실험 개요
관 내 유량을 측정하는 가장 보편적인 방법은 단면적 축소에 의한 압력강하를 이용하는 것이다. 학부에서는 같은 관에 오리피스·벤츄리·노즐을 설치해 동일 유량 조건에서 압력차를 비교하고, 이론식에서 도출한 유출계수 Cd를 실험적으로 결정한다.
이론 배경
베르누이와 연속 방정식
비압축성 정상유동에서 P/ρ + v²/2 + gz = const. 두 단면 사이에 적용해 v₂ = √[2(P₁−P₂)/ρ × 1/(1−β⁴)], β = d₂/d₁.
유출계수
실제 유량 Qact = Cd A₂ √[2ΔP/(ρ(1−β⁴))]. Cd는 손실 보정으로 오리피스 ≈ 0.6, 벤츄리 ≈ 0.97, 노즐 ≈ 0.95.
압력 회수
벤츄리는 점진적 확대로 압력 회수가 90% 이상이지만, 오리피스는 급격한 박리로 회수율이 낮아 영구 압력손실이 크다.
실험 장치 및 시약
- — 유체역학 시험대(오리피스·벤츄리·노즐 교체 가능)
- — U자관 마노미터 또는 차압센서
- — 스톱워치, 메스실린더 또는 칭량법
실험 절차
- 1.관에 오리피스를 설치하고 펌프 가동 후 정상상태를 기다린다.
- 2.차압을 기록하고 동시에 칭량법으로 실제 유량을 측정한다.
- 3.유량을 5~7 단계로 변경하며 데이터를 수집한다.
- 4.벤츄리·노즐로 교체해 동일 절차를 반복한다.
데이터 처리
Q vs √ΔP 그래프를 직선 회귀해 기울기에서 Cd를 산출한다. 세 측정기의 Cd, 영구손실, 직선성을 표로 비교한다.
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
이상유체 가정에서 출발해 실제 유체로 가는 보정 단계를 명확히 한다.
예상 결과
벤츄리가 가장 작은 영구손실, 오리피스가 가장 큰 손실을 보일 것임을 미리 적는다.
자주 하는 실수
- — β⁴ 보정을 빼먹는 것 (β가 작을 때만 무시 가능)
- — 유체 밀도 단위를 SI로 통일하지 않는 것
- — 마노미터 액주 차이와 절대 압력차를 혼동하는 것
자주 묻는 질문
Q. 오리피스가 영구 손실이 큰데도 왜 산업에서 많이 쓰이나요?
구조가 단순하고 저렴하며, 다양한 관경에 표준화된 부품으로 즉시 적용 가능하기 때문입니다. 정밀 측정이 필요한 경우 벤츄리를 쓰지만, 대부분의 공정 모니터링에서는 오리피스로 충분합니다.
Q. Cd가 왜 0.6 같은 값이 나오나요?
오리피스를 통과한 유체는 실제 단면보다 더 좁은 vena contracta에서 가장 가는 흐름이 됩니다. 또 박리·소용돌이로 운동에너지가 손실되므로 이상유량 대비 60% 정도만 실제로 흐릅니다.
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Fox, R.W., McDonald, A.T., Pritchard, P.J. — Introduction to Fluid Mechanics, 9th ed., Wiley, 2015
- [2]Perry's Chemical Engineers' Handbook, 9th ed., McGraw-Hill, 2018
- [3]McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P. — Unit Operations of Chemical Engineering, 7th ed., McGraw-Hill, 2005