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ソース: リカルド ・ メヒア アルバレスとコメディフランセーズ Hikmat ジャバー、機械工学科、ミシガン州立大学、イースト ランシング、MI
この実験の目的は、[1, 2] 制御ボリュームの定式化を使用してそれらのまわりの流れの線形運動量の変化の結果として体に力を発揮することです。コントロール ボリュームの解析は差分解析と達成できる詳細な説明よりもむしろ工学システム学の流れの巨視的効果に焦点を当てます。これらの 2 つの方法の各 1 つ、工学アナリストのツールボックスに場所があるし、彼らは競合するアプローチではなく、相補的な見なす必要があります。大まかに言えば、コントロール ボリュームの解析、エンジニアのアイデアを与える支配的な荷重システムで。これは彼女/彼デバイスや構造、デザインを追求するルートし、理想的にべきであるかについて初期感する差動定式化を介して任意の詳細設計や分析を追求する前に取る最初のステップを与えます。
架空のによって定義される簡易自由物体図によって流体の流れにさらされるシステムの詳細を交換する閉鎖コントロール ・ ボリュームと呼ばれる表面制御ボリュームの定式化の背後にある主要な原則からです。この図は、すべての面と体の力、コントロール ボリュームの境界とコントロール ・ ボリューム内の線形運動量の変化率による線形運動量の純フラックスを含める必要があります。このアプローチでは、システム上の支配的な影響をキャプチャ同時分析を簡略化する方法で巧みにコントロール ・ ボリュームを定義するを意味します。この手法は、様々 な角度で平板平面噴流で実証されます。我々 は、板の空力負荷を推定する制御ボリューム解析を使用し、空力バランスで得られた結果の力の実際の測定値の結果を比較します。
1. 施設の設定
)。
)。
)。
; 垂直力: 
)。2. データの記録
)。 、 ) 表 1 に結果を入力。
図 2。実験の設定。(A): 圧プレナムを加圧する吸気系の詳細
。(B): 衝突板側を放電します。(C): 放電スリットの詳細。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
3. データ分析
表 1。実験的研究のための基本的なパラメーターです。
| パラメーター | 値 |
| ジェット ノズル幅 (W) | 19.05 mm |
| プレート スパン (L) | 110.49 cm |
| 探触子の校正定数 (m_p) | 141.3829 Pa/V |
| 水平バランス係数 (m_x) | 22.2411 N/V |
| バランス縦係数 (m_y) | 4.4482 N/V |
ボリューム方式は、流体工学、構造またはデバイスの空力設計のため広く使用されて強力なツールです。流体を通してオブジェクトに移動すると、力が開発されています。流体の流れによって体の力は、それらのまわりの流れの線形運動量の変化の結果です。風車ブレード、船帆や飛行機の翼を設計するためにエンジニアは、支配的なシステムで読み込まれるか決定できる必要があります。工学アナリストのツールボックスには、詳細な構造計算のための複雑な方法と同様、特定の工学システムの開発の可能性を予測するためのメソッドが含まれています。このビデオでは、さまざまな角度から平板の空力負荷を調べると負荷の見積もり方法と実験室での測定方法を示すボリューム方式を適用する方法を示します。
二次元噴流が傾斜平板に衝突を考えてみましょう。あなたは私たちの前のビデオからこの例に精通しているはずです。今しましょうという名前の架空のによって定義されるコントロール ボリューム構造のまわりの興味の任意のボリュームを取る表面名前付きコントロール ・ サーフェスが閉じられます。コントロール ボリューム分析の背後にある主要な原則は、選択したボリュームの簡略化された自由物体図によって流体の流れにさらされるシステムの複雑な詳細を置き換えることです。システムに作用する力は、圧力や流体せん断による表面力をすることができます。システムに作用する力は、外力、たとえば固体と流体コントロール ボリューム内の重量または電磁界などの体積効果による他の力も可能です。コントロール ・ ボリュームに作用する力の和は等しい率コントロール ・ ボリューム内の線形運動量の変化とコントロール ・ ボリュームの速度を考慮した制御表面を通って直線的運動量の純のフラックスです。これは線形運動量保存則のベクトル方程式です。今すぐみましょう私たちの例に戻ってくるし、前に説明した原則を適用します。まず、コントロール ・ ボリューム構造の周りを描いてみましょう。コントロール ・ ボリュームは、分析を簡略化する方法で、システムに支配的な影響をキャプチャ同時に選ばれなければなりません。ここで勢いがいずれかのポートを介してコントロール ・ ボリュームに流れるとを通じて葉 2 つのポートし、ポートの 3 つに注意してください。