Getto che incide su una piastra inclinata

Il jet impingement su strutture solide è un processo ampiamente utilizzato in applicazioni tecnologiche, come il taglio di materiali nell'industria manifatturiera e la generazione di energia da fonti idrauliche. L'impatto del getto consiste nel rilasciare un fluido attraverso un ugello da una regione di alta pressione a una regione di bassa pressione e colpire o urtare il getto su una struttura. Durante il processo di impatto, le forze generate dall'interazione tra pressione e velocità del campo di flusso vengono esercitate sulla superficie dell'oggetto. Ad esempio, nel caso di un aereo a decollo e atterraggio verticale o VTOL, due jet combinati producono una portanza sufficiente per aiutare l'aereo a decollare verticalmente senza utilizzare la pista. Due ulteriori jet più piccoli emessi su ciascun lato dell'aereo garantiscono stabilità. Gli effetti dell'urto dipendono dalle dimensioni e dalla velocità del getto, dalle caratteristiche della superficie d'urto e dalla distanza tra l'ugello e la superficie. Quando le temperature della superficie e del getto sono significativamente diverse, l'impatto del getto produrrebbe alti livelli di trasferimento di calore. Questo video illustrerà come determinare il carico esercitato da un getto su un oggetto e anche come calcolare altri parametri di interesse per la diagnostica del flusso, come la velocità del getto e la portata massica.

Prima di addentrarci nel protocollo sperimentale, studiamo i principi alla base del jet impingement. Per un flusso costante e incomprimibile di un fluido con viscosità zero, l'energia cinetica e l'energia potenziale di pressione sono libere di trasformarsi l'una nell'altra lungo le linee di flusso. Mentre la somma delle due forme di energia è sempre costante, questo è il Principio di Bernoulli derivato dal Principio di Conservazione dell'Energia. Secondo questo principio, un aumento della velocità e di conseguenza dell'energia cinetica di un fluido si verifica contemporaneamente a una diminuzione della sua pressione e dell'energia potenziale. Ad esempio, la loro somma è sempre costante. Questa è l'equazione di Bernoulli. Espresso in dimensioni di pressione, il termine associato all'energia cinetica è chiamato pressione dinamica. Mentre il termine associato all'energia potenziale di pressione, è chiamato pressione statica. L'aggiunta di questi due termini dà la costante di Bernoulli, nota anche come pressione di stagnazione. La pressione di ristagno è definita come la pressione massima che il flusso raggiungerebbe se arrestato, trasformando tutta la sua pressione dinamica in pressione statica. Ora parliamo della configurazione sperimentale. Un getto d'aria esce da un plenum ad alta pressione attraverso una fessura di larghezza W e campata L fino a un ricevitore a bassa pressione dove il getto colpisce una piastra inclinata di theta angolare. La linea di flusso intermedia divide il getto in due regioni. Uno deviava verso l'alto e l'altro verso il basso. Il flusso di divisione si ferma proprio alla parete nel punto di ristagno dove la pressione dinamica viene convertita completamente in pressione statica. Nel punto di ristagno, il profilo della pressione esercitata dal getto sulla piastra ha un valore massimo p0. Mentre ci si allontana da questo punto, il profilo di pressione diminuisce costantemente poiché una pressione dinamica progressivamente inferiore viene convertita in pressione statica. Il profilo di pressione dipende dall'angolo di impatto theta. Quando theta è di 90 gradi, la linea centrale è anche la linea di stagnazione. Diminuendo l'angolo di impatto, la linea di ristagno si allontana dalla linea centrale del getto e, di conseguenza, il picco del profilo di pressione si riduce e si sposta verso regioni della piastra più vicine all'uscita del getto. La pressione totale sulla superficie della piastra esposta al getto è il risultato dell'addizione tra la pressione di uringement e la pressione statica all'interno del ricevitore. Poiché la pressione all'interno del ricevitore è distribuita in modo omogeneo, la pressione circostante esercitata su entrambi i lati della piastra si annulla. Di conseguenza, il carico netto sulla piastra è dovuto alla sovrapressione e viene calcolato integrando la distribuzione della pressione di urto nell'area della piastra. Quando un fluido viene scaricato attraverso una fessura da una regione di alta pressione a una regione di bassa pressione, il getto tende a convergere in un'area chiamata vena contratta. Questa è la prima posizione dopo che il getto lascia la sua porta di scarico in cui le linee di flusso diventano parallele e di conseguenza la pressione statica è uguale alla pressione dell'ambiente circostante. Applichiamo l'equazione di Bernoulli tra la posizione in cui il getto esce dal plenum e la posizione in corrispondenza della vena contracta. Considerando che la velocità all'interno del plenum è trascurabile, la velocità alla vena contratta può essere calcolata utilizzando la differenza di pressione tra il plenum e il ricevitore. Infine, conoscendo il rapporto di contrazione tra la larghezza della fessura e la vena contratta, la portata massica può essere stimata utilizzando la velocità del getto e l'area della vena contratta. Nelle sezioni seguenti, misureremo la distribuzione della pressione risultante sulla piastra e quindi calcoleremo la forza totale integrando il campo di pressione sull'area della piastra.

