고려대학교 기계공학실험II Vortex실험 결과보고서

목차

1. 결론 및 고찰
A. 실제 생활에서 관찰 할 수 있는 Forced and Free vortex에 대해 조사하시오.
B. Forced vortex 및 Free vortex에 대하여 H, z와 r의 관계를 나타내시오(그래프도시)
C. Forced vortex의 경우 H, z와 r2의 관계를 나타내시오(그래프도시)
D. Free vortex의 경우 log r에 대한 log(-z)의 관계를 나타내시오.(그래프도시)
E. Free vortex의 실제 실험에서 total head H가 constant가 되지 않는 이유를 설명하라.
F. 반지름이 30cm인 원통에 물이 50cm 담겨져 있다. 이 원통을 w=100rpm으로 회전시킬 때 원통의 최대 수심은 얼마인가?
G. 본 실험에서 배운 이론과 사용한 실험 기기에 대한 설계개선방안을 제안하시오.

본문내용

1. 결론 및 고찰
A. 실제 생활에서 관찰 할 수 있는 Forced and Free vortex에 대해 조사하시오.
기상현상 중의 하나인 태풍은 중심부인 태풍의 눈에서forced vortex 그리고 바깥부분 에서 free vortex가 나타나는 복합적인 와류형태인 rankine vortex가 형성된다. forced vortex가 발생하는 내부의 경우 강체운동처럼 중심으로부터 멀어질수록 그리고 회전속도가 빠를수록 접선방향속도가 빨라진다. 그렇기 때문에 태풍의 눈 중심에서는 바깥과 다르게 고요하고 바람의 속도가 매우 느린 것을 알 수 있다.
또 다른 예시로, 싱크대 배수구로 물이 빠질 때, 그리고 페트병을 거꾸로 세워 내부에 들어있는 음료수를 배출 시킬 때 free vortex가 형성되며 접선방향 속도와 반지름이 반비례 관계이므로 중심에서 가까울수록 속도가 더 빠른 것을 알 수 있다.

B. Forced vortex 및 Free vortex에 대하여 H, z와 r의 관계를 나타내시오(그래프도시)
Forced Vortex의 경우 수면높이 z가 중심과 가까운 부분에서는 이론과 같은 2차 함수 형태의 결과가 나왔지만 어느 정도 떨어진 이후부터는 이론과 달리 평평한 수면의 형태로 돌아가는 양상을 보였다. 실험값과 이론값을 비교해보면 가까운 부분에서 오차가 크게 발생한 점을 확인할 수 있는데, 이는 측정 장치가 유동을 방해하여 유속에 영향을 주는 상황에서 상대적으로 반경이 크고 속도가 빠른 바깥쪽 보다 반경이 작고 속도가 느린 중심 부근에서 오차가 더 크게 나타났다고 예상할 수 있다. Total Head의 경우도 마찬가지로 중심과 가까운 부분에서는 2차 함수 형태를 보였지만 중심에서 멀어질수록 기울기가 줄어드는 양상을 보였다. Total Head를 측정하는 과정에서 실제로 측정하는 부분보다 약간 떨어진 부분에서 측정을 하였기 때문에 측정한 수면높이와 일치하는 수두 값을 나타내지 않는 다는 점 또한 유의해야한다.

참고 자료

Robert W. Fox, Fluid Mechanics, Ninth Edition, John Wiley & Sons
F.M. White, Fluid Mechanics, Seventh Edition, McGraw-Hill
M.M. Denn, Process Fluid Mechanics, Prentice-Hall
윤용남, 수리학, 청문각