[유체역학실험]유량 측정(오리피스, 벤츄리) 2부

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

실험실의 관로 마찰 실험 장치

 

1) 유량계

유량계에는 여러 종류가 있으나, 비교적 널리 사용되고 있는 것에 날개차 유량계·차압식 유량계·면적식 유량계가 있다. 이 중에서 날개차 유량계가 제일 간단한 것으로 흐름에 의해 날개차를 돌려, 그 회전수를 기어의 메커니즘으로 지시한다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 것으로 수도의 미터가 이것을 이용하고 있다.

 

차압식과 면적식은 주로 공업방면에서 사용된다. 차압식은 관 속에 벤투리관·오리피스·노즐 등의 조리개를 넣어, 그 전후 압력차를 차압계로 측정하여, 그 측정값을 기본으로 유량을 잰다. 면적식은 위쪽으로 올라갈수록 넓어진 수직관 속에 플로트(float)를 넣고, 유체를 아래에서 위로 흘려보내고, 유체류에 밀어올려진 플로트의 전후에 생기는 차압에 의한 부력과 플로트의 무게를 평형시켜 플로트의 위치에서 유량을 안다.

 

2) 차압식 유량측정

유체가 흐르는 배관에 조임기구(Orifice-Plate)를 설치하면 조 임기구의 전과 후에는 압력차가 발생하게 된다. 그 차압의 크 기는 유체의 유량이나 밀도에 의하여 다르게 발생되기 때문에 차압을 측정 함으로서 배관에 흐르는 유체의 유량을 측정 할수 가 있다.

 

차압식 유량 측정법은 유체관내네 오리피스(orifice), 벤츄리관(venturitube), 노즐(nozzle)등과 같은 차압 기구를 설치하여 유속에 따라 기구 전후의 압력차가 유속에 비례하여 변하는 것을 이용해 유량을 측정하는 것이다. 구조가 간단하고 유체종류, 온도, 압력 등에 제한이 없을 뿐만 아니라 원격 측정이나 보수가 필요 없는 등 장점이 있어 널리 이용된다.

유량측정에는 측정 관로에서 단위시간당 유체가 흐르는 비율을 구하는 순시 유량측정법과 유체가 흐르는 시간을 계산하여 측정하는 적산 유량 측정법이 있다.

 

3) 벤츄리 메타

벤츄리 메타는 관수로내 흐름의 유량을 측정하는데 오랫동안 사용 되어온 계기로서 흐름은 축소원추부를 통해 후두부로 들어와 확대원추부를 통해 단면이 확대되어 관로에 연결된다.후두부의 단면은 관로의 단면보다 작으므로 유속은 증가하고 압력은 강하 하며 압력 가화량은 관로를 통한 유량에 직접 관계되므로 관로 면과 후두부간의 압력 강화량을 측정함으로써 간접적으로 유량을 측정하게 되는 것이다.

벤츄리관으로 공기가 흐른다고 할 때 면적이 작아지는 부분에서는 연속의 법칙에 의하여 속도는 빨라지고 베루누이 정리에 의해 압력은 낮아진다. 그리고 면적이 가장 작은 부분에서는 속도는 최대가되고 압력은 낮아진다. 그리고 면적이 가장 작은 부분에서는 속도는 최대가 되고 압력은 최소가 된다. 다시 면적이 넓어지는 곳을 통과하면서 속도는 느려지고 압력은 증가하여 처음 공기가 입구로 들어 갈 때의 속도와 압력은 갖게 된다.

점차 축소 확대된 관에서 정압을 측정함으로써 유량을 구할 수 있도록 만든 관을 “벤츄리 관”이라고 한다. 벤츄리관은 입구 부분, 축소부 및 확대 부분으로 나뉜다. 입구부의 조건은 유체의 속도를 크게 하고 그 정압력을 감소시킴으로써, 압력차가 생기게 되며 이 압력차를 유량에 관련시키는 것이다.

