Auftreffen auf einer geneigten Platte Jet

Das Jet-Impingement auf feste Strukturen ist ein weit verbreitetes Verfahren in technologischen Anwendungen, wie z. B. beim Materialschneiden in der Fertigungsindustrie und bei der Energiegewinnung aus hydraulischen Quellen. Das Jet-Impingement besteht darin, eine Flüssigkeit durch eine Düse aus einem Hochdruckbereich in einen Niederdruckbereich freizusetzen und den Strahl auf eine Struktur zu treffen oder zu treffen. Beim Aufprall werden Kräfte, die durch das Wechselspiel zwischen Druck und Geschwindigkeit des Strömungsfeldes entstehen, auf die Objektoberfläche ausgeübt. Im Falle eines senkrecht startenden und landenden Flugzeugs oder eines VTOL-Flugzeugs erzeugen beispielsweise zwei Jets zusammen genügend Auftrieb, um dem Flugzeug zu helfen, vertikal zu starten, ohne die Landebahn zu benutzen. Zwei zusätzliche kleinere Jets, die auf jeder Seite des Flugzeugs ausgegeben werden, sorgen für Stabilität. Die Auswirkungen des Aufpralls hängen von den Abmessungen und der Geschwindigkeit des Strahls, den Eigenschaften der auftreffenden Oberfläche und dem Abstand zwischen Düse und Oberfläche ab. Wenn sich die Temperaturen der Oberfläche und des Strahls erheblich unterscheiden, würde das Auftreffen des Strahls zu einem hohen Maß an Wärmeübertragung führen. In diesem Video wird veranschaulicht, wie die von einem Strahl auf ein Objekt ausgeübte Last bestimmt und wie andere Parameter, die für die Strömungsdiagnostik von Interesse sind, wie z. B. die Strahlgeschwindigkeit und der Massendurchfluss, berechnet werden können.

