대해 설명하시오
2. Reynolds 수에 대해 간략하게 설명하시오.
3. Darcy`s equation을 이용하여 층류와 난류일 때 마찰에 의한 수두손실 ()에 대해 간략하게 설멍하시오.
4. 부차적 손실에 대해 설명하시오

본문내용

■ 실험목적

원형 파이프에서 유동의 문제는 일반적으로 파이프 내 유체의 점성과, 압축성의 여부, 유량, 파이프의 길이와 지름의 크기, 파이프의 조도 등과 관련이 있다. 파이프를 통과할 때 유체는 파이프 재질과 관련되 마찰로 인해 수두손실이 나타난다. 더불어 유체 경로의 형태 변화 등에 기인한 부차적 손실도 나타나게 된다. 이번 관로마찰 실험을 통해서 수두손실과 부차적손실를 구함으로서 파이프에 따라서 압력강하가 어떻게 일어나지 알아보도록 한다.


■ 기초이론

1. 관 내부에서의 층류와 난류에 대해 설명하시오
난류는 층류보다 더 보편적이기 때문에 수세기 동안 많은 실험이 수행되어 왔으나 아직도 자세히 알려지지 않고 있다. 1930년 이전에는 실험기기가 빠른 변동을 측정하기에 충분히 예민하지 못하였고, 단순히 평균속도, 평균압력, 평균힘 등이 계측되었다. 그러나 난류는 항력계수의 급감소와 같은 요인으로 평균치를 극적으로 변화시킬 수 있다. 1839년에 독일인 공학자인 G. H. L. Hagen이 점성유동에서 두 영역의 존재 가능성을 최초로 보고하였다. 그는 기다란 놋쇠 파이프 내에서 물의 흐름을 측정하여 다음의 압력강하법칙을 유도하였다.


이는 층류의 축척법칙과 일치한다. 그러나 Hagen은 상수가 유체의 점성계수에 비례함을 알지 못하였다.
Hagen은 를 어느 정도 이상으로 증가시켰을 때, 즉 임계 Reynolds수를 지나면 위 공식은 성립하지 않으며, 압력강하 가 유량의 2승에 비례하는 유동으로 변하는 물의 강한 운동으로 설명할 수 있는 제 2의 유동형태가 틀림없이 존재한다고 그의 논문에서 주장하였다. 그러나 그는 이러한 변화의 원인은 알 수 없다고 시인하였다.
압력강하는 속도가 1.1 ft/s까지는 에 선형적으로 변하나 그 이후는 심하게 변하여 ft/s 이상에서는 거의 의 2승으로 변한다. 실제 지수인 는 차원적 개념으로는 불가능으로 보이나 무차원 파이프유동 자료를 보면 쉽게 설명된다.

참고 자료

1. Bruce Y. Monson, Donald F. Young, Theodore H. Okiishi, 2006, Fundamentals of Fluid Mechanics, Wiley
2. Frank M. White, 2003, Fluid Mechanics, McGraw-Hill
3. 손창현, 2007, 유입부에 장애물을 가진 원형 덕트 내부의 역류유동에 관한 연구, 경북대학교
4. 정서윤, 2005, 동심 환형관 내 난류 유동에 대한 수치적 연구, 한국과학기술원