Name: calibrating a smooth contraction flowmeter
Uploaded: 2023-04-30T07:02:48.000Z
Duration: 13 min 35 s
Channel: JoVE

1. Настройка объекта
<ol>
	<li>Убедитесь, что на объекте нет потока. </li>
	<li>Убедитесь, что система сбора данных соответствует схеме, приведенной на рисунке Рисунок 1B. </li>
	<li>Подключите положительный порт датчика давления #1 (см. Рисунок 1B для справки) к проходящей трубке Пито (<img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq018.jpg">). </li>
	<li>Подсоедините отрицательный порт того же преобразователя давления к статическому щупу впускного канала (<img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq022.jpg">). Следовательно, показания этого преобразователя давления будут прямыми (<img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq023.jpg">). </li>
	<li>Запишите коэффициент преобразования этого преобразователя из вольт в паскаль (<img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq024.jpg">). Введите это значение в таблицу 1. </li>
	<li>Подсоедините положительный порт датчика давления #2 (см. Рисунок 1B) к статическому щупу впускного канала (<img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq022.jpg">) с помощью тройника. </li>
	<li>Оставьте отрицательный порт датчика давления #2 открытым для атмосферы (<img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq025.jpg">). Следовательно, показания этого преобразователя будут происходить напрямую (<img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq026.jpg">). </li>
	<li>Запишите коэффициент преобразования этого преобразователя из вольт в паскаль (<img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq027.jpg">). Введите это значение в таблицу 1. </li>
	<li>Настройте систему сбора данных на частоту дискретизации 100 Гц, что в сумме составит 500 выборок (т.е. 5 секунд данных). </li>
	<li>Убедитесь, что канал 1 в системе сбора данных соответствует преобразователю давления #1 (<img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq023.jpg">). </li>
	<li>Введите коэффициент преобразования <img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq024.jpg"> в систему сбора данных, чтобы убедиться, что измерение давления (<img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq023.jpg">) напрямую преобразуется в Паскаль. </li>
	<li>Установите щуп Пито в конце его хода, где он соприкасается со стенкой трубы. Поскольку зонд имеет диаметр 2 мм, первая точка скорости находится в радиальной координате на расстоянии 1 мм от стены. То есть, при радиальном положении <img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq028.jpg"> мм (здесь <img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq029.jpg"> мм). </li>
</ol>
<img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/10445/10445fig2.jpg"> 
Рисунок 2. Экспериментальная постановка. (А): Исследуется прохождение потока. (B): ручная система перемещения для трубки Пито. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10445/10445fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры. </a>
Таблица 1. Основные параметры для экспериментального исследования. Par ameter Value
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Параметр</td>
			<td>Значение</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Радиус прохождения потока (Ro)</td>
			<td>82.25 мм</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Калибровочная константа преобразователя #1 (m_p1)</td>
			<td>136.015944 Pa/V</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Преобразователь #2 калибровочная константа (m_p2)</td>
			<td>141.241584 Н/В</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Местное атмосферное давление</td>
			<td>100,474.15 Па</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Местная температура</td>
			<td>297.15 К</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P_atm-P_2</td>
			<td>311.01 Па</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
2. Измерения
<ol>
	<li>Включите функцию расхода. </li>
	<li>Запишите показания преобразователя давления #2 в Вольтах с цифрового мультиметра. </li>
	<li>Введите это значение в таблицу 1 как <img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq026.jpg"> и преобразуйте показания из вольт в паскаль с помощью коэффициента <img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq027.jpg">. </li>
	<li>Используйте систему сбора данных для записи показаний (<img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq023.jpg">). </li>
	<li>Введите значение <img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq023.jpg"> в таблицу 2. </li>
	<li>С помощью поперечной ручки измените радиальное положение трубки Пито в соответствии со значением, предложенным в таблице 2. </li>
	<li>Повторяйте шаги 2.4 и 2.6 до тех пор, пока таблица 2 не будет полностью заполнена. </li>
	<li>Изменяйте расход путем изменения расхода в системе. </li>
	<li>Повторите шаги с 2.4 по 2.8 по крайней мере для десяти различных скоростей потока. </li>
	<li>Выключите функцию потока.</li>
</ol>
<img alt="Figure " src="/files/ftp_upload/10445/10445fig5.jpg"> 
Рисунок 5. Экспериментальная постановка. Перфорированные пластины для ограничения потока на выходе из проточной системы. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10445/10445fig5large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры. </a>
Таблица 2. Репрезентативные результаты. Измерение скорости. r (mm) PT - P2 (Pa) u (r) (m/s
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>r (мм)</td>
			<td>PT - P{{}}2 (Pa)</td>
			<td>u(r) (м/с)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2.25</td>
			<td>300.35</td>
			<td>22.34</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12.25</td>
			<td>302.84</td>
			<td>22.43</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>22.25</td>
			<td>305.82</td>
			<td>22.54</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>32.25</td>
			<td>302.34</td>
			<td>22.41</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>42.25</td>
			<td>294.88</td>
			<td>22.13</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>52.25</td>
			<td>295.37</td>
			<td>22.15</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>62.25</td>
			<td>292.88</td>
			<td>22.06</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>68.25</td>
			<td>293.63</td>
			<td>22.09</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>72.25</td>
			<td>294.13</td>
			<td>22.10</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>75.25</td>
			<td>299.60</td>
			<td>22.31</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>77.25</td>
			<td>293.13</td>
			<td>22.07</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>79.25</td>
			<td>284.67</td>
			<td>21.75</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>80.25</td>
			<td>256.31</td>
			<td>20.63</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>81.25</td>
			<td>198.33</td>
			<td>18.15</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
3. Анализ данных. 
<ol>
	<li>Определите профиль скорости с помощью значений разницы давлений, PT - P2, из таблицы 2. Введите результаты в таблицу 2. </li>
	<li>Нанесите на график значения давления и скорости из таблицы 2, используя радиус <img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq030.jpg">, как абсцисс (Рисунок 3). </li>
	<li>Вычислите интеграл в уравнении (8) на основе значений скорости и радиуса из таблицы 2. </li>
	<li>Рассчитайте коэффициент расхода для каждого расхода с помощью уравнения (8). </li>
	<li>Постройте график коэффициента расхода, используя <img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq031.jpg"> в качестве абсцисс. </li>
	<li>Подгоняйте функцию под коэффициент разряда, степенной закон является хорошим выбором. </li>
</ol>
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/10445/10445fig3.jpg"> 
Рисунок 3. Репрезентативные результаты. (A): Пример измерения статического давления по радиальной координате прохода потока. (B): Распределение скоростей, определенное на основе измерений статического давления. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10445/10445fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры. </a>

