레이놀즈 수 실험 [단조실험 A+ 레포트]

- 실험 원리에 대한 정리
이번 실험은 유체 역학이 기초 실험으로 관(pipe)내 유체 흐름에 대한 무차원 레이놀즈 수, 흐 름 양상, 층류 및 난류의 관계를 실험적으로 이해하는 것이 목적이었다. 그래서 원형관 안 흐 르는 물 속에 염료를 주입하여 염료의 이동을 관찰함으로써 어떤 흐름의 형태를 가지고 있는 지를 관찰해보는 실험이었다. 속도가 느린 흐름에서는 염료의 흐름이 흐트러지지 않고, 직선 적으로 일정하게 이동했으나, 고속의 흐름에서는 색소가 물에 혼합되면서 이동하는 것을 관 찰할 수 있었다. 흐름에 형태에 따라 속도가 느리면 층류 영역(laminar flow), 속도가 빠르면 난류 영역(turbulent flow)라 칭했다. 이는 레이놀즈 수를 기준으로 층류, 전이, 난류 영역으로 구분하는데, 이때 여러가지 직경의 관과 온도에서 유속을 변화시켜가면서 실험 자료를 분석 하여 식(1)과 같은 레이놀즈 수를 제안하였다

<중 략>

- 경계층 내 유체 흐름[2]
움직이는 유체 중에서 고체 경계의 영향을 받으면서 움직이는 부분을 경계층(boundary layer) 이라 한다. 고체왿� 유체의 계면에서는 유속이 0이며, 고체 표면에 접근할수록 유속은 작아진 다. 따라서 경계층 안에서 고체 표면에 아주 가까운 부분은 층류이고, 고체 표면으로 멀리 떨 어진 부분은 교란되지 않은 유체 본체의 유속보단 작지만, 유속이 아주 커져서 난류가 생길 수 있다. 완전 발달 난류 영역과 층류 영역 사이에는 중간적 성질을 가진 전이층이 존재한다. 따라서 난류 경계층은 점성 하층, 완충층, 난류 영역인 세 부분으로 이루어진다.
관 입구에서 경계층이 형성되기 시작하여, 유체가 흐를수록 경계층이 두꺼워진다. 처음에는 경계층이 얇아 층류의 흐름을 보이다가 점점 두꺼워져 어느 지점에 이르면 난류가 발생한다. 따라서 갈수록 단면 중에 경계층이 차지하는 부분이 증가하여 염료의 흐름이 관의 출구 쪽으 로 갈수록 염료가 퍼진다는 것을 예상해볼 수 있다.