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Mechanical Engineering

Auftreffen auf einer geneigten Platte Jet

Jet Impinging on an Inclined Plate

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Jet Impinging on an Inclined Plate

3.9: Hot Wire Anemometry

3.15: Determination of Impingement Forces on a Flat Plate with the Control Volume Method

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13:29 min

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April 30, 2023

Overview

Quelle: Ricardo Mejia-Alvarez und Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI

Dieses Experiment soll zeigen, wie eine Flüssigkeit fließen Kräfte auf die Strukturen durch Umwandlung der Staudruck in statischen Druck ausübt. Zu diesem Zweck machen wir einen Flugzeug Jet treffen auf eine flache Platte und die daraus resultierenden Druckverteilung entlang der Platte zu messen. Die resultierende Kraft wird geschätzt werden, indem das Produkt zwischen der Druckverteilung und entsprechend definierten Bereich Differentiale entlang der Oberfläche der Platte zu integrieren. Dieses Experiment wird für zwei Winkel der Neigung der Platte in Bezug auf die Richtung des Strahls und zwei Volumenströme wiederholt werden. Jede Konfiguration erzeugt eine unterschiedliche Druckverteilung entlang der Platte, die das Ergebnis der verschiedenen Ebenen der Umwandlung der Staudruck in statischen Druck an der Plattenoberfläche.

Für dieses Experiment wird mit einer Membran Druckaufnehmer mit einem Scan Ventil verbunden Druck gemessen werden. Die Platte selbst hat kleine Perforationen genannt Druckverschlüssen, die mit dem Scan Ventil durch Schläuche verbunden. Der Scan Ventil sendet den Druck von diese Hähne an der Drucksensor eine zu einem Zeitpunkt. Der Druck verursacht mechanische Auslenkung auf die Membran, die Spannung der Drucksensor umwandelt. Diese Spannung ist proportional zu der Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Membran.

Principles

In stationäre inkompressible Strömungen mit vernachlässigbar Änderungen im Gravitationspotential, Bernoulli Gleichung als die Zugabe von zwei Formen von Energie interpretiert werden könnte: kinetische Energie und Druck potentielle Energie. In einem reibungsfreie Prozess können diese Energieformen ineinander verwandeln entlang Stromlinien während den anfänglichen Gesamtbetrag der Energie konstant zu halten. Diese Energie-Summe ist die Bernoulli Konstante genannt. Der Einfachheit halber kann in Dimensionen des Drucks mit dem Prinzip der dimensionalen Homogenität [3] Bernoulli Gleichung ausgedrückt werden. Unter diesem dreidimensionalen Transformation der Begriff kinetische Energie zugeordnet ist “Staudruck” genannt, der Begriff zugeordnete Druck potentielle Energie nennt man “statischen Druck” und die Bernoulli konstante heißt “Ruhedruck”. Letzteres kann als der maximale Druck interpretiert werden, die der Fluss erreichen würde, wenn zum Stillstand gebracht, durch die Umwandlung der Staudruck in statischen Druck. Diese Grundsätze können besser durch die folgende Form der Bernoulli Gleichung beschrieben werden:

(1)

Wo ist der statische Druck, ist der dynamische Druck und ist der Ruhedruck. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des aktuellen Experiment. Wie gezeigt, ein Luftstrahl verläßt ein Vorgang Plenum durch einen Spalt der Breite W und L zu einem geschlossenen Raum bei einem geringeren Druck Empfänger benannt. Der Empfänger ist ein kleiner Raum, der als der Messstrecke für das Experiment dient. Freuen Sie sich auf das Equipment für die Akquisition und die Experimentatoren. Nach einiger Entfernung fließt, trifft der Jet auf einem flachen Teller in den Empfänger, der einen Winkel mit der Jet-Achse macht. Der Jet in Abbildung 1a durch drei Stromlinien beschrieben ist. Fortgeschrittene Streamline teilt sich der Strahl in zwei Regionen, die nach oben abgelenkt wird und eine, die nach unten abgelenkt wird. Da die trennende Streamline nicht abgelenkt erhalten, stoppt es direkt an der Wand an, was als der Staupunkt bekannt ist. An diesem Punkt der Staudruck in statischen Druck umgewandelt wird und der Druck erreicht seinen maximalen Level, . Das Druckniveau verringert abseits der Staupunkt, weil zunehmend weniger Staudruck in statischen Druck umgewandelt wird.

Je nach Betrachtungswinkel Impingement ( in Abbildung 1), Stagnation Streamline verfolgt einen anderen Weg. Wenn , die Mittellinie des Jet ist auch Stagnation Streamline. Als wird verringert, die Stagnation Streamline bewegt sich weg von der Mittellinie des Jets in Richtung Flugbahnen, die näher an der Außenkante des Jets starten. Da 90^o auch die Flugbahn der Maximalgeschwindigkeit, ergo maximalen Staudruck, seine daraus resultierende Staupunkt erreichen den maximalen Wert des Drucks im Vergleich zu anderen Bahnen bei kleineren Werten von . Zusammenfassend lässt sich sagen ist die Wirkung des Impingement Winkels auf der Druckverlauf zu verringern seinen maximalen Wert und ihren Höhepunkt in Regionen der Platte näher auf die Jet-Ausfahrt Richtung zu verdrängen.