Продемонстрировано применение контрольного объемного анализа сохранения массы для калибровки проточного канала в качестве расходомера. С этой целью мы продемонстрировали использование статической системы Пито для определения скорости потока через проточный канал с помощью интегрирования по профилю скорости. Затем было включено понятие коэффициента расхода для учета эффекта роста пограничного слоя вблизи стенок прохода потока. На основе набора измерений скоростей для различных скоростей потока мы разработали регрессию, ко...

Измерение сохранения массы и расхода

Источник: Рикардо Мехия-Альварес и Хуссам Хикмат Джаббар, факультет машиностроения, Университет штата Мичиган, Ист-Лансинг, Мичиган
Цель данного эксперимента — продемонстрировать калибровку проточного канала в качестве расходомера с использованием рецептуры контрольного объема (CV) [1, 2]. Анализ CV фокусируется на макроскопическом влиянии потока на инженерные системы, а не на подробном описании, которое можно было бы получить с помощью детального дифференциального анализа. Эти два метода следует рассматривать как взаимодополняющие подходы, поскольку анализ резюме даст инженеру первоначальную основу, по какому пути следует двигаться при проектировании системы потока. Вообще говоря, анализ CV даст инженеру представление о доминирующем массообмене в системе, и в идеале должен быть первым шагом, который следует предпринять, прежде чем приступать к детальному проектированию или анализу с помощью дифференциальной формулировки. 
Основной принцип, лежащий в основе формулировки CV для сохранения массы, заключается в замене деталей системы потока упрощенным объемом, заключенным в так называемую поверхность управления (CS). Это понятие является воображаемым и может быть свободно определено, чтобы разумно упростить анализ. Например, CS должен «резать» входные и выпускные отверстия в направлении, перпендикулярном доминирующей скорости. Затем анализ будет заключаться в нахождении баланса между потоком чистой массы через CS и скоростью изменения массы внутри CV. Этот метод будет продемонстрирован с помощью калибровки плавного сжатия в качестве расходомера.

