[유체공학실험]삼각 Weir(둑)에 의한 유량 측정 2부






실험 결과


1. 결과 data

회수

분류

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0점 수위 h0(m)

0.2202

0.2202

0.2202

0.2202

0.2202

0.2202

0.2202

0.2202

0.2202

측정 수위 h’(m)

0.1989

0.1648

0.12296

0.1066

0.09275

0.09655

0.1125

0.1394

0.17465

실제 수위 h(m)

0.0213

0.0554

0.09724

0.1136

0.12745

0.12365

0.1077

0.0808

0.04555

물의 중량 W (㎏)

12

40

85

93

81

114.5

105.5

99.8

36

측정 시간 t (sec)

60

40

20

15

10

15

20

40

60

측정 유량 Q1(㎥/min)

0.0120

0.06016

0.25570

0.37302

0.48734

0.45926

0.31737

0.15011

0.03609

이론 유량 Q2(㎥/min)

0.0059

0.06163

0.24779

0.36424

0.48443

0.44941

0.31915

0.15667

0.03802

KS식에의한 유량(㎥/min)

0.0062

0.06440

0.26624

0.39630

0.53279

0.49280

0.34566

0.16631

0.03958

실제 유량계수 K3

93.6469

89.1576

90.295

91.1131

91.8770

91.6623

90.8056

89.6178

89.3878

이론 유량계수 K2

0.6246

0.60196

0.5929

0.59081

0.58937

0.58974

0.59151

0.59560

0.60576


2. 결과 분석

1) 실험 1차 : 송출 밸브 반 바퀴 열었을 때

측정유량

Q1

Q1 = 중량/(비중량×t)×60(sec→min)

= 12/(997.248×60)×60 = 0.0120

이론유량

Q2

h(m) = h0-h’(0점수위-측정수위) = 0.0213




Q2 = 0.00586217

KS식에 의한 유량

Q3




K3 = 93.64692948

Q3 = K3h5/2 = 93.64692948×0.02135/2 = 0.006200726


2) 실험 2차 : 송출 밸브 한 바퀴 열었을 때

측정유량

Q1

Q1 = 중량/(비중량×t)×60(sec→min)

= 40/(997.248×60)×60 = 0.060166

이론유량

Q2

h(m) = h0-h’(0점수위-측정수위) = 0.0554




Q2 = 0.0061637

KS식에 의한 유량

Q3




K3 = 89.15762

Q3 = K3h5/2 = 89.15762×0.05545/2 = 0.064407


3) 실험 3차 : 송출 밸브 한 바퀴 반 열었을 때

측정유량

Q1

Q1 = 중량/(비중량×t)×60(sec→min)

= 85/(997.248×20)×60 = 0.255704

이론유량

Q2

h(m) = h0-h’(0점수위-측정수위) = 0.09724




Q2 = 0.247795

KS식에 의한 유량

Q3




K3 = 90.295

Q3 = K3h5/2 = 90.295×0.097245/2 = 0.266242


4) 실험 4차 : 송출 밸브 두 바퀴 열었을 때

측정유량

Q1

Q1 = 중량/(비중량×t)×60(sec→min)

= 93/(997.248×15)×60 = 0.373027

이론유량

Q2

h(m) = h0-h’(0점수위-측정수위) = 0.1136




Q2 = 0.364246

KS식에 의한 유량

Q3




K3 = 91.11314

Q3 = K3h5/2 = 91.11314×0.11365/2 = 0.396303

  

5) 실험 5차 : 송출 밸브 두 바퀴 반 열었을 때

측정유량

Q1

Q1 = 중량/(비중량×t)×60(sec→min)

= 81/(997.248×10)×60 = 0.487341

이론유량

Q2

h(m) = h0-h’(0점수위-측정수위) = 0.12745




Q2 = 0.484436

KS식에 의한 유량

Q3




K3 = 91.87709

Q3 = K3h5/2 = 91.87709×0.127455/2 = 0.532791

 

