열유체실험 - 분류 충격 실험

1. 실험제목
분류 충격 실험

2.실험 목적
압력을 받는 유체의 흐름으로부터 기계적인 일을 얻는 방법 중의 하나가 바로 고속의
분류(JET)가 미치는 압력을 이용하는 것이다. 물 제트(JET)는 통상 터빈 바퀴에 달려 있는
일련의 날개(Vane)를 치게되며 충격력으로 인해 터빈은 회전하면서 기계적인 일을 하게 되며
이는 발전기(Generator)에 의해 다시 전기에너지로 변환된다.
이와 같은 분류충격의 원리를 이용하여 발전하는 수차(water turbine)는 90% 이상의 효율로
약 10만 KW 이상의 출력을 발생시킬 수 있도록 제작되고 있다.
본 실험에서는 물제트가 금속으로 만든 평판 폭은 반구형 컵을 칠 때 생기는 충격력을
측정하여 이를 운동량의 변화율과 비교함으로써 역적-운동량의 원리를 고찰하고자 한다.

그림 분류 충격기

그림 분류 충격기(옆 단면)

3. 관련이론
위의 그림과 같이 노즐로부터 유량 W[kg/s], 유속 V[m/s]인 유체가 X축 방향으로 분사
되어 평판을 충격하고 X축과 각도로 기울어져 분출될 때 Vane에 V[m/s]의 속도로 진행
된다고 가정한다. 날개를 치기 전후의 유체의 속도차와 정수압차는 아주 적으므로 거의
무시하면 날개를 향해 X방향으로 유입하는 수맥의 운동량(moment)은 ⍴WVcos이다.
역학적-운동량의 원리란 충격전후의 연동량의 변화율이 바로 충격량과 같음을 의미하므로
즉 X축 방향의 Vane에 가해진 힘 F는 운동변화량과 같으므로
F = ⍴W(V-Vcos)

1)평판일 경우
=90˚ 이며, cos=0 이다. 따라서, F=WV 이다.
2)반구형일 경우
=180˚ 이며, cos=-1 이다.

따라서, F = cW(V-Vcos) = ⍴W(V+V) 이며, 에너지 손실이 없다고 가정하면
V=V 이므로 F = 2WV 가 된다.
즉, 반구형에 미치는 힘은 평판에 미치는 힘의 2배가 된다.
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