Strumień uderzający w pochyłą płytę

Uderzenie strumienia w konstrukcje stałe jest szeroko stosowanym procesem w zastosowaniach technologicznych, takich jak cięcie materiałów w przemyśle wytwórczym i wytwarzanie energii ze źródeł hydraulicznych. Uderzenie strumienia polega na uwolnieniu płynu przez dyszę z obszaru wysokiego ciśnienia do obszaru niskiego ciśnienia i uderzeniu lub uderzeniu strumienia w konstrukcję. Podczas procesu uderzenia na powierzchnię obiektu wywierane są siły generowane przez wzajemne oddziaływanie ciśnienia i prędkości pola przepływu. Na przykład w przypadku samolotu pionowego startu i lądowania lub VTOL, dwa odrzutowce połączone wytwarzają wystarczającą siłę nośną, aby pomóc samolotowi wystartować pionowo bez korzystania z pasa startowego. Dwa dodatkowe mniejsze dysze wydane po każdej stronie samolotu zapewniają stabilność. Skutki uderzenia zależą od wymiarów i prędkości strumienia, charakterystyki powierzchni uderzenia oraz odległości między dyszą a powierzchnią. Gdy temperatury powierzchni i strumienia znacznie się różnią, uderzenie strumienia spowoduje wysoki poziom wymiany ciepła. Ten film pokaże, jak określić obciążenie wywierane przez strumień na obiekt, a także jak obliczyć inne parametry przydatne w diagnostyce przepływu, takie jak prędkość strumienia i masowe natężenie przepływu.

Zanim zagłębimy się w protokół eksperymentalny, przestudiujmy zasady rządzące uderzeniem strumienia. Aby uzyskać stały, nieściśliwy przepływ płynu o zerowej lepkości, energia kinetyczna i energia potencjalna ciśnienia mogą swobodnie przekształcać się w siebie wzdłuż linii strumienia. Podczas gdy suma tych dwóch form energii jest zawsze stała, jest to zasada Bernoulliego wywodząca się z zasady zachowania energii. Zgodnie z tą zasadą wzrost prędkości, a co za tym idzie energii kinetycznej płynu, następuje jednocześnie ze spadkiem jego ciśnienia i energii potencjalnej. Na przykład ich suma jest zawsze stała. To jest równanie Bernoulliego. Wyrażony w wymiarach ciśnienia, termin związany z energią kinetyczną nazywa się ciśnieniem dynamicznym. Podczas gdy termin związany z energią potencjalną ciśnienia nazywa się ciśnieniem statycznym. Dodanie tych dwóch terminów daje stałą presję Bernoulliego, znaną również jako presja stagnacji. Ciśnienie stagnacji definiuje się jako maksymalne ciśnienie, jakie osiągnąłby przepływ, gdyby został zatrzymany przez przekształcenie całego jego ciśnienia dynamicznego w ciśnienie statyczne. Porozmawiajmy teraz o konfiguracji eksperymentalnej. Strumień powietrza wychodzi z komory wysokiego ciśnienia przez szczelinę o szerokości W i rozpiętości L do odbiornika o niższym ciśnieniu, gdzie strumień uderza w nachyloną płytę o kącie theta. Pośrednia linia strumienia dzieli strumień na dwa regiony. Jeden odchylał się w górę, a drugi w dół. Linia podziału kończy się tuż przy ścianie w punkcie stagnacji, gdzie ciśnienie dynamiczne jest całkowicie przekształcane w ciśnienie statyczne. W punkcie stagnacji profil ciśnienia wywieranego przez strumień na płytę ma maksymalną wartość p0. Będąc z dala od tego punktu, profil ciśnienia stale się zmniejsza, ponieważ stopniowo mniejsze ciśnienie dynamiczne jest przekształcane w ciśnienie statyczne. Profil ciśnienia zależy od kąta uderzenia theta. Gdy theta wynosi 90 stopni, linia środkowa jest również linią stagnacji. Zmniejszając kąt uderzenia, strumień stagnacji oddala się od linii środkowej dżetu, w wyniku czego szczyt profilu ciśnienia zmniejsza się i przesuwa się w kierunku obszarów płyty bliżej wyjścia strumienia. Całkowite ciśnienie na powierzchni płyty wystawionej na działanie strumienia jest wynikiem sumowania się ciśnienia uderzeniowego do ciśnienia statycznego wewnątrz odbiornika. Ponieważ ciśnienie wewnątrz odbiornika jest równomiernie rozłożone, ciśnienie otoczenia wywierane po obu stronach płytki znosi się. W związku z tym obciążenie netto płyty jest spowodowane nadciśnieniem i jest obliczane poprzez całkowanie przez rozkład ciśnienia uderzenia na całej powierzchni płyty. Kiedy płyn jest odprowadzany przez szczelinę z obszaru wysokiego ciśnienia do obszaru niskiego ciśnienia, dżet ma tendencję do zbiegania się w obszarze zwanym żyłą skurczową. Jest to pierwsze miejsce po opuszczeniu przez strumień otworu wylotowego, w którym linie strumienia stają się równoległe, a w konsekwencji ciśnienie statyczne jest równe ciśnieniu otoczenia. Zastosujmy równanie Bernoulliego między pozycją, w której dżet wychodzi z komory, a pozycją w żyle przykurczonej. Biorąc pod uwagę, że prędkość wewnątrz komory jest nieistotna, prędkość w żyle skurczowej można obliczyć na podstawie różnicy ciśnień między komorą a odbiornikiem. Wreszcie, znając współczynnik skurczu między szerokością szczeliny a żyłą skurczową, masowe natężenie przepływu można oszacować za pomocą prędkości strumienia i obszaru żyły skurczowej. W kolejnych sekcjach zmierzymy wynikowy rozkład nacisku na płytę, a następnie obliczymy całkowitą siłę, całkując pole nacisku na powierzchni płytki.

