$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
שימור מסה הוא עיקרון פיזיקלי ידוע המשמש יחד עם גישת נפח הבקרה להנדסת מערכות מכניות רבות. ניתוח נפח בקרה של שימור המוני שימושי במיוחד להערכת קצבי זרימה עבור מבנים הידראוליים בקנה מידה גדול, כגון סכרים, מתקני טיהור מים או מערכות חלוקת מים. שיטה זו מיושמת בדרך כלל כצעד ראשוני כדי לתת למהנדס מושג על חילופי המסה הדומיננטיים במערכת. שסתום יציאה, למשל, שנבנה דרך פני הסכר משמש באופן שגרתי לשליטה בזרימת המים. מכיוון שהמסה נשמרת, שטף המסה נטו דרך משטח בקרה, וקצב שינוי המסה בתוך הנפח הסגור חייב להיות מאוזן. סרטון זה ימחיש כיצד ליישם את שיטת נפח הבקרה לשימור מסה כדי לכייל כיווץ חלק כמד זרימה.
עקרונות כלליים של שיטת נפח הבקרה לשימור תנע ליניארי נדונו בסרטון הקודם שלנו. כאן, אנו מדגימים גישה זו לשימור המסה. שקול את מעבר הזרימה בסכמה, המורכב ממאוורר צנטריפוגלי עם התכווצות חלקה בכניסה. כיצד חל ניתוח נפח הבקרה לשימור המסה על המערכת שלנו? ראשית, בואו ניקח משטח סגור דמיוני, הנקרא משטח בקרה, כדי להגדיר נפח בקרה המכיל אזור זרימה. לאחר מכן, בואו נכתוב את המשוואה הכללית לשימור המסה. המונח הראשון של המשוואה מייצג את קצב השינוי של המסה בתוך נפח הבקרה. מונח זה הוא אפס במקרה שלנו, מכיוון שהזרימה דרך נפח הבקרה שלנו יציבה. מכיוון שנפח הבקרה מחובר להתכווצות, המונח השני של המשוואה מפשט. זהו שטף המסה נטו דרך משטח הבקרה. עבור המערכת שלנו, המסה זורמת לנפח הבקרה דרך יציאה אחת, ומשאירה את עוצמת הקול דרך יציאה שתיים. בהנחה של צפיפות נוזל קבועה לאורך ההתכווצות, ופתרון מכפלת הנקודה בין מהירות הנוזל לווקטור שטח היחידה, המשוואה מפשטת עוד יותר. מכיוון שהמסה נשמרת, שטף המסה זהה בשתי היציאות. לאחר מכן, בידיעת שטף המסה וקצב הזרימה הנפחי דרך יציאה נתונה, ניתן לקבל את המהירות הממוצעת עבור היציאה. עבור נוזלים בלתי צמיגים, המהירות ביציאה שתיים קבועה על פני קטע היציאה. ניתן לחשב מהירות זו באמצעות משוואת ברנולי לאורך קו הזרם המרכזי. אם אתה צריך לסקור את משוואת ברנולי, אתה יכול לצפות בסרטון הקודם. לחץ הנוזל ביציאה אחת הוא הלחץ האטמוספרי. אנו גם מניחים שמהירות הנוזל ביציאה אחת היא אפס, מכיוון שהיא קרובה מספיק לסביבה החיצונית השקטה. אז המהירות ביציאה שתיים עבור נוזל בלתי צמיג ניתנת על ידי נוסחה זו. פרופיל המהירות אינו הומוגני. במציאות, עקב צמיחת שכבת הגבול, כאשר נוזל זורם ליד קיר מוצק, הנוזל במגע עם הגבול מניח את מהירות הקיר. ככל שהמרחק מהקיר גדל, מהירות הזרימה מתאוששת בהדרגה עד שמגיעה למהירות הזרם החופשי. אזור זה של שינוי מהירות ליד קיר נקרא שכבת הגבול, ומתרחש בגלל פעולת הצמיגות. כדי להסביר השפעה זו, האומדן האידיאלי