유체역학 실험 - 레이놀즈 수 측정

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유체역학 실험 - 레이놀즈 수 측정
레이놀즈 수 측정

1. 실험 목적

실제 유체의 유동은 점성에 의한 마찰로 인해 이상유체의 유동보다 대단히 복잡하다. 점성의 영향은 유동을 방해한다. 점성유동은 층류와 난류로 구분된다. 본 실험은 파이프 내의 유체의 유동상태와 레이놀즈 수와의 관계를 이해하고, 층류와 난류의 개념을 이해하며, 임계 레이놀즈 수를 계산하는데 목적이 있다.

2. 실험 관련 이론

유체역학에서 레이놀즈 수(Reynolds number)란 1883년에 이를 제안한 Osborne Reynolds(1842-1912)의 이름을 따서 명명되었는데 관성의 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비로서, 주어진 유동 조건에서 이 두 종류의 힘의 상대적인 중요도를 정량적으로 나타낸 다.
레이놀즈 수는 유체 동역학에서 가장중요한 무차원 수 중 하나이며, 다른 무차원 수들과 함께 사용되어 동적 상사성(dynamic similitude)을 판별하는 기준이 된다. 두 유동 패턴이 기하학적으로 상사일 때, 이 두 유동의 주요 무차원 수들이 동일한 값을 가지면, 이 두 유동이 동적 상사성을 가졌다고 말하며 이 두 유동은 그 형태가 유사하게 된다.

Fig. 1 층류와 난류

유체유동은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 유체입자들이 층을 이루면서 섞임이 없이 유동할 때를 층류(Laminar Flow)라 하고, 이와 반대로 유체입자들이 대단히 불규칙적인 경로로 움직일 때 난류(Turbulent Flow)라 한다. 레이놀즈 수는 유동이 층류인지 난류인지를 예측하는 데에도 사용된다. 층류는 점성력이 지배적인 유동으로서 레이놀즈 수가 낮고, 평탄하면서도 일정한 유동이 특징이다. 반면 난류는 관성력이 지배적인 유동으로서 레이놀즈 수가 높고, 임의적인 에디나 와류, 기타 유동의 변동이 특징이다.
여기에서 vs는 유동의 평균 속도, L은 특성 길이(characteristic length), 는 유체의 점성 계수,는 유체의 동점성 계수, 는 유체의 밀도이다.

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