קביעת כוחות מניעה על לוח שטוח בשיטת אמצעי האחסון של הפקד

שיטת נפח בקרה היא כלי רב עוצמה בהנדסת נוזלים, המשמש באופן נרחב לתכנון אווירודינמי של מבנים או מכשירים. כוח מתפתח כאשר אובייקט נע דרך נוזל. כוחות המופעלים על גופים על ידי זרימת נוזל הם תוצאה של שינויים בתנע הליניארי של הזרימה סביבם. על מנת לתכנן להב טורבינת רוח, מפרש סירה או כנף מטוס, מהנדס חייב להיות מסוגל לקבוע את העומסים הדומיננטיים במערכת. ארגז הכלים של אנליסט הנדסי מכיל שיטות לחיזוי היתכנות פיתוח מערכת הנדסית נתונה וכן שיטות מורכבות לחישוב מבנה מפורט. סרטון זה ימחיש כיצד ליישם את שיטת נפח הבקרה כדי לקבוע את העומס האווירודינמי על צלחת שטוחה בזוויות שונות וידגים כיצד ניתן להעריך ולמדוד עומסים במעבדה.

בואו ניקח בחשבון מטוס מטוס שפוגע בצלחת משופעת שטוחה. אתה צריך להכיר את הדוגמה הזו מהסרטון הקודם שלנו. עכשיו בואו ניקח נפח שרירותי של עניין סביב המבנה שנקרא נפח בקרה, המוגדר על ידי משטח סגור דמיוני בשם משטח בקרה. העיקרון העיקרי מאחורי ניתוח נפח בקרה הוא החלפת הפרטים המורכבים של מערכת החשופה לזרימת נוזלים בתרשים גוף חופשי פשוט עבור הנפח הנבחר. הכוחות הפועלים על המערכת יכולים להיות כוחות פני השטח עקב לחץ או גזירה הנגרמת על ידי זרימה. הכוחות הפועלים על המערכת יכולים להיות גם כוחות גוף, למשל משקל המוצקים והנוזלים הכלולים בנפח הבקרה, או כוחות אחרים הנגרמים על ידי השפעות נפחיות כגון שדות אלקטרומגנטיים. סכום הכוחות הפועלים על נפח הבקרה שווה לקצב השינוי של המומנטום הליניארי בתוך נפח הבקרה ולשטף הנטו של המומנטום הליניארי דרך משטח הבקרה, שלוקח בחשבון גם את מהירות נפח הבקרה. זוהי המשוואה הווקטורית לשימור התנע הליניארי. עכשיו בואו נחזור לדוגמא שלנו וניישם את העקרונות שתוארו קודם. ראשית, בואו נצייר את נפח הבקרה סביב המבנה. יש לבחור את נפח הבקרה בדרכים המפשטות את הניתוח ובמקביל לוכדות את ההשפעות הדומיננטיות על המערכת. שים לב שכאן המומנטום זורם לתוך נפח הבקרה דרך יציאה אחת ויוצא דרך יציאה שתיים ויציאה שלוש. כיצד ניתן לכתוב את המשוואה של שימור המומנטום עבור תצורה מסוימת זו? יציאה ראשונה ממוקמת במיקום של הווריד הנבוב שבו קווי הנוזל מקבילים והלחץ הסטטי של הסילון שווה ללחץ האטמוספרי. בהנחה שיציאות 2 ו-3 ממוקמות מספיק רחוק מאזור הפגיעה, אותם תנאים תקפים גם ליציאות אלה. לפיכך, הלחץ מופץ בצורה הומוגנית על משטח הבקרה והוא שווה ללחץ האטמוספרי. כתוצאה מכך, כוח הלחץ נטו הפועל על נפח הבקרה הוא אפס. מכיוון שמשטח הבקרה מאונך לזרימות הכניסה והיציאה, אין עומס גזירה הנגרם על ידי הזרימה על פני השטח. המונח היחיד בצד שמאל של המשוואה ניתן על ידי כוח התגובה של הצלחת להעברת העומס האווירודינמי שמפעיל הסילון על הצלחת. בהנחה שזרימת הסילון יציבה, אין שינוי של התנע בתוך נפח הבקרה וכך המונח הראשון בצד ימין של המשוואה נעלם. מכיוון שנפח הבקרה שלנו קבוע במרחב, המשוואה מפשטת, ומראה שכוח התגובה לפגיעה שווה לשטף הנטו של התנע דרך משטח הבקרה. וקטורי המהירות בתצורה הספציפית שלנו של משטח הבקרה מיושרים עם וקטורי השטח. כתוצאה מכך, יש זרם שלילי ביציאה אחת ויציאה ביציאות שתיים ושלוש. סכום השטפים הללו הוא כוח התגובה לפגיעה. בהנחה שמהירות היציאות הומוגנית בערך, משוואת הכוח מפשטת עוד יותר. בידיעת זווית הפגיעה תטה, ניתן לפרק את הכוח המתקבל למרכיב הרגיל שלו ללוח ולרכיב המשיק שלו. לאחר מכן, אנו מוצאים את המרכיבים הנורמליים והמשיקים של המהירויות ביציאה אחת, יציאה שתיים ושלוש בהתאמה. אנו משתמשים בהם במשוואת הכוח על מנת לקבל את מרכיבי הכוח המתאימים. העומס הרגיל על הצלחת הוא הרלוונטי ביותר מבחינה מבנית. זה יכול לבוא לידי ביטוי גם באמצעות טווח הצלחת ורוחב הסילון בווריד הנבוב. בידיעת יחס ההתכווצות בין רוחב יציאת הסילון לווריד הנבוב והלחץ הדינמי בווריד הנבוב, אנו מקבלים את הביטוי הסופי של העומס הרגיל על הצלחת המוערך בניתוח נפח הבקרה. בסעיפים הבאים נמדוד את הכוחות הדומיננטיים המופעלים על ידי סילון פוגע על צלחת משופעת עם איזון אווירודינמי ולאחר מכן נשווה את העומס הנמדד לאומדן המבוסס על ניתוח נפח הבקרה.