Die gestrichelte Linie in Abbildung 1a stellt die net Druckverteilung entlang der Oberfläche der Platte bis zum Jet ausgesetzt. Hinweis aus Abbildung 1 Buchstabe b, die gesamten Druck auf der Platte, , ist die Ergänzung des umgebenden Drucks, , plus Impingement Druck oder Überdruck, . Da der Umgebungsdruck homogen verteilt ist, es hebt und die Last auf dem Teller ist ausschließlich das Ergebnis der Überdruck. Diese Druckverteilung wird experimentell ermittelt und verwendet, um die Nutzlast auf der Platte nach dem folgenden Integral zu schätzen:

(2)

Da die experimentellen Daten diskret ist, kann dieses Integral mit dem trapezförmigen Regel oder die Simpson [4] geschätzt werden.

Darüber hinaus als Flüssigkeiten aus einer Vakuumfähigkeiten Region zu einer niedrigeren Druck-Region durch Öffnungen oder Schlitze entlassen werden, der ausstellende Jet neigt dazu, zunächst in einer Region namens Vena Contracta zusammenlaufen (siehe Abbildung 1 als Referenz) und dann auseinander Danach fließt er weg von der Entlastung Port [5]. Vena Contracta ist in der Tat der erste Standort, nachdem ein Jet seine Entlastung Hafen verlässt in der Stromlinien parallel zu. Folglich ist dies der erste Ort entlang der Jet, der statische Druck den Druck der Umgebung [5 entspricht]. Im vorliegenden Experiment das Plenum ist die Vakuumfähigkeiten Region und der Empfänger ist der untere Druck-Region. Weiter, die Geschwindigkeit in das Plenum ist vernachlässigbar, und es kann stagnieren mit sehr guter Näherung betrachtet werden. Infolgedessen könnte Gleichung (1) verwendet werden, um der Geschwindigkeit an der Vena Vertragfestzustellen, wie folgt:

(3)

Hier, ist der Druckunterschied zwischen dem Plenum und dem Empfänger. Im Allgemeinen ist die Kontraktion Verhältnis zwischen die Spaltbreite und die Vena Contracta sehr ungefähr [5, 6, 7]:

(4)

Daher der Massendurchsatz abgeschätzt werden (3) und (4) wie folgt:

(5)

Hier, ist der Bereich der Vena Contracta.

Abbildung 1 . Schematische Darstellung der Grundkonfiguration. Ein Flugzeug Jet verlässt das Plenum in den Empfänger durch einen Spalt der Breite W. Der Strahl trifft auf eine geneigte Platte und es beim Ausüben einer Druckbelastung auf der Oberfläche (gestrichelte Linie) umgelenkt wird. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Procedure

1. Einstellen der Anlage

Stellen Sie sicher, dass in der Anlage gibt es keine Strömung.
Setzen Sie die Instrumente nach dem Schaltplan in Abbildung 2.
Passen Sie die Platte auf den gewünschten Winkel . Tragen Sie diesen Wert in Tabelle 1.
Messen Sie die Jet-Düse-Breite w. Tragen Sie diesen Wert in Tabelle 1.
Messen Sie die Platte L. Datensatz dieser Wert in der Tabelle 1.
Der Drucksensor auf Null.
Beachten Sie die Kalibrierung Konstante der Druckaufnehmer, m_p (Pa/V). Tragen Sie diesen Wert in Tabelle 1.
Verbinden Sie den Hochdruck-Port des Wandlers (gekennzeichnet als +) zu den Druckmessstutzen des Plenums (gekennzeichnet als ).
Da die Vorgänge im Inneren des Empfängers stattfinden, verlassen den Niederdruck Hafen des Wandlers (gekennzeichnet als-) geöffnet, den Druck im Empfänger zu spüren ().
Starten Sie die Fluss-Anlage (FLL).
Verwenden Sie den digitalen Multimeter die Spannung aufzeichnen (V) verbunden mit der Druckdifferenz zwischen dem Plenum und den Empfänger von der Drucksensor spürte. Tragen Sie diesen Wert in Tabelle 2.
Verwenden Sie die Kalibrierung konstant m_p von 1,7 die Druckdifferenz zwischen dem Plenum und den Empfänger zu bestimmen (). Notieren Sie sich dieser Wert auf Tabelle 2.

Abbildung 2: Details des Datenerfassungssystems. Schaltplan für Ausrüstung Verbindungen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Tabelle 1. Grundparameter für experimentelle Studie.

Parameter	Wert
Jet-Düse Breite (W_n)	41,3 mm
Platte Spannweite (L)	81,3 cm
Traufhöhe (H)	61cm
Wandler-Kalibrierung-Konstante (M_p)	137.6832 Pa/V

2. Durchführung des Experiments

Verbinden Sie den Hochdruck-Port des Wandlers (gekennzeichnet als +) an den gemeinsamen Anschluss des Ventils Scan. Verlassen den Niederdruck Hafen des Wandlers (gekennzeichnet als-) geöffnet, den Druck im Empfänger zu spüren ().
Hause das Scan Ventil, Ihre Messung von den ersten Druck zu starten Tippen Sie auf Position.
Führen Sie die Traverse VI (LabView virtuelles Instrument).
Geben Sie die Kalibrierung konstant m_p in der VI.
Legen Sie die Sampling-Rate auf 100Hz und die Summe der Proben bis 500 (d.h. 5 Sekunden von Daten).
Geben Sie in das VI die Position () von den Druckmessstutzen aus welche Platte-Druck Daten erworben werden werden. Berücksichtigen Sie, dass die Druckverschlüssen von 25,4 mm verteilt sind. Daher werden die Position mm, wo ist der Index des Gewindebohrers beginnend bei 0.
Notieren Sie die Daten. Das VI wird die Druckdifferenz zwischen dem Druck Hahn und der Empfänger lesen (.
Der Scan Ventil Schritt auf die nächste Position tippen.
Wiederholen Sie die Schritte 2,6 bis 2,8 bis alle Druckverschlüssen durchlaufen werden.
Am Ende enthält die VI eine Tabelle und ein Grundstück von Hahn Stellung gegen Druck.
Stoppen Sie das VI.
Ändern Sie die Position von die Steuerplatte Flow, Flow-Bereich rund um die Hälfte schließen (siehe Abbildung 3 als Referenz). Dies wird die Durchflussmenge ändern. Verwenden Sie Gleichung (5), um den Wert dieser Durchflussmenge bestimmen.
Wiederholen Sie die Schritte 2,3 bis 2.11 für die neue Position der Flow Control Platte.
Ändern Sie den Winkel der Impingement-Platte und legen Sie die Steuerplatte fließen in seine Ausgangsposition zurück.
Wiederholen Sie die Schritte 2,3 bis 2.14 für 80^o, 70^o60^o, 50^ound 45^o.

