[자연과학]물리응용실험 - 항력계수

1. 실험목적

임의의 형상의 물체가 임의의 Reynold수를 갖는 유동에서 받는 힘을 이론적으로 해석하기가 어려우므로 외부유동을 다루기 위해서는 실험이 관건이 된다. 이에 본 실험에서는 여러형상에 따른 물체의 항력을 실질적으로 측정하고 또한 형상계수(C)를 구하여 형상에 따른 항력을 비교, 검토하고자 한다.

2. 실험이론

임의 형상의 물체가 유체의 흐름에 잠겨져 있으면 유동으로부터 힘을 받게되며, 이때 유동 방향에 평행하게 물체에 작용하는 힘을 항력(Drag force)이라 한다.
이때 항력은 순수한 유동손실이며 물체가 유동에 거슬러서 움직이기 위해서는 이 힘을 극복하여야 할 것이다.
물체에 작용하는 항력을 구하는 식은 다음과 같다.
[ρ: 공기의 밀도, V : 유동 속도, Ap : 유동방향에서의 투영 단면적]
여기서는 항력 계수라 부르고 그 값은 물체의 형상에 따라 다르며, 물체의
투영단면적 Ap에 기준을 두고 있다. 따라서, 항력계수 가 크면 유동저항이 커질것이다.
그림1은 형상에 따른 유동박리 및 항력 계수를 나타내며 유선형에 가까울수록 항력 계수가 작아짐을 알 수 있다.
그림2는 Reynods수가 104보다 큰 유동장에 놓여진 2차원 형상을 가진 물체의 형상에 따른 항력계수의 변화값을 보여주고 있으며, 이들이 동일한 유동장에 놓여져 있다고 가정했을 때 형상이 유동방향에 대해 평평하고, 뭉툭할수록 항력계수가 커지는 것을 알 수 있다.

3. 실험장치

4. 실험과정

1. 그림 2와 같이 Setting 하고 Power 스위치를 켠다.
2. Pitot관에 연결된 액주계의 속도값이 6m/s로 풍속을 조절한다.
3. 1번 모델을 거치시키고 항력측정게이지에서 항력을 읽는다.
4. 모델 2, 3, 4, 5, 6에 대해서도 동일한 …

5. 풍속이 8m/s(최대속도)일 때에 대해서도 3 ∼4 를 반복 실험한다.

6. 측정한 항력을 이용하여 항력계수를 계산한다.