Prima di iniziare l'esperimento, poiché l'apertura della porta del ricevitore durante il funzionamento è potenzialmente pericolosa e dannosa per l'impianto, assicurarsi che l'impianto non sia in uso. Se la porta del ricevitore è aperta, l'impianto non è in uso. Se la porta del ricevitore è chiusa, guarda attraverso la finestra. Se non c'è personale all'interno, la porta è sicura da aprire perché la struttura può essere avviata solo dall'interno mentre la porta è chiusa. Per iniziare, impostare gli strumenti secondo lo schema. Collegare la porta positiva del trasduttore di pressione all'uscita della valvola di scansione. Assicurarsi che la valvola di scansione sia in posizione iniziale. Collegare i tubi piezometrici della piastra alla valvola di scansione nell'ordine successivo. Ricordarsi di iniziare le misurazioni dall'ingresso accanto all'uscita della valvola di scansione. Innanzitutto, regola la piastra all'angolazione desiderata. In secondo luogo, misurare la larghezza dell'ugello del getto. Terzo, misura la portata e l'altezza della piastra. Azzerare il trasduttore di pressione e registrare il valore della costante di taratura. Registra tutti i parametri di base dell'esperimento in una tabella di riferimento. Innanzitutto, apri la porta di bassa pressione per rilevare la pressione nel ricevitore. Collegare quindi il punto di alta pressione del trasduttore contrassegnato come positivo alla presa di pressione del plenum. Quindi, avvia l'impianto di flusso. Misurare la tensione associata alla differenza di pressione rilevata dal trasduttore di pressione tra il plenum e il ricevitore utilizzando il multimetro digitale. Calcolare questa quantità utilizzando la costante di calibrazione.

Una volta tarato lo strumento e registrati i parametri di base, si è pronti per iniziare l'acquisizione dei dati. Innanzitutto, collegare la porta di alta pressione del trasduttore alla porta comune della valvola di scansione. Affinare anche la valvola di scansione per avviare la misurazione dalla prima posizione della presa di pressione sulla piastra. Esegui Traverse six sul tuo computer, inserisci il fattore di conversione da volt a pressione e imposta la frequenza di campionamento su 100 hertz e il totale dei campioni su 500 per ottenere cinque secondi di dati. Successivamente, inserire zero nello strumento virtuale per la posizione del primo rubinetto di pressione e quindi registrare i dati. Il valore sullo schermo è la differenza di pressione tra la presa di pressione e il ricevitore. Portare la valvola di scansione alla posizione del rubinetto successivo. Introduci la nuova posizione nel software sapendo che la distanza tra due tocchi consecutivi è di 25,4 millimetri e registra il nuovo valore della differenza di pressione. Al termine dell'esperimento, il software genera una tabella e un grafico della posizione del rubinetto rispetto alla pressione. Modificare la portata cambiando la posizione della piastra di controllo del flusso per chiudere l'area di flusso di circa la metà e ripetere le misurazioni della pressione. Ripeti le misurazioni per diverse portate e angoli di inclinazione e registra ogni volta i risultati in una tabella. Quando tutti i dati sono stati raccolti, spegnere la funzione di flusso.

