傾斜平板に衝突する噴流

固体構造へのジェットインピンジメントは、製造業における材料切断や油圧源からのエネルギー生成などの技術的用途で広く使用されているプロセスです。ジェットインピンジメントは、高圧領域から低圧領域にノズルを介して流体を放出し、ジェットを構造物に衝突または衝突させることで構成されます。衝突の過程で、流れ場の圧力と速度の相互作用によって生成される力が物体の表面に加えられます。たとえば、垂直離着陸機やVTOL航空機の場合、2つのジェット機を組み合わせると、滑走路を使用せずに航空機が垂直に離陸するのに十分な揚力が発生します。航空機の両側に2つの小さなジェットが追加で配置されており、安定性を確保しています。衝突の影響は、ジェットの寸法と速度、衝突面の特性、およびノズルと表面の間の距離によって異なります。表面とジェットの温度が大きく異なる場合、ジェットの衝突により高レベルの熱伝達が発生します。このビデオでは、ジェットが物体に加える負荷を決定する方法と、ジェット速度や質量流量など、流れ診断に関心のある他のパラメータを計算する方法を示します。

実験プロトコルを掘り下げる前に、ジェットインピンジメントの背後にある原理を学びましょう。粘度がゼロの流体の安定した非圧縮性流れの場合、運動エネルギーと圧力ポテンシャルエネルギーは流線に沿って互いに自由に変換されます。2つのエネルギー形態の合計は常に一定ですが、これはエネルギー保存の原理から導き出されたベルヌーイの原理です。この原理によれば、速度の増加とそれに伴う流体の運動エネルギーの増加は、その圧力と位置エネルギーの減少と同時に起こります。それらの合計は常に一定です。これがベルヌーイの方程式です。圧力の次元で表され、運動エネルギーに関連する用語は動圧と呼ばれます。圧力ポテンシャルエネルギーに関連する用語は、静圧と呼ばれます。これら2つの項を追加すると、停滞圧力とも呼ばれるベルヌーイ定数が得られます。よどみ圧力は、すべての動圧を静圧に変換して流れを停止させた場合に到達する最大圧力として定義されます。次に、実験のセットアップについて説明します。エアジェットは、高圧プレナムから幅WとスパンLのスリットを通って低圧レシーバーに出て、ジェットが傾斜した角度シータのプレートに衝突します。中間流線は、ジェットを 2 つの領域に分割します。1つは上向きに、もう1つは下に偏向しました。分割流線は、動圧が静圧に完全に変換される停滞点の壁で停止します。停滞点では、プレート上のジェットによって加えられる圧力のプロファイルは最大値p0を有する。この点から離れると、静圧に変換される動圧が徐々に減少するため、圧力プロファイルは着実に減少します。圧力プロファイルは、衝突角度シータに依存します。シータが 90 度の場合、中心線は停滞線でもあります。衝突角度を小さくすると、よどみ流線はジェットの中心線から離れ、その結果、圧力プロファイルのピークが小さくなり、ジェット出口に近いプレートの領域に向かってシフトします。ジェットにさらされるプレートの表面にかかる全圧は、インピンジメント圧力とレシーバー内の静圧との間に加算された結果です。レシーバー内の圧力が均一に分散されているため、プレートの両側に加えられる周囲の圧力が相殺されます。その結果、プレートの正味荷重は過圧によるものであり、プレートの領域全体の衝突圧力分布を積分することによって計算されます。流体がスリットを通して高圧領域から低圧領域に排出されると、ジェットは大静脈収縮と呼ばれる領域に収束する傾向があります。これは、ジェットが排出ポートを離れた後、流線が平行になり、その結果、静圧が周囲の圧力と等しくなる最初の場所です。ベルヌーイ方程式を、ジェットがプレナムから出る位置と大静脈収縮の位置との間に適用してみましょう。プレナム内の速度が無視できると考えると、大静脈収縮の速度は、プレナムとレシーバーの間の圧力差を使用して計算できます。最後に、スリット幅と大静脈収縮との間の収縮比がわかれば、大静脈収縮のジェット速度と面積を使用して質量流量を推定できます。次のセクションでは、プレート上の結果として生じる圧力分布を測定し、プレートの領域全体の圧力場を積分して総力を計算します。

運転中に受信機のドアを開けると、施設に損害を与える危険性があるため、実験を開始する前に、施設が使用されていないことを確認してください。受信機のドアが開いている場合、施設は使用されていません。レシーバーのドアが閉まっている場合は、窓から見てください。中に人がいない場合は、ドアが閉じている間のみ施設を内部から開始できるため、ドアは安全に開くことができます。まず、回路図に従って機器を設定します。圧力トランスデューサの正極ポートをスキャニングバルブの出力に接続します。スキャンバルブがホームポジションにあることを確認してください。プレートのピエゾメトリックホースを後続の順序でスキャニングバルブに接続します。スキャンバルブの出力の横にある吸気口から測定を開始することを忘れないでください。まず、プレートを希望の角度のθに調整します。次に、ジェットノズルの幅を測定します。第三に、プレートのスパンと高さを測定します。圧力トランスデューサをゼロにし、校正定数の値を記録します。実験のすべての基本パラメータを参照テーブルに記録します。まず、低圧ポートを開いて、レシーバー内の圧力を感知します。次に、正としてマークされたトランスデューサーの高圧ポイントをプレナムの圧力タップに接続します。次に、フロー機能を開始します。デジタルマルチメータを使用して、プレナムとレシーバの間の圧力トランスデューサによって検出される圧力差に関連する電圧を測定します。キャリブレーション定数を使用してこの量を計算します。