Abbildung 3. Experimentelle Einstellung. Testabschnitt. Links: Impingement Platte vor Schlitz. Vakuumfähigkeiten Luft wird aus dem Plenum in den Empfänger durch diesen Schlitz abgeführt. Mitte: Druckverschlüssen an der Impingement-Platte angeschlossen sind in der Scan Ventil zum Beispiel eine zu einem Zeitpunkt verteilt. Rechts: Impingement Platte vor Empfänger Entlastung. Die Entlastung hat ein Lochblech, Durchflussmenge regulieren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

3. Analyse

Zeichnen Sie für jeden Neigungswinkel die Druckdaten für beide Volumenströme.
Verwenden Sie die experimentellen Daten, um die Kraft auf die Platte, die anhand der Gleichung (2) abzuschätzen.
Bestimmen Sie die Jet-Geschwindigkeit an der Vena Contracta mit Gleichung (3).
Schätzung des Massenstroms nach Gleichung (5).

Jet-Auftreffen auf feste Strukturen ist ein weit verbreitetes Verfahren in technologischen Anwendungen, wie Material schneiden in der herstellenden Industrie und Energie-Generation von hydraulischen Quellen. Jet-Impingement besteht aus Freigabe einer Flüssigkeit durch eine Düse aus einer Hochdruck-Region um einen Niederdruckbereich und auffällig oder Auftreffen des Jets auf eine Struktur. Während des Prozesses des Impingement sind Kräfte, die durch das Zusammenspiel zwischen Druck und Geschwindigkeit des Strömungsfeldes erzeugt auf der Objektoberfläche ausgeübt. Zum Beispiel bei einem vertikalen Start und Landung oder Senkrechtstarter produzieren zwei Jets kombiniert genug Auftrieb, um das Flugzeug senkrecht abheben ohne Verwendung der Start-und Landebahn zu helfen. Zwei weitere kleinere Jets ausgestellt auf jeder Seite des Flugzeugs sorgt für Stabilität. Die Auswirkungen des Impingement je nach der Jet-Abmessungen und -Geschwindigkeit, die Eigenschaften der Oberfläche auftreffen und der Abstand zwischen Düse und Oberfläche. Wenn die Temperaturen an der Oberfläche und der Jet erheblich unterschiedlich sind, würde Jet Impingement hohe Wärmeübertragung produzieren. Dieses Video wird zeigen, wie die Belastung durch einen Strahl auf ein Objekt zu bestimmen und auch andere Parameter von Interesse für Fluss-Diagnose, wie Jet Velocity und Massenstrom berechnen.

