$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Метод управления объемом является мощным инструментом в гидротехнике, широко используемым для аэродинамического проектирования конструкций или устройств. Сила развивается, когда объект движется через жидкость. Силы, действующие на тела потоком жидкости, являются результатом изменения линейного импульса потока вокруг них. Чтобы спроектировать лопасть ветряной турбины, парус лодки или крыло самолета, инженер должен уметь определять доминирующие нагрузки в системе. Инструментарий инженера-аналитика содержит методы прогнозирования целесообразности разработки той или иной инженерной системы, а также комплексные методы детального расчета конструкции. В этом видео будет показано, как применять метод контрольного объема для определения аэродинамической нагрузки на плоскую пластину под разными углами, а также будет продемонстрировано, как можно оценить и измерить нагрузки в лаборатории.
Рассмотрим струю самолета, наталкивающуюся на плоскую наклонную пластину. Вы должны быть знакомы с этим примером из нашего предыдущего видео. Теперь давайте рассмотрим произвольный интересующий нас объем вокруг структуры с именем управляющего объема, определенный воображаемой замкнутой поверхностью с именем управляющей поверхностью. Основной принцип анализа объема управления заключается в замене сложных деталей системы, подверженной воздействию потока жидкости, упрощенной диаграммой свободного тела для выбранного объема. Силы, действующие на систему, могут быть поверхностными силами, вызванными давлением или сдвигом, вызванным потоком. Силы, действующие на систему, также могут быть силами тела, например, весом твердых тел и жидкостей, содержащихся внутри контрольного объема, или другими силами, индуцированными объемными эффектами, такими как электромагнитные поля. Сумма сил, действующих на управляющий объем, равна скорости изменения линейного импульса внутри управляющего объема и результирующему потоку линейного импульса через управляющую поверхность, которая также учитывает скорость управляющего объема. Это векторное уравнение для сохранения линейного импульса. Теперь вернемся к нашему примеру и применим описанные ранее принципы. Для начала нарисуем контрольный объем вокруг конструкции. Объем управления должен быть подобран таким образом, чтобы упростить анализ и в то же время отразить доминирующие эффекты на систему. Обратите внимание, что здесь импульс перетекает в управляющий объем через порт один и выходит через порт два и порт три. Как можно записать уравнение сохранения импульса для данной конкретной конфигурации? Первый порт расположен в месте соединения половой вены, где линии тока жидкости параллельны, а статическое давление струи равно атмосферному давлению. Предполагая, что порты два и три расположены достаточно далеко от области столкновения, те же условия справедливы и для этих портов. Таким образом, давление равномерно распределяется по поверхности управления и оно равно атмосферному. Вследствие этого чистая сила давления, действующая на управляющий объем, равна нулю. Поскольку поверхность управления расположена перпендикулярно входному и выходному потокам, нагрузка на сдвиг, вызванная потоком на поверхности, отсутствует. Единственный член в левой части уравнения задается силой реакции пластины на передачу аэродинамической нагрузки, оказываемой струей на пластину. Предполагая, что струйный поток постоянен, импульс внутри управляющего объема не изменяется, и, таким образом, первый член в правой части уравнения исчезает. Поскольку наш управляющий объем фиксирован в пространстве, уравнение упрощается, показывая, что сила реакции на соударение равна суммарному потоку импульса через управляющую поверхность. Векторы скорости в нашей конкретной конфигурации поверхности управления выровнены с векторами площадей. Как следствие, наблюдается отрицательный приток в первом порту и отток во втором и третьем портах. Сумма этих потоков и есть сила реакции на соударение. Предполагая, что скорость портов примерно однородна, уравнение силы еще больше упрощается. Зная угол соударения тета, результирующую силу можно разложить на ее нормальную составляющую пластины и ее касательную составляющую. Далее мы находим нормальную и тангенциальную составляющие скоростей в порту один, порт два и соответственно порт три. Мы используем их в уравнении силы, чтобы получить соответствующие компоненты силы. Нормальная нагрузка на плиту является наиболее актуальной с конструкционной точки зрения. Он также может быть выражен с помощью пролета пластины и ширины струи в точке контрактной полой вены. Зная коэффициент сжатия между шириной выхода струи и контрактной половой веной, а также динамическое давление в сосудистой вене, мы получаем окончательное выражение нормальной нагрузки на пластину, оцененную с помощью анализа контрольного объема. В следующих разделах мы измерим доминирующие силы, оказываемые струей, направленной на наклонную пластину с аэродинамическим балансом, а затем сравним измеренную нагрузку с оценкой, основанной на анализе контрольного объема.
