경사 플레이트 대상 제트 충돌
출처: 리카르도 메지아 알바레즈와 후삼 히크마트 자바, 기계 공학과, 미시간 주립 대학, 이스트 랜싱, MI
이 실험의 목표는 유체 흐름이 동적 압력을 정적 압력으로 변환하여 구조에 힘을 미치는 방법을 보여주는 것입니다. 이를 위해, 우리는 평면 제트가 평평한 접시에…
1. 시설 설정
- 시설에 흐름이 없는지 확인합니다.
- 도 2의 회로도에 따라 계측기를 설정합니다.
- 플레이트를 원하는 각도로
조정합니다. 이 값을 표 1에 기록합니다. - 제트 노즐 너비 를 측정W. 표 1에서 이 값을 기록합니다.
- 표 1에서 이 값을 기록하는 플레이트 스팬 L. 레코드를 측정합니다.
- 압력 변환기0.
- 압력 변환기, m p(Pa/V)의 교정 상수를 기록합니다. 이 값을 표 1에 기록합니다.
- 변환기의 고압 포트(+로 표시됨)를 plenum의 압력 탭(로
표시됨)에 연결합니다. - 모든 작업이 수신기 내부에서 이루어지기 때문에 트랜스듀서(-로 표시)의 저압 포트를 열어 수신기()의 압력을
감지합니다. - 플로우 시설(FLL)을 시작합니다.
- 디지털 멀티미터를 사용하여 압력
변환기에서 감지된 플넘과 수신기 사이의 압력 차이와 관련된 전압(V)을 기록합니다. 이 값을 표 2에 기록합니다. - 1.7에서 교정 상수 mp를 사용하여 plenum과 수신기 ()의 압력 차이를
결정합니다. 표 2에 이 값을 기록합니다.
그림 2 . 데이터 수집 시스템의 세부 정보. 장비 연결에 대한 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
표 1 . 실험 연구를 위한 기본 매개 변수입니다.
| 매개 변수 | 값 |
| 제트 노즐 폭(Wn) | 41.3 mm |
| 플레이트 스팬(L) | 81.3 cm |
| 플레이트 높이(H) | 61cm |
| 트랜스듀서 교정 상수(m_p) | 137.6832 Pa/V |
2. 실험 실행
- 트랜스듀서의 고압 포트(+로 표시)를 스캐닝 밸브의 공통 포트에 연결합니다. 수신기()의 압력을 감지하기 위해 트랜스듀서(-로 표시)의 저압 포트를 열어 둡니다.
- 첫 번째 압력 탭 위치에서 측정을 시작하기 위해 스캐닝 밸브를 홈으로 홈으로 유지합니다.
- 트래버스 VI(LabView 가상 계측기)를 실행합니다.
- VI에서 교정 상수 mp를 입력합니다.
- 샘플링 속도를 100Hz로 설정하고 총 샘플(예: 5초 의 데이터)을 설정합니다.
플레이트 압력 데이터를 획득하는 압력 탭의 VI 위치()를 입력합니다. 압력 탭이 25.4mm 간격을 두는 것을 고려하십시오. 따라서 위치는 
mm이 되며 
탭 의 인덱스는 0에서 시작합니다.- 데이터를 기록합니다. VI는 압력 탭과 수신기 사이의 압력 차이를 읽습니다
(. - 스캔 밸브를 다음 탭 위치로 단계별로 단계별로 이동합니다.
- 모든 압력 탭이 통과될 때까지 2.6에서 2.8단계를 반복합니다.
- 끝에서 VI는 테이블과 탭 위치 대 압력의 플롯을 제공합니다.
- VI를 중지합니다.
- 흐름 제어 판의 위치를 변경하여 흐름 영역을 대략 절반으로 닫습니다(참조그림 3 참조). 이렇게 하면 유량이 수정됩니다. 방정식(5)을 사용하여 이 유량의 값을 결정합니다.
- 흐름 제어 플레이트의 새로운 위치에 대해 2.3 ~ 2.11 단계를 반복합니다.
- 충돌 플레이트의 각도를 수정하고 유동 제어 판을 초기 위치로 설정합니다.
- 반복 단계 2.3 받는 일 2.14 에 대 한 80o,70o,60o,50o,그리고 45o.