לפני תחילת הניסוי, בדוק שהמתקן אינו פועל. ראשית, חבר את היציאה החיובית של המתמר לברז הלחץ של המליאה. השאר את היציאה השלילית של מתמר הלחץ פתוחה כדי לחוש את הלחץ האטמוספרי במקלט. אפס את מתמר הלחץ ורשום את הערך עבור קבוע הכיול. הגדר את רוחב יציאת הסילון ומדוד את טווח הצלחת. ראשית, כייל את האיזון האווירודינמי כדי לקבוע את המרת העילוי מוולט לניוטון ואת המרת הגרר מוולט לניוטון. לאחר מכן, רשום את קבועי ההמרה של וולט לניוטון של מכשיר האיזון האווירודינמי של הכוח. כעת רשום את כל הפרמטרים הבסיסיים של הניסוי בטבלת התייחסות. לאחר מכן, הגדר את מערכת רכישת הנתונים כדי ללכוד בסך הכל 500 דגימות בקצב של 100 הרץ המתאים לחמש שניות של נתונים. הזן את קבועי ההמרה של וולט לניוטון בשדות הרלוונטיים של תוכנת רכישת הנתונים. לבסוף, התקן את לוחית ההשפעה על איזון הכוח והתאם את יציאות המכשיר לאפס.

כדי להתחיל ברכישת הנתונים, הגדר תחילה את זווית הלוח ל-90 מעלות ולאחר מכן הפעל את מתקן הזרימה. ראשית, רשום את קריאת מתמר הלחץ בוולט. השתמש בכמות זו יחד עם קבוע הכיול מטבלת הייחוס על מנת לחשב את הפרש הלחץ בין המליאה לאטמוספירה. עכשיו אתה מוכן למדוד את הכוח עם איזון הכוח. לשם כך, השתמש במערכת רכישת הנתונים כדי לתעד נתוני כוח. מערכת רכישת הנתונים תשתמש אוטומטית בגורמי ההמרה כדי לקבוע כוח באמצעות המדידות בוולט. הזן את התוצאות בטבלה. כבה את מתקן הזרימה ושנה את זווית הצלחת. לאחר מכן, הפעל את מתקן הזרימה וחזור על מדידות הכוח עבור זוויות שונות. רשום את הנתונים בטבלת תוצאות.