벤츄리메타 (VENTURI METER)

 

여기서, 확대부는 흐름의 단면적을 입구의 단면적으로 회복시키고, 속도 수두를 압력 수두로 변환시키는 역할을 하게 된다.

최소 단면부의 직경은 보통 입구의 1/2에서 1/4 사이에 있다. 많은 관에 있어서 입구부의 축소각은 약 21°정도이고, 출구부 또는 확산관의 확대각은 대략 5~9°에 있다. 여기서 5~9°의 확대각은 확대관의 손실을 적게 하는데 효과적이다.

비압축성 흐름이라고 가정하고 마찰 손실이 없다고 가정한다면,

 

Bernoulli Eq

연속 방정식 : Q = A1V1 = A2V2을 사용하면,

이상적인 유량 

압력 수두차를 측정하면 유량 Q를 결정할 수 있다.

 

실제 유량 Q는 

로서 표시된다.

(* C는 무차원량이며, Reynolds수의 함수이다)

 

4) 오리피스(Orifice)

오리피스 자유 분출장치(Orifice Free Jet Unit)

본 실험장치는 오리피스의 유량계수와 오리피 스를 통한 젯트의 강하 길이를 측정하기 위하여 제작되었으며 간단한 수평 구조로 되어있고 수조는 일정한 수두를 유지하기 위하여 Over Flow V/V를 여러개 설치하여 수두의 변화에 따른 길이를 측정할 수 있게 제작되었습니다.

또한, 노즐 및 오리피스를 여러개 제작하여 상호 비교가 용이하고 학생들로 하여금 토리체리공식의 이해를 돕기 위하여 설계되어진 장치입니다. 유로가 단면에 비해 현저하게 짧은 교축으로, 유체가 이곳을 통과하는 것을 오리피스라고 한다. 압력강하가 액체의 점도에 의한 영향을 그다지 받지 않는 특징이 있다. 오리피스에 기름이 흐르면 오리피스의 전후에 압력차가 발생한다. 오리피스 전후의 압력차가 커지면, 유량은 증가한다. 오리피스를 통과할 때 유로를 막으면 압력은 상승하고 오리피스 전후의 압력차는 동일하게 된다.

오리피스는 관의 Flange 사이에 끼여 있는 얇은 판으로 되어 있고, 그 평판의 중심에는 원형 구멍이 뚫려 있다. 이 관의 유동 특성은 단면 2에서의 Vena Conrtracta의 형성으로 인해 유관의 최소 단면이 오리피스 자체가 아니라 그 하류에서 최소 단면이 생긴다는 점이 노즐과 다르다.

비압축성 유동에 대해서 Bernoulli Eq 을 단면 1, 2에 적용하면,

만일 자유단면 1과 단면 2의 jet가 대기와 접촉하고 있다면 P1과 P2는 같다. 연속방정식에서 V1을 생략하면 이상적인 속도 V2는 실제의 jet의 유속은 마찰이 없으므로 이상적인 경우보다 작다. 실제의 유속과 이상적인 유속의 비를 유속계수 Cv라고 한다. 그러므로 실제의 유속은

이다.

유선이 오리피스에 접근함에 따라 수축되고 이 수축은 오리피스를 통과한 후에도 계속된다. 그러므로 실제의 유량 

이며, 여기에서 C는 유량계수이다. 

Sharp-edged 오리피스에 대하여 Cv는 0.95에서 0.99사이에 있고, Cc는 0.61에서 0.72 사이에 있다.

 

실험 방법

1. 실험 재료

오리피스와 벤츄리를 사용하여 차압을 여러 유량조건에 대하여측정하고 실험장치의 매뉴얼 또는 text book에 제시된 유량계수를 사용하여 유량을 결정하고 역시 float type 유량계의 읽음과 비교한다. 만약 일치하지 않는다면 float type 유량계의 읽음으로부터 본 장치의 오리피스와 벤츄리미터의 유량계수를 계산한다.