Для данного ограничения потока на выходе вентилятора, Рисунок 3A показывает измерения динамического давления (<img src="/files/ftp_upload/10445/10445eq023.jpg">) в различных радиальных местах внутри трубы после прохождения с трубой Пито. Эти значения были использованы для определения локальной скорости в этих радиальных точках, и результаты показаны на рисунке Рисунок 3B. После использования трапециевидного правила на этих данных...

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
The purpose of ...

mass-conservation-and-flow-rate-measurements

Education

JoVE Science Education

Engineering

Инженерия

Mechanical Engineering

Машиностроение

Mass Conservation and Flow Rate Measurements

calibrating a smooth contraction flowmeter

Mass conservation can be used to calibrate a smooth contraction as a flowmeter. The experiment uses a control volume, or CV, formulation. A control volume is a simplified region used to study the macroscopic effect of flow on an engineering system.

This approach focuses on the main mass exchange in the system rather than the detailed flow pattern. It is a complementary method to differential analysis, which looks at the flow in more detail. In design work, the CV method can give an engineer an initial basis for choosing a path forward.

The key idea is to replace the full flow passage with a control surface, or CS, that surrounds the region of interest. The control surface is imaginary and can be placed to simplify the analysis. For this setup, the CS should cut the inlet and outlet ports perpendicular to the dominant velocity.

The analysis then compares the net mass flux through the control surface with the rate of change of mass inside the control volume. This balance is the main principle of mass conservation in the CV form. It provides a practical way to calibrate the flow passage as a flowmeter before moving on to more detailed analysis.

Calibrating a Smooth Contraction Flowmeter

calibrating-a-smooth-contraction-flowmeter

buoyancy and drag on immersed bodies

Measuring Drag on Rising Bubbles

Objects, vehicles, and organisms in fluids experience buoyancy, drag, and lift. Buoyancy is the upward force from the fluid’s weight. Drag is the resistive force that acts opposite motion. Lift is the force perpendicular to the direction of motion. These forces matter in engineering and in the study of swimming and flying organisms. Predicting and measuring them helps explain how bodies move through a fluid medium. It also supports the design of vehicles that travel through liquids or gases. <br...

stability of floating vessels

How Cargo Changes Boat Stability

Boat stability depends on hull shape and internal mass distribution. A stable vessel can self-right after it is rolled to one side by an outside force. Careful hull design helps seagoing vessels stay stable with a low draft, which is the submerged depth of the hull. That can improve maneuverability and reduce drag. This experiment uses a model boat with an adjustable center of mass, which represents different cargo loadings. The boat is also modified for automated tracking of its roll angle.

propulsion and thrust

Static Thrust Testing in Propulsion Systems

Propulsion systems create thrust by speeding up a surrounding fluid or high-temperature combustion products. Aircraft, rockets, and ships all use this basic idea. When the fluid leaves at high velocity, conservation of momentum produces an effective force on the vehicle. Thrust is often checked with static thrust tests. In these tests, the propulsion system is fixed to an instrumented mount, and the holding force on the mount is measured as thrust. This setup lets the system run while the...

piping networks and pressure losses

Measuring Pressure Drop in Pipe Components

This experiment measures pressure drop in pipe components used in internal flow systems. Friction from channel walls, fittings, and obstructions can turn fluid pressure into heat, which reduces the pressure available for flow. A piping network is built with straight tubing, helical tube coils, and elbow fittings with sharp 90° bends. Pressure loss is measured across each component set with manometers, which show fluid pressure by the height of liquid in an open vertical column. The measured...

quenching and boiling

Heat Transfer During Metal Quenching

Controlled heating followed by rapid cooling is a key step in many materials processing applications. This heat-treating process can make a material harder. That matters for cutting tools and for surfaces that must resist wear. The rapid cooling stage is called quenching. It is often done by placing the material in a fluid bath, such as water or oil. Quenching heat transfer can happen by forced convection, when fast movement through the coolant drives heat transfer, or by free convection, when...

hydraulic jumps

Water Flow Slowing in a Hydraulic Jump

Hydraulic jumps show how fast open-channel water can suddenly slow down and rise. When water moves at high velocity along an open channel, the flow can become unstable. Small disturbances can make the upper surface jump to a higher level. This abrupt rise is called a hydraulic jump. As the water level increases, the average flow velocity drops. The fast-moving water also loses kinetic energy, and that energy is dissipated as heat. Engineers often build hydraulic jumps into large water works,...