Перед началом эксперимента убедитесь, что объект не работает. Сначала подсоедините положительный порт преобразователя к крану давления пленума. Оставьте отрицательный порт датчика давления открытым, чтобы измерить атмосферное давление в приемнике. Обнулите датчик давления и запишите значение для калибровочной константы. Установите ширину выхода струи и измерьте пролет пластины. Во-первых, откалибруйте аэродинамический баланс, чтобы определить преобразование подъемной силы из вольт в ньютоны и преобразование лобового сопротивления из вольт в ньютоны. Затем запишите константы преобразования вольт в ньютоны устройства силового аэродинамического баланса. Теперь запишите все основные параметры эксперимента в справочную таблицу. Затем настройте систему сбора данных для захвата в общей сложности 500 образцов с частотой 100 Гц, что соответствует пяти секундам данных. Введите константы преобразования вольт в ньютоны в соответствующие поля программного обеспечения для сбора данных. Наконец, установите ударную пластину на баланс сил и отрегулируйте выходы устройства на ноль.
Чтобы начать сбор данных, сначала установите угол наклона пластины равным 90 градусам, а затем включите проточный режим. Во-первых, запишите показания датчика давления в вольтах. Используйте эту величину вместе с калибровочной константой из справочной таблицы, чтобы рассчитать разницу давлений между пленумом и атмосферой. Теперь вы готовы измерить силу с помощью баланса сил. Для этого используйте систему сбора данных для записи данных о силе. Система сбора данных будет автоматически использовать коэффициенты преобразования для определения силы с использованием измерений в вольтах. Занесите результаты в таблицу. Выключите проточную систему и измените угол наклона пластины. Затем включите проточный агрегат и повторите измерения силы для разных углов. Запишите данные в таблицу результатов.
Рассчитайте нормальную силу, действующую на плоскую пластину, используя угол тета и экспериментальные значения горизонтальной и вертикальной составляющих силы удара, измеренной с помощью аэродинамического баланса. Повторите расчет для каждого угла theta и запишите значения в таблицу результатов. Используя таблицу параметров и измеренные значения разницы давлений между пленумом и атмосферой, рассчитайте теоретическое значение нормальной силы соударения на пластине. Повторите расчет для каждого угла theta и запишите значения в таблицу результатов. Рассчитайте расхождение между измеренными и теоретическими значениями силы соударения. Повторите расчет для каждого угла theta и запишите значения в таблицу результатов.
Начните с построения графика нагрузки на пластину, полученной в результате прямых измерений, с помощью аэродинамического баланса в зависимости от угла соударения тета. Поместите на этот же график нагрузку, рассчитанную с помощью теоретического анализа с подходом контрольного объема вместе с процентной погрешностью эпсилона. Теперь сравните непосредственно измеренные значения со значениями, рассчитанными с помощью анализа контрольного объема для каждой нагрузки, приложенной к пластине под каждым углом тета. Расхождения между двумя методами изменяются немонотонно в зависимости от угла тета и находятся в диапазоне от 2% до 12,5%. Для углов меньше и равных 80 градусам метод контрольного объема недооценивал нагрузки на плиту. В то время как для углов выше 80 градусов этот метод давал значения выше измеренных нагрузок. Различия могут быть связаны с тем, что анализ контрольного объема предполагает невязкие недиссипативные изменения линейного импульса. В то время как прямые измерения не могут избежать влияния вязкости на поток.
Объемно-контрольный анализ сохранения линейного импульса широко используется для прогнозирования осуществимости разработки данной инженерной системы до начала детального аэродинамического проектирования конструкции или устройства. Лопасть Пелтона предназначена для преобразования наибольшего линейного момента в крутящий момент. Анализ контрольного объема показал, что геометрия лопасти, которая максимизирует изменение линейного импульса водяных струй, такова, что траектория струи изменяется на 180 градусов. Чтобы предсказать влияние ветра на конструкцию реального размера, можно провести эксперименты с уменьшенной моделью в ветровой или водной трубе. Здесь используется анализ контрольного объема вместе с измерениями скоростей до и после модели для определения эффективной нагрузки прототипа.
Вы только что посмотрели введение Юпитера в анализ управляемого объема для сохранения линейного импульса. Теперь вы должны понять основные принципы метода и то, как применять их для оценки сил, действующих на конструкцию потоком. Вы также научились выполнять измерения силы с помощью аэродинамического баланса. Спасибо за просмотр.
). 
). 
). 
; вертикальная сила: 
). 
). 
. (B): нагнетательная сторона с ударной пластиной. (C): Деталь разгрузочной щели.