[자연과학][실험보고서] 이동현상실험 - 유동가시화[Flow Visualization]

1 . 아무런 장애물 없을 때의 흐름

2. 휜 유선형 장애물 수평으로 설치

3. 휜 유선형 장애물 45 위로 설치

4. 휜 유선형 장애물 45 아래로 설치

5. 휜 유선형 장애물 끝을 135 로 설치

6. 원형 장애물 설치

7. 원형 장애물 + 직선 장애물

8. 정사각형 장애물

9. 직사각형 장애물(수직) + 원형 장애물

10. 직사각형 장애물(수평) + 원형 장애물

11. 유선형 아래로 45 + 직선 장애물

12. 정사각형 + 원형 + 직사각형 장애물

Flow Visualization

1. 실험 목적

Hele-Shaw 실험 장치를 써서 2차원 포텐셜유동을 가시화할 수 있다는 것을 이해한다. 소스(source), 싱크(sink), 균일유동(uniform flow)을 이용하여 여러 가지 유동형태를 만들어 관찰하고 원형, 사각형, 타원형 등의 복잡한 형상의 물체 주위의 유체 흐름을 이해한다. Hele-Shaw 실험 장치는 물체 주위의 유동형태를 관찰하고 층류와 난류의 상태를 관찰할 수 있게 하여 이상적인 흐름 상태를 이해할 수 있게 한다.

2. 실험 이론

◈ 유동가시화(Flow Visualization)

1) 유동가시화: 유동 가시화는 유동정보를 가장 손쉽게 얻을 수 있는 방법이다. 유동가시화는 전달현상 과정을 가시화하는 것으로, 속도, 압력, 밀도 및 온도 등과 같이 우리 눈에는 보이지 않는 유동정보의 공간분포를 시간과 공간의 어떤 범위 안에서 눈에 보이도록 하는 방법을 말한다. 예를 들자면 단층기법을 이용한 유동가시화 (Tomography)가 있다. 이 방법은 레이저나 Zenon과 같은 광원으로 평행광선을 만들어 측정하고자 하는 유동을 통과시키게 되면 유동의 밀도분포 등에 의하여 광파는 변형되거나 강도가 감쇄되어 맞은편에 위치한 영상입력장치에 도달하게 된다. 대상물체에 대하여 여러 각도에서 이와 같은 2차원 평면측정을 반복하여 유동정보를 수집하게 되면 유동장 전체 체적에 대한 밀도분포를 알게 되고 이를 이용하여 속도, 압력, 온도 등의 유동정보를 알아낸다. 이와 같은 방법 외에도 여러 가지 유동가시화 방법이 있는데 이러한 방법들을 이용하면 손쉽게 유동정보를 얻을 수 있다.

2) 실험적 유동가시화 방법

① 물감, 연기 또는 기포방출을 이용한 방법.

② 액체유동 위에 뿌려진 표면불말 또는 얇은 조각을 이용한 방법.

③ 부유하는 입자 또는 중립 - 밀도의 입자.

④ 기체유동에서의 밀도변화를 탐지하는 광학적 기술

⑤ 경계표면에 부착된 실의 술.

⑥ 경계표면 위의 증발피복.

⑦ 발광유체 또는 첨가제.

⑧ 입자 영상 속도계(PIV).

◈ 포텐셜 유동 (Potential Flow)

벡터 값인 속도를 스칼라 값인 포텐셜함수로 나타낼 수 있는 것이 포텐셜 유동이다. 유체가 비회전유동(irrotational flow)이면 이다. 여기에서 필요충분조건으로 이면 에서 을 만족한다. 이때 를 속도포텐셜(velocity potential)이라 한다. 연속방정식(continuity equation)은 이다. 따라서 를 대입하면 즉 Laplace 방정식이 된다. Laplace 방정식을 풀어서 값을 알면 속도를 알 수 있다.

◈ 균일유동(Uniform Flow)

가장 간단한 평면유동으로 모든 유선이 직선이면서 서로 평행하며 속도가 일정한 유동이다. 예로써 x축의 양의방향으로 흐르는 균일유동이 있다. 이때 u〓U, v〓0 이며 속도포텐셜로 표현하면 이므로, 위의 두식을 적분하면 이다. 여기서 C는 임의의 상수로, 영으로 놓을 수 있다. 따라서 축의 양의 방향으로 흐르는 균일유동의 속도포텐셜은 이다. 이 결과를 일반화하면, 축에 대하여 의 각도를 가지는 균일유동에 대한 속도포텐셜은 이다.

◈ 소스와 싱크(source and sink)

평면의 원점에 평면과 수직으로 놓인 선으로부터 반경방향으로 흘러나오는 유동에 대하여 고려하