heat exchanger analysis

Measuring Heat Transfer in a Tube Exchanger

Heat exchangers move thermal energy between two fluid streams and are common in energy systems. They appear in car radiators, refrigerator evaporators, and cooling towers in power plants. In each case, heat moves from one fluid to another, either directly or through a surface. This experiment focuses on a water-to-water tube-in-tube heat exchanger. The setup is built and then tested with temperature and flow rate measurements. These measurements are used to find the heat transfer rate, or Q,...

introduction to refrigeration

Hand-Pump Vapor Compression Refrigeration

Vapor compression refrigeration shows how refrigerators, freezers, air-conditioning systems, and heat pumps remove heat. It is the dominant refrigeration technology used in many everyday devices. In this cycle, cooling happens when refrigerant evaporates at low pressure. The absorbed thermal energy is then released to the surroundings when the refrigerant condenses at high pressure. The compressor is the part that raises the working fluid from low pressure to high pressure. Mechanical work is...

hot wire anemometry

Measuring Turbulent Flow with Hot Wires

Hot-wire anemometry measures fast changes in fluid flow with a thin heated wire. Its very short time response makes it useful for rapidly fluctuating motion, especially turbulent flows. This experiment demonstrates how hot-wire anemometry is used in practice. It shows a method for tracking flow conditions when quick changes matter. The setup highlights why a hot-wire anemometer can capture details that slower sensors may miss.

measuring turbulent flows

Hot-Wire Analysis of a Turbulent Jet

Hot-wire anemometry is used to measure a turbulent jet and study its fast changes in speed. Turbulent flows have very high-frequency fluctuations, so they require instruments with a fast time response for proper measurement. A hot-wire anemometer has that short response time and can capture these rapid velocity changes. A previously calibrated hot-wire probe is used to collect velocity data at different positions within the jet. These measurements show how the flow varies across the turbulent...

visualization of flow past a bluff body

Hydrogen Bubble Flow Around a Cylinder

Hydrogen bubble flow around a circular cylinder shows how fluid moves past a bluff body. A bluff body is an object with a shape that causes separated flow over most of its surface. This is different from a streamlined body, such as an airfoil, which stays aligned with the stream and causes less flow separation. Fluid motion can form complex patterns because its governing laws are non-linear. Scientists have studied these patterns for centuries. Computers and supercomputers can help predict...

jet impinging on an inclined plate

Measuring Jet Force on an Inclined Plate

A plane jet striking an inclined plate shows how fluid flow can exert force on a surface. The experiment focuses on how dynamic pressure changes into static pressure at the plate and how that change affects the load on the structure. Pressure is measured along the plate to build a pressure distribution. The plate has small perforations called pressure taps, and these taps connect through hoses to a scanning valve. The scanning valve sends pressure from one tap at a time to a diaphragm pressure...

conservation of energy approach to system analysis

conservation-of-energy-approach-to-system-analysis

Fan-Pipe Flow and Valve Pressure Loss

This experiment examines steady, incompressible flow in a short pipe with a gate valve. It uses the energy conservation equation to track how pressure and flow change through the system. The gate valve is gradually closed, and its effect on the flow conditions is measured. The setup shows how energy dissipation helps a valve restrict flow. It also links the pipe system to the fan that drives the flow by comparing the system curve with the fan’s characteristic curve. The same pressure-based...

mass conservation and flow rate measurements

Mass conservation can be used to calibrate a smooth contraction as a flowmeter. The experiment uses a control volume, or CV, formulation. A control volume is a simplified region used to study the macroscopic effect of flow on an engineering system. This approach focuses on the main mass exchange in the system rather than the detailed flow pattern. It is a complementary method to differential analysis, which looks at the flow in more detail. In design work, the CV method can give an engineer an...

determination of impingement forces on a flat plate with the control volume method

determination-impingement-forces-on-flat-plate-with-control-volume

Jet Impact and Plate Force Measurement

A plane jet striking a flat plate creates a force that can be estimated from changes in linear momentum. This experiment uses a control volume formulation to study that force at different angles. A control volume is an imaginary closed surface that surrounds the flow region and helps simplify the analysis. The control volume approach focuses on the macroscopic effect of flow on an engineering system. It does not try to describe every detail of the fluid motion. Instead, it identifies the main...

mechanical engineering

This collection introduces a range of concepts that are essential for understanding and designing mechanical systems. Each video examines a specific topic and describes fundamental analytical methods commonly employed to understand physical behaviors.

Learn how mass conservation and control volume analysis are used to calibrate a smooth contraction as a flowmeter by comparing mass flux and mass change.

Calibrating a Smooth Contraction Flowmeter

Description

Transcript

Tags