Bevor wir uns mit dem Versuchsprotokoll befassen, wollen wir die Prinzipien hinter dem Jet-Impingement untersuchen. Für eine stetige, inkompressible Strömung eines Fluids mit einer Viskosität von Null können sich die kinetische Energie und die potentielle Druckenergie entlang der Stromlinien frei ineinander umwandeln. Während die Summe der beiden Energieformen immer konstant ist, handelt es sich um das Bernoulli-Prinzip, das aus dem Prinzip der Energieerhaltung abgeleitet ist. Nach diesem Prinzip erfolgt die Erhöhung der Geschwindigkeit und in der Folge der kinetischen Energie des Fluids gleichzeitig mit einer Abnahme seines Drucks und seiner potentiellen Energie. Zum Beispiel, dass ihre Summe immer konstant ist. Das ist die Bernoulli-Gleichung. Ausgedrückt in Druckdimensionen wird der Begriff, der mit der kinetischen Energie verbunden ist, als dynamischer Druck bezeichnet. Während der Begriff, der mit der potentiellen Druckenergie verbunden ist, als statischer Druck bezeichnet wird. Die Addition dieser beiden Terme ergibt die Bernoulli-Konstante, die auch als Stagnationsdruck bekannt ist. Der Stagnationsdruck ist definiert als der maximale Druck, den die Strömung erreichen würde, wenn sie durch Umwandlung des gesamten dynamischen Drucks in statischen Druck zum Stillstand gebracht würde. Kommen wir nun zum Versuchsaufbau. Ein Luftstrahl tritt aus einem Hochdruckplenum durch einen Schlitz der Breite W und der Spannweite L zu einem Niederdruckbehälter aus, wo der Strahl auf eine geneigte Platte mit dem Winkel Theta trifft. Die Zwischenstromlinie unterteilt den Strahl in zwei Bereiche. Einer lenkte nach oben und der andere nach unten. Die Trennstromlinie endet direkt an der Wand, am Stagnationspunkt, wo der Staudruck vollständig in statischen Druck umgewandelt wird. Am Stagnationspunkt hat das Profil des Drucks, den der Strahl auf die Platte ausübt, einen Maximalwert p0. Wenn man sich von diesem Punkt entfernt befindet, nimmt das Druckprofil stetig ab, da nach und nach weniger dynamischer Druck in statischen Druck umgewandelt wird. Das Druckprofil hängt vom Aufprallwinkel Theta ab. Wenn Theta 90 Grad beträgt, ist die Mittellinie auch die Stagnationslinie. Durch die Verringerung des Aufprallwinkels verschiebt sich die Stagnationsstromlinie von der Mittellinie des Strahls weg, und in der Folge wird die Spitze des Druckprofils kleiner und verschiebt sich in Richtung Bereiche der Platte, die näher am Strahlaustritt liegen. Der Gesamtdruck auf der Oberfläche der Platte, die dem Strahl ausgesetzt ist, ergibt sich aus der Addition zwischen dem Aufpralldruck und dem statischen Druck im Inneren des Receivers. Da der Druck im Inneren des Behälters homogen verteilt ist, hebt sich der auf beide Seiten der Platte ausgeübte Umgebungsdruck auf. Folglich ist die Nettobelastung der Platte auf den Überdruck zurückzuführen und wird durch Integration der Aufpralldruckverteilung über den Bereich der Platte berechnet. Wenn eine Flüssigkeit durch einen Schlitz von einem Hochdruckbereich in einen Niederdruckbereich abgegeben wird, neigt der Strahl dazu, in einen Bereich zu konvergieren, der Vena contracta genannt wird. Dies ist die erste Stelle, nachdem der Strahl seine Auslassöffnung verlassen hat, an der die Stromlinien parallel werden und folglich der statische Druck dem Druck der Umgebung entspricht. Wenden wir die Bernoulli-Gleichung zwischen der Position, an der der Strahl aus dem Plenum austritt, und der Position an der Vena contracta an. Unter der Annahme, dass die Geschwindigkeit innerhalb des Plenums vernachlässigbar ist, kann die Geschwindigkeit an der Vena contracta anhand der Druckdifferenz zwischen dem Plenum und dem Empfänger berechnet werden. Schließlich kann bei Kenntnis des Kontraktionsverhältnisses zwischen der Schlitzbreite und der Vena contracta der Massendurchfluss anhand der Strahlgeschwindigkeit und der Fläche der Vena contracta geschätzt werden. In den folgenden Abschnitten messen wir die resultierende Druckverteilung auf der Platte und berechnen dann die Gesamtkraft, indem wir das Druckfeld über die Fläche der Platte integrieren.

Vergewissern Sie sich vor Beginn des Experiments, dass die Anlage nicht in Gebrauch ist, da das Öffnen der Tür zum Empfänger während des Betriebs potenziell gefährlich und schädlich für die Anlage ist. Wenn die Tür zum Empfänger geöffnet ist, wird die Anlage nicht verwendet. Wenn die Tür zum Hörer geschlossen ist, schauen Sie durch das Fenster. Wenn sich kein Personal im Inneren befindet, kann die Tür sicher geöffnet werden, da die Anlage nur bei geschlossener Tür von innen gestartet werden kann. Stellen Sie zunächst die Instrumente gemäß dem Schaltplan ein. Verbinden Sie den Plusanschluss des Druckmessumformers mit dem Ausgang des Abtastventils. Stellen Sie sicher, dass sich das Abtastventil in der Ausgangsposition befindet. Verbinden Sie die piezometrischen Schläuche der Platte in nachfolgender Reihenfolge mit dem Abtastventil. Denken Sie daran, die Messungen am Einlass neben dem Ausgang des Abtastventils zu starten. Stellen Sie zunächst die Platte auf den gewünschten Theta-Winkel ein. Messen Sie zweitens die Breite der Strahldüse. Drittens, messen Sie die Spannweite und Höhe der Platte. Stellen Sie den Druckmessumformer auf Null und notieren Sie den Wert für die Kalibrierkonstante. Notieren Sie alle grundlegenden Parameter des Experiments in einer Referenztabelle. Öffnen Sie zunächst den Niederdruckanschluss, um den Druck im Empfänger zu spüren. Verbinden Sie dann den als positiv markierten Hochdruckpunkt des Messumformers mit dem Druckhahn des Plenums. Starten Sie als Nächstes die Flow-Funktion. Messen Sie mit dem Digitalmultimeter die Spannung, die mit der vom Druckmessumformer gemessenen Druckdifferenz zwischen dem Plenum und dem Empfänger verbunden ist. Berechnen Sie diese Größe mit Hilfe der Kalibrierkonstante.