그림 3 . 실험 설정. 테스트 섹션입니다. 왼쪽: 슬릿 앞의 충돌 플레이트. 고압 공기는 이 슬릿을 통해 플넘에서 수신기로 배출됩니다. 중간: 충돌 판에 연결된 압력 탭은 한 번에 하나씩 샘플링하기 위해 스캐닝 밸브에 배분됩니다. 오른쪽: 수신기 방전 앞의 충돌 플레이트. 방전은 유량을 조절하기 위한 천대판이 있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. 분석
- 각 경사도 에 대해 두 유량에 대한 압력 데이터를 플롯합니다.
- 실험 데이터를 사용하여 방정식(2)을 기반으로 플레이트의 힘을 추정합니다.
- 방정식(3)을 사용하여 베나 수축기에서 제트 속도를 결정합니다.
- 방정식(5)을 사용하여 질량 유량을 추정합니다.
고체 구조물에 대한 제트 충돌은 제조 산업의 재료 절단 및 유압 소스의 에너지 생성과 같은 기술 응용 분야에서 널리 사용되는 프로세스입니다. 제트 충돌은 노즐을 통해 유체를 고압 영역에서 저압 영역으로 방출하고 구조물에 제트를 치거나 충돌시키는 것으로 구성됩니다. 충돌 과정에서 유동장의 압력과 속도 사이의 상호 작용에 의해 생성된 힘이 물체의 표면에 가해집니다. 예를 들어, 수직 이착륙 또는 VTOL 항공기의 경우 두 대의 제트기가 결합되어 항공기가 활주로를 사용하지 않고 수직으로 이륙할 수 있도록 충분한 양력을 생성합니다. 항공기의 각 측면에 발행 된 두 개의 추가 소형 제트기는 안정성을 제공합니다. 충돌의 효과는 제트의 크기와 속도, 충돌 표면의 특성, 노즐과 표면 사이의 거리에 따라 달라집니다. 표면과 제트의 온도가 크게 다를 때 제트 충돌은 높은 수준의 열 전달을 생성합니다. 이 비디오는 제트가 물체에 가하는 하중을 결정하는 방법과 제트 속도 및 질량 유량과 같은 유량 진단을 위해 관심 있는 다른 매개변수를 계산하는 방법을 보여줍니다.
실험 프로토콜에 대해 알아보기 전에 제트 충돌의 원리에 대해 알아보겠습니다. 점도가 0인 유체의 꾸준한 비압축성 흐름을 위해 운동 에너지와 압력 위치 에너지는 유선을 따라 서로 자유롭게 변환됩니다. 두 가지 형태의 에너지의 합은 항상 일정하지만, 이것은 에너지 보존 원리에서 파생된 베르누이의 원리입니다. 이 원리에 따르면 속도의 증가와 그에 따른 유체의 운동 에너지의 증가는 압력과 위치 에너지의 감소와 동시에 발생합니다. 예를 들어 그들의 합계는 항상 일정합니다. 이것이 베르누이의 방정식입니다. 압력의 차원으로 표현되는 운동 에너지와 관련된 용어를 동적 압력이라고 합니다. 압력 위치 에너지와 관련된 용어는 정압이라고 합니다. 이 두 항을 추가하면 정체 압력이라고도 하는 베르누이 상수가 제공됩니다. 정체 압력은 모든 동적 압력을 정압으로 변환하여 흐름이 중단될 경우 도달하는 최대 압력으로 정의됩니다. 이제 실험 설정에 대해 이야기해 보겠습니다. 에어 제트는 고압 플레넘에서 폭 W 및 스팬 L의 슬릿을 통해 저압 리시버로 빠져 나와 제트가 각도 세타의 경사 플레이트에 충돌합니다. 중간 유선은 제트기를 두 영역으로 나눕니다. 하나는 위쪽으로, 다른 하나는 아래쪽으로 꺾였다. 분할 유선은 동적 압력이 완전히 정압으로 변환되는 정체 지점의 벽에서 바로 멈춥니다. 