運動量保存式は、この構成でどのように書かすることができます?1 つが流体が合理化し、縮みの場所で置かれるポートはパラレル、ジェットの静圧が大気圧と等しい。ポート 2 と 3 が衝突領域から十分にずっとある、同じ条件はこれらのポートに対して有効です。したがって、圧力は制御表面に均一分布は、大気圧に等しい。その結果、コントロール ・ ボリュームに作用する圧力力はゼロです。コントロールのサーフェイスは入口と出口の流れに垂直なので、表面上の流れによるせん断負荷はありません。式の左辺の唯一の言葉は、プレートにジェットによって出る空力荷重の伝達にプレートの反力によって与えられます。ジェットの流れが一定と仮定すると、コントロール ボリュームの内部の運動量の変化はなく、方程式の右辺の最初の項が消えるので。私たちのコントロール ボリュームは空間に固定されている、式を簡素化、衝突する反力制御表面を介して運動量の純フラックスに等しいことを示します。面積ベクトルと速度ベクトル制御画面の特定の構成を配置します。結果、否定的な流入でポート 1 とポート 2 と 3 に outfluxes があります。これらのフラックスの合計は衝突する反力です。ポートの速度がおよそ均一な場合、力の方程式がさらに簡素化します。衝突角度 θ を知ることには、結果の力はプレートにその正常な成分とその接線成分に分解できます。次に、ポート 1 で速度の正常・接線方向の成分を見つける、2 つのポート、それぞれ 3 つのポートします。私たちは力の対応するコンポーネントを取得するために力の同等化にこれらを使用します。プレートの通常の負荷は、立体構造の観点から最も適切です。それは、縮みにプレート スパンとジェットの幅を使用して表すこともできます。コントロール ボリュームの解析と推定されるプレートの通常の負荷の最終的な式が得ジェット出口幅と、縮み、縮みに動圧と収縮の比率を知ること、です。次のセクションでは、空力バランスで傾斜平板に衝突する噴流によって発揮される支配的な力を測定し、コントロール ボリュームの解析に基づく推定値に測定された負荷を比較しています。
実験を開始する前に、施設が実行されていないことを確認します。まず、探触子の正のポートをチャンバーの圧力タップに接続します。圧力トランスデューサーの負のポートは受信機で大気圧を意味する開いたままにしておきます。圧力トランスデューサーをゼロし、キャリブレーション定数の値を記録します。ジェット出口幅を設定し、プレート スパンを測定します。まず、ニュートンにボルトからリフト変換とボルトからニュートンへのドラッグ変換を決定する空力のバランスを調整します。次に、力の空力バランス デバイスのニュートン変換定数にボルトを記録します。今実験のすべての基本的なパラメーターを参照テーブルに記録します。次に、5 秒のデータに対応する 100 ヘルツのレートで 500 サンプルの合計をキャプチャするデータ集録システムを設定します。ボルトをニュートン変換定数データ集録ソフトウェアの適切なフィールドに入力してください。最後に、力のバランスに影響を与えるプレートをマウントし、ゼロにデバイスの出力を調整します。
データ集録を開始、まずプレートの角度を 90 度に設定し、流れ施設の電源を入れます。まず、ボルトで圧力計の読みを記録します。プレナムと大気との間の圧力差を計算するために参照テーブルから校正定数と一緒にこの量を使用します。力のバランスで力を測定する準備が整いました。これを行うには、するには、記録力データをデータ集録システムを使用します。データ集録システムが自動的にボルトで測定を用いた力を決定するのに変換係数を使用します。テーブルに結果を入力します。フロー機能をオフにして、プレートの角度を変更します。次に、フロー機能をオンにし、さまざまな角度の力の測定を繰り返します。結果表にデータを記録します。
角度 θ と水平の実験値と空力バランスで測定した衝突力の垂直成分を用いた平板に及ぼす垂直力を計算します。各角度 θ の計算を繰り返し、結果の表に値を記録します。パラメーター テーブル、プレナムと大気の圧力差の測定値を使用して、プレートの垂直衝突力の理論値を計算します。各角度 θ の計算を繰り返し、結果の表に値を記録します。衝突力の計測値と理論値の不一致を計算します。各角度 θ の計算を繰り返し、結果の表に値を記録します。
衝突角度 θ の関数として空力バランスで直接測定によって与えられるプレートの負荷をプロットすることによって開始します。負荷計算パーセント エラー イプシロンと共にコントロール ボリュームによる理論的な分析を使用して同じグラフ上に置きます。今直接各角度 θ でプレートに加わる各負荷のコントロール ボリュームによる計算値と測定値を比較します。2 つの方法の間の相違は非単調角度 θ と 2% から 12.5% の範囲によって異なります。も小さく、80 度の角度の制御ボリューム方式はプレートで負荷を過小評価。80 度以上の角度のためには、このメソッドは測定荷重よりも高い値を与えた。違いは、コントロール ボリューム解析線形運動量の非粘性非散逸変更を想定していますという事実のために可能性があります。一方、直接測定は、流れの粘性の影響を避けることはできません。
