[공학]유체역학 실험 - 유동가시화, 베느루이방정식, 파이프 마찰 실험

1. 유동가시화 실험

가. 실험목적 유체역학을 정량적으로 해석하기 위해서는 고급 수학을 필요로 하지만, 유동가시화(flow visualization), 즉 유동장의 모양을 가시화함으로서 많은 것을 알 수 있다. 이 작업은 유체유동의 데이터를 정량적으로 나열하기보다는 유동가시화 형태로 모사하여 ‘전체적인 유동의 모양’을 보여주어 쉽게 유체의 유동을 설명할 수 있는 방법이 된다. 이 실험을 통하여 유체의 흐름 상태에서 원, 사각형, 삼각형 등의 모델 주위에 형성되는 유동을 가시화하여 쉽게 관찰하고, 그 거동을 알 수 있는 것을 목적으로 한다.

1) 실험과정

가) 실험순서

(1) 유동가시화 장치의 수평을 확인한다.

(2) 색소액을 색소통에 넣는다.

(3) 물을 공급한다.

(4) 가시화가 잘 볼 수 있도록 색소액과 물의 양을 조절하면서 수로로 방출한다.

(5) 가시화 유리 위에 관찰하고자 하는 모델을 설치한다.

(가) 이 때 유체가 흐르면서 모델이 움직일 수 있으므로 손으로 살짝 눌러 고정하도록 한다.
(나) 모델위로 물이 고이지 않도록 유의한다.

(6) 실험이 끝나면 개수밸브를 개방하여 물과 색소를 완전히 빼고, 가시화유리에 색소가 남아있지 않도록 한다.

나) 가정이 실험에서의 유동은 층류유동에 가깝다고 가정한다. 실질적으로 많은 외부 조건에 의해 엄밀하게 볼 때, 층류, 천이 및 난류 유동이 일어날 수 있다.

나. 실험결과 수평인 정상 흐름 속에 물체를 놓으면 흐름이 완전히 멈추어져 속도가 0이 되는 지점이 발생되는데 이 점을 정체점(stagnation point)이라 한다. 한편, 유체는 모델의 주변을 흐르면서 표면에 점착한 결과로 속도 구배가 발달하게 되는데 이 점착한 층은 유체의 층들 사이의 점성력 때문에 인접한 유체 층의 속도를 늦추며, 이는 다시 그 다음 층의 속도를 늦추게 된다. 그러나 충분히 빠른 속도로 유체를 강제로 흐르게 할 때, 경계층은 표면에 더 이상 붙어 있지 못하고, 어떤 점에서 유체가 표면으로부터 분리하게 되는데 이 과정을 유동박리(flow separation)이라 하고, 이 점을 유동 박리점이라 한다. 이 실험에서 Airfoil, Rectangle, Triangle 등의 각 모델별로 나타나는 정체점, 박리점 및 후류영역의 분포는 아래와 같다.

1) a circle

정…(생략)

2) a bluff

3) a triangle

4) a rectangle