Vor dem Eintauchen in das experimentelle Protokoll, wir studieren die Prinzipien hinter Jet Impingement. Für einen stetigen inkompressiblen Fluss einer Flüssigkeit mit Null Viskosität sind die kinetische Energie und Druck potentielle Energie frei, einander entlang der Stromlinien verwandeln. Während die Summe der zwei Formen von Energie immer konstant ist, ist das Bernoulli Prinzip, das Prinzip der Energieerhaltung abgeleitet. Nach diesem Prinzip tritt eine Erhöhung der Geschwindigkeit und in der Folge in die kinetische Energie eines Fluids zeitgleich mit einem Rückgang der Druck und die potentielle Energie. Wie ist ihre Summe immer konstant. Dies ist die Bernoulli Gleichung. In Dimensionen des Drucks ausgedrückt, wird der Begriff verbunden mit kinetischer Energie Staudruck genannt. Während der Begriff der Druck potentielle Energie zugeordnet ist statischer Druck genannt. Der Zusatz dieser beiden Begriffe gibt die Bernoulli Konstante, auch bekannt als Ruhedruck. Totaldruck ist definiert als der maximale Druck, die der Fluss erreichen würde, wenn zum Stillstand gebracht, durch die Umwandlung aller seiner Staudruck in statischen Druck. Jetzt reden wir über den Versuchsaufbau. Ein Luftstrahl verläßt ein Hochdruck-Plenum durch einen Spalt der Breite W und Spannweite L zu einem niedrigeren Druck Empfänger wo der Jet auf einer geneigten Platte Winkel Theta auftrifft. Fortgeschrittene Streamline teilt sich der Strahl in zwei Regionen. Ein nach oben umgelenkt und die andere nach unten. Trennende Streamline hält direkt vor der Wand in der Staupunkt, wo der dynamische Druck vollständig in statischen Druck umgewandelt wird. Der Staupunkt hat das Profil des Drucks durch den Jet auf der Platte einen maximalen Wert p0. Während weg von diesem Punkt verringert das Druckprofil stetig da zunehmend weniger Staudruck in statischen Druck umgewandelt wird. Das Druckprofil hängt das Impingement Winkel Theta. Wenn Theta 90 Grad ist, ist die Mittellinie auch die Stagnation. Durch eine Verringerung des Impingement-Winkels, Stagnation Streamline bewegt sich weg von der Mittellinie des Jets, und in der Folge der Gipfel das Druckprofil wird kleiner und Regionen der Platte näher rückt, bis zum Jet-Ausgang. Der Gesamtdruck auf der Oberfläche der Platte bis zum Jet ausgesetzt ist das Ergebnis der Addition zwischen dem Impingement-Druck und der statische Druck im Inneren des Empfängers. Da der Druck im Inneren des Empfängers homogen verteilt ist, hebt der umgebende Druck auf beiden Seiten der Platte. In der Folge die Nutzlast auf der Platte ist durch den Überdruck und es ergibt sich durch Integration über die Impingement Druckverteilung über den Bereich der Platte. Wenn eine Flüssigkeit durch einen Schlitz aus einer Hochdruck-Region um einen Niederdruckbereich entladen ist, ist der Jet tendenziell zu einem Gebiet namens Vena Contracta konvergieren. Dies ist der erste Ort nach der Jet verlässt seine Entlastung Port in der Stromlinien parallel werden und folglich ist der statische Druck den Druck der Umgebung gleich. Wenden Sie die Bernoulli Gleichung zwischen der Position, wo der Strahl aus dem Plenum beendet, und die Position, an der Vena Contracta. In Anbetracht der Geschwindigkeit in das Plenum zu vernachlässigen ist kann die Geschwindigkeit an der Vena Contracta mit der Druckdifferenz zwischen dem Plenum und dem Empfänger berechnet werden. Schließlich werden wissen die Kontraktion Verhältnis zwischen den Schlitz Breite und Vena Contracta, der Massenstrom abgeschätzt mit dem Jet-Geschwindigkeit und die Vena Contracta. In den folgenden Abschnitten wir messen die resultierende Druckverteilung auf dem Teller und dann berechnen die Gesamtkraft durch die Integration der Druckfeld auf die Platte Fläche.

Stellen Sie bevor Sie beginnen das Experiment, da öffnen der Tür an den Empfänger während des Betriebs potentiell gefährlich und schädlich für die Anlage ist sicher, dass die Anlage nicht in Betrieb ist. Wenn die Tür an den Empfänger geöffnet ist, wird die Anlage nicht verwendet. Bei geschlossener Tür an den Empfänger durch das Fenster schauen. Gibt es kein Personal im Inneren, ist die Tür zu öffnen, weil die Anlage nur aus gestartet werden kann sicher im Inneren, während die Tür geschlossen ist. Um zu beginnen, setzen die Instrumente nach dem Schaltplan. Der positive Anschluss der Drucksensor an den Ausgang des Scan Ventils anschließen. Sicherstellen Sie, dass das Scan-Ventil auf die home-Position ist. Die piezometrischen Schläuche der Platte zum Scan Ventil in der nachfolgenden Reihenfolge anschließen. Denken Sie daran, die Messungen an der Aufnahme neben den Ausgang des Ventils Scan zu starten. Stellen Sie zuerst die Platte, um den gewünschten Winkel Theta. Zweitens die Jet-Düse-Breite zu messen. Drittens: Messen der Spannweite und Höhe der Platte. Null der Drucksensor und notieren Sie den Wert für die Kalibrierung Konstante. Notieren Sie die grundlegenden Parameter des Experiments in einer Referenztabelle. Öffnen Sie zunächst den Niederdruck Hafen um den Druck im Empfänger zu spüren. Schließen Sie dann den Hochdruck Punkt des Wandlers gekennzeichnet als positiv zu den Druckmessstutzen des Plenums. Als nächstes beginnen Sie die Fluss-Anlage. Messen Sie die Spannung der Druckdifferenz vom Druckaufnehmer zwischen Plenum und die digital-Multimeter mit Empfänger zugeordnet. Berechnen Sie diese Menge mit der Kalibrierung konstant.

Sobald das Gerät kalibriert und die grundlegenden Parameter erfasst, sind Sie bereit um die Datenerfassung zu starten. Zunächst verbinden Sie den Hochdruck-Port des Wandlers an den gemeinsamen Anschluss des Ventils Scan. Auch schärfen Sie das Scan Ventil um Ihre Messung aus der ersten Druck-Tap-Position auf der Platte zu starten. Führen Sie Traverse 6 auf Ihrem Computer aus, geben Sie den Umrechnungsfaktor von Volt, Druck und legen Sie die Sampling-Rate auf 100 Hertz und die Summe der Proben bis 500 um fünf Sekunden an Daten zu erhalten. Als nächstes geben Sie eine Null in das virtuelle Instrument für die Position des ersten Druckmessstutzen und notieren Sie die Daten. Der Wert auf dem Bildschirm ist die Druckdifferenz zwischen den Druckmessstutzen und dem Empfänger. Der Scan Ventil Schritt auf die nächste Position tippen. Stellen Sie die neue Position in der Software zu wissen, dass der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Armaturen 25,4 Millimeter und nehmen Sie den neuen Wert der Druckdifferenz. Am Ende des Experiments erzeugt die Software ein Tisch und ein Grundstück von der Tap-Position gegen den Druck. Ändern Sie die Durchflussmenge durch Veränderung der Position der Fluss Steuerplatte in unmittelbarer Nähe der Strömungsquerschnitt rund die Hälfte und wiederholen die Druckmessungen. Wiederholen Sie die Messungen für verschiedene Durchflussmengen und Neigungswinkeln und zeichnen Sie jedes Mal Ihre Ergebnisse in einer Tabelle. Wenn alle Daten gesammelt worden, die Flow-Anlage ausgeschaltet.