線形運動量保存則のコントロール ボリュームの解析は、構造体またはデバイスの詳細な空力設計を追求する前に与えられた工学システムの開発の可能性を予測する使用されています。ペルトン水車の刃は直線的運動量の最高額をトルクに変換する設計されています。コントロール ボリュームの解析では、ウォーター ジェットの線形運動量の変化を最大限にブレード形状はジェット軌道で 180 度の方向転換を課すようなことを実証しています。実機の構造に対する風の効果を予測するために風や水トンネル内縮小したモデル実験を実施できます。ここでコントロール ボリュームの解析ですとモデルの下流の速度測定上流と共に使用されるプロトタイプの効果的な負荷を判断するために
ゼウスの線形運動量保存則のコントロール ボリューム分析による入門を見てきただけ。今法の基本的な原理と構造物の流力を推定するそれらを適用する方法を理解する必要があります。また、空力バランス力の測定を実行する方法を学んだ。見ていただきありがとうございます。
制御ボリューム法は、流体工学の強力なツールであり、構造物やデバイスの空力設計に広く使用されています。力は、物体が流体中を移動するときに発生します。流体の流れによって物体に加えられる力は、物体の周りの流れの線形運動量の変化の結果です。風力タービンのブレード、ボートの帆、または飛行機の翼を設計するには、エンジニアはシステムの主要な負荷を決定できなければなりません。エンジニアリング アナリストのツールボックスには、特定のエンジニアリング システムの開発の実現可能性を予測する方法と、詳細な構造計算を行うための複雑な方法が含まれています。このビデオでは、制御ボリューム法を適用して、さまざまな角度で平板上の空力荷重を決定する方法を説明し、実験室で荷重を推定および測定する方法を示します。
平面ジェットが平らな傾斜プレートに衝突するとします。前のビデオのこの例に精通しているはずです。次に、Control Surfaceという名前の架空の閉じたサーフェスによって定義される、Control Volumeという名前の構造の周りの任意の関心のあるボリュームを取りましょう。制御ボリューム解析の主な原理は、流体の流れにさらされるシステムの複雑な詳細を、選択したボリュームの簡略化された自由体図に置き換えることです。システムに作用する力は、圧力による表面力または流れによるせん断力である可能性があります。システムに作用する力は、制御ボリューム内に含まれる固体や流体の重量などの物体力、または電磁場などの体積効果によって誘発されるその他の力である場合もあります。制御ボリュームに作用する力の合計は、制御ボリューム内の線形運動量の変化率と、制御ボリュームの速度も考慮に入れた制御面を通る線形運動量の正味流束に等しくなります。これは、線形運動量の保存のためのベクトル方程式です。次に、例に戻り、前に説明した原則を適用しましょう。まず、構造体の周囲に制御ボリュームを描画します。制御ボリュームは、解析を簡略化すると同時に、システムに対する主要な影響を捉える方法で選択する必要があります。ここでは、モメンタムはポート 1 から制御ボリュームに流れ込み、ポート 2 とポート 3 から出ることに注意してください。この特定の構成に対して、運動量保存の方程式をどのように書くことができますか?ポート1は、流体の流線が平行で、ジェットの静圧が大気圧と等しい大静脈収縮の位置に配置されます。ポート 2 と 3 がインピンジメント領域から十分に離れていると仮定すると、これらのポートにも同じ条件が当てはまります。したがって、圧力は操縦翼面上に均一に分布し、大気圧に等しくなります。その結果、制御ボリュームに作用する正味の圧力力はゼロになります。制御面は入口と出口の流れに対して垂直であるため、表面上の流れによって誘発されるせん断荷重はありません。方程式の左側にある唯一の項は、プレート上のジェットによって加えられる空力荷重の伝達に対するプレートの反力によって与えられます。ジェットの流れが安定していると仮定すると、制御ボリューム内の運動量は変化しないため、方程式の右辺の最初の項は消えます。制御ボリュームは空間に固定されているため、方程式は単純化され、衝突に対する反力が制御面を通る運動量の正味の流束に等しいことを示します。制御面の特定の構成の速度ベクトルは、面積ベクトルと整列しています。その結果、ポート1で負の流入があり、ポート2とポート3で流出があります。これらのフラックスの合計が、衝突に対する反力です。ポートの速度がほぼ均一であると仮定すると、力の方程式はさらに単純化されます。衝突角θがわかれば、結果として生じる力は、プレートに対する法線成分とその接線成分に分解できます。次に、ポート 1、ポート 2、およびポート 3 での速度の法線成分と接線成分を見つけます。これらを力の方程式で使用して、力の対応する成分を取得します。プレートの垂直荷重は、構造の観点から最も関連性があります。また、プレートスパンと大静脈収縮部のジェットの幅を使用して表すこともできます。ジェット出口幅と大静脈収縮部の収縮比と大静脈収縮部の動圧を知ることで、制御体積解析で推定したプレート上の垂直荷重の最終的な表現を求めます。次のセクションでは、空力バランスを使用して傾斜したプレートに衝突するジェットによって加えられる支配力を測定し、測定された負荷を制御体積解析に基づく推定値と比較します。