6) 실험 6차 : 송출 밸브 두 바퀴 열었을 때 (실험 6부터 반 바퀴씩 잠금)

측정유량

Q1

Q1 = 중량/(비중량×t)×60(sec→min)

= 114.5/(997.248×15)×60 = 0.459264

이론유량

Q2

h(m) = h0-h’(0점수위-측정수위) = 0.12365




Q2 = 0.449414

KS식에 의한 유량

Q3




K3 = 91.66237

Q3 = K3h5/2 = 91.66237×0.123655/2 = 0.492806

  

7) 실험 7차 : 송출 밸브 한 바퀴 반 열었을 때

측정유량

Q1

Q1 = 중량/(비중량×t)×60(sec→min)

= 105.5/(997.248×20)×60 = 0.317373

이론유량

Q2

h(m) = h0-h’(0점수위-측정수위) = 0.1077




Q2 = 0.319154

KS식에 의한 유량

Q3




K3 = 90.80564

Q3 = K3h5/2 = 90.80564×0.10775/2 = 0.345662

 

8) 실험 8차 : 송출 밸브 한 바퀴 열었을 때

측정유량

Q1

Q1 = 중량/(비중량×t)×60(sec→min)

= 98.8/(997.248×40)×60 = 0.150113

이론유량

Q2

h(m) = h0-h’(0점수위-측정수위) = 0.0808




Q2 = 0.156671

KS식에 의한 유량

Q3




K3 = 89.61785

Q3 = K3h5/2 = 89.61785×0.08085/2 = 0.166312

  

9) 실험 9차 : 반 바퀴 풀었을 때(두 바퀴 잠금)

측정유량

Q1

Q1 = 중량/(비중량×t)×60(sec→min)

= 36/(997.248×40)×60 = 0.036099

이론유량

Q2

h(m) = h0-h’(0점수위-측정수위) = 0.04555




Q2 = 0.036099

KS식에 의한 유량

Q3




K3 = 89.38783

Q3 = K3h5/2 = 89.38783×0.045555/2 = 0.039582

 


토의 사항


1. 오차 원인

1) 삼각 Weir 인근의 부유물이 존재하여 Weir의 유량측정에 오차가 발생하였다.


2) 대저울이 디지털 저울이 아니어서 무게를 측정하는데 오차가 발생하였다.


3) Weir에서 나오는 물이 유량 측정용 탱크로 옮겨질 때 사이에 틈이 존재하여 물이 지속적으로 유출되어 정확한 유량을 측정 할 수 없었다.


4) Weir에서 나오는 물을 유량 측정용 탱크로 옮길 때 일정한 시간동안 옮기게 되 는데 이러한 모든 작업을 사람이 수행하여 시간에 대한 오차가 발생한다.


5) Hook gauge를 읽을 때 수면에 정확하게 일치된 지점을 읽어야 하는데 이에 오차가 발 생하였다.


대저울을 이용한 유량측정

Weir에서 이동될 때 유출되는 물



Hook gauge 측정


오차원인을 줄이기 위한 임시 대처방안

Weir에서 나오는 물이 유출되는 것을 막기 위해 손으로 판을 눌러 대처하였다.

 

2. 실험 고찰

[그림 1] 유량 비교 그래프


[그림 1]는 측정유량, 이론유량 및 KS식에 의한 유량을 비교한 그래프이다. 실험 1회에서 5회는 송출 밸브를 반 바퀴씩 열면서 수행한 실험이다. 송출 밸브를 열 때 마다 유량이 증가하는 것을 [그림 1]를 통해 볼 수 있다. 또한 실험 5회에서 9회는 송출 밸브를 반 바퀴씩 잠그면서 수행한 실험이다. 송출 밸브를 잠글 때 마다 유량이 감소하게 되는데 [그림 1]를 보면 점점 감소하는 것을 볼 수 있다.