מושווה למדידות ניסיוניות באמצעות מקדם הפריקה. עבור יציאה מעגלית, כמו זו המשמשת בדוגמה שלנו, ניתן לחשב מקדם זה אם אנו יודעים את פרופיל המהירות הרדיאלית על פני מעבר הזרימה. ניתן למדוד את פרופיל המהירות באמצעות בדיקה סטטית של פיטו. אם אתה צריך לבחון את עקרון העבודה של בדיקה סטטית של פיטו, אתה יכול לצפות בסרטון הקודם שלנו. צינור פיטו עוצר את הזרימה, וחש את הלחץ הכולל, שבכל נקודה בתוך הנוזל יש לו שני מרכיבים: רכיב סטטי ורכיב דינמי. הגשושית הסטטית בקיר חשה רק את הלחץ הסטטי. על ידי יישום משוואת ברנולי ביציאה שתיים, ניתן לקבוע את המהירות במיקום נתון, r, בתוך הצינור. פרופיל המהירות מתקבל על ידי חציית צינור פיטו לאורך הקואורדינטות הרדיאליות של הצינור, ועל ידי מדידה עם מתמר הלחץ, הפרש הלחץ. לבסוף, ניתן לקבוע את קצב הזרימה על פני יציאה שתיים באמצעות מקדם הפריקה יחד עם שטח החתך של המעבר והפרש הלחץ הנמדד עם מתמר שני. כעת, לאחר שהבנתם כיצד להשתמש בשיטת נפח הבקרה לשימור מסה כדי לנתח מערכת זרימה, בואו ניישם שיטה זו כדי לכייל מעבר זרימה ולקבוע את מקדם הפריקה שלו.
לפני שתתחיל בניסוי, הכירו את פריסת המעבדה ואת הציוד בתוך המתקן. ראשית, ודא שאין זרימה בתוך המתקן על ידי בדיקת המתג הראשי. לאחר מכן בדוק שמכסה הסילון מכוסה. כעת התחל להגדיר את מערכת רכישת הנתונים על ידי ביצוע התרשים המתואר בסעיף 'עקרונות'. חבר את היציאה החיובית של מתמר הלחץ הראשון לצינור פיטו החוצה. חבר את היציאה השלילית של המתמר לבדיקה הסטטית של מעבר הכניסה. לפיכך, הקריאה של מתמר לחץ זה תיתן לך, ישירות, את הפרש הלחץ PT - P2. רשום את ההמרה של המתמר מוולט לפסקל. לאחר מכן, חבר את היציאה החיובית של מתמר הלחץ השני לצינור פיטו באמצעות חיבור T. השאר את היציאה השלילית של המתמר פתוחה לאטמוספירה. הקריאה של מתמר לחץ זה תיתן לך את הפרש הלחץ. רשום את גורם ההמרה של המתמר מוולט לפסקל. מדוד את רדיוס מעבר הזרימה בעזרת סרגל. אסוף גם את הנתונים עבור הלחץ האטמוספרי והטמפרטורה במיקומך מאתר שירות מזג האוויר הלאומי. רשום ערכים אלה בטבלת פרמטרים יחד עם הערכים עבור גורמי ההמרה של שני מתמרי הלחץ. כעת, הגדר את מערכת איסוף הנתונים לדגימה בקצב של 100 הרץ, בסך הכל 500 דגימות על מנת לקבל חמש שניות של נתונים. ודא שהערוץ אפס במערכת רכישת הנתונים מתאים למתמר הלחץ הראשון. לאחר מכן הזן את גורם ההמרה במערכת כדי לקבל את קריאות הלחץ ישירות בפסקל. כעת, הזן את גורם ההמרה עבור מתמר הלחץ השני, וודא שמתמר לחץ זה מתאים לערוץ הראשון במערכת רכישת הנתונים. הצב את הגשושית פיטו בסוף נסיעתה, שם היא נוגעת בדופן הצינור. מכיוון שקוטרה של הגשושית הוא שני מילימטרים, המדידה הראשונה תבוצע בקואורדינטה רדיאלית במרחק של מילימטר אחד מהקיר.
