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[자연과학] [실험보고서] 강제대류에 의한 열전달

등록일 : 2013-03-13
갱신일 : 2013-03-13


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[자연과학] [실험보고서] 강제대류에 의한 열전달
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1. 실험목적
원관에 일정한 Heat flux를 가하면서 난류를 불어 넣을 경우 일반적으로 강제대류에 의해서 전열이 이루어 진다. 이때 유체의 평균 온도인 bulk temperature는 입구의 길이에 대해서 선형적인 값을 갖는 데 그 원인과 이론적인 식에 대해서는 부록에 자세히 설명했다. 이렇게 얻어진 유체의 평균온도와 관 내벽의 온도를 측정함으로서 관 내벽의 전열계수를 구할 수 있다. 실험을 통해서 이들을 구하며 유량에 따른, 관 입구로부터의 거리에 따른 전열계수의 변화를 해석할 수 있다.
원관벽에 일정한 heat flux를 주면서 관내에 난류상태의 공기를 불어넣어 전열계수를 구하고 Nu와 Re, Pr의 관계를 알아본다.

2. 실험이론
2.1 강제대류에 사용되는 무차원 상수
▶ Re
유체의 흐름에서는 점성에 의한 힘이 층류가 되게끔 작용하며, 관성에 의한 힘은 난류를 일으키는 방향으로 작용하고 있다. 이 관성력과 점성력의 비를 취한 것이 레이놀즈수(Re)이고, 수식으로 표시한다면 다음과 같이 된다.
레이놀즈수는 무단위의 수치가 되므로, 어떠한 계열의 단위로부터 계산할지라도 같은 수치로 된다. 수류를 주로 하는 상온액의 흐름 실험에 의하여 Re 2000 이하인 때 흐름은 층류로 되고, Re 2000 이상인 때 난류화하는 것이 밝혀졌다. 고온의 용융 금속에 대한 확인은 없으나, 이론적으로는 용융 금속의 흐름에 있어서도 이 경계치는 같은 수치가 되어야 할 것이다. 용융금속은 대체로 밀도가 크고, 점성계수가 작으므로 그 흐름은 난류화하기 쉽다. 또한 레이놀즈수는 유로를 흐르는 유체의 마찰계수를 결정하는 수치로서 중요시되고 있다.
▶ Pr
유체의 점성률을 ?, 정압비열을 cp, 열전도도를 k로 했을 때 σ=?cp/k라는 무차원수. 액체에서 Pr는 온도와 함께 변화하나 기체에서는 거의 일정한 값을 유지한다. 대류 열전달이라든가 고속기류에서 점성이 문제가 되는 경우에 중요한 의미를 갖는다. 유체의 동점성률을 ν(?/ρ), 온도 전도도를 α…(생략)

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