[유체역학]비압축성 난류 자유제트의 특성에 관한 실험

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목차

1. 실험목적
2. 실험 이론
3. 실험 장치
4 실험 방법
5. 실험 결과
6. 토의 및 결론

본문내용

1. 실험목적

(1) 파이프 출구에서 나오는 자유제트(free jet) 유동장의 속도분포를 측정하고 분석하여, 자유제트 유동장의 특징 및 상사(similarity)관계를 이해한다.
(2) 제트유동장에서 나타나는 유입현상(entrainment)과 그로 인한 제트와 주변유체와의 혼합현상을 이해한다.


2. 실험 이론

노즐출구에서 분출되는 자유제트는 일반적으로 분출속도에 큰 상관없이 출구에서부터 난류의 성질을 갖는다. 이러한 난류 특성으로 제트는 곧 정지해 있는 주변유체와 혼합되며, 이러한 혼합현상으로 인하여 적은 모멘텀(momentum)을 가진 주변유체가 혼합적으로 큰 모멘텀의 제트유동 안으로 섞여 들어오게 되는데 이를 유입현상(entrainment)이라고 한다. 그 결과로 제트유동장의 질량유량(mass flow rate)은 하류로 감에 따라 증가하게 되고 아울러 제트의 경계는 점점 벌어지며 제트의 평균속도는 점점 줄어들게 된다. 그러나 제트유동의 전모멘텀(total momentum)은 하류방향으로 변하지 않은 채로 유지된다. 이러한 제트 유동장은 유동의 변화가 축 방향에 비하여 유동의 수직 방향으로의 변화가 큰 평판 위의 경계층 유동과 그 성격이 유사하며, 결국 이러한 유동장을 푸는데 필요한 방정식은 다음과 같은 정상상태의 경계층 방정식이다.
+ = 0 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (5-1)
u + v = ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (5-2)

위의 식은 2 차원유동에 대하여 전개되었으며 식(5-2)에 나타난 는 난류전단응력을 나타낸다. 아울러 식(5-2)에서는 압력항이 생략되었는데, 이는 자유제트 유동장에서 압력은 각 위치에 대하여 거의 일정하다고 볼 수 있기 때문이며, 자유제트의 중요한 특성중의 하나이다. 식 (5-2)에 나타난 전단응력 항을Prandtl의 mixing length 이론을 이용하여 변형시킨 후 식 (5-1), (5-2)을 동시에 정리하여 적분하면 유동장의 중요한 성질(integral properties)을 알 수 있다. 여기에 관련된 자세한 냉용은 학부과정에서는 다루지 않으므로 생략하기로 하고, 자세한 내용은 뒤에 제시된 참고문헌 (1), (2)에서 찾아볼 수 있다. 참고서적에 나와있는 자유제트 이론해의 중요한 몇 가지 결과를 제시하면 다음과 같다.
축대칭 (axisymmertic) 자유제트의 경우,

B = constant × Z ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (5-3)
Uc = constant × ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (5-4)

참고 자료

없음