Basierend auf den experimentellen Daten, können mehrere Parameter von Interesse erhalten werden. Schau die Ergebnistabelle und für jede Platte Winkel und Flow Rate, die Druckdifferenz zwischen Plenum und Empfänger verwenden, um die Jet-Geschwindigkeit an der Vena Contracta berechnen. Nehmen Sie aus der Verweistabelle die Werte für die Spanne L und der Spaltbreite und verwenden Sie die Geschwindigkeit an der Vena Contracta zuvor berechnet, der Massenstrom schätzen. Dann schauen Sie sich die Position gegenüber Druck Plot durch Traverse 6 erzeugt und lesen Sie den Spitzenwert des Drucks zu. Stellen Sie den Wert in der Ergebnistabelle. Dieser Wert ist eine direkte Schätzung der Ruhedruck. Berechnen Sie jetzt, die Kraft, die durch die Integration der Druckverteilung über die Fläche der Platte auf dem Teller ausgewirkt. Um dies zu tun, verwenden Sie den Rückenbereich Unterschied im Vergleich zu Positionsdiagramm und berechnen Sie die Fläche unter der Kurve mit der Trapez-Regel oder Simpson Regel. Stellen Sie den Wert in der Ergebnistabelle.

Zunächst Plotten im selben Diagramm vier Sätze der Ergebnisse für das Flugzeug Jet Auftreffen auf einem Teller in zwei verschiedenen Winkeln und zwei unterschiedliche Durchflussmengen. Vergleichen Sie nun die Druckprofile für die beiden verschiedenen Impingement-Winkel und der gleichen Durchflussmenge. Der Druckverlauf im 90 Grad Winkel ist höher als die für 70 Grad. Während dem Höhepunkt für 90-Grad-Impingement zentriert ist, der Gipfel für 70 Grad verschiebt sich in Richtung einer niedrigeren x-Wert. Diese Ergebnisse sagen, dass für einen Winkel von 90 Grad Auftreffen, Stagnation Streamline Fluss Mittellinie entspricht. Die Mittellinie zeichnet sich durch die Peak-Geschwindigkeit und damit von der maximalen Staudruck. Da der Impingement-Winkel abnimmt, Stagnation Streamline bewegt sich weg von der Spitze-Geschwindigkeit-Linie und beugt sich vom ursprünglichen Speicherort. Vergleichen Sie als nächstes die Druckprofile für die zwei unterschiedlichen Durchflussmengen und dem gleichen Winkel auftreffen. Der maximale Druck sinkt mit der Durchflussmenge weil gibt es eine Verringerung der kinetischen Energie und daher in der dynamischen Energie als der Flow Rate verringert. Blick auf die Ergebnistabelle und vergleichen Sie die Werte für die Ladung auf der Platte berechnet. Der Impingement Winkel wirkt sich die Gesamtbelastung zu reduzieren, da es der Ruhedruck von einem zeitgleich mit der Mittellinie Geschwindigkeit an einem Streamline mit geringeren Staudruck verlagert.

Auftreffenden Strahlen sind weit verbreitet in vielen industriellen und technischen Anwendungen – von Hydraulik und Luft-und Raumfahrt bis hin zu Elektronik. Das Zusammenspiel von Druck und Geschwindigkeit kann für Flow-Diagnose verwendet werden. Ein Prandtl oder Pitot-Statik-Sonde besteht aus zwei konzentrischen Rohren. Das innere Rohr sieht sich die Strömung um den Ruhedruck zu erkennen. Während die äußere Röhre einen Satz von Seite-Häfen, die den statischen Druck zu spüren hat. Die Druckdifferenz wird mit einem integrierten Sensor erkannt, und dieser Wert wird verwendet, um die Geschwindigkeit zu schätzen. Dieses Gerät ist ausgiebig in Fluidtechnik verwendet. Um beispielsweise die Geschwindigkeit des Windes im Verhältnis zu dem Flugzeug festzustellen. Weiche Materialien wie Kunststoff und Holz können mit einem dünnen Wasserstrahl mit hoher Geschwindigkeit geschnitten werden. Während Metalle mit Wasser auf den Stream abrasive Partikel hinzufügen geschnitten werden können. Um ein High-Speed-Jet zum Schneiden Zwecke zu generieren, ist es notwendig, hohen Druck in den Fluss, es durch eine konvergente Düse beschleunigen zu können. Der hohen kinetischen Energie von der Jet durchgeführt wird dann in dynamischen Druck an der Oberfläche des Objekts umgewandelt, schneiden, ausüben einer Kraft stark genug, um Material an der auftreffenden Oberfläche zu entfernen.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Jet Auftreffen auf eine geneigte Platte beobachtet. Jetzt sollten Sie verstehen, wie das Zusammenspiel zwischen Druck und Geschwindigkeit Kräfte auf die Strukturen erzeugt und Impingement Kräfte, Strömungsgeschwindigkeiten und Massenströme berechnen können. Danke fürs Zuschauen.

Results

Abbildung 4 zeigt vier Sätze von Ergebnissen für den Flugzeug-Jet Auftreffen auf einem Teller in zwei verschiedenen Winkeln und zwei unterschiedliche Durchflussmengen. In der Tat, da der Niederdruckseite des Wandlers an den Empfänger geöffnet wird, seine Lesungen entsprechen nur der Überdruck , welche in der Tat sind die Punkte, die in Abbildung 4dargestellt.

