Jet que inciden sobre una placa inclinada

El impacto por chorro en estructuras sólidas es un proceso ampliamente utilizado en aplicaciones tecnológicas, como el corte de materiales en la industria manufacturera y la generación de energía a partir de fuentes hidráulicas. El impacto del chorro consiste en liberar un fluido a través de una boquilla desde una región de alta presión a una región de baja presión y golpear o incidir el chorro contra una estructura. Durante el proceso de impacto, las fuerzas generadas por la interacción entre la presión y la velocidad del campo de flujo se ejercen sobre la superficie del objeto. Por ejemplo, en el caso de una aeronave de despegue y aterrizaje vertical o VTOL, dos jets combinados producen suficiente sustentación para ayudar a la aeronave a despegar verticalmente sin usar la pista. Dos jets adicionales más pequeños emitidos a cada lado de la aeronave proporcionan estabilidad. Los efectos del impacto dependen de las dimensiones y la velocidad del chorro, las características de la superficie de impacto y la distancia entre la boquilla y la superficie. Cuando las temperaturas de la superficie y del chorro son significativamente diferentes, el impacto del chorro produciría altos niveles de transferencia de calor. Este vídeo ilustrará cómo determinar la carga ejercida por un chorro sobre un objeto y también cómo calcular otros parámetros de interés para el diagnóstico de flujo, como la velocidad del chorro y el caudal másico.

Antes de profundizar en el protocolo experimental, estudiemos los principios detrás del impacto del chorro. Para un flujo constante e incompresible de un fluido con viscosidad cero, la energía cinética y la energía potencial de presión son libres de transformarse entre sí a lo largo de las líneas de corriente. Si bien la suma de las dos formas de energía es siempre constante, este es el Principio de Bernoulli derivado del Principio de Conservación de la Energía. De acuerdo con este principio, un aumento en la velocidad y, en consecuencia, en la energía cinética de un fluido ocurre simultáneamente con una disminución de su presión y energía potencial. De modo que su suma sea siempre constante. Esta es la ecuación de Bernoulli. Expresado en dimensiones de presión, el término asociado con la energía cinética se denomina presión dinámica. Mientras que el término asociado a la energía potencial de presión, se denomina presión estática. La adición de estos dos términos da la constante de Bernoulli, también conocida como presión de estancamiento. La presión de estancamiento se define como la presión máxima que alcanzaría el flujo si se detuviera transformando toda su presión dinámica en presión estática. Ahora hablemos de la configuración experimental. Un chorro de aire sale de una cámara de alta presión a través de una rendija de ancho W y envergadura L a un receptor de menor presión donde el chorro incide en una placa inclinada de ángulo theta. La línea aerodinámica intermedia divide el chorro en dos regiones. Uno desviado hacia arriba y el otro hacia abajo. La línea divisoria se detiene justo en la pared en el punto de estancamiento donde la presión dinámica se convierte completamente en presión estática. En el punto de estancamiento, el perfil de la presión ejercida por el chorro sobre la placa tiene un valor máximo p0. A partir de este punto, el perfil de presión disminuye constantemente, ya que progresivamente menos presión dinámica se convierte en presión estática. El perfil de presión depende del ángulo de impacto theta. Cuando theta es de 90 grados, la línea central también es la línea de estancamiento. Al disminuir el ángulo de impacto, la línea de corriente de estancamiento se aleja de la línea central del chorro y, en consecuencia, el pico del perfil de presión se hace más pequeño y se desplaza hacia regiones de la placa más cercanas a la salida del chorro. La presión total sobre la superficie de la placa expuesta al chorro es el resultado de la adición entre la presión de impacto y la presión estática dentro del receptor. Dado que la presión dentro del receptor se distribuye homogéneamente, la presión circundante ejercida en ambos lados de la placa se cancela. En consecuencia, la carga neta en la placa se debe a la sobrepresión y se calcula integrando la distribución de la presión de impacto en el área de la placa. Cuando un fluido se descarga a través de una rendija desde una región de alta presión a una región de baja presión, el chorro tiende a converger en un área llamada vena contracta. Esta es la primera ubicación después de que el chorro sale de su puerto de descarga en la que las líneas de corriente se vuelven paralelas y, en consecuencia, la presión estática es igual a la presión del entorno. Apliquemos la ecuación de Bernoulli entre la posición en la que el chorro sale del pleno y la posición en la vena contrae. Teniendo en cuenta que la velocidad dentro del pleno es insignificante, la velocidad en la vena contracta puede calcularse utilizando la diferencia de presión entre el pleno y el receptor. Finalmente, conociendo la relación de contracción entre el ancho de la hendidura y la vena contracta, se puede estimar el caudal másico utilizando la velocidad del chorro y el área de la vena contracta. En las siguientes secciones, mediremos la distribución de presión resultante en la placa y luego calcularemos la fuerza total integrando el campo de presión sobre el área de la placa.

