اصطدام النفاث على لوحة مائلة

الاصطدام النفاث بالهياكل الصلبة هو عملية مستخدمة على نطاق واسع في التطبيقات التكنولوجية ، مثل قطع المواد في الصناعة التحويلية وتوليد الطاقة من المصادر الهيدروليكية. يتكون الاصطدام النفاث من إطلاق سائل من خلال فوهة من منطقة الضغط العالي إلى منطقة الضغط المنخفض وضرب النفاثة أو اصطدامها بالهيكل. أثناء عملية الاصطدام ، يتم ممارسة القوى الناتجة عن التفاعل بين الضغط وسرعة مجال التدفق على سطح الجسم. على سبيل المثال ، في حالة الإقلاع والهبوط العمودي أو طائرة VTOL ، تنتج طائرتان مجتمعتان ما يكفي من الرفع لمساعدة الطائرة على الإقلاع عموديا دون استخدام المدرج. توفر طائرتان إضافيتان صغيرتان تم إصدارهما على كل جانب من جوانب الطائرة الاستقرار. تعتمد تأثيرات الاصطدام على أبعاد الطائرة وسرعتها ، وخصائص سطح الاصطدام ، والمسافة بين الفوهة والسطح. عندما تختلف درجات حرارة السطح والنفاثة اختلافا كبيرا ، فإن الاصطدام النفاث ينتج مستويات عالية من نقل الحرارة. سيوضح هذا الفيديو كيفية تحديد الحمل الذي تمارسه طائرة نفاثة على جسم ما وأيضا كيفية حساب المعلمات الأخرى ذات الأهمية لتشخيص التدفق ، مثل سرعة النفاثة ومعدل تدفق الكتلة.

قبل الخوض في البروتوكول التجريبي ، دعنا ندرس المبادئ الكامنة وراء الاصطدام النفاث. من أجل تدفق ثابت غير قابل للانضغاط لسائل بدون لزوجة ، تكون الطاقة الحركية والطاقة الكامنة للضغط حرة في التحول إلى بعضها البعض على طول خطوط الانسياب. في حين أن مجموع شكلي الطاقة ثابت دائما ، فإن هذا هو مبدأ برنولي المستمد من مبدأ الحفاظ على الطاقة. وفقا لهذا المبدأ ، تحدث الزيادة في السرعة ونتيجة لذلك في الطاقة الحركية للسائل بالتزامن مع انخفاض في ضغطه وطاقته الكامنة. مثل مجموعها ثابت دائما. هذه هي معادلة برنولي. معبرا عنه بأبعاد الضغط ، ويسمى المصطلح المرتبط بالطاقة الحركية الضغط الديناميكي. في حين أن المصطلح المرتبط بالطاقة الكامنة للضغط يسمى الضغط الساكن. تعطي إضافة هذين المصطلحين ثابت برنولي ، المعروف أيضا باسم ضغط الركود. يعرف ضغط الركود بأنه الحد الأقصى للضغط الذي سيصل إليه التدفق إذا توقف عن طريق تحويل كل ضغطه الديناميكي إلى ضغط ثابت. الآن دعنا نتحدث عن الإعداد التجريبي. تخرج النفاثة الهوائية من جلسة كاملة ذات ضغط عال عبر شق بعرض W وتمتد L إلى جهاز استقبال منخفض الضغط حيث تصطدم النفاثة بلوحة مائلة من زاوية ثيتا. يقسم خط الانسيابية الوسيط الطائرة إلى منطقتين. انحرف أحدهما لأعلى والآخر لأسفل. يتوقف خط الانسيابية الفاصل مباشرة عند الحائط عند نقطة الركود حيث يتم تحويل الضغط الديناميكي بالكامل إلى ضغط ثابت. عند نقطة الركود ، يكون لملف تعريف الضغط الذي تمارسه النفاثة على اللوحة قيمة قصوى p0. أثناء الابتعاد عن هذه النقطة ، ينخفض ملف الضغط بشكل مطرد حيث يتم تحويل الضغط الديناميكي المنخفض تدريجيا إلى ضغط ثابت. يعتمد ملف تعريف الضغط على زاوية الاصطدام ثيتا. عندما تكون ثيتا 90 درجة ، يكون خط الوسط هو أيضا خط الركود. من خلال تقليل زاوية الاصطدام ، يتحرك خط تبسيط الركود بعيدا عن الخط المركزي للنفاثة ، ونتيجة لذلك ، تصبح ذروة ملف تعريف الضغط أصغر وتتحول نحو مناطق اللوحة الأقرب إلى مخرج النفاثة. الضغط الكلي على سطح اللوحة المعرضة للنفاثة هو نتيجة الإضافة بين ضغط الاصطدام والضغط الساكن داخل جهاز الاستقبال. نظرا لأن الضغط داخل جهاز الاستقبال موزع بشكل متجانس ، فإن الضغط المحيط الذي يمارس على جانبي اللوحة يلغي. نتيجة لذلك ، يرجع الحمل الصافي على اللوحة إلى الضغط الزائد ويتم حسابه عن طريق التكامل على توزيع ضغط الاصطدام عبر منطقة اللوحة. عندما يتم تصريف السائل من خلال شق من منطقة الضغط العالي إلى منطقة الضغط المنخفض ، تميل النفاثة إلى التلاقى إلى منطقة تسمى الوريد العقدي. هذا هو الموقع الأول بعد أن تغادر النفاثة منفذ التفريغ الخاص بها حيث تصبح خطوط الانسيابية متوازية وبالتالي فإن الضغط الساكن يساوي ضغط البيئة المحيطة. دعونا نطبق معادلة برنولي بين موضع خروج النفاثة من الجلسة الكاملة والموضع عند الوريد التعاقدي. بالنظر إلى أن السرعة داخل الوريد المكتملة لا تكاد تذكر ، يمكن حساب السرعة عند الوريد المتعاقد باستخدام فرق الضغط بين الجلسة الكاملة والمستقبل. أخيرا ، بمعرفة نسبة الانكماش بين عرض الشق وعقد الوريد ، يمكن تقدير معدل التدفق الكتلي باستخدام سرعة النفاثة ومساحة الوريد التعاقدي. في الأقسام التالية ، سنقوم بقياس توزيع الضغط الناتج على اللوحة ثم حساب القوة الكلية عن طريق دمج مجال الضغط على مساحة اللوحة.