Abbildung 4 . Repräsentative Ergebnisse. Druckverteilung entlang der Platte für zwei Winkel und zwei Volumenströme. Symbole stehen für: : , m/s; : , m/s; : , m/s; : , m/s.

Nach Abbildung 4sind die Profile für 90^o Impingement höher als die für 70^o Impingement. Der Grund für dieses Verhalten ist, dass Stagnation Streamline für den ersten Fall der Fluss Mittellinie, d. h. Streamline für Peak Velocity und folglich maximale Staudruck entspricht. Während die Stagnation Streamline bewegt sich weg von der Spitze-Geschwindigkeit-Linie und beugt sich vom ursprünglichen Speicherort als verringert der Winkel auftreffen. Dieser Effekt wird in Abbildung 1(A) skizziert, und es ist auch der Grund, warum der Spitzendruck in der Druckverlauf bewegt sich weg von der Mitte der Platte.

Wie erwartet, abnimmt der maximale Druck mit Durchfluss (geschlossene Symbole in Abbildung 4), da gibt es eine generelle Senkung in kinetische Energie und damit in Staudruck als der Flow Rate sinkt. Dieser maximale Druck ist in der Tat ein gewisses Maß an der Ruhedruck, , zuvor erläutert. Für den Fall der Düse Auftreffen der Platte um 90^o, das ist eine genaue Messung der weil die Druckmessstutzen mit der Mittellinie, ergo Stagnation Streamline, der Jet fällt. Aber wie in Abbildung 1a, Stagnation Streamline biegt vom ursprünglichen Speicherort abnehmender Winkel auftreffen. Unter diesen neuen Bedingungen ist nicht garantiert, dass diese Streamline mit Druckmessstutzen am Standort Impingement genau zusammenfallen wird. Daher beobachtet den Spitzendruck im Impingement Winkel als 90^o ist nur eine Annäherung an .

Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse in experimentellen Messungen für zwei verschiedene auftreffenden Winkel und Durchflussmengen.

Tabelle 2 . Repräsentative Ergebnisse.

Parameter	Lauf 1	Run 2	Laufen 3	Führen Sie 4
Platte Winkel (θ)	90^o	90^o	70^o	70^o
Digitale Multimeter Lesung (E)	2.44 V	2,33 V	2.44 V	2.28 V
Druckdifferenz (P_pl-P_rec)	335.95 Pa	320.80 Pa	335.95 Pa	313.92 Pa
Geschwindigkeit beim Vena Contracta (V_VC)	10,14 m/s	9,91 m/s	10,14 m/s	9,81 m/s
̇ Massenstrom Rate ((m))	0.254 kg/s	0.249 kg/s	0.254 kg/s	0.246 kg/s
Ruhedruck (P_o)	127.16 Pa	121.19 Pa	101.78 Pa	94.31 Pa
Laden Sie auf der Platte (F)	16.84 N	16,24 N	14.11-N	12.32 N

Applications and Summary

Die hier vorgestellten Experimente demonstriert das Zusammenspiel von Druck und Geschwindigkeit zu erzeugen lädt in Objekten durch Umwandlung der Staudruck in statischen Druck. Diese Konzepte wurden mit einem Flugzeug Jet Auftreffen auf einem flachen Teller in zwei verschiedenen Winkeln und zwei verschiedene Flussraten demonstriert. Die Experimente zeigten deutlich, dass die Last ist am höchsten im Staupunkt, wo der dynamische Druck in statischen Druck umgewandelt wird, und seine Größe verringert sich die Höhe der Umstellung von dynamischer auf statische Abnahmen an Positionen Weg von der Staupunkt. Der Einfallswinkel wirkt sich die Gesamtbelastung zu reduzieren, weil es die Totaldruck verschiebt sich von einem zeitgleich mit der Mittellinie (Höchstgeschwindigkeit) an eine Streamline mit geringeren Staudruck.

Diese Experimente dienten auch zeigen, wie man die Gesamtlast auf das Objekt ausgesetzt, den Fluss durch die Integration von numerisch Druckverschlüssen gewonnenen Daten zu bestimmen. Darüber hinaus diente die umgekehrte Umwandlung von statischen Druck in Staudruck auch zur Schätzung der Geschwindigkeit und Massenstrom des Jets. In der Folge kann das Zusammenspiel von Druck und Geschwindigkeit für die Strömung Diagnostik verwendet werden.

Ein Konzept, das nicht in dem vorliegenden Experiment erforscht wurde ist Velocimetry durch Pitot – Sonden statische. Dies sind Sonden, die den Unterschied zwischen Stagnation und statische Drücke, der ist genau das, was in Gleichung (3) verwendet wurde, um die Geschwindigkeit zu bestimmen in der Vena Contractadirekt zu messen. Beachten Sie, dass, zumindest in der 90^o Winkelplatte, die zentrale Druckmessstutzen Staupunkt, so dass es eine Pitot-Sonde direkt ausgesetzt ist. Da der Drucksensor den Druck der einzelnen Druckmessstutzen des Empfängers Druck vergleicht, das Ergebnis ist ein direktes Maß für . Bei der Substitution von diese Messung in Gleichung (3) ergibt sich die Geschwindigkeit eines Punktes auf der Stagnation Streamline in der Nähe der Staupunkt noch außerhalb dessen Radius des Einflusses liegt. Diese Messung ist von begrenztem Nutzen in diesem Experiment, weil die genaue Lage dieses Punktes auf Stagnation Streamline nicht bekannt ist.