Antes de comenzar el experimento, dado que abrir la puerta del receptor mientras está en funcionamiento es potencialmente peligroso y dañino para la instalación, asegúrese de que la instalación no esté en uso. Si la puerta del receptor está abierta, la instalación no está en uso. Si la puerta del receptor está cerrada, mire a través de la ventana. Si no hay personal en el interior, es seguro abrir la puerta porque la instalación solo se puede iniciar desde el interior mientras la puerta está cerrada. Para comenzar, configure los instrumentos de acuerdo con el esquema. Conecte el puerto positivo del transductor de presión a la salida de la válvula de escaneo. Asegúrese de que la válvula de escaneo esté en la posición inicial. Conecte las mangueras piezométricas de la placa a la válvula de escaneo en el orden posterior. Recuerde iniciar las mediciones en la entrada junto a la salida de la válvula de escaneo. Primero, ajuste la placa al ángulo deseado theta. En segundo lugar, mida el ancho de la boquilla de chorro. En tercer lugar, mida la envergadura y la altura de la placa. Ponga a cero el transductor de presión y registre el valor de la constante de calibración. Registre todos los parámetros básicos del experimento en una tabla de referencia. Primero, abra el puerto de baja presión para detectar la presión en el receptor. A continuación, conecte el punto de alta presión del transductor marcado como positivo a la toma de presión del plenum. A continuación, inicie la instalación de flujo. Mida el voltaje asociado con la diferencia de presión detectada por el transductor de presión entre el pleno y el receptor utilizando el multímetro digital. Calcule esta cantidad utilizando la constante de calibración.

Una vez que el instrumento está calibrado y se registran los parámetros básicos, está listo para comenzar la adquisición de datos. Primero, conecte el puerto de alta presión del transductor al puerto común de la válvula de escaneo. Afina también la válvula de escaneo para iniciar la medición desde la primera posición del grifo de presión en la placa. Ejecute Traverse six en su computadora, ingrese el factor de conversión de voltios a presión y configure la frecuencia de muestreo en 100 hercios y el total de muestras en 500 para obtener cinco segundos de datos. A continuación, introduzca cero en el instrumento virtual para la posición del primer grifo de presión y luego registre los datos. El valor en la pantalla es la diferencia de presión entre el grifo de presión y el receptor. Coloque la válvula de escaneo en la siguiente posición del grifo. Introduzca la nueva posición en el software sabiendo que la distancia entre dos tomas consecutivas es de 25,4 milímetros y registre el nuevo valor de la diferencia de presión. Al final del experimento, el software genera una tabla y un gráfico de la posición del grifo frente a la presión. Modifique el caudal cambiando la posición de la placa de control de flujo para cerrar el área de flujo aproximadamente a la mitad y repita las mediciones de presión. Repita las mediciones para diferentes caudales y ángulos de inclinación y registre cada vez sus resultados en una tabla. Cuando se hayan recopilado todos los datos, apague la instalación de flujo.