قبل البدء في التجربة ، نظرا لأن فتح الباب أمام جهاز الاستقبال أثناء التشغيل يحتمل أن يكون خطيرا ومضرا بالمنشأة ، تأكد من أن المنشأة غير قيد الاستخدام. إذا كان باب جهاز الاستقبال مفتوحا ، فإن المرفق غير مستخدم. إذا كان باب جهاز الاستقبال مغلقا ، فابحث من خلال النافذة. إذا لم يكن هناك موظفون بالداخل ، يكون الباب آمنا للفتح لأنه لا يمكن بدء تشغيل المنشأة إلا من الداخل أثناء إغلاق الباب. للبدء ، اضبط الأدوات وفقا للتخطيطي. قم بتوصيل المنفذ الموجب لمحول الضغط بإخراج صمام المسح. تأكد من أن صمام المسح في الوضع الرئيسي. قم بتوصيل خراطيم قياس الضغط للوحة بصمام المسح الضوئي بالترتيب اللاحق. تذكر أن تبدأ القياسات عند المدخل بجوار إخراج صمام المسح. أولا ، اضبط اللوحة على الزاوية المطلوبة ثيتا. ثانيا ، قم بقياس عرض فوهة النفاثة. ثالثا ، قم بقياس امتداد وارتفاع اللوحة. قم بتصفير محول الضغط وسجل قيمة ثابت المعايرة. سجل جميع المعلمات الأساسية للتجربة في جدول مرجعي. أولا ، افتح منفذ الضغط المنخفض لاستشعار الضغط في جهاز الاستقبال. ثم قم بتوصيل نقطة الضغط العالي لمحول الطاقة الذي تم وضع علامة عليه على أنه موجب بصنبور الضغط في الجلسة المكتملة. بعد ذلك ، ابدأ مرفق التدفق. قم بقياس الجهد المرتبط بفرق الضغط المستشعر بواسطة محول الضغط بين الجلسة الكاملة وجهاز الاستقبال باستخدام جهاز القياس الرقمي المتعدد. احسب هذه الكمية باستخدام ثابت المعايرة.

بمجرد معايرة الأداة وتسجيل المعلمات الأساسية ، تكون جاهزا لبدء الحصول على البيانات. أولا ، قم بتوصيل منفذ الضغط العالي لمحول الطاقة بالمنفذ المشترك لصمام المسح. قم أيضا بصقل صمام المسح لبدء القياس من أول موضع لصنبور الضغط على اللوحة. قم بتشغيل Traverse six على جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، وأدخل عامل التحويل من الفولت إلى الضغط ، واضبط معدل أخذ العينات على 100 هرتز وإجمالي العينات إلى 500 للحصول على خمس ثوان من البيانات. بعد ذلك ، أدخل الصفر في الأداة الافتراضية لموضع النقر الأول للضغط ثم قم بتسجيل البيانات. القيمة على الشاشة هي فرق الضغط بين صنبور الضغط وجهاز الاستقبال. قم بتحريك صمام المسح إلى موضع النقر التالي. أدخل الموضع الجديد في البرنامج مع العلم أن المسافة بين صنبريتين متتاليتين هي 25.4 ملم وسجل القيمة الجديدة لفرق الضغط. في نهاية التجربة ، يقوم البرنامج بإنشاء جدول ومخطط لموضع الصنبور مقابل الضغط. قم بتعديل معدل التدفق عن طريق تغيير موضع لوحة التحكم في التدفق لإغلاق منطقة التدفق بمقدار النصف تقريبا وتكرار قياسات الضغط. كرر القياسات لمعدلات التدفق وزوايا الميل المختلفة وسجل في كل مرة تظهر فيها نتائجك في جدول. عند جمع جميع البيانات، قم بإيقاف تشغيل مرفق التدفق.

