실험 개요
Re = ρvD/μ는 관성력과 점성력의 비를 나타내는 무차원 수로, 유동 양상을 결정하는 가장 중요한 변수다. 학부 실험에서는 투명 관에 색소를 주입해 색소 흐름이 유선처럼 흐르는지(층류), 흔들리는지(천이), 완전히 섞이는지(난류)를 직접 관찰하고 임계 Re 값을 측정한다.
이론 배경
Reynolds 수의 정의
Re = ρvD/μ. 관성력 ρv²과 점성력 μv/D의 비. 일반적으로 Re < 2300 층류, 2300 < Re < 4000 천이, Re > 4000 난류. 임계값은 관 표면 거칠기·진동·입구 조건에 민감.
유속 분포
층류는 포물선 분포(Hagen–Poiseuille), 난류는 평탄한 logarithmic 분포. 평균 유속과 최대 유속의 비가 층류에서 0.5, 난류에서 약 0.81.
실험 장치 및 시약
- — Reynolds 시험대(투명관)
- — 메틸렌블루 색소
- — 유량계
- — 스톱워치
- — 온도계
실험 절차
- 1.물을 일정 수두로 시험관에 흘리며 정상상태 도달 대기.
- 2.색소를 가는 노즐로 관 중심에 주입.
- 3.유량을 단계적으로 증가시키며 색소 흐름 관찰·기록.
- 4.각 유량에서 부피 측정 + 시간으로 v 계산, Re 산출.
데이터 처리
Re vs 유동 양상 표를 작성. 층류→천이 임계 Re와 천이→난류 임계 Re를 결정해 표준값과 비교.
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
Re의 무차원성·물리적 의미 명확히. 두 힘의 비라는 점 강조.
관찰
층류·천이·난류의 색소 양상을 사진 또는 스케치로 기록.
자주 하는 실수
- — 관 입구 효과로 인한 비정상 유동 영역에서 측정
- — 색소 주입 속도가 유속과 다를 때 인공 교란
- — 수온 변화 무시 (μ가 온도에 강하게 의존)
자주 묻는 질문
Q. 왜 임계 Re가 정확히 한 값이 아닌가요?
실제 천이는 외부 교란(진동·표면 거칠기·입구 형상)에 매우 민감하기 때문입니다. 매끄럽고 진동 없는 이상 조건에서는 Re ~ 100,000까지 층류 유지가 보고된 적도 있습니다. 학부 실험에서는 보통 Re ≈ 2300 부근에서 천이가 시작됩니다.
Q. 왜 Re가 무차원수인가요?
분자 ρvD의 단위 [kg/(m·s)]와 분모 μ의 단위 [kg/(m·s)]가 같기 때문입니다. 무차원이라 단위계 변환에 무관하고, 다른 크기·유체의 시스템 간 직접 비교가 가능합니다. 이런 보편성이 무차원 분석의 강점입니다.
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]Bird, R.B., Stewart, W.E., Lightfoot, E.N. — Transport Phenomena, 2nd ed., Wiley, 2007
- [2]Fox, R.W., McDonald, A.T., Pritchard, P.J. — Introduction to Fluid Mechanics, 9th ed., Wiley, 2015
- [3]Geankoplis, C.J. — Transport Processes and Separation Process Principles, 4th ed., Pearson, 2003