3.6: 油圧ジャンプ

注: この実験は、比較的強力な水中ポンプを使用します。電気的リスクを最小限に抑えるため GFCI の出口にポンプを接続のみ必要があります。実験近く他 A/C 電源デバイスが動作しないことを確認します。

1. 開水路流れ設備、タンク (図や写真、図 3 を参照) の作製

1. ~6.0 mm 厚 × 9.5 センチのカット長さをオフに次の長さを持つアクリル シート: 2 × 15 cm、2 × 25 cm、1 × 34 cm、1 × 41 cm (図 3 a)。テーブルを使用するを見たまたはエッジが比較的平坦であることを確認するためにレーザー カッター、シート等厚をお勧めします。
2. 流量計 (図 3 a) をマウントする 2 60 × 45 cm アクリル シートの右下の隅に穴を開けます。流量制御弁をインストールするのにはフロント シートの右上に穴を開けます。
3. アクリル セメント (例えば、SCIGRIP 16) を使用して、図 3 a に示すように、アクリル パネルを接着します。十分な換気を確保し、アクリル セメントを取り扱うときに手袋を着用します。針注射器でセメントを適用し、マスキング テープを使用して硬化時にパネルを配置することをお勧めします。24-48 時間を治すためセメントを許可します。
4. フロント パネルと付属のネジと接辞に流量計をインストールします。流量計の入口と出口ポートの ½ の NPT 削減継手に 1 NPT をインストールします。これらの付属品に 0.5 インチ内径有刺鉄線継手アダプターに ½ NPT をインストールします。
5. 0.5 にインストールします。ID と 0.75 で。ID が有刺鉄線ゲート バルブ (流量制御) の上にフィットします。接続チューブの ~ 20 センチメートルの長さを持つ水中ポンプに有刺鉄線継手バルブ ハンドルは上の穴と並ぶようにアクリルのエンクロージャ (図 3b-c) の右。
6. 低い貯蔵所にポンプを挿入し、弁棒取付穴を通過し、ハンドルがエンクロージャ (図 3 c) 外弁をインストールします。
7. (図 3 b c) 下開く約 5.0 mm があるので、入口部分の流れ施設近くの垂直アクリル パネルを挿入します。このコンポーネントの水門として機能してことができますあげたり下げたりできるチャネルに上部の貯蔵所からの流れを制御します。
8. 精練パッド ステンレス スチール ウールで緩く上部貯水池を埋めます。これにより、海峡入口水の流れを均等に分散します。
9. 柔らかいプラスチック製のチューブの長さと流量計の入口バルブ出口に接続します。プラスチック管上部の貯水池に流量計のコンセントに接続します。チューブ入口上部のタンクにはポンプがオンの場合に、うちスイングしませんので、固定もを確認します。
10. 低い貯蔵所を水で埋めます。

2. 実験を実行します。

1. 定規を使用してゲート下にギャップ高さを測定し、 H₁として値を示します。
2. ポンプをオンにし、様々 な流量 (5-15 l 分^-1) に弁を使用して流量を調整します。各ケースのゲート (H₂) から下流に液体の深さを測定するのにには、定規を使用します。
3. 定性的で流量が異なるフォーム油圧ジャンプの形状を観察します。油圧ジャンプの形成のための最小しきい値流量を監視します。シャープ、大きい振幅 (H₂ H₁)、ジャンプが高い流動度で発生する必要があります。

3. データ分析

1. フロー速度都度V₁、体積流量からの流入速度を計算します。 、は体積流量とWチャネル幅です。
2. 入口フルード数を評価 () と都度 (Eqn. 4) 理論的な下流の液体の深さ。測定下流ジャンプ深さでこれらの値を比較します。

図 3: a. の回路図、施設構造 b 油圧ジャンプ施設 c. ラベル付き写真の実験施設のフロー図の寸法します。 。

水圧ジャンプとは、動きの速い開流で流れが不安定になったときに発生する現象です。ジャンプが発生すると、液体表面の高さが急激に増加し、深さが増し、下流の平均流速が低下します。この現象の重要な副作用は、上流の流れの運動エネルギーの多くが熱として放散されることです。水圧ジャンプは、川や家庭の流し台などで自然に発生することがよくありますが、浸食を最小限に抑えたり、混合を増やしたりするために、意図的に大きな水道に組み込まれます。このビデオでは、直線チャネルでの油圧ジャンプの背後にある原理を説明し、小規模な開水路フローファシリティを使用してこの現象を実験的に示します。結果を分析した後、油圧ジャンプのいくつかのアプリケーションについて説明します。