또한 [그림 1]를 통해서 측정유량, 이론유량, KS식에 의한 유량의 값이 거의 같은 점을 통하여 실험이 올바르게 수행되었음을 알 수 있다.


[그림 2] 이론 유량계수


[그림 2]는 이론유량계수를 그래프로 나타낸 것이다. 그래프에서 보이는 바와 같이 실험 전반적으로 이론유량계수의 값이 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 실험 1이 가장 큰 차이를 보였으며 이것은 오차원인 중 하나인 Weir에서 유량 측정용 탱크로 물이 이동될 때 사이의 공간으로 물이 유출되는 것이 크게 작용하였음을 알 수 있다. 또한 실험 전반적으로 결과가 0.6의 근처에 분포하는 점을 볼 때 실험이 잘 수행되었다고 할 수 있다.

 


[그림 3] 실제 유량계수

 

[그림 3]은 실제 유량계수를 그래프로 나타낸 것이다. 직전의 [그림 2]와 같은 유동을 보이는 것을 알 수 있다. 또한 실제 유량계수에서도 실험 1에서의 오차가 가장 크게 나타나는데 이것 또한 오차원인 중 하나인 Weir에서 유량 측정용 탱크로 물이 이동될 때 사이의 공간으로 물이 유출되는 것이 크게 작용하였음을 알 수 있다. 실험 전반적으로 실제 유량계수의 값이 비슷한 거동을 보이며 이것은 실험이 비교적 올바르게 수행되었음을 알 수 있다.

 

3. 결론

유량측정 실험은 시간과의 싸움이라고 해도 과언이 아니었다. 유량을 측정하기 전에 실험장치 안에 물의 유동이 유지되는데 매 실험마다 약 15분 이상씩 소요되었다. 매 실험마다 송출 밸브를 조절 후 15분 이상의 시간을 대기한 후에 결과를 기록하며 실험을 진행하다 보니 수업시간을 거의 꽉 채워서야 끝나게 되었다. 하지만 그러한 시간의 기다림이 있어서인지 실험의 결과는 비교적 일정하게 나왔다.


하지만 매번 실험을 할 때마다 아쉬운 점은 실험장비의 낙후로 인하여 오차가 발생하는 것이 아쉽다. 실험장비와 실험 기구들이 개선된다면 더 정확한 실험 결과를 얻을 수 있을 것이다. 특히 본 실험은 오차의 원인이 매우 크게 눈으로 보여 더욱 크게 와 닿았다. 오차원인 중 Weir에서 유량측정용 탱크로 물이 이동할 때 유출이 된다고 기술을 해놨다.


그에대한 사진도 첨부되어있다. 순간적으로 생각해낸 방법이긴 하지만 실험의 오차를 줄이는데 큰 역할을 했다고 생각한다. 또한 아날로그 저울 사용으로 인하여 정확한 무게를 측정할 수 없는점이 너무 아쉽다. 디지털 저울을 사용한다면 정확한 무게를 측정하여 측정유량의 값을 더욱 정확하게 측정 할 수 있을 것이다.


또한 본 실험은 원심펌프 성능실험 조와 같이 수행하게 되었는데, 다른조와 호흡을 맞추어 가며 실험을 하는 점이 또다른 경험이었다. 본 실험은 조원 모두가 각자의 역할을 맡아 수행하고, 물을 퍼 나르며 신발과 옷이 젖었지만 각자의 역할을 수행하고 협동할 수 있는 실험이었다. 또한 결과가 정확하게 나와 더욱 값진 시험이었다.

 


참고 문헌

1. 유체역학 7판(Introduction to Fluid Mechanics), 서상호 외 공역, 텍스트북스


2. 유체역학 기초실험, 모양우 저, 조선대학교출판부


3. Essentian 유채역학, 노병준 외 1명 공저, 동명사


4. 실험유체역학, 모양우 저, 보문당





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