[자연과학] 유체역학 - 관로에 흐르는 유동을 통해 손실을 측정하는 실험

1. 목적 및 개요 관내를 흐르는 유동에는 마찰, 급격한 면적 변화 등에 의해 손실이 발생한다. 이러한 손실을 적절히 예측하는 것은 매우 중요하다. 현장에서 어떤 유체를 한 장소에서 다른 장소로 이송하는데 관(pipe)을 이용하는 경우에 관의 직경, 길이 그리고 이를 구동할 펌프, 송풍기 등의 설계하는데 이러한 유동 손실을 파악하여야 한다. 예를 들어 원유를 먼 지점으로 이송하는 송유관을 설계할 경우 파이프라인 중간에 설치되는 펌핑 스테이션(pumping station)의 개수, 펌프용량 등의 선정에 유동 손실에 대한 정보가 필요하다. 2. 이론 관 내에서의 유동손실은 크게 나누어 일차손실과 이차손실이 있다. 일차손실은 직관에서 발생하는 손실로서 Moody 차트 등을 이용하여 그 값을 대략 추정할 수 있다. 직관 이외의 다른 배관요소, 예를 들면 - 파이프 입구와 출구 - 단면적의 급격한 확대와 축소 - 벤드 (bend), 엘보 (elbow), 티 (tee) 등 이음부분 - 밸브 - 완만한 확대와 축소 등의 요소에서는 직관에서 발생할 수 있는 일차 손실 외에도 그 형상의 특징으로 인하여 발생하는 부차적인 손실을 이차손실이라 한다. 직관 내를 흐르는 유동의 손실수두 는 다음의 일반식으로 알려져 있다. (5.1) 여기서 은 관의 길이, 는 직경, 는 Darcy의 마찰계수이다. 마찰계수 의 값은 층류영역에서는 레이놀즈 수에 반비례하며, 난류영역에서는 레이놀즈 수에 무관하게 거의 일정하나 상대표면조도에 따라 변화함이 밝혀졌다. 이러한 경향을 도표화한 것이 그림 5.1의 Moody 차트로서 관의 직경, 길이, 레이놀즈 수와 같은 설계치수가 결정되면 관에서의 일차손실은 간단히 예측할 수 있다. 반면 형상의 특징으로 인하여 발생하는 부차적 손실 또는 이차손실은 보통 다음 식으로 표현된다. (5.2) 여기서 : 부차손실계수이다. 식(5.1)과 (5.2)는 동압 수두에 비례…
여기서 : 부…