Sobald das Gerät kalibriert und die grundlegenden Parameter aufgezeichnet sind, können Sie mit der Datenerfassung beginnen. Verbinden Sie zunächst den Hochdruckanschluss des Messkopfs mit dem gemeinsamen Anschluss des Abtastventils. Schärfen Sie auch das Abtastventil, um Ihre Messung von der ersten Position des Druckabgriffs auf der Platte aus zu starten. Führen Sie Traverse six auf Ihrem Computer aus, geben Sie den Umrechnungsfaktor von Volt in Druck ein, und stellen Sie die Abtastrate auf 100 Hertz und die Summe der Abtastungen auf 500 ein, um Daten von fünf Sekunden zu erhalten. Geben Sie anschließend im virtuellen Instrument die Null für die Position des ersten Druckabgriffs ein und zeichnen Sie dann die Daten auf. Der Wert auf dem Bildschirm ist die Druckdifferenz zwischen dem Druckhahn und dem Empfänger. Bringen Sie das Abtastventil in die nächste Zapfposition. Geben Sie die neue Position in der Software ein, da Sie wissen, dass der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gewindebohrungen 25,4 Millimeter beträgt, und zeichnen Sie den neuen Wert der Druckdifferenz auf. Am Ende des Experiments erstellt die Software eine Tabelle und ein Diagramm der Klopfposition in Abhängigkeit vom Druck. Ändern Sie die Durchflussmenge, indem Sie die Position der Durchflussregelplatte ändern, um den Durchflussbereich etwa um die Hälfte zu schließen und die Druckmessungen zu wiederholen. Wiederholen Sie die Messungen für verschiedene Durchflussraten und Neigungswinkel und notieren Sie jedes Mal Ihre Ergebnisse in einer Tabelle. Wenn alle Daten gesammelt wurden, schalten Sie die Strömungseinrichtung aus.

Basierend auf den experimentellen Daten können mehrere interessante Parameter ermittelt werden. Schauen Sie sich die Ergebnistabelle an und verwenden Sie für jeden Plattenwinkel und jede Durchflussrate die Druckdifferenz zwischen dem Plenum und dem Empfänger, um die Strahlgeschwindigkeit an der Vena contracta zu berechnen. Nehmen Sie aus der Referenztabelle die Werte für die Spannweite L und die Breite des Schlitzes und verwenden Sie die zuvor berechnete Geschwindigkeit an der Vena contracta, um den Massendurchfluss zu schätzen. Schauen Sie sich dann das von Traverse 6 generierte Diagramm "Position gegen Druck" an, und lesen Sie den Spitzenwert des Drucks ab. Geben Sie den Wert in die Ergebnistabelle ein. Dieser Wert ist eine direkte Abschätzung des Stagnationsdrucks. Berechnen Sie nun die Kraft, die auf die Platte auftrifft, indem Sie die Druckverteilung über die Plattenfläche integrieren. Verwenden Sie dazu das Diagramm Druckdifferenz versus Position und berechnen Sie die Fläche unter der Kurve mit der Trapezregel oder der Simpson-Regel. Geben Sie den Wert in die Ergebnistabelle ein.