חשב את הכוח הנורמלי המופעל על צלחת שטוחה באמצעות תטה הזווית וערכי הניסוי עבור הרכיבים האופקיים והאנכיים של כוח הפגיעה הנמדד באיזון האווירודינמי. חזור על החישוב עבור כל תטה זווית ורשום את הערכים בטבלת התוצאות. בעזרת טבלת הפרמטרים והערכים הנמדדים של הפרש הלחץ בין המליאה לאטמוספירה, חשב את הערך התיאורטי של כוח הפגיעה הרגיל על הצלחת. חזור על החישוב עבור כל תטה זווית ורשום את הערכים בטבלת התוצאות. חשב את אי ההסכמה בין הערכים הנמדדים והתיאורטיים של כוח הפגיעה. חזור על החישוב עבור כל תטה זווית ורשום את הערכים בטבלת התוצאות.

התחל בשרטוט העומס על הצלחת הניתן על ידי מדידות ישירות עם איזון אווירודינמי כפונקציה של זווית הפגיעה תטה. מקם על אותו גרף את העומס המחושב באמצעות הניתוח התיאורטי עם גישת נפח הבקרה יחד עם אחוז השגיאה אפסילון. כעת השווה את הערכים הנמדדים ישירות עם הערכים המחושבים עם ניתוח נפח הבקרה עבור כל עומס המופעל על הצלחת בכל זווית תטא. הפערים בין שתי השיטות משתנים באופן לא מונוטוני עם הזווית תטה ונעים בין 2% ל-12.5%. עבור זוויות קטנות ושוות ל-80 מעלות, שיטת נפח הבקרה זלזלה בעומסים על הצלחת. בעוד שעבור זוויות גבוהות מ-80 מעלות, שיטה זו נתנה ערכים גבוהים מהעומסים הנמדדים. ההבדלים יכולים לנבוע מהעובדה שניתוח נפח הבקרה מניח שינויים בלתי צמיגים שאינם מפזרים בתנע ליניארי. בעוד שהמדידות הישירות אינן יכולות למנוע את השפעת הצמיגות על הזרימה.

ניתוח נפח בקרה של שימור המומנטום הליניארי נמצא בשימוש נרחב כדי לחזות את ההיתכנות של פיתוח מערכת הנדסית נתונה לפני ביצוע תכנון אווירודינמי מפורט של המבנה או המכשיר. להב פלטון נועד להמיר את הכמות הגבוהה ביותר של מומנטום ליניארי למומנט. ניתוח נפח הבקרה הראה כי גיאומטריית הלהב הממקסמת את השינוי בתנע הליניארי של סילוני מים היא כזו שכופה שינוי כיוון של 180 מעלות במסלול הסילון. על מנת לחזות את השפעות הרוח על מבנה בגודל אמיתי, ניתן לערוך ניסויים עם מודל מוקטן במנהרות רוח או מים. כאן נעשה שימוש בניתוח נפח הבקרה יחד עם מדידות מהירות במעלה הזרם ובמורד הזרם של המודל על מנת לקבוע את העומס האפקטיבי של אב הטיפוס.

זה עתה צפיתם בהקדמה של ג'וב לניתוח נפח הבקרה של שימור התנע הליניארי. כעת עליך להבין את העקרונות הבסיסיים של השיטה וכיצד ליישם אותם כדי להעריך את הכוחות המופעלים על ידי זרימה על מבנה. למדת גם כיצד לבצע מדידות כוח עם איזון אווירודינמי. תודה שצפית.