기계공학실험 | 제트의 유동장 측정

 

 

 

TIP

 

 

1. 유체의 유동장의 속도를 측정할 수 있는 방법은 여러 가지가 있는데, 그 중에서 흔히 사용되는 것은 피토관과 열선 유속계이다. 피토관을 이용하면 평균속도만을 측정할 수 있지만 비교적 정확한 값을 얻을 수 있다. 그러나 열선 유속계를 이용하면 매우 불규칙적인 난류속도까지도 측정이 가능하다.
2. 본 실험에서는 열선 유속계를 이용하여 2차원 노즐에서 분사되는 제트 유동장의 속도를 측정하여 제트 유동의 구조를 파악하고(난류 유동의 특성 이해), 유동장의 측정법 및 측정장비인 열선 유속계와 피토관의 사용 방법, 측정된 자료의 분석 및 취합능력을 함양시켜서 그 응용력을 배양시키고자한다.

 

 

 

열선 유속계의 동작 원리

열선 유속계는 유동장의 내부에 일정한 온도(보통 200℃)로 가열된 가느다란 저항체(열선: Hot-Wire)를 설치하고, 유동으로 인하여 발생하는 열전달의 효과와 휘스톤-브리지의 결과를이용하여 유속을 측정하는 장치이다. 열선 유속계로 속도를 재는 방법에는 정전류 방식(Constant Current)과 정온도 방식(Constant Temperature)의 두 가지가 있다. 정온도 방식은 비교기를 통한 센서의 안정화로 인하여 오차를 줄일수 있으나 회로가 복잡하고 가격이 비싸므로 비교적 간단하고 가격이 싼 정전류 방식을 많이 사용한다.

 

정전류 방식은 측정부 선에 일정한 전류를 흐르게 하는 것으로 유속에 따라 Hot-Wire의 온도가 달라지고 곧 저항(Hot-Wire가 저항의 역할을 하는 것이다.)의 변화에 따라 발생하는 전압차를 휘스톤-브리지의 결과에 의해서 측정함으로써 유속을 측정하는 것이다. 한편 열선 풍속계에서 출력되는 신호는 유속과 비선형 관계에 있으므로 출력전압과 유속의 상관관계를 교정작업에 의해 정의해 주어야 한다. 이러한 교정작업(Calibration)의 원리는 교정기를 통하여 충분한 구간에서 기지의 유동을 발생시키고 이 때의 열선풍속계에서의 출력전압을 취득하여 최소 자승법을 사용하여 근사 함수를 구하는 것이다.

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자유제트의 유동 특성

노즐을 통하여 분출되면서 주위의 유체보다 국소적으로 높은 속도를 가지는 유동을 제트라 하며, 제트가 분사되면 아래 그림에서 보는 바와 같이 중심선 상에서의 속도가 최대이고 폭방향으로 갈수록 속도가 영으로까지 떨어진다. 이 때 제트의 폭은 하류로 갈수록 넓어지고 최대속도의 크기는 감소된다. 또한 가장자리로부터는 주변의 유체가 유입된다. 이러한 제트가 하류로 갈수록 넓어지는 정도를 나타내는 척도는 분류반폭이라는 것을 사용하는데, 그것을 제트하류의 임의의 위치에서 최대속도의 반이 되는 속도 트기를 가지는 거리를 측정하여 연결한 선이다.

 

제트 유동은 경계면과의 배치에 따라 크게 네 가지로 나눌 수 있다. 즉, 경계면 자체가 없는 자유 제트, 경계면에서 제트가 분사되는 벽 제트, 경계면을 향해 분사되는 충동 제트, 그리고 경계면과 일정간격을 두고 분사되었다가 제트와 경계사이의 유입감소로 인해 결국 경계면에 부착되는 옵셋 제트 등이다. 자유제트 유동의 한 예로는 물이 담겨 있는 큰 수조에서 수면으로부터 깊이가 h인 벽면에 미소한 구멍이 뚫려서 물이 분출되어 있을 때, 물이 대기 중으로 분출되는 분출을 자유제트라고 할 수 있다.

 

 

 

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