Basándose en los datos experimentales, se pueden obtener varios parámetros de interés. Mire la tabla de resultados y para cada ángulo de placa y caudal, use la diferencia de presión entre el plenum y el receptor para calcular la velocidad del chorro en la vena contracta. De la tabla de referencia, tome los valores para el tramo L y el ancho de la rendija, y utilice la velocidad en la vena contracta previamente calculada para estimar el caudal másico. A continuación, observe el gráfico de posición frente a presión generado por la Travesía seis y lea el valor máximo de la presión. Introduzca el valor en la tabla de resultados. Este valor es una estimación directa de la presión de estancamiento. Ahora, calcule la fuerza que incide sobre la placa integrando la distribución de presión sobre el área de la placa. Para ello, utilice el gráfico de diferencia de presión frente a posición y calcule el área bajo la curva con la regla del trapecio o la regla de Simpson. Introduzca el valor en la tabla de resultados.

Comience por trazar en el mismo gráfico cuatro conjuntos de resultados obtenidos para el impacto del chorro del avión en una placa en dos ángulos diferentes y dos caudales diferentes. Ahora, compare los perfiles de presión para los dos ángulos de impacto diferentes y el mismo caudal. El perfil de presión a 90 grados es más alto que el de 70 grados. Mientras que el pico para el impacto de 90 grados está centrado, el pico para 70 grados se desplaza hacia un valor x más bajo. Estos resultados indican que para un ángulo de impacto de 90 grados, la línea de corriente de estancamiento corresponde a la línea central del flujo. La línea central se caracteriza por la velocidad máxima y, por lo tanto, por la presión dinámica máxima. A medida que el ángulo de impacto disminuye, la línea de corriente de estancamiento se aleja de la línea de velocidad máxima y se desvía de su trayectoria original. A continuación, compare los perfiles de presión para los dos caudales diferentes y el mismo ángulo de impacto. La presión máxima disminuye con el caudal porque hay una reducción en la energía cinética y, por lo tanto, en la energía dinámica a medida que disminuye el caudal. Mire la tabla de resultados y compare los valores calculados para la carga en la placa. El ángulo de impacto tiene el efecto de reducir la carga total porque desplaza la presión de estancamiento de la que coincide con la velocidad de la línea central a una línea aerodinámica que lleva niveles más bajos de presión dinámica.

Los chorros de impacto se utilizan ampliamente en muchas aplicaciones industriales y de ingeniería que van desde la hidráulica y la aeronáutica hasta la electrónica. La interacción de la presión y la velocidad se puede utilizar para el diagnóstico de flujo. Una sonda de Prandtl o pitot-estática está compuesta por dos tubos concéntricos. El tubo interior mira hacia el flujo para detectar la presión de estancamiento. Mientras que el tubo exterior tiene un conjunto de puertos laterales que detectan la presión estática. La diferencia de presión se detecta con un sensor integrado y este valor se utiliza para estimar la velocidad. Este dispositivo se utiliza ampliamente en la ingeniería de fluidos. Para determinar, por ejemplo, la velocidad del viento en relación con el avión. Los materiales blandos como el plástico y la madera se pueden cortar con un chorro de agua fino a alta velocidad. Mientras que los metales se pueden cortar con agua al agregar partículas abrasivas al chorro. Para generar un chorro de alta velocidad con fines de corte, es necesario imponer una alta presión en el flujo para poder acelerarlo a través de una boquilla convergente. La alta energía cinética transportada por el chorro se convierte entonces en presión dinámica en la superficie del objeto que se está cortando, ejerciendo una fuerza lo suficientemente fuerte como para eliminar el material en la superficie de impacto.

Acabas de ver la Introducción de Jove al impacto a chorro en una placa inclinada. Ahora debería comprender cómo la interacción entre la presión y la velocidad genera fuerzas en las estructuras y ser capaz de calcular las fuerzas de impacto, las velocidades de flujo y los caudales másicos. Gracias por mirar.