정체 지점에서 플레이트에 제트가 가하는 압력의 프로파일은 최대값 p0를 갖습니다. 이 지점에서 멀어지는 동안 압력 프로파일은 점진적으로 감소하는 동적 압력이 정압으로 변환되기 때문에 꾸준히 감소합니다. 압력 프로파일은 충돌 각도 세타에 따라 달라집니다. 세타가 90도일 때 중심선은 정체선이기도 합니다. 충돌 각도를 줄임으로써 정체 유선은 제트의 중심선에서 멀어지고, 결과적으로 압력 프로파일의 피크가 작아지고 제트 출구에 더 가까운 플레이트 영역으로 이동합니다. 제트에 노출된 플레이트 표면의 총 압력은 충돌 압력과 수신기 내부의 정압 사이에 추가된 결과입니다. 수신기 내부의 압력이 균일하게 분포되어 있기 때문에 플레이트의 양쪽에 가해지는 주변 압력이 상쇄됩니다. 결과적으로, 플레이트에 가해지는 순 하중은 과압으로 인한 것이며, 이는 플레이트 영역 전체에 걸친 충돌 압력 분포를 통합하여 계산됩니다. 유체가 고압 영역에서 저압 영역으로 슬릿을 통해 배출될 때 제트는 대정맥 수축이라고 하는 영역으로 수렴하는 경향이 있습니다. 이것은 제트기가 배출구를 떠난 후 유선이 평행이 되고 결과적으로 정압이 주변 압력과 같아지는 첫 번째 위치입니다. 제트가 플레넘에서 나오는 위치와 대정맥 수축에서의 위치 사이의 베르누이 방정식을 적용해 보겠습니다. 플레넘 내부의 속도를 무시할 수 있는 것으로 간주하면, 대정맥 수축에서의 속도는 플레넘과 리시버 사이의 압력 차이를 사용하여 계산할 수 있습니다. 마지막으로, 슬릿 폭과 대정맥 수축 사이의 수축 비율을 알면 제트 속도와 대정맥 수축 면적을 사용하여 질량 유량을 추정할 수 있습니다. 다음 섹션에서는 플레이트의 결과 압력 분포를 측정한 다음 플레이트 영역에 대한 압력 필드를 통합하여 총 힘을 계산합니다.
실험을 시작하기 전에 작동 중에 수신기 도어를 열면 잠재적으로 위험하고 시설에 손상을 줄 수 있으므로 시설을 사용하고 있지 않은지 확인하십시오. 수신기의 문이 열려 있으면 시설을 사용하지 않는 것입니다. 수화기 문이 닫혀 있으면 창문을 통해 보세요. 내부에 인원이 없는 경우, 문이 닫혀 있는 동안에만 내부에서 시설을 시작할 수 있기 때문에 문을 안전하게 열 수 있습니다. 시작하려면 회로도에 따라 기기를 설정하십시오. 압력 변환기의 양극 포트를 스캐닝 밸브의 출력에 연결합니다. 스캐닝 밸브가 홈 위치에 있는지 확인하십시오. 플레이트의 피에조 측정 호스를 후속 순서로 스캐닝 밸브에 연결하십시오. 스캐닝 밸브의 출력 옆에 있는 흡입구에서 측정을 시작하는 것을 잊지 마십시오. 먼저 플레이트를 원하는 각도의 세타로 조정합니다. 둘째, 제트 노즐 너비를 측정합니다. 셋째, 플레이트의 스팬과 높이를 측정합니다. 압력 변환기를 영점으로 설정하고 교정 상수에 대한 값을 기록합니다. 실험의 모든 기본 매개변수를 참조 표에 기록합니다. 먼저 저압 포트를 열어 수신기의 압력을 감지합니다. 그런 다음 양극으로 표시된 변환기의 고압 지점을 플레넘의 압력 탭에 연결합니다. 다음으로 흐름 시설을 시작합니다. 디지털 멀티미터를 사용하여 플레넘과 수신기 사이의 압력 변환기가 감지한 압력 차이와 관련된 전압을 측정합니다. 교정 상수를 사용하여 이 양을 계산합니다.