לאחר הגדרת מערכת רכישת הנתונים, הפעל את מתקן הזרימה. כעת אתה מוכן להתחיל ברכישת נתונים. הקלט את קריאת מתמר הלחץ השני באמצעות מולטימטר דיגיטלי. המר ערך זה מוולט ליחידות לחץ באמצעות מקדם ההמרה, ורשום אותו בטבלת הפרמטרים. עבור המיקום הנוכחי של צינור פיטו, השתמש במערכת רכישת הנתונים כדי לרשום את הפרש הלחץ שניתן על ידי המתמר הראשון. רשום ערך זה בטבלת התוצאות. שנה את המיקום הרדיאלי של צינור פיטו באמצעות כפתור המעבר. מדוד את הפרש הלחץ במיקום זה בתוך מעבר הזרימה עם מערכת רכישת הנתונים. חזור על שלב זה עבור מיקומים רדיאליים שונים לאורך מעבר הזרימה, ורשום את הקריאות בטבלת התוצאות. לאחר מכן, שנה את קצב הזרימה בתוך המעבר על ידי שינוי פריקת המערכת. לשם כך, לוחות עם נקבים בקטרים שונים מונחים בפריקת המערכת כדי להגביל את הזרימה ברמות שונות. מדוד את הפרש הלחץ עבור מיקומים רדיאליים שונים בתוך מעבר הזרימה, וחזור על שלב זה עבור לפחות עשרה ערכים שונים של קצב הזרימה. בסוף הניסוי שלך, זכור לכבות את מתקן הזרימה.
בכל מיקום, r, של צינור פיטו על פני קוטר מעבר הזרימה, יש לך מדידה של ההפרש בין הלחץ הכולל ללחץ הסטטי. עבור כל נקודת נתונים, חשב את מהירות הזרימה והזן את הערך שלה בטבלת התוצאות. חזור על הפעולה עבור כל נקודות הנתונים בטבלה ולאחר מכן התווה את פרופיל המהירות על פני הצינור. כעת, חשב את מקדם הפריקה. לשם כך, ראשית עליך לשרטט את המכפלה בין מהירות לרדיוס בפונקציית הרדיוס. מכיוון שמדידות המהירות מתבצעות במיקומים בדידים, יש לפתור את האינטגרל בנוסחה למקדם הפריקה באופן מספרי באמצעות, למשל, כלל הטרפז. לאחר מכן, חשב את מקדם הפריקה באמצעות ערך האינטגרל יחד עם הערכים שנרשמו בטבלת הפרמטרים עבור צפיפות הנוזל, רדיוס המעבר וההפרש הנמדד בין הלחץ האטמוספרי ללחץ הסטטי ביציאה שתיים. חזור על חישובים אלה עבור כל קבוצת נתונים המתאימה לכל ערך ניסיוני של קצב הזרימה בתוך המעבר. כעת, תסתכל על התוצאות שלך.
צור תרשים פיזור של מקדמי הפריקה עבור קצבי זרימה שונים לעומת ערכי השורש הריבועי של אחד פחות יחס הלחץ. התאם פונקציית חוק הספק לתרשים הפיזור, וקבע קשר כללי בין מקדם הפריקה, והיחס בין הלחץ הסטטי במעבר הזרימה ללחץ האטמוספרי המקומי. לאחר מכן, החלף קשר זה במשוואה בקצב הזרימה. כאן ניתן לבטא את הצפיפות מטעמי נוחות במונחים של לחץ אטמוספרי וטמפרטורה מוחלטת באמצעות חוק הגז האידיאלי. ביטוי זה של קצב הזרימה פותח, אם כן, כדי לשמור על תוקפו תחת שינויים בתנאים האטמוספריים המקומיים, גודל המעבר ומערכת היחידות. לסיכום, כדי לכייל מעבר כמד זרימה, יש צורך ליצור קשר בין קצב הזרימה למשתנה קל למדידה כגון הפרש לחץ.
לשיטת נפח הבקרה לשימור המוני יש מגוון רחב של יישומים בתחום הנדסת המכונות. צינור ונטורי הוא מכשיר המשמש בזרימות מוגבלות לקביעת קצב הזרימה על סמך שינויי לחץ בין שני חלקים שונים של המעבר. ניתן להשתמש בשיטה המוצגת בסרטון זה כדי לתקן אפקטים של שכבת גבול בתוך צינור ונטורי, ולקבוע את מקדם הפריקה של המכשיר. ניתן להשתמש בניתוח נפח הבקרה לשימור מסה כדי להעריך את קצב הזרימה עבור מערכות הידראוליות בקנה מידה גדול על ידי השוואת עומק הזרימה לפני ואחרי מגבלות הזרימה.
זה עתה צפיתם במבוא של ג'וב לניתוח נפח בקרה לשימור המוני. כעת עליך להבין כיצד ליישם שיטה זו כדי למדוד את קצב הזרימה על פני מעבר זרימה ולקבוע את מקדם הפריקה של המערכת. תודה שצפית.