計測器のキャリブレーションと基本パラメータの記録が完了したら、データ集録を開始する準備が整います。まず、トランスデューサーの高圧ポートをスキャニングバルブの共通ポートに接続します。また、スキャニングバルブを磨いて、プレート上の最初の圧力タップ位置から測定を開始します。コンピューターで Traverse six を実行し、ボルトから圧力への変換係数を入力し、サンプリング レートを 100 ヘルツに、サンプルの合計を 500 に設定して、5 秒分のデータを取得します。次に、仮想計測器で最初の圧力タップの位置にゼロを入力し、データを記録します。画面上の値は、圧力タップとレシーバーの間の圧力差です。スキャニングバルブを次のタップ位置にステップします。2つの連続するタップ間の距離が25.4ミリメートルであることを知っているソフトウェアに新しい位置を導入し、圧力差の新しい値を記録します。実験の最後に、ソフトウェアはタップ位置と圧力の表とプロットを生成します。流量制御プレートの位置を変更して流量を変更し、流量をほぼ半分に閉じ、圧力測定を繰り返します。異なる流量と傾斜角度の測定を繰り返し、結果を毎回表に記録します。

実験データに基づいて、関心のあるいくつかのパラメータを取得できます。結果表を見て、各プレート角度と流量について、プレナムとレシーバーの間の圧力差を使用して、大静脈収縮でのジェット速度を計算します。参照テーブルから、スパンLとスリットの幅の値を取得し、以前に計算した大静脈収縮の速度を使用して質量流量を推定します。次に、Traverse 6 によって生成された位置対圧力プロットを見て、圧力のピーク値を読み取ります。結果テーブルに値を導入します。この値は、停滞圧力を直接推定したものです。次に、プレート領域全体の圧力分布を積分することにより、プレートに衝突する力を計算します。これを行うには、圧力差対位置プロットを使用し、台形ルールまたはシンプソンのルールで曲線下の面積を計算します。結果テーブルに値を導入します。

まず、2 つの異なる角度と 2 つの異なる流量でプレート上の平面ジェット衝突について得られた 4 つの結果セットを同じグラフにプロットします。次に、2つの異なる衝突角度と同じ流量の圧力プロファイルを比較します。90 度の圧力プロファイルは、70 度の圧力プロファイルよりも高くなります。90 度のインピンジメントのピークは中央に配置されていますが、70 度のピークは低い x 値に向かってシフトしています。これらの結果は、衝突角度が 90 度の場合、よどみ流線が流れの中心線に対応することを示しています。中心線はピーク速度によって特徴付けられ、したがって最大動圧によって特徴付けられます。衝突角度が小さくなると、よどみ流線はピーク速度ラインから離れ、元のパスから離れて曲がります。次に、2 つの異なる流量と同じ衝突角度の圧力プロファイルを比較します。最大圧力は、運動エネルギーが減少するため、したがって流量が減少すると動的エネルギーが減少するため、流量とともに減少します。結果テーブルを見て、プレート上の荷重に対して計算された値を比較します。衝突角は、よどみ圧力を中心線速度と一致するものから、より低いレベルの動圧を運ぶ流線にシフトするため、総負荷を減らす効果があります。

インピングジェットは、油圧、航空、電子機器など、多くの産業およびエンジニアリングアプリケーションで広く使用されています。圧力と速度の相互作用は、流れの診断に使用できます。プラントルまたはピトー静圧プローブは、2本の同心円状のチューブで構成されています。インナーチューブは、よどみ圧力を検出するために流れに面しています。一方、アウターチューブには、静圧を感知するサイドポートのセットがあります。圧力差は内蔵センサーで検出され、この値を使用して速度を推定します。この装置は、流体工学で広く使用されています。たとえば、飛行機に対する風の速度を決定します。プラスチックや木材などの柔らかい素材は、細いウォータージェットで高速に切断できます。金属は、ストリームに研磨粒子を追加すると水で切断できます。切断用の高速ジェットを生成するためには、収束ノズルを介して流れを加速できるように、流れに高い圧力を課す必要があります。ジェットによって運ばれた高い運動エネルギーは、切断される物体の表面で動圧に変換され、衝突面で材料を除去するのに十分な力が発揮されます。

Jove の「傾斜プレート上のジェット インピンジメントの概要」をご覧になりました。これで、圧力と速度の相互作用が構造物に力を発生させる方法を理解し、衝突力、流速、および質量流量を計算できるようになります。ご覧いただきありがとうございます。