기기가 교정되고 기본 파라미터가 기록되면 데이터 수집을 시작할 준비가 된 것입니다. 먼저 변환기의 고압 포트를 스캐닝 밸브의 공통 포트에 연결합니다. 또한 스캐닝 밸브를 연마하여 플레이트의 첫 번째 압력 탭 위치에서 측정을 시작합니다. 컴퓨터에서 Traverse six를 실행하고, 볼트에서 압력으로의 변환 계수를 입력하고, 샘플링 속도를 100헤르츠로, 총 샘플을 500으로 설정하여 5초 분량의 데이터를 얻습니다. 그런 다음 첫 번째 압력 탭 위치에 대해 가상 기기에 0을 입력한 다음 데이터를 기록합니다. 화면의 값은 압력 탭과 수신기 사이의 압력 차이입니다. 스캐닝 밸브를 다음 탭 위치로 이동합니다. 두 개의 연속 탭 사이의 거리가 25.4mm임을 알고 소프트웨어에 새 위치를 소개하고 압력 차이의 새로운 값을 기록합니다. 실험이 끝나면 소프트웨어는 압력 대비 탭 위치의 표와 플롯을 생성합니다. 유량 조절판의 위치를 변경하여 유량을 수정하여 유량 영역을 대략 절반으로 닫고 압력 측정을 반복합니다. 다양한 유속과 경사각에 대해 측정을 반복하고 결과를 표에 기록할 때마다 기록합니다. 모든 데이터가 수집되면 흐름 시설을 끕니다.
실험 데이터를 기반으로 몇 가지 관심 매개변수를 얻을 수 있습니다. 결과 테이블을 보고 각 플레이트 각도와 유량에 대해 플레넘과 리시버 사이의 압력 차이를 사용하여 대정맥 수축에서 제트 속도를 계산합니다. 참조 테이블에서 스팬 L과 슬릿의 너비 값을 취하고 이전에 계산된 대정맥 수축에서의 속도를 사용하여 질량 유량을 추정합니다. 그런 다음 Traverse six에 의해 생성된 위치 대 압력 플롯을 보고 압력의 피크 값을 읽습니다. 결과 테이블에 값을 도입합니다. 이 값은 정체 압력의 직접적인 추정치입니다. 이제 플레이트 영역에 대한 압력 분포를 통합하여 플레이트에 충돌하는 힘을 계산합니다. 이렇게 하려면 압력 차이 대 위치 플롯을 사용하고 사다리꼴 규칙 또는 Simpson의 규칙을 사용하여 곡선 아래 면적을 계산합니다. 결과 테이블에 값을 도입합니다.
먼저 두 개의 서로 다른 각도와 두 개의 서로 다른 유속으로 플레이트에 대한 비행기 제트 충돌에 대해 얻은 4개의 결과 세트를 동일한 그래프에 플로팅합니다. 이제 두 개의 서로 다른 충돌 각도와 동일한 유속에 대한 압력 프로파일을 비교합니다. 90도의 압력 프로파일은 70도의 압력 프로파일보다 높습니다. 90도 충돌에 대한 피크는 중앙에 있지만 70도에 대한 피크는 더 낮은 x 값으로 이동합니다. 이러한 결과는 90도 충돌 각도의 경우 정체 유선이 흐름 중심선에 해당한다는 것을 나타냅니다. 중심선은 최고 속도에 의해 특징지어지고, 따라서 최대 동적 압력에 의해 특징지어집니다. 충돌 각도가 감소함에 따라 정체 유선은 최고 속도선에서 멀어지고 원래 경로에서 멀어지게 됩니다. 다음으로, 두 개의 서로 다른 유속과 동일한 충돌 각도에 대한 압력 프로파일을 비교합니다. 최대 압력은 운동 에너지가 감소하기 때문에 유량에 따라 감소하고 따라서 유량이 감소함에 따라 동적 에너지가 감소하기 때문에 유량에 따라 감소합니다. 결과 테이블을 보고 플레이트의 하중에 대해 계산된 값을 비교합니다. 충돌 각도는 정체 압력을 중심선 속도와 일치하는 압력에서 더 낮은 수준의 동적 압력을 전달하는 유선으로 이동시키기 때문에 총 하중을 줄이는 효과가 있습니다.