실험 결과

1. 결과 Data

	dt (mm)	DT (mm)	압력계 P(㎏/㎠)	수온 t(℃)	면적유량계 Q(㎥/h)	수두차 h(mmag)	유량 W(㎏w/h)	점도μ (C.P)	레이놀드수 ReDT(-)	유량계수 α(-)
벤 츄 리	11.6	35.7	1.25	15℃	0.5	58	494.99	1.138 ×10-6	4.31×109	1.22
					0.7	119	697.389		6.08×109	1.20
					0.9	192	893.216		7.78×109	1.21
					1.1	290	1097.753		9.57×109	1.21
오 리 피 스	10.88	35.7			0.5	103	499.90		4.36×109	1.051
					0.7	210	699.534		6.10×109	1.03
					0.9	353	899.913		7.84×109	1.022
					1.1	542	1099.822		9.58×109	1.008

 

참고 문헌

1. 실험 고찰

본 험은 벤츄리(Venturi), 오리피스(Orifice)와 같은 차압식 유량계에서 발생하는 수두차를 통해 유량에서 압력 손실을 측정하여 연속 방정식, 베르누이(Bernoulli)방정식을 이용하여 이론값과 실험값의 오차를 계산해보고 Venturi와 Orifice의 차이점을 알아보는 실험이었다. 이번 실험은 전 실험들과는 달리 이론값을 대입해서 나온 유량값과 실험을 통해 얻은 값을 대입해서 얻은 값을 서로 비교해봄으로써 이론값과의 오차를 계산해 볼 수 있었다.

관내 오리피스와 벤츄리는 두 장치 모두 유로에 유체의 압력변화를 일으킬 수 있는 방해시설을 설치하고 이 시설 전후의 압력변화를 측정한다는 공통점이 있었지만 오리피스는 벤츄리와는 형상의 차이로 인한 수축계수가 크게 작용한다는 것을 알 수 있었다. 오차가 없는 이상적인 실험에서는 오리피스의 단면형상으로 인한 수측계수 때문에 유량계수가 0.6~0.65사이의 값이 나와야겠지만 이번 실험 역시 이론값과는 많은 차이와 오차를 보였다.

오리피스는 플랜지에서의 Vena Contract 때문에 유량계수가 벤츄리보다는 작게나와야 하고 벤츄리는 변화가 거의 없으므로 1정도야 하지만 실험 결과 오리피스와 벤츄리 모두 유량계수 1.0을 넘어버리는 값이 나와버렸다. 오차들이 생긴것에 대해서는 다음의 몇가지를 생각해 볼 수 있겠다.

 

1) 전 실험에서도 문제됐을거라 생각했던 측정장비의 노화를 가장 먼저 생각하게 됐다. 그 전 실험들과는 달리 유체가 방해물에 부딪치면서 물리적인 변화가 심해지므로 그로인한 부유물들의 퇴적이라든지 관내 부식등이 좀 더 심했으리라 본다. 그로인한 관내 조도의 변화가 실험값에 변화를 주었을 것 같다.

2) 이론상대로 유체의 움직임이 관내에서 층류라면 수두를 측정할 때 수두튜브안에 수두의 변화가 없어야 됨에도 계속 조금씩 수두가 움직이는 것으로 봐서 역시 관내 조도 변화로 인해 층류의 형태가 난류로 바뀌었을 수도 있다고 본다.

 

본 험으로 오리피스가 벤츄리보다 가격면과 사용면에서 용이한점은 있지만 그에 비해 손실이 많다는 것을 알 수 있었다. 그로 인해 유체가 유출될때 단면의 현상과 크기가 어떤 영향을 줄 수 있는지 알 수 있는 실험이었던 것 같다. 그리고 예전 실험들과는 달리 이론값과 실험값이 엄청난 격차를 보인다거나 차압이 커짐에 따라 유량이 뒤섞이지도 않았고 유량계수들 또한 서로 큰 격차를 보이지 않은 것으로 미뤄 예전과는 달리 실험에 많이 익숙해져서 오차를 많이 줄일 수 있었던 것 같아서 의미가 깊었다.

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