Sulla base dei dati sperimentali, è possibile ottenere diversi parametri di interesse. Guarda la tabella dei risultati e per ogni angolo e portata della piastra, usa la differenza di pressione tra il plenum e il ricevitore per calcolare la velocità del getto alla vena contratta. Dalla tabella di riferimento, prendere i valori della campata L e della larghezza della fessura, e utilizzare la velocità alla vena contratta precedentemente calcolata per stimare la portata massica. Quindi guarda il grafico posizione rispetto alla pressione generato da Traverse 6 e leggi il valore di picco della pressione. Introdurre il valore nella tabella dei risultati. Questo valore è una stima diretta della pressione di ristagno. Ora, calcola la forza che colpisce la piastra integrando la distribuzione della pressione sull'area della piastra. Per fare ciò, utilizzare il grafico della differenza di pressione rispetto alla posizione e calcolare l'area sotto la curva con la regola del trapezio o la regola di Simpson. Introdurre il valore nella tabella dei risultati.

Iniziare tracciando sullo stesso grafico quattro serie di risultati ottenuti per l'urto del getto aereo su una piastra a due diversi angoli e due diverse portate. Ora, confronta i profili di pressione per i due diversi angoli di impatto e la stessa portata. Il profilo di pressione a 90 gradi è superiore a quello a 70 gradi. Mentre il picco per l'impingement di 90 gradi è centrato, il picco per 70 gradi è spostato verso un valore x più basso. Questi risultati indicano che per un angolo di urto di 90 gradi, la linea di ristagno corrisponde alla linea centrale del flusso. La linea centrale è caratterizzata dalla velocità di picco e, quindi, dalla massima pressione dinamica. Quando l'angolo di impatto diminuisce, la linea di ristagno si allontana dalla linea di velocità di picco e si piega lontano dal suo percorso originale. Quindi, confrontare i profili di pressione per le due diverse portate e lo stesso angolo di impatto. La pressione massima diminuisce con la portata perché si verifica una riduzione dell'energia cinetica e quindi dell'energia dinamica al diminuire della portata. Guarda la tabella dei risultati e confronta i valori calcolati per il carico sulla piastra. L'angolo di urto ha l'effetto di ridurre il carico totale perché sposta la pressione di ristagno da quella che coincide con la velocità della linea centrale a una linea di flusso che trasporta livelli inferiori di pressione dinamica.

I getti a percussione sono ampiamente utilizzati in molte applicazioni industriali e ingegneristiche che spaziano dall'idraulica all'aeronautica all'elettronica. L'interazione tra pressione e velocità può essere utilizzata per la diagnostica del flusso. Una sonda statica Prandtl o pitot è composta da due tubi concentrici. La camera d'aria è rivolta verso il flusso per rilevare la pressione di ristagno. Mentre il tubo esterno ha una serie di porte laterali che rilevano la pressione statica. La differenza di pressione viene rilevata con un sensore integrato e questo valore viene utilizzato per stimare la velocità. Questo dispositivo è ampiamente utilizzato nell'ingegneria dei fluidi. Per determinare, ad esempio, la velocità del vento rispetto all'aereo. I materiali morbidi come la plastica e il legno possono essere tagliati con un sottile getto d'acqua ad alta velocità. Mentre i metalli possono essere tagliati con acqua dopo l'aggiunta di particelle abrasive al flusso. Per generare un getto ad alta velocità per scopi di taglio, è necessario imporre un'elevata pressione nel flusso per poterlo accelerare attraverso un ugello convergente. L'elevata energia cinetica trasportata dal getto viene quindi convertita in pressione dinamica sulla superficie dell'oggetto da tagliare, esercitando una forza sufficiente a rimuovere il materiale sulla superficie di impatto.

Avete appena visto l'introduzione di Giove al Jet Impingement su una piastra inclinata. A questo punto si dovrebbe capire come l'interazione tra pressione e velocità genera forze sulle strutture ed essere in grado di calcolare le forze di impatto, le velocità di flusso e le portate di massa. Grazie per l'attenzione.