Wie bereits erwähnt, können Druckmessungen zur Strömungsgeschwindigkeit ermitteln. In der hier beschriebenen Anwendung die Änderung im Druck zwischen Plenum und die Empfänger waren genug, um die durchschnittliche Geschwindigkeit auf der Vena Contractaschätzen. Aus Gleichung (3) es auch erwähnt, dass übrigens den Druckmessstutzen zeitgleich mit der Staupunkt ein Staurohr, die in Verbindung mit einer Sonde verwendet werden kann, der statische Druck, Strömungsgeschwindigkeit bestimmen sensing ist (Substitution von mit und mit ). In der Tat möglicherweise ein einzelnes Gerät kombiniert eine Pitot-Sonde und eine statische Sonde, bekannt als Prandtl-Rohr, das ausgedehnteste Diagnosegerät in Flüssigkeiten engineering, um die Geschwindigkeit zu messen. Wie in Abbildung 5 dargestellt, besteht aus zwei konzentrischen Rohren diese Sonde. Das innere Rohr sieht sich die Strömung um den Ruhedruck zu erkennen, und die äußere Röhre hat eine Reihe von Anschlüsse Seite dieses Gefühl der statische Druck. Ein Sensor wie ein Drucksensor oder einer Flüssigkeitssäule Manometer eingesetzt wird, um den Unterschied zwischen diesen beiden bestimmen Druck, um die Geschwindigkeit von Gleichung (3) zu schätzen (wieder, Substitution von mit und mit ). Wie diese, oder eine Kombination aus einem Pitot-Sonde und eine unabhängige statische Sonde werden in der Tat in Flugzeugen verwendet, um festzustellen, die Geschwindigkeit des Windes im Verhältnis zu dem Flugzeug.

Abbildung 5 . Fließen Sie Velocimetry. Pitot-Statik (oder Prandtl) Sonde die Geschwindigkeitsverteilung, basierend auf der Staudruck zu bestimmen. Diese Sonde wird über das Strömungsfeld bestimmen die Geschwindigkeit an verschiedenen Positionen durchlaufen. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

References

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Lienhard V, J.H. and J.H. Lienhard IV. Velocity coefficients for free jets from sharp-edged orifices. ASME Journal of Fluids Engineering, 106:13-17, 1984.

Transcript

Jet impingement on solid structures is a widely used process in technological applications, such as material cutting in the manufacturing industry and energy generation from hydraulic sources. Jet impingement consists of releasing a fluid through a nozzle from a high-pressure region to a low-pressure region and striking or impinging the jet upon a structure. During the process of impingement, forces generated by the interplay between pressure and velocity of the flow field are exerted on the object’s surface. For example, in the case of a vertical takeoff and landing or VTOL aircraft, two jets combined produce enough lift to help the aircraft take off vertically without using the runway. Two additional smaller jets issued on each side of the aircraft provides stability. The effects of impingement depend on the jet’s dimensions and speed, the characteristics of the impingement surface, and the distance between the nozzle and surface. When the temperatures of the surface and the jet are significantly different, jet impingement would produce high levels of heat transfer. This video will illustrate how to determine the load exerted by a jet on an object and also how to calculate other parameters of interest for flow diagnostics, such as jet velocity and mass flow rate.

Before delving into the experimental protocol, let’s study the principles behind jet impingement. For a steady incompressible flow of a fluid with zero viscosity, the kinetic energy and pressure potential energy are free to transform into each other along the streamlines. While the sum of the two forms of energy is always constant, this is Bernoulli’s Principle derived from the Principle of Energy Conservation. According to this principle, an increase in speed and in consequence in the kinetic energy of a fluid occurs simultaneous with a decrease in its pressure and potential energy. Such as their sum is always constant. This is Bernoulli’s Equation. Expressed in dimensions of pressure, the term associated with kinetic energy is called dynamic pressure. While the term associated with the pressure potential energy, is called static pressure. The addition of these two terms gives the Bernoulli’s constant, also known as stagnation pressure. Stagnation pressure is defined as the maximum pressure that the flow would reach if brought to a halt by transforming all of its dynamic pressure into static pressure. Now let’s talk about the experimental setup. An air jet exits from a high-pressure plenum through a slit of width W and span L to a lower-pressure receiver where the jet impinges on an inclined plate of angle theta. The intermediate streamline divides the jet in two regions. One deflected upwards and the other one downwards. The dividing streamline stops right at the wall at the stagnation point where the dynamic pressure is converted completely into static pressure. At the stagnation point, the profile of the pressure exerted by the jet on the plate has a maximum value p0. While away from this point, the pressure profile steadily decreases since progressively less dynamic pressure gets converted into static pressure. The pressure profile depends on the impingement angle theta. When theta is 90 degrees, the centerline is also the stagnation line. By decreasing the impingement angle, the stagnation streamline moves away from the centerline of the jet, and in consequence, the peak of the pressure profile gets smaller and shifts towards regions of the plate closer to the jet exit. The total pressure on the surface of the plate exposed to the jet is the result of the addition between the impingement pressure and the static pressure inside the receiver. Since the pressure inside the receiver is homogeneously distributed, the surrounding pressure exerted on both sides of the plate cancels out. In consequence, the net load on the plate is due to the overpressure and it is calculated by integrating over the impingement pressure distribution across the area of the plate. When a fluid is discharged through a slit from a high-pressure region to a low-pressure region, the jet tends to converge to an area called vena contracta. This is the first location after the jet leaves its discharge port in which the streamlines become parallel and consequently the static pressure equals the pressure of the surroundings. Let’s apply the Bernoulli’s equation between the position where the jet exits from the plenum and the position at the vena contracta. Considering the velocity inside the plenum to be negligible, the velocity at the vena contracta can be calculated using the pressure difference between the plenum and the receiver. Finally, knowing the contraction ratio between the slit width and vena contracta, the mass flow rate can be estimated using the jet velocity and area of the vena contracta. In the following sections, we will measure the resulting pressure distribution on the plate and then calculate the total force by integrating the pressure field over the plate’s area.