油圧ジャンプが発生する開水路の広くまっすぐな部分の流れを考慮し、ジャンプの周りの水門に制御ボリュームを構築します。流速が入口と出口で均一である場合、質量保存により、上流と下流の流体の深さの間に単純な関係が生じます。深さに速度を掛けた値は一定です。2番目の関係は、運動量の保存を考慮することで見つけることができます。入力と出力を横切って輸送される質量は、対応する質量フラックスに流速を掛けたものに等しい運動量を運びます。制御ボリュームの表面上の静水圧も運動量バランスに寄与するため、含める必要があります。これらの力は、表面の平均圧力に面積を掛けたものに等しくなります。この時点で、英国のエンジニアで流体力学のウィリアム・フルードにちなんで名付けられた無次元の量であるフルード数を導入すると便利です。フルード数は、静水圧に対する流体運動量の相対的な強さを特徴付けます。ここで、運動量関係をフルード数で書き換え、質量関係を使用した置換によって出力速度を排除すれば、下流と上流の深さの比率に関する3次方程式が得られます。この方程式は、上流と下流の深さが等しい自明な解を除外することで簡略化できます。残りの 2 つの解は二次方程式を使用して簡単に見つけることができますが、負の解は非物理的であるため、排除できます。残りの解は、上流のフルード数の値に基づいて、深さの増加、水圧ジャンプ、または深さの減少、水圧窪みに対応します。上流のフルード数が1より大きい場合、流れは高い機械的エネルギーを持ち、超臨界または不安定です。この状態では、水圧窪みは機械的エネルギーを増加させ、熱力学の第二法則に違反するため、形成できません。一方、油圧ジャンプは、自発的に、または流れの乱れによって形成される可能性があります。入力フルード数 1 は、油圧ジャンプの開始の最小しきい値を表します。油圧ジャンプは、機械的エネルギーを熱に放散し、運動エネルギーを大幅に減少させますが、流れの位置エネルギーをわずかに増加させます。フルード数が増加すると、下流の深さと上流の深さの比率と、熱として放散される運動エネルギーの量も増加します。油圧ジャンプの原理を理解したところで、次は実験的に調べてみましょう。

まず、本文で説明されているように、開水路フローファシリティを製作します。施設には、開いたチャネルで接続された上部と下部の貯水池があります。下部の貯水池から汲み上げられた水は、ポンプに沿ったバルブと流量計によって流量が制御および測定され、上部の貯水池に堆積されます。上部貯水池のスチールウールは、セクションの幅全体に水を均等に分配するのに役立ち、調整可能な水門は、水路に入るときに流体の深さを制御します。チャネルを流れた後、流体は下部リザーバーに戻されます。フロー設備を組み立てたら、ベンチに設置し、近くの電子機器をすべて取り外します。感電のリスクを最小限に抑えるためにポンプをGFCIコンセントに差し込んでから、下部のリザーバーに水を入れます。これで、実験を実行する準備が整いました。

水門を約5ミリメートルに調整します。ルーラーを使用して水門の下のギャップの最終的な高さを測定し、この距離を上流の流れの深さH1として記録します。終了したら、ポンプをオンにし、バルブを使用して、流量計の目盛りを超えないように流量を最大化します。再び定規を使用して、油圧ジャンプ後の流体の深さを測定します。流量と、この 2 番目の距離(下流の流量の深さ H2)を記録します。続行する前に、油圧ジャンプの形状を観察してください。流量が高いほど大きくて急激な遷移になり、流量が少ないほど小さく緩やかな遷移になります。次に、測定と観察を繰り返して、流量を連続的に減らします。油圧ジャンプの形成のための最小閾値流量を決定してみてください。閾値流量がわかったら、結果を分析します。

各体積流量について、下流の流体の深さを測定する必要があります。上流の深さは、すべてのケースで同じです。各測定について次の計算を完了し、途中で不確実性を伝播します。まず、入口の流速を決定します。体積流量をチャネル幅と上流の深さで割ります。次に、前に示した定義を使用して、重力による加速度と上流の高さと速度を代入して、上流のフルード数を評価します。次に、フルード数とジャンプ高さの非自明な解を使用して、理論的な下流の深さを計算します。理論的な予測と測定された下流の深さを比較します。超臨界流量では、予測は実験の不確かさ内で測定された深さと一致します。しきい値流量の結果を確認します。実験的な不確実性の中では、理論解析から予想したように、フルード数は1です。油圧ジャンプによる機械的エネルギー損失率も、これらのデータから計算できます。まず、ジャンプに流入する流体の機械的エネルギー(入口での運動エネルギー流量と位置エネルギー流量の合計)を計算します。次に、同じ方法で出力エネルギー率を決定しますが、出口の値を使用します。熱に対する機械的エネルギー放散の速度は、入力速度と出力速度の差です。この実験では、エネルギー損失率は入口エネルギーの約40%以上に達する可能性があります。これらの結果は、油圧システムの挙動を理解し予測するための運動量解析とスケールモデル実験の有効性を強調しています。次に、油圧ジャンプが利用される他の方法をいくつか見てみましょう。

油圧ジャンプは、多くのエンジニアリングアプリケーションを持つ重要な自然現象です。油圧ジャンプは、多くの場合、流体の機械的エネルギーを熱に放散するために油圧システムに組み込まれます。これにより、余水吐からの高速液体噴射による損傷の可能性が減少します。高いチャネル流速では、堆積物を河床から持ち上げて流動化することができます。流速を下げることで、油圧ジャンプは杭の周りの侵食や洗練の可能性も減らします。水処理プラントでは、混合を誘発し、流れを曝気するために油圧ジャンプが使用されることがあります。この実験では、油圧ジャンプによる混合性能とガス巻き込みを定性的に観察できます。

JoVEの油圧ジャンプの紹介を見ました。これで、制御ボリューム アプローチを使用してフローの挙動を予測する方法と、開水路フロー機能を使用してこの動作を測定する方法を理解できました。また、実際のアプリケーションで油圧ジャンプをエンジニアリングするための実用的な使用方法もいくつか見てきました。ご覧いただきありがとうございます。