実験を開始する前に、施設が稼働していないことを確認してください。まず、トランスデューサーのプラスポートをプレナムの圧力タップに接続します。圧力トランスデューサのマイナスポートを開いたままにして、レシーバー内の大気圧を感知します。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。ジェット出口幅を設定し、プレートスパンを測定します。まず、空力バランスをキャリブレーションして、ボルトからニュートンへの揚力変換とボルトからニュートンへの抗力変換を決定します。次に、力の空力バランスデバイスのボルトからニュートンへの変換定数を記録します。次に、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。次に、5秒のデータに対応する100ヘルツの速度で合計500のサンプルをキャプチャするようにデータ収集システムを設定します。データ集録ソフトウェアの関連フィールドにボルトからニュートンへの変換定数を入力します。最後に、インパクトプレートをフォースバランスに取り付け、デバイスの出力をゼロに調整します。
データ取得を開始するには、まずプレートの角度を90度に設定してから、フローファシリティをオンにします。まず、圧力トランスデューサの読み取り値をボルトで記録します。この量を参照テーブルの校正定数とともに使用して、プレナムと雰囲気の間の圧力差を計算します。これで、力のバランスを使用して力を測定する準備が整いました。これを行うには、データ収集システムを使用して力のデータを記録します。データ収集システムは、変換係数を自動的に使用して、ボルト単位の測定値を使用して力を決定します。結果をテーブルに入力します。フロー機能をオフにし、プレートの角度を変更します。次に、フロー機能をオンにし、さまざまな角度で力の測定を繰り返します。結果テーブルにデータを記録します。
角度θと、空力バランスで測定された衝突力の水平成分と垂直成分の実験値を使用して、平板に加えられる垂直力を計算します。各角度シータについて計算を繰り返し、結果テーブルに値を記録します。パラメータ表とプレナムと大気の圧力差の測定値を使用して、プレート上の垂直衝突力の理論値を計算します。各角度シータについて計算を繰り返し、結果テーブルに値を記録します。衝突力の測定値と理論値の間の不一致を計算します。各角度シータについて計算を繰り返し、結果テーブルに値を記録します。
まず、直接測定によって与えられたプレート上の荷重を、衝突角θの関数としての空力バランスでプロットします。同じグラフに、制御体積アプローチとパーセント誤差イプシロンによる理論解析を使用して計算された負荷を配置します。次に、直接測定した値と、各角度θでプレートに加えられる各負荷の制御体積分析で計算された値を比較します。2つの方法の不一致は、角度θによって非単調に変化し、2%から12.5%の範囲です。角度が 80 度以下の場合、制御ボリューム法はプレート上の荷重を過小評価していました。角度が80度を超える場合、この方法では測定された負荷よりも高い値が得られました。この違いは、制御ボリューム解析が線形運動量の非粘性非散逸性変化を前提としているという事実によるものと考えられます。直接測定では、粘度が流れに与える影響を避けることはできません。
線形運動量の保存則の制御体積解析は、構造やデバイスの詳細な空力設計を追求する前に、特定のエンジニアリングシステムの開発の実現可能性を予測するために広く使用されています。ペルトンブレードは、最大量の線形運動量をトルクに変換するように設計されています。制御ボリューム解析では、ウォータージェットの線形運動量の変化を最大化するブレード形状が、ジェット軌道に180度の方向変化を課すようなものであることが実証されています。実物大の構造に対する風の影響を予測するために、風洞または水トンネルでダウンスケールモデルを使用して実験を行うことができます。ここでは、プロトタイプの有効荷重を決定するために、制御ボリューム解析をモデルの上流および下流の速度測定とともに使用します。
Jove による線形運動量保存の制御ボリューム解析の紹介を見ました。これで、この方法の基本原理と、それらを適用して構造の流れによって加えられる力を推定する方法を理解できました。また、空力バランスを使用して力の測定を行う方法も学習しました。ご覧いただきありがとうございます。
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