[기계항공공학실험] 속도실험

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레포트 > 공학계열
2010.01.27
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[기계항공공학실험] 속도 실험 보고서

[기계항공공학실험] Velocity field measurement behind the circular cylinder using PIV

[기계항공공학실험] 속도실험

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소개글

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1. velocity field 데이터를 Time-averaging하여 이를 vector표시로 plot하라.
1.1. Time-averaging of velocity field
1.2. 순간 속도장
2. 1번에서 구한 속도장으로 Mean recirculation region(Wake bubble)의 길이를 구하라.
2.1. Wake bubble의 의미
2.2. Wake Bubble Length 구하기
3. Re를 계산하라.(D=5mm, T=293K)
3.1. The Reynolds Number의 정의
3.2. 레이놀즈의 닮음법칙
3.3. Free stream velocity의 선정
3.4. 실험에서의 Reynolds Number
4. Time-averaging된 velocity field의 데이터를 이용해 vorticity field를 구하여 contour 형식으로 plot하고, 이 결과를 순간 속도장의 vorticity field와 비교 토의하라.
4.1. Time-averaged vorticity field
4.2. 순간 속도장의 vorticity field
5. Time-averaging된 velocity field의 데이터를 이용해 streamline을 구하여 plot하고, 이 결과를 순간 속도장의 streamline과 비교 토의하라.
5.1. Time-averaging된 streamline
5.2. 순간 속도장의 streamline
5.3. Time-averaging된 streamline과 순간 속도장의 streamline 비교
6. 3번에서 구한 Re의 값으로 이 유동이 Laminar인지 Turbulent인지 판별하고, 4번,5번에서 구한 데이터와 다른 논문에서 제시하는 데이터를 비교 토의하라.
6.1. 3번에서 구한 Re의 값을 이용한 유동 판별
6.2. 데이터와 다른 논문에서 제시하는 데이터를 비교
6.2.1 Vorticity Field의 비교
6.2.2 속도장의 비교
7. 실험소감
8. Reference
9. Attatchment
9.1. [code 1] Time-Averaging Vector Plot CODE
9.2. [code 2] Mean recirculation region Length CODE
9.3. [code 3]
9.3.1 [code 3-1] 평균 속도장의 vorticity field
9.3.2 [code 3-2] Vorticity sum을 통한 주기성 도출 및 fft 변환
9.3.3 [code 3-3] 순간 속도장의 vorticity field
9.4. [code 4]
9.4.1 [code 4-1] 평균 streamline 그래프 도출
9.4.2 [code 4-2] 순간 streamline 그래프 도출

본문내용

2. 1번에서 구한 속도장으로 Mean recirculation region(Wake bubble)의 길이를 구하라. (Grid보다 작은 값은 Interpolation을 해야 함.) 그리고 이 값의 의미를 설명하라.

2.1 Wake bubble의 의미
유체가 실린더 표면을 흐를 때 압력차이의 효과가 shear stress에 의한 효과보다 비교적 크게 작용하기 때문에, 실린더 전방부에서는 정상적으로 흐름이 일어난다. 하지만 실린더의 중반을 지나면서 back pressure의 영향이 존재하게 되고, 따라서 유체의 흐름이 방해받게 된다. 조금 더 자세히 기술하자면, 실린더를 따라 흐르던 유체입자는 shear stress에 의하여 에너지를 잃어버림과 동시에 보다 마찰이 적은 방향으로 흐르기 위해서 실린더 면을 떠나게 되는 것이다. 이처럼 물체의 표면으로부터 유체 입자가 떨어져 나가는 현상을 separation이라 하는데, separation이 일어나는 점 이후의 실린더 면 근처 에서는 실린더 표면 쪽에서 받던 shear stress와 압력 차이에 의해서 shear layer의 vortex가 생기게 된다. 이 때 vortex에 의해 유동은 안쪽으로 회전하며 기존의 유동 진행방향과는 반대 방향의 속도 성분을 가지는 역류를 발생시키는데, 이 역류를 wake라고 한다. 그리고 이러한 유동이 존재하는 구간을 Mean recirculation region라고 한다. 이를 아래의 그림1.1 S. BALACHANDAR, R. MITTAL and F. M. NAJJAR, Properties of the mean recirculation region in the wakes of two-dimensional bluff bodies
에서도 확인할 수 있다.
[그림 1.1] Wake Bubble의 개형
[그림 1.] Reynold Number에 따른 Flow Pattern

또한 그림1.2 John D. Anderson, Fundamenal of Aerodynamics, 4th ed., McGrawHill
는 레이놀즈수의 변화에 따른 Flow pattern을 보여주고 있다. Re값에 따라서 Vortex의 Shedding이 달라지는 양상을 볼 수 있는데, 처음에는 끝 부분에 작은 와류가 생성될 뿐이지만, 레이놀즈수가 증가함에 따라 와류가 성장하여 물체로부터 떨어지며, 흐름에 영향을 미치게 됨을 알 수 있다.
이런 Wake bubble 현상은 실생활에서도 관찰할 수 있다. 야구공이나 골프공의 움직임에 의한 bubble 형성은 속력과 비거리의 감소를 야기하므로 이를 해결하기 위해 실밥과 움푹들어간 표면을 이용한다. 또한 항공기의 후류에서 나타나는 recirculation은 bubble을 이용해 항공기를 이륙하도록 도와주는 역할을 한다. 그리고 위의 flow pattern으로 부터도 확인할 수 있듯, 회전 방향이 다른 두 vortex는 상하로 번갈아가며, 주기성을 갖고 발생하게 된다. 만일 어떤 물체의 고유 진동수와 이 vortex의 진동수가 일치하게 되면, 공진 현상이 발생하게 되는 것이다. 따라서 mean recirculation region에 대해 조사하는

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