Przed rozpoczęciem eksperymentu, ponieważ otwarcie drzwi do odbiornika podczas pracy jest potencjalnie niebezpieczne i szkodliwe dla obiektu, upewnij się, że obiekt nie jest używany. Jeśli drzwi do odbiornika są otwarte, obiekt nie jest używany. Jeśli drzwi do odbiornika są zamknięte, wyjrzyj przez okno. Jeśli w środku nie ma personelu, drzwi można bezpiecznie otworzyć, ponieważ obiekt można uruchomić od wewnątrz tylko wtedy, gdy drzwi są zamknięte. Aby rozpocząć, ustaw instrumenty zgodnie ze schematem. Podłącz dodatni port przetwornika ciśnienia do wyjścia zaworu skanującego. Upewnij się, że zawór skanujący znajduje się w pozycji wyjściowej. Podłącz węże piezometryczne płyty do zaworu skanującego w następnej kolejności. Należy pamiętać, aby pomiary rozpoczynać na wlocie obok wyjścia zaworu skanującego. Najpierw ustaw płytkę pod żądanym kątem theta. Po drugie, zmierz szerokość dyszy strumieniowej. Po trzecie, zmierz rozpiętość i wysokość płyty. Wyzeruj przetwornik ciśnienia i zapisz wartość stałej kalibracji. Zapisz wszystkie podstawowe parametry eksperymentu w tabeli referencyjnej. Najpierw otwórz port niskiego ciśnienia, aby wyczuć ciśnienie w odbiorniku. Następnie podłącz punkt wysokiego ciśnienia przetwornika oznaczony jako dodatni do zaworu ciśnieniowego komory. Następnie uruchom urządzenie przepływu. Zmierz napięcie związane z różnicą ciśnień wykrywaną przez przetwornik ciśnienia między komorą a odbiornikiem za pomocą multimetru cyfrowego. Oblicz tę wielkość za pomocą stałej kalibracji.

Po skalibrowaniu przyrządu i zarejestrowaniu podstawowych parametrów można przystąpić do rozpoczęcia zbierania danych. Najpierw podłącz port wysokiego ciśnienia przetwornika do wspólnego portu zaworu skanującego. Naostrz również zawór skanujący, aby rozpocząć pomiar od pierwszej pozycji kranu ciśnieniowego na płycie. Uruchom Traverse six na swoim komputerze, wprowadź współczynnik konwersji z woltów na ciśnienie i ustaw częstotliwość próbkowania na 100 herców, a sumę próbek na 500, aby uzyskać pięć sekund danych. Następnie wprowadź zero w wirtualnym instrumencie dla pozycji pierwszego kranu ciśnieniowego, a następnie zapisz dane. Wartość na ekranie to różnica ciśnień między zaworem ciśnieniowym a odbiornikiem. Przestaw zawór skanujący do następnej pozycji kranu. Wprowadź nową pozycję w oprogramowaniu, wiedząc, że odległość między dwoma kolejnymi odczepami wynosi 25,4 milimetra i zapisz nową wartość różnicy ciśnień. Pod koniec eksperymentu oprogramowanie generuje tabelę i wykres położenia kranu w funkcji ciśnienia. Zmodyfikuj natężenie przepływu, zmieniając położenie płytki sterującej przepływem, aby zamknąć obszar przepływu mniej więcej o połowę i powtórzyć pomiary ciśnienia. Powtórz pomiary dla różnych natężeń przepływu i kątów nachylenia i zapisuj wyniki za każdym razem w tabeli. Gdy wszystkie dane zostaną zebrane, wyłącz funkcję przepływu.