Beginnen Sie damit, in demselben Diagramm vier Sätze von Ergebnissen darzustellen, die für das Auftreffen des Flugzeugstrahls auf eine Platte in zwei verschiedenen Winkeln und zwei unterschiedlichen Durchflussraten erhalten wurden. Vergleichen Sie nun die Druckprofile für die beiden unterschiedlichen Aufprallwinkel und die gleiche Durchflussmenge. Das Druckprofil bei 90 Grad ist höher als bei 70 Grad. Während der Peak für das 90-Grad-Aufprallverhalten zentriert ist, wird der Peak für 70 Grad in Richtung eines niedrigeren x-Werts verschoben. Diese Ergebnisse geben Aufschluss darüber, dass bei einem Aufprallwinkel von 90 Grad die Stagnationsstromlinie der Strömungsmittellinie entspricht. Die Mittellinie wird durch die Spitzengeschwindigkeit und damit durch den maximalen Staudruck charakterisiert. Wenn der Aufprallwinkel abnimmt, bewegt sich die Stagnationsstromlinie von der Spitzengeschwindigkeitslinie weg und biegt sich von ihrem ursprünglichen Pfad weg. Vergleichen Sie als Nächstes die Druckprofile für die beiden unterschiedlichen Durchflussmengen und den gleichen Aufprallwinkel. Der maximale Druck nimmt mit der Durchflussmenge ab, da die kinetische Energie und damit die dynamische Energie mit abnehmender Durchflussmenge abnimmt. Schauen Sie sich die Ergebnistabelle an und vergleichen Sie die berechneten Werte für die Belastung der Platte. Der Aufprallwinkel hat den Effekt, dass die Gesamtlast reduziert wird, da er den Stagnationsdruck von demjenigen, der mit der Mittelliniengeschwindigkeit zusammenfällt, zu einer Stromlinie verlagert, die einen geringeren dynamischen Druck mit sich bringt.

Aufpralldüsen werden in vielen industriellen und technischen Anwendungen eingesetzt, die von der Hydraulik über die Luftfahrt bis hin zur Elektronik reichen. Das Zusammenspiel von Druck und Geschwindigkeit kann für die Strömungsdiagnostik genutzt werden. Eine Prandtl- oder pitot-statische Sonde besteht aus zwei konzentrischen Rohren. Der Innenschlauch ist der Strömung zugewandt, um den Stagnationsdruck zu erkennen. Während das äußere Rohr über eine Reihe von seitlichen Anschlüssen verfügt, die den statischen Druck messen. Mit einem integrierten Sensor wird die Druckdifferenz erfasst und dieser Wert zur Abschätzung der Geschwindigkeit verwendet. Dieses Gerät wird in großem Umfang in der Fluidtechnik eingesetzt. Um zum Beispiel die Geschwindigkeit des Windes relativ zum Flugzeug zu bestimmen. Weiche Materialien wie Kunststoffe und Holz können mit einem dünnen Wasserstrahl bei hoher Geschwindigkeit geschnitten werden. Während Metalle mit Wasser geschnitten werden können, indem dem Strahl Schleifpartikel hinzugefügt werden. Um einen Hochgeschwindigkeitsstrahl für Schneidzwecke zu erzeugen, ist es notwendig, einen hohen Druck in die Strömung auszuüben, um sie durch eine konvergierende Düse beschleunigen zu können. Die hohe kinetische Energie, die vom Strahl mitgeführt wird, wird dann in dynamischen Druck an der Oberfläche des zu schneidenden Objekts umgewandelt, wobei eine Kraft ausgeübt wird, die stark genug ist, um Material an der auftreffenden Oberfläche zu entfernen.

Sie haben gerade Jove's Introduction to Jet Impingement on an Inclined Plate gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie das Zusammenspiel von Druck und Geschwindigkeit Kräfte auf die Strukturen erzeugt und in der Lage sein, die Aufprallkräfte, Strömungsgeschwindigkeiten und Massenströme zu berechnen. Danke fürs Zuschauen.