بناء على البيانات التجريبية، يمكن الحصول على العديد من المعلمات ذات الأهمية. انظر إلى جدول النتائج ولكل زاوية لوحة ومعدل تدفق، استخدم فرق الضغط بين اللوحة الكاملة والمستقبل لحساب سرعة النفاثة عند الوريد الضيق. من الجدول المرجعي ، خذ قيم الامتداد L وعرض الشق ، واستخدم السرعة عند عقد الوريد المحسوبة مسبقا لتقدير معدل التدفق الكتلي. ثم انظر إلى مخطط الموضع مقابل الضغط الناتج عن اجتياز ستة واقرأ قيمة الذروة للضغط. أدخل القيمة في جدول النتائج. هذه القيمة هي تقدير مباشر لضغط الركود. الآن ، احسب القوة التي تصطدم باللوحة عن طريق دمج توزيع الضغط على مساحة اللوحة. للقيام بذلك ، استخدم فرق الضغط مقابل مخطط الموضع واحسب المساحة الواقعة أسفل المنحنى باستخدام قاعدة شبه منحرف أو قاعدة سيمبسون. أدخل القيمة في جدول النتائج.

ابدأ برسم أربع مجموعات من النتائج التي تم الحصول عليها على نفس الرسم البياني لاصطدام الطائرة المستوية على لوحة بزاويتين مختلفتين ومعدلي تدفق مختلفين. الآن ، قارن ملفات تعريف الضغط لزاويتي الاصطدام المختلفتين ونفس معدل التدفق. ملف الضغط عند 90 درجة أعلى من ملف تعريف الضغط ل 70 درجة. بينما تتمركز ذروة الاصطدام بزاوية 90 درجة ، يتم تحويل الذروة ل 70 درجة نحو قيمة x أقل. تخبرك هذه النتائج أنه بالنسبة لزاوية الاصطدام 90 درجة ، يتوافق تبسيط الركود مع خط وسط التدفق. يتميز خط الوسط بالسرعة القصوى ، وبالتالي بأقصى ضغط ديناميكي. مع انخفاض زاوية الاصطدام ، يتحرك انسياب الركود بعيدا عن خط سرعة الذروة وينحني بعيدا عن مساره الأصلي. بعد ذلك ، قارن ملفات تعريف الضغط لمعدلي التدفق المختلفين ونفس زاوية الاصطدام. ينخفض الضغط الأقصى مع معدل التدفق بسبب وجود انخفاض في الطاقة الحركية وبالتالي في الطاقة الديناميكية مع انخفاض معدل التدفق. انظر إلى جدول النتائج وقارن القيم المحسوبة للحمل على اللوحة. زاوية الاصطدام لها تأثير في تقليل الحمل الكلي لأنها تحول ضغط الركود من الضغط الذي يتزامن مع سرعة خط الوسط إلى خط انسيابي يحمل مستويات أقل من الضغط الديناميكي.

تستخدم نفاثات الاصطدام على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الصناعية والهندسية التي تمتد من المكونات الهيدروليكية والطيران إلى الإلكترونيات. يمكن استخدام تفاعل الضغط والسرعة لتشخيص التدفق. يتكون مسبار Prandtl أو pitot-static من أنبوبين متحدي المركز. يواجه الأنبوب الداخلي التدفق للكشف عن ضغط الركود. بينما يحتوي الأنبوب الخارجي على مجموعة من المنافذ الجانبية التي تستشعر الضغط الساكن. يتم الكشف عن الفرق في الضغط باستخدام مستشعر متكامل ، وتستخدم هذه القيمة لتقدير السرعة. يستخدم هذا الجهاز على نطاق واسع في هندسة السوائع. لتحديد على سبيل المثال ، سرعة الرياح بالنسبة للطائرة. يمكن قطع المواد اللينة مثل البلاستيك والخشب باستخدام نفث الماء الرقيق بسرعة عالية. بينما يمكن قطع المعادن بالماء عند إضافة جزيئات كاشطة إلى التيار. لتوليد نفاثة عالية السرعة لأغراض القطع ، من الضروري فرض ضغط عال في التدفق لتتمكن من تسريعه من خلال فوهة متقاربة. ثم يتم تحويل الطاقة الحركية العالية التي تحملها النفاثة إلى ضغط ديناميكي على سطح الجسم الذي يتم قطعه ، مما يمارس قوة قوية بما يكفي لإزالة المواد من السطح الاصطدامي.

لقد شاهدت للتو مقدمة Jove عن Jet Impingement على لوحة مائلة. يجب أن تفهم الآن كيف يولد التفاعل بين الضغط والسرعة قوى على الهياكل وأن تكون قادرا على حساب قوى الاصطدام وسرعات التدفق ومعدلات التدفق الكتلي. شكرا للمشاهدة.