[기계공학실험]풍동 실험 2부

실험 방법

1.실험 과정

1) Pitot-tube를 사용하여 평균속도, Re수 결정

2) 차량모델 각 지점에 대한 압력을 측정

3) 각 지점의 속도 계산

4) 각 지점의 항력 계산

5) 실험 조건에 따라 각도를 변경하면서 2~4과정 반복

실험 결과

1. 실험 환경/ 조건

1) 온도 : 20℃

2) 실험장비 주파수 : 39㎐

3) 풍동실험기의 관내 크기 : 50 X 50 [㎝]

4) 풍동실험 적용 모델 : 승용차 모형

 

2. 결과 분석

1) 관내 평균 속도 : V=7.6m/s

 

2) Reynolds 수

실험 장비의 사각 Pipe 내의 유동은 차량모형의 외부유동 으로 층류유동이라 가정.(D: 자동차 모델 높이)

 

3) 자동차 모델에 작용하는 항력

CD = 0.35 일반적인 승용차 형상계수, A:차량투상면적

차량모형의 항력은 매우 작다.

 

4) 관내 압력 및 속도

50x50㎝의 정사각 Duct의 가로 와 세로의 절반을 단위 간격(1㎝)마다 측정 (각각 25㎝)

측정하지 않은부분은 대칭형 유동으로써 측정부와 같다고 가정.

평균속도 V=7.6m/s

 

위치 (㎝) 가로방향측정 (세로25㎝고정) 세로방향측정 (가로25㎝고정) 0 43.0 43.0 1 43.0 44.0 2 43.0 43.0 3 42.0 44.0 4 42.0 42.0 5 41.1 41.1 6 38.1 40.1 7 36.2 39.1 8 35.2 37.2 9 36.2 37.2 10 37.2 37.2 11 37.2 38.1 12 37.2 35.2 13 35.2 30.3 14 34.2 28.4 15 31.3 30.3 16 30.3 31.3 17 29.3 30.3 18 29.3 25.4 19 30.3 23.5 20 29.3 24.4 21 28.4 5㎝까지 측정불가능 (아크릴판 홈) 22 28.4 23 32.3 24 39.1 25 31.3

위치 (㎝) 가로방향측정 (세로25㎝고정) 세로방향측정 (가로25㎝고정) 0 8.5 8.5 1 8.5 8.5 2 8.5 8.5 3 8.4 8.5 4 8.4 8.4 5 8.3 8.3 6 8.0 8.2 7 7.8 8.1 8 7.6 7.9 9 7.8 7.9 10 7.9 7.9 11 7.9 8.0 12 7.9 7.6 13 7.6 7.1 14 7.5 6.9 15 7.2 7.1 16 7.1 7.2 17 7.0 7.1 18 7.0 6.5 19 7.1 6.2 20 7.1 6.4 21 6.9 5㎝까지 측정불가능 (아크릴판 홈) 22 6.9 23 7.3 24 8.1 25 7.2

Graph 1. 위치에 따른 ΔP[Pa]

Graph 2. 위치에 따른 V[m/s]

Table 1. 과 2. 는 풍동 실험장치의 사각덕트 내의 위치에 따른 압력차와 속도를 나타낸 것이다.

Graph 1. 과 2. 는 덕트내의 위치에 따른 압력차와 속도를 그래프로 나타낸 것이다.

그래프에서 중심부의 압력차와 속도가 벽면근처 보다 높게 나왔다.

5) 자동차모델의 각도별 압력차 와 속도

위치 (번호) -20° -10° 0° 10° 20° 1 96.8 94.8 90.0 93.9 95.8 2 131.0 132.0 132.0 133.9 138.8 3 144.7 146.7 149.6 153.5 152.5 4 135.9 136.9 134.9 136.9 137.9 5 133.9 133.9 133.0 133.9 134.9 6 129.1 129.1 127.1 128.1 129.1 7 126.1 125.1 123.2 123.2 126.1 8 151.5 152.5 152.5 152.5 153.5 9 192.6 202.4 203.4 202.4 197.5 10 161.3 165.2 167.2 164.3 162.3 11 162.3 164.3 163.3 163.3 163.3 12 168.2 168.2 168.2 168.2 168.2 13 180.9 174.0 170.1 175.0 180.9 14 180.9 177.0 174.0 175.0 181.9 15 173.1 170.1 172.1 173.1 174.0 16 158.4 155.5 158.4 160.3 161.3 17 162.3 157.4 156.4 157.4 161.3 18 162.3 157.4 154.5 158.4 164.3

