유체역학실험 | 제트에 의한 충격

 

 

 

압력을 받는 유체의 흐름으로부터 기계적인 일을 얻는 방법 중의 하나가 바로 고속의 제트가 미치는 압력을 이용하는 것이다. 물 제트(water jet)는 터빈(turbine)의 바퀴(wheel)에 달려있는 날개(vane)를 치게 된다. 날개의 표면에 의해 물 제트의 방향이 바뀌게 되면 분사된 유체에는 운동량(momentum)의 변화가 발생하게 되고 이 운동량의 변화량만큼 날개는 물리적인 힘을 받게 된다. 이 운동량의 변화량이 바로 충격량이고, 날개가 받은 충격량으로 인해 터빈이 회전하면서 기계적인 일을 하게 된다. 이 동력은 발전기에 의해 다시 전기에너지로 변환하게 되는 것이다.

 

이와 같이 제트의 충격 원리를 이용하여 발전하는 수차(water turbine)는 90%의 효율로 약 10만 kW 이상의 출력을 발생시킬 수 있도록 제작되고 있다. 따라서 보다 높은 효율의 수차를 개발하기 위해서는 수차에 사용되는 날개 형상과 그 때의 충격력을 계산해 둘 필요가 있다. 이를 위해 본 실험에서는 4종류의 날개 형상을 대상으로 실험하였으며, 각각 반구형 컵, 원추형, 평판, 경사진 판 등으로 구분된다. 본 실험을 통해 유체가 여러 가지 형상의 날개에 부딪힐 때 발생하는 충격력을 측정하고, 이를 분류의 운동량과 비교해 봄으로써 충격량-운동량 원리에 대해 알아보도록 한다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 먼저 물을 순환시키면서 유량조절밸브를 고정시킨다. 이때 추활대는 날개에 가해진 물 제트의 충격력에 의해 비스듬히 기울어진다.

 

2) 일정한 유량이 계속 흐르는 것을 확인한 후 추활대가 다시 수평인 상태를 유지하도록 평형추를 움직여가며 조절한다.

 

3) 추활대가 수평인 것이 확인되었으면 물의 유량을 측정하기 위해 수조안의 물통의 배수구를 막는다.

 

4) 물통에 얼마간의 물이 차올라 표시기가 0L를 가리 키는 동시에 시간을 측정하기 시작한다.

 

5) 물통 옆면에 달린 표시기에 5L, 15L, 25L 만큼 물통에 물이 찰 때까지의 시간을 정확히 측정하고 물통의 배수구를 열어 다시 자유롭게 순환시킨다.

 

6) 이와 같은 방법으로 힘, 유량 등을 측정한 후 날개의 형상을 달리 하여 이를 몇 회 반복 실시하여 실험 자료를 얻게 된다.

 

 

 

[유체역학실험]제트에 의한 충격 레포트