Jato Incidindo em uma Placa Inclinada

O impacto a jato em estruturas sólidas é um processo amplamente utilizado em aplicações tecnológicas, como corte de materiais na indústria de transformação e geração de energia a partir de fontes hidráulicas. O impacto do jato consiste em liberar um fluido através de um bico de uma região de alta pressão para uma região de baixa pressão e atingir ou colidir com o jato sobre uma estrutura. Durante o processo de impacto, as forças geradas pela interação entre pressão e velocidade do campo de fluxo são exercidas na superfície do objeto. Por exemplo, no caso de uma aeronave de decolagem e pouso vertical ou VTOL, dois jatos combinados produzem sustentação suficiente para ajudar a aeronave a decolar verticalmente sem usar a pista. Dois jatos menores adicionais emitidos em cada lado da aeronave fornecem estabilidade. Os efeitos do impacto dependem das dimensões e velocidade do jato, das características da superfície de impacto e da distância entre o bico e a superfície. Quando as temperaturas da superfície e do jato são significativamente diferentes, o impacto do jato produziria altos níveis de transferência de calor. Este vídeo ilustrará como determinar a carga exercida por um jato em um objeto e também como calcular outros parâmetros de interesse para o diagnóstico de vazão, como velocidade do jato e vazão mássica.

Antes de nos aprofundarmos no protocolo experimental, vamos estudar os princípios por trás do impacto do jato. Para um fluxo constante e incompressível de um fluido com viscosidade zero, a energia cinética e a energia potencial de pressão são livres para se transformarem uma na outra ao longo das linhas de fluxo. Embora a soma das duas formas de energia seja sempre constante, este é o Princípio de Bernoulli derivado do Princípio da Conservação de Energia. De acordo com esse princípio, um aumento na velocidade e, consequentemente, na energia cinética de um fluido ocorre simultaneamente com uma diminuição em sua pressão e energia potencial. Como sua soma é sempre constante. Esta é a equação de Bernoulli. Expresso em dimensões de pressão, o termo associado à energia cinética é chamado de pressão dinâmica. Enquanto o termo associado à energia potencial de pressão, é chamado de pressão estática. A adição desses dois termos dá a constante de Bernoulli, também conhecida como pressão de estagnação. A pressão de estagnação é definida como a pressão máxima que o fluxo atingiria se parasse, transformando toda a sua pressão dinâmica em pressão estática. Agora vamos falar sobre a configuração experimental. Um jato de ar sai de um plenum de alta pressão através de uma fenda de largura W e amplitude L para um receptor de baixa pressão, onde o jato colide com uma placa inclinada de ângulo teta. A linha de fluxo intermediária divide o jato em duas regiões. Um desviou para cima e o outro para baixo. A linha de fluxo divisória pára bem na parede no ponto de estagnação onde a pressão dinâmica é convertida completamente em pressão estática. No ponto de estagnação, o perfil da pressão exercida pelo jato sobre a placa tem um valor máximo p0. Enquanto estiver longe deste ponto, o perfil de pressão diminui constantemente, pois progressivamente menos pressão dinâmica é convertida em pressão estática. O perfil de pressão depende do ângulo de impacto teta. Quando teta é de 90 graus, a linha central também é a linha de estagnação. Ao diminuir o ângulo de impacto, a linha de fluxo de estagnação se afasta da linha central do jato e, em conseqüência, o pico do perfil de pressão fica menor e se desloca para regiões da placa mais próximas da saída do jato. A pressão total na superfície da placa exposta ao jato é o resultado da adição entre a pressão de impacto e a pressão estática dentro do receptor. Como a pressão dentro do receptor é distribuída de forma homogênea, a pressão circundante exercida em ambos os lados da placa se cancela. Em conseqüência, a carga líquida na placa é devido à sobrepressão e é calculada integrando a distribuição da pressão de impacto em toda a área da placa. Quando um fluido é descarregado através de uma fenda de uma região de alta pressão para uma região de baixa pressão, o jato tende a convergir para uma área chamada veia contracta. Este é o primeiro local após o jato deixar sua porta de descarga em que as linhas de fluxo se tornam paralelas e, consequentemente, a pressão estática é igual à pressão do ambiente. Vamos aplicar a equação de Bernoulli entre a posição de onde o jato sai do plenum e a posição na veia contracta. Considerando que a velocidade dentro do plenum é insignificante, a velocidade na veia contracta pode ser calculada usando a diferença de pressão entre o plenum e o receptor. Finalmente, conhecendo a razão de contração entre a largura da fenda e a veia contracta, a taxa de fluxo de massa pode ser estimada usando a velocidade do jato e a área da veia contracta. Nas seções a seguir, mediremos a distribuição de pressão resultante na placa e, em seguida, calcularemos a força total integrando o campo de pressão sobre a área da placa.

Antes de iniciar o experimento, uma vez que abrir a porta para o receptor durante a operação é potencialmente perigoso e prejudicial à instalação, certifique-se de que a instalação não esteja em uso. Se a porta do receptor estiver aberta, a instalação não está em uso. Se a porta do receptor estiver fechada, olhe pela janela. Se não houver pessoal dentro, a porta é segura para abrir porque a instalação só pode ser iniciada por dentro enquanto a porta estiver fechada. Para começar, defina os instrumentos de acordo com o esquema. Conecte a porta positiva do transdutor de pressão à saída da válvula de varredura. Certifique-se de que a válvula de varredura esteja na posição inicial. Conecte as mangueiras piezométricas da placa à válvula de varredura na ordem subsequente. Lembre-se de iniciar as medições na entrada ao lado da saída da válvula de varredura. Primeiro, ajuste a placa para o ângulo desejado teta. Em segundo lugar, meça a largura do bico de jato. Terceiro, meça o vão e a altura da placa. Zerar o transdutor de pressão e registar o valor da constante de calibração. Registre todos os parâmetros básicos do experimento em uma tabela de referência. Primeiro, abra a porta de baixa pressão para detectar a pressão no receptor. Em seguida, conecte o ponto de alta pressão do transdutor marcado como positivo à torneira de pressão do plenum. Em seguida, inicie o recurso de fluxo. Meça a tensão associada à diferença de pressão detectada pelo transdutor de pressão entre o plenum e o receptor usando o multímetro digital. Calcule essa quantidade usando a constante de calibração.