위치 (번호) -20° -10° 0° 10° 20° 1 12.7 12.6 12.2 12.5 12.6 2 14.8 14.8 14.8 14.9 15.2 3 15.5 15.6 15.8 16.0 15.9 4 15.0 15.1 15.0 15.1 15.1 5 14.9 14.9 14.9 14.9 15.0 6 14.6 14.6 14.5 14.6 14.6 7 14.5 14.4 14.3 14.3 14.5 8 15.9 15.9 15.9 15.9 16.0 9 17.9 18.3 18.4 18.3 18.1 10 16.4 16.6 16.7 16.5 16.4 11 16.4 16.5 16.5 16.5 16.5 12 16.7 16.7 16.7 16.7 16.7 13 17.3 17.0 16.8 17.1 17.3 14 17.3 17.1 17.0 17.1 17.4 15 17.0 16.8 16.9 17.0 17.0 16 16.2 16.1 16.2 16.3 16.4 17 16.4 16.2 16.1 16.2 16.4 18 16.4 16.2 16.0 16.2 16.5

 

Graph 3. 위치에 따른 압력차 [Pa]

Graph 4. 위치에 따른 속도차 [m/s]

Table 3. 과 4. 는 차량모형의 각 위치별 압력차와 속도를 표로 나타낸 것이다.

Graph 3. 과 4. 는 차량모형의 위치별 압력차와 속도를 그래프로 나타낸 것이다.

1번 지점에서 가장 낮은 속도가 나왔다. 이로써 이부분이 정체점에 가장 근접하다고 판단된다.

차량의 지붕부위인 9번지점에서 가장 높은 압력차와 속도가 나왔다. 즉 각 부위중 가장 낮은 압력의 영향부임을 알수있다.

차량의 각도가 커질수록 차량 후류의 압력과 속도가 비교적 높아진다.

토의 사항

1. 실험 고찰

덕트 내부의 속도를 1㎝ 씩 이동하면서 측정하던 중에 속도가 일정하게 감소되지 않는 것을 보고 덕트 내부의 유동은 층류가 아님을 알 수 있었다. 실험 중에 오차를 일으키는 원인들은 여러 가지가 있었다. 그러나 가장 주된 원인은 아마도 풍동장치의 사이즈가 작아서라고 생각한다. 올해 초에 팀프로젝트를 진행하기 위해 부산대학교의 풍동을 견학하러 간 적이 있었다. 그곳의 풍동은 사람이 걸어서 들어갈 정도로 충분히 컸다. 그런데 그쪽 관계자분들의 말에 의하면 실제 자동차회사 연구소에 있는 풍동은 훨씬 더 크다고 한다. 즉 이 실험을 통해 정확한 값을 얻기 보다는 유동의 형태가 이러하다는 것을 배운다는 것에 초점을 맞춰야 한다고 생각한다. 마지막으로 실험 조건 중에 각도를 변화시키는 것에서 의문점이 생겼다. 만약 각도변화의 폭을 좀 더 크게 한다면 또 다른 현상을 일어나지 않을까

2. 결론

Duct내의 유동은 벽면에 가까울수록 점성의 영향을 많이 받아서 유속이 느려진다.

계산상으로 Reynolds 수가 층류이지만 실제로 측정한 결과 Duct내의 유동은 난류이다.

차량모형의 가장 앞부분인 1번 지점은 유동방향에 수직인 형태이므로 압력이 가장 높게 나온다.

차량모형의 지붕 부분인 9번 지점은 유동방향에 수평인 형태이므로 압력이 가장 높게 나온다.

물체의 형상과 기울어짐에 따라 압력이 미치는 영향이 바뀜을 알 수 있다.

참고 문헌

1. Fundamentals of Fluid Mechanics, Munson 저, 학술정보

2. 기계공학실험, 윤한기 외 2인 공저, 진영문화사

[Engineering/공학실험] - [기계공학실험]풍동 실험 1부