임핑 제트는 유압 및 항공에서 전자 제품에 이르기까지 많은 산업 및 엔지니어링 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 압력과 속도의 상호 작용은 유량 진단에 사용할 수 있습니다. Prandtl 또는 피토 정적 프로브는 두 개의 동심 튜브로 구성됩니다. 내부 튜브는 정체 압력을 감지하기 위해 흐름을 향합니다. 외부 튜브에는 정압을 감지하는 측면 포트 세트가 있습니다. 압력의 차이는 통합 센서로 감지되며 이 값은 속도를 추정하는 데 사용됩니다. 이 장치는 유체 공학에 광범위하게 사용됩니다. 예를 들어, 비행기에 대한 바람의 상대적인 속도를 결정합니다. 플라스틱 및 목재와 같은 부드러운 재료는 얇은 워터젯으로 고속으로 절단할 수 있습니다. 금속은 흐름에 연마 입자를 추가할 때 물로 절단할 수 있습니다. 절단 목적으로 고속 제트를 생성하려면 수렴 노즐을 통해 유체를 가속할 수 있도록 흐름에 높은 압력을 가해야 합니다. 제트에 의해 운반되는 높은 운동 에너지는 절단되는 물체의 표면에서 동적 압력으로 변환되어 충돌 표면에서 재료를 제거할 수 있을 만큼 충분히 강한 힘을 가합니다.
당신은 방금 Jove의 Introduction to Jet Impingement on an Inclined Plate를 보았습니다. 이제 압력과 속도 간의 상호 작용이 구조물에 힘을 생성하는 방법을 이해하고 충돌력, 유속 및 질량 유량을 계산할 수 있어야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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Q1: What is Bernoulli's Principle and how does it apply to jet impingement?
Bernoulli's Principle states that for steady incompressible flow with zero viscosity, kinetic energy and pressure potential energy transform freely along streamlines while their sum remains constant. In jet impingement, this principle explains how dynamic pressure converts to static pressure at the stagnation point, generating forces on the impinged surface. This energy transformation is fundamental to understanding jet behavior on structures.
Q2: How does impingement angle affect the pressure distribution on a plate?
Impingement angle theta directly influences where maximum pressure occurs on the plate. At 90 degrees, the stagnation point aligns with the jet centerline, producing a centered pressure peak. As theta decreases, the stagnation streamline shifts away from the centerline, moving the pressure peak toward lower x-positions and reducing its magnitude. This angle-dependent shift reflects changes in dynamic pressure conversion across the plate surface.
Q3: What is the vena contracta and why is it important for calculating mass flow rate?
The vena contracta is the first location downstream of the nozzle where streamlines become parallel and static pressure equals receiver pressure. It represents the smallest cross-sectional area of the jet after discharge. Knowing the vena contracta area and jet velocity allows engineers to calculate mass flow rate accurately, which is essential for flow diagnostics and system design in jet impingement applications.
Q4: How is the total force exerted by a jet on an inclined plate calculated?
The total force is calculated by integrating the pressure distribution over the plate's exposed area. Since surrounding pressure cancels on both sides, only the overpressure contributes to net load. Using numerical integration methods like the Trapezoid Rule or Simpson's Rule on the measured pressure-position plot yields the resultant force. This approach directly relates pressure field measurements to structural loading.
Q5: What is stagnation pressure and how does it relate to dynamic pressure?
Stagnation pressure is the maximum pressure a flowing fluid reaches when brought to a complete halt, converting all dynamic pressure into static pressure. It equals the sum of dynamic pressure and static pressure, known as Bernoulli's constant. At the stagnation point on an impinged surface, dynamic pressure is fully converted, creating the peak pressure value in the pressure distribution profile.
Q6: Why does flow rate affect the magnitude of pressure on an impinged plate?
Flow rate directly influences the kinetic energy of the jet. Higher flow rates produce greater velocity and kinetic energy, resulting in higher dynamic pressure conversion at the impingement surface. Conversely, reducing flow rate decreases kinetic energy and lowers the maximum pressure on the plate. This relationship demonstrates how momentum and energy in the jet directly determine impingement forces.
Q7: What are practical applications of jet impingement technology in industry?
Jet impingement is widely used in material cutting, where high-speed water or abrasive jets remove material by converting kinetic energy to dynamic pressure at the surface. In aerospace, combined jets provide lift for vertical takeoff and landing aircraft. Jet impingement also enables flow diagnostics through pitot-static probes, which measure velocity by detecting stagnation and static pressure differences in fluid engineering applications.