Na podstawie danych eksperymentalnych można uzyskać kilka interesujących parametrów. Spójrz na tabelę wyników i dla każdego kąta płytki i natężenia przepływu użyj różnicy ciśnień między komorą a odbiornikiem, aby obliczyć prędkość strumienia w żyle kontraktowej. Z tabeli referencyjnej należy pobrać wartości rozpiętości L i szerokości szczeliny, a następnie wykorzystać wcześniej obliczoną prędkość w żyle skurczowej do oszacowania masowego natężenia przepływu. Następnie spójrz na wykres położenia w funkcji ciśnienia wygenerowany przez trawers szósty i odczytaj szczytową wartość ciśnienia. Wprowadź wartość w tabeli wyników. Wartość ta jest bezpośrednim oszacowaniem ciśnienia stagnacji. Teraz oblicz siłę działającą na płytę, integrując rozkład nacisku na powierzchni płyty. W tym celu należy skorzystać z wykresu różnicy ciśnienia w funkcji położenia i obliczyć obszar pod krzywą za pomocą reguły trapezu lub reguły Simpsona. Wprowadź wartość w tabeli wyników.

Zacznij od naniesienia na ten sam wykres czterech zestawów wyników uzyskanych dla uderzenia strumienia samolotu na płytkę pod dwoma różnymi kątami i przy dwóch różnych natężeniach przepływu. Teraz porównaj profile ciśnienia dla dwóch różnych kątów uderzenia i tego samego natężenia przepływu. Profil ciśnienia przy 90 stopniach jest wyższy niż ten dla 70 stopni. Podczas gdy szczyt dla uderzenia 90 stopni jest wyśrodkowany, szczyt dla 70 stopni jest przesunięty w kierunku niższej wartości x. Wyniki te mówią, że dla kąta uderzenia 90 stopni linia strumienia stagnacji odpowiada linii środkowej przepływu. Linia środkowa charakteryzuje się prędkością szczytową, a tym samym maksymalnym ciśnieniem dynamicznym. Wraz ze zmniejszaniem się kąta uderzenia strumień stagnacji oddala się od linii prędkości szczytowej i odchyla się od swojej pierwotnej ścieżki. Następnie porównaj profile ciśnienia dla dwóch różnych natężeń przepływu i tego samego kąta uderzenia. Maksymalne ciśnienie zmniejsza się wraz z natężeniem przepływu, ponieważ wraz ze spadkiem natężenia przepływu następuje zmniejszenie energii kinetycznej, a tym samym energii dynamicznej. Spójrz na tabelę wyników i porównaj wartości obliczone dla obciążenia płyty. Kąt uderzenia ma wpływ na zmniejszenie całkowitego obciążenia, ponieważ przesuwa ciśnienie stagnacji z tego, które zbiega się z prędkością linii środkowej, na linię opływową niosącą niższe poziomy ciśnienia dynamicznego.

Strumienie uderzeniowe są szeroko stosowane w wielu zastosowaniach przemysłowych i inżynieryjnych, od hydrauliki i aeronautyki po elektronikę. Wzajemne oddziaływanie ciśnienia i prędkości można wykorzystać do diagnostyki przepływu. Sonda Prandtla lub statyczna Pitota składa się z dwóch koncentrycznych rurek. Rura wewnętrzna jest skierowana w stronę przepływu, aby wykryć ciśnienie stagnacji. Podczas gdy rura zewnętrzna ma zestaw bocznych portów, które wyczuwają ciśnienie statyczne. Różnica ciśnień jest wykrywana za pomocą zintegrowanego czujnika, a wartość ta służy do oszacowania prędkości. To urządzenie jest szeroko stosowane w inżynierii płynów. Aby określić na przykład prędkość wiatru w stosunku do samolotu. Miękkie materiały, takie jak tworzywa sztuczne i drewno, można ciąć cienkim strumieniem wody z dużą prędkością. Podczas gdy metale można ciąć wodą po dodaniu cząstek ściernych do strumienia. Aby wytworzyć szybki strumień do celów cięcia, konieczne jest wywarcie wysokiego ciśnienia w przepływie, aby móc go przyspieszyć przez dyszę zbieżną. Wysoka energia kinetyczna przenoszona przez strumień jest następnie przekształcana w ciśnienie dynamiczne na powierzchni ciętego przedmiotu, wywierając siłę wystarczająco silną, aby usunąć materiał z powierzchni uderzenia.

Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie Jowisza do uderzenia strumienia na pochyłą płytę. Powinieneś teraz zrozumieć, w jaki sposób wzajemne oddziaływanie między ciśnieniem a prędkością generuje siły działające na konstrukcje i być w stanie obliczyć siły uderzenia, prędkości przepływu i masowe natężenia przepływu. Dzięki za oglądanie.