Depois que o instrumento for calibrado e os parâmetros básicos forem registrados, você estará pronto para iniciar a aquisição de dados. Primeiro, conecte a porta de alta pressão do transdutor à porta comum da válvula de varredura. Afie também a válvula de varredura para iniciar sua medição a partir da primeira posição do tap de pressão na placa. Execute o Traverse seis em seu computador, insira o fator de conversão de volts para pressão e defina a taxa de amostragem para 100 hertz e o total de amostras para 500 para obter cinco segundos de dados. Em seguida, insira zero no instrumento virtual para a posição da primeira torneira de pressão e registre os dados. O valor na tela é a diferença de pressão entre a torneira de pressão e o receptor. Passe a válvula de varredura para a próxima posição de toque. Introduza a nova posição no software sabendo que a distância entre duas torneiras consecutivas é de 25,4 milímetros e registre o novo valor da diferença de pressão. No final do experimento, o software gera uma tabela e um gráfico da posição do tap versus a pressão. Modifique a vazão alterando a posição da placa de controle de vazão para fechar a área de vazão aproximadamente pela metade e repetir as medições de pressão. Repita as medições para diferentes taxas de fluxo e ângulos de inclinação e registre sempre que seus resultados estiverem em uma tabela. Quando todos os dados tiverem sido coletados, desligue o recurso de fluxo.

Com base nos dados experimentais, vários parâmetros de interesse podem ser obtidos. Observe a tabela de resultados e, para cada ângulo de placa e taxa de fluxo, use a diferença de pressão entre o plenum e o receptor para calcular a velocidade do jato na veia contraída. Na tabela de referência, pegue os valores para o vão L e a largura da fenda e use a velocidade na veia contracta previamente calculada para estimar a taxa de fluxo de massa. Em seguida, observe o gráfico de posição versus pressão gerado pelo Traverse seis e leia o valor de pico da pressão. Introduza o valor na tabela de resultados. Este valor é uma estimativa direta da pressão de estagnação. Agora, calcule a força colidida com a placa integrando a distribuição de pressão sobre a área da placa. Para fazer isso, use o gráfico de diferença de pressão versus posição e calcule a área sob a curva com a Regra do Trapézio ou a Regra de Simpson. Introduza o valor na tabela de resultados.

Comece plotando no mesmo gráfico quatro conjuntos de resultados obtidos para o impacto do jato plano em uma placa em dois ângulos diferentes e duas taxas de fluxo diferentes. Agora, compare os perfis de pressão para os dois ângulos de impacto diferentes e a mesma taxa de fluxo. O perfil de pressão a 90 graus é maior do que o de 70 graus. Enquanto o pico de impacto de 90 graus é centralizado, o pico de 70 graus é deslocado para um valor x mais baixo. Esses resultados informam que, para um ângulo de impacto de 90 graus, a linha de fluxo de estagnação corresponde à linha central do fluxo. A linha central é caracterizada pela velocidade de pico e, portanto, pela pressão dinâmica máxima. À medida que o ângulo de impacto diminui, a linha de fluxo de estagnação se afasta da linha de velocidade de pico e se afasta de seu caminho original. Em seguida, compare os perfis de pressão para as duas vazões diferentes e o mesmo ângulo de impacto. A pressão máxima diminui com a vazão porque há uma redução na energia cinética e, portanto, na energia dinâmica à medida que a vazão diminui. Observe a tabela de resultados e compare os valores calculados para a carga na placa. O ângulo de impacto tem o efeito de reduzir a carga total porque desloca a pressão de estagnação daquela que coincide com a velocidade da linha central para uma corrente que carrega níveis mais baixos de pressão dinâmica.

Os jatos de impacto são amplamente utilizados em muitas aplicações industriais e de engenharia, desde hidráulica e aeronáutica até eletrônica. A interação de pressão e velocidade pode ser usada para diagnósticos de fluxo. Uma sonda Prandtl ou pitot-estática é composta por dois tubos concêntricos. O tubo interno está voltado para o fluxo para detectar a pressão de estagnação. Enquanto o tubo externo possui um conjunto de portas laterais que detectam a pressão estática. A diferença de pressão é detectada com um sensor integrado e esse valor é usado para estimar a velocidade. Este dispositivo é amplamente utilizado na engenharia de fluidos. Para determinar, por exemplo, a velocidade do vento em relação ao avião. Materiais macios como plásticos e madeira podem ser cortados com um jato de água fino em alta velocidade. Enquanto os metais podem ser cortados com água ao adicionar partículas abrasivas ao fluxo. Para gerar um jato de alta velocidade para fins de corte, é necessário impor alta pressão no fluxo para poder acelerá-lo através de um bico convergente. A alta energia cinética transportada pelo jato é então convertida em pressão dinâmica na superfície do objeto que está sendo cortado, exercendo uma força forte o suficiente para remover o material na superfície de impacto.

Você acabou de assistir a introdução de Jove ao impacto do jato em uma placa inclinada. Agora você deve entender como a interação entre pressão e velocidade gera forças nas estruturas e ser capaz de calcular as forças de impacto, velocidades de fluxo e taxas de fluxo de massa. Obrigado por assistir.