레이놀즈 수 측정 예비레포트

- 실험목표

레이놀즈 실험장치를 사용하여 층류와 난류의 상태를 관찰하고 수온, 유량 및 유속을 측정하여 흐름의 상태와 레이놀즈수의 관계를 이해한다.

- 이론

▶ 레이놀즈 수

유체의 흐름은 층류와 난류로 구분되는데 점성에 의한 힘을 층류라고 하며, 관성에 의한 힘은 난류를 의미한다. 관성력과 점성역의 비를 취한 것이 레이놀즈 수이고, 수식은 다음과 같다.

- Re : Reynolds Number(레이놀즈 수)

- D : 관의 직경. 20mm (0.02m)

- U : 관의 유속. 부피유량(Q)으로부터 구함

Q = U × A

→

U = Q / A

(A : 단면적)

* 계산에 필요한 수식

⓵ D : 원관에 유체가 흐르는 경우 관의 내경 [m]
⓶ U : 평균 유속 [m/sec]
⓷ G : 질량 유속 [kg/sec]
⓸ ρ : 유체의 밀도 [kg/m3]
⓹ μ : 유체의 점도[kg/m․s]
⓺ ν : 유체의 동점도 [m2/s]


▶ 경계층

유체는 다른 물체와 마찰 시 점성을 띄게 된다. 이때 마찰에 의해 속도가 변화하게 되는 층을 경계층이라고 한다. 경계층 내에 공기의 흐름은 층류, 난류로 나눌수 있다. 층류는 공기의 입자가 흐트러지지 않고 규칙적으로 흐르는 것을 의미하며, 지속적으로 같은 경향을 보이기 때문에 비교적 예측하기 쉬운 반면, 난류는 자유분방한 공기 입자가 불규칙한 흐름을 발생하여 예측이 불가능한 경계층을 의미한다.

흐름의 유속 분포

▶ 레이놀즈 수와 유체의 흐름

Re(레이놀즈 수) ≤ 2100 → 층류

2100 ≤ Re(레이놀즈 수) ≤ 4000 → 전이 흐름

Re(레이놀즈 수) ≥ 4000 → 난류



▶ 전이길이

전이길이란 완전히 발달된 흐름이 될 때까지의 길이를 의미한다. 유속을 측정하기 위해서 전이길이를 넘어선 지점에 유량계를 장치하고 측정해야한다.

- L : 전이길이

- Re : 레이놀즈 수

- D : 직경

- 실험방법

① Reynolds Number 측정 장치에 물을 공급하여 만수되게 하고 나머지 물은 Over-Flow 시킨다. 그런 후, 수위를 일정하게 유지시킨다.
② 수온을 측정해서 유체의 밀도와 점도를(또는 동점도를) 구한다.
③ 착색액을 유리관에 넣고 연속적으로 흐르도록 코크로 양을 조정한다.
- 착색액의 흐름 형태를 보고 유속의 흐름을 알 수 있다.
- 일반적인 유체의 유동 형태 : 층류, 전이영역, 난류
- 층류 : 유체 입자들이 각 층내에서 질서정연하게 흐르는 유동형태
∴ 착색액의 흐름 형태는 직선이다.
- 난류 : 유체 입자들의 불규칙운동. 와류(渦流)
∴ 착색액의 흐름 형태는 뭉게 구름 형태를 띤다.
- 전이영역 : 층류와 난류의 중간의 흐름(임계영역)
∴ 착색액의 흐름 형태는 곡선을 그린다.
④ 밸브를 서서히 열어서 유속(유량)을 조금씩 증가(변화)시킨다.
⑤ 유량을 측정함으로써 유속 및 Re' No.를 구할 수 있다.
유량의 측정은 메스플라스크를 놓고 흘러 떨어지는 물을 받아서 유량을 측정하고 동시에 초시계로 유출 시간을 측정한다.
⑥ 측정이 끝나면 급수 밸브 ①을 닫고 잉크 주입 콕 ③을 잠근다.

※ 관의 직경 = Φ20mm = 2cm = 0.02m