Before starting the experiment, since opening the door to the receiver while in operation is potentially hazardous and damaging to the facility, make sure that the facility is not in use. If the door to the receiver is open, the facility is not in use. If the door to the receiver is closed, look through the window. If there are no personnel inside, the door is safe to open because the facility can only be started from inside while the door is closed. To begin, set the instruments according to the schematic. Connect the positive port of the pressure transducer to the output of the scanning valve. Make sure the scanning valve is at the home position. Connect the piezometric hoses of the plate to the scanning valve in subsequent order. Remember to start the measurements at the intake next to the output of the scanning valve. First, adjust the plate to the desired angle theta. Second, measure the jet nozzle width. Third, measure the span and height of the plate. Zero the pressure transducer and record the value for the calibration constant. Record all the basic parameters of the experiment in a reference table. First, open the low-pressure port to sense the pressure in the receiver. Then connect the high-pressure point of the transducer marked as positive to the pressure tap of the plenum. Next, start the flow facility. Measure the voltage associated with the pressure difference sensed by the pressure transducer between the plenum and the receiver using the digital multimeter. Calculate this quantity using the calibration constant.

Once the instrument is calibrated and the basic parameters are recorded, you are ready to start data acquisition. First, connect the high-pressure port of the transducer to the common port of the scanning valve. Also hone the scanning valve to start your measurement from the first pressure tap position on the plate. Run Traverse six on your computer, input the conversion factor from volts to pressure, and set the sampling rate to 100 hertz and the total of samples to 500 to get five seconds of data. Next, enter zero in the virtual instrument for the position of first pressure tap and then record the data. The value on the screen is the pressure difference between the pressure tap and the receiver. Step the scanning valve to the next tap position. Introduce the new position in the software knowing that the distance between two consecutive taps is 25.4 millimeters and record the new value of the pressure difference. At the end of the experiment, the software generates a table and a plot of the tap position versus the pressure. Modify the flow rate by changing the position of the flow control plate to close the flow area roughly by half and repeat the pressure measurements. Repeat the measurements for different flow rates and inclination angles and record every time your results in a table. When all of the data has been collected, turn the flow facility off.

Based on the experimental data, several parameters of interest can be obtained. Look at the results table and for each plate angle and flow rate, use the pressure difference between the plenum and receiver to calculate the jet velocity at the vena contracta. From the reference table, take the values for the span L and the slit’s width, and use the speed at the vena contracta previously calculated to estimate the mass flow rate. Then look at the position versus pressure plot generated by Traverse six and read the peak value of the pressure. Introduce the value in the results table. This value is a direct estimation of the stagnation pressure. Now, compute the force impinged on the plate by integrating the pressure distribution over the plate area. In order to do this, use the pressue difference versus position plot and calculate the area under the curve with the Trapezoid Rule or Simpson’s Rule. Introduce the value in the results table.

Begin by plotting on the same graph four sets of results obtained for the plane jet impingement on a plate at two different angles and two different flow rates. Now, compare the pressure profiles for the two different impingement angles and the same flow rate. The pressure profile at 90 degrees is higher than the one for 70 degrees. While the peak for 90-degree impingement is centered, the peak for 70 degrees is shifted toward a lower x value. These results tell you that for a 90-degree impingement angle, the stagnation streamline corresponds to the flow centerline. The centerline is characterized by the peak velocity and, thus, by the maximum dynamic pressure. As the impingement angle decreases, the stagnation streamline moves away from the peak velocity line and bends away from its original path. Next, compare the pressure profiles for the two different flow rates and the same impingement angle. The maximum pressure decreases with the flow rate because there is a reduction in the kinetic energy and hence in the dynamic energy as the flow rate decreases. Look at the results table and compare the values calculated for the load on the plate. The impingement angle has the effect of reducing the total load because it shifts the stagnation pressure from the one coinciding with the centerline velocity to a streamline carrying lower levels of dynamic pressure.

Impinging jets are widely used in many industrial and engineering applications spanning from hydraulics and aeronautics to electronics. The interplay of pressure and velocity can be used for flow diagnostics. A Prandtl or pitot-static probe is composed of two concentric tubes. The inner tube faces the flow to detect the stagnation pressure. While the outer tube has a set of side ports that sense the static pressure. The difference in pressure is detected with an integrated sensor, and this value is used to estimate the velocity. This device is extensively used in fluid engineering. To determine for example, the velocity of the wind relative to the airplane. Soft materials like plastics and wood can be cut with a thin waterjet at high speed. While metals can be cut with water upon adding abrasive particles to the stream. To generate a high-speed jet for cutting purposes, it is necessary to impose high pressure in the flow to be able to accelerate it through a converging nozzle. The high kinetic energy carried by the jet is then converted into dynamic pressure at the surface of the object being cut, exerting a force strong enough to remove material at the impinging surface.

You’ve just watched Jove’s Introduction to Jet Impingement on an Inclined Plate. You should now understand how the interplay between pressure and velocity generates forces on the structures and be able to calculate the impingement forces, flow velocities and mass flow rates. Thanks for watching.