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机械工程

该系列介绍了一系列的概念, 是理解和设计机械系统的关键。每个视频检查一个特定的主题, 并描述基本的分析方法, 通常用于了解物理行为。

  • Mechanical Engineering

    11:29
    浮力和拖曳在浸没的身体

    来源: 亚历山大的贾斯汀和 Adhikari;宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系

    在流体介质中浸泡的物体、车辆和生物体从周围的流体中感受到从浮力的形式产生的作用力-垂直向上的力, 由于流体重量,拖曳-在运动方向对面的电阻力, 和升力-垂直于运动方向的力。这些力的预测和表征对工程车辆和了解游泳和飞行生物的运动是至关重要的。

    在本实验中,

  • Mechanical Engineering

    13:09
    浮动容器的稳定性

    资料来源: 亚历山大的贾斯汀和凯文饶李大学机械和核工程系, 宾夕法尼亚州立大学, 学院公园, 宾夕法尼亚州

    本实验的目的是为了证明浮动船的稳定性现象--当某种外力将其滚向一侧时, 它们的自向右的能力。船体形状和内部质量分布的仔细设计, 使海船能够稳定的低吃水 (沉深船体), 提高船只的机动性和减少阻力。

    在这个实验中, 模型船将首先被修改, 以使其重心的调整 (代表不同的货物负荷) 和自动跟踪其轧辊角度。船将被放置在一个容器的水, 并向不同的角度倾斜, 其质心的高度不等。一旦释放, 倾覆 (翻倒) 或摆动的船将被跟踪与数码相机和视频分析软件。结果将与理论值进行比较,

  • Mechanical Engineering

    10:49
    推进力和推力

    资料来源: 亚历山大的贾斯汀;宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系

    飞机、火箭和轮船通过加速周围流体或高温燃烧产品以高速的速度产生推进力。由于动量守恒原理, 增加的流体速度导致了车辆的有效推力。推进系统的推力能力通常用静态推力试验来测量。在这些测试中, 推进系统安装和操作固定的, 仪器平台, 并在坐骑上的控股力被测量为推力

    在本实验中, 将建立和建模一个小规模的静态推力测量装置。将测量两个模型飞机马达和螺旋桨系统的推力曲线和一个计算机冷却风扇。推力效率也将被评估

  • Mechanical Engineering

    12:26
    管道网络和压力损失

    资料来源: 贾斯汀, 宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系, 大学公园, 宾夕法尼亚州

    本实验介绍了管网和内流系统压力损失的测量和建模。在这种系统中, 通道壁、接头和障碍物的摩擦流阻力会使机械能以流体压力的形式转化为热能。需要对尺寸流硬件进行工程分析, 以确保可接受的摩擦压力损失, 并选择满足压降要求的泵。

    在这个实验中, 一个管道网络是建立在共同的流动特点: 直长度的油管, 螺旋管线圈, 和弯头配件 (尖锐90°弯曲)。压力损失测量是收集在每组组件使用压力-简单的设备,

  • Mechanical Engineering

    10:56
    淬火和沸腾

    来源: 亚历山大的贾斯汀, Adhikari, 和马赫迪。宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系

    受控加热后的快速冷却是许多材料加工应用的重要元素。这种热处理工艺可以提高材料的硬度, 这是很重要的刀具或表面在高磨损环境。快速冷却阶段称为淬火, 通常是通过在流体浴中浸泡物料 (通常是水或油) 来执行的。淬火传热可以发生由于强制对流-当快速移动材料的作用, 通过冷却剂驱动的传热过程, 并由于自由对流-当热液的减少密度附近的材料表面导致浮力驱动循环和传热。在高材料温度下, 冷却剂会沸腾, 从而提高传热效率。然而, 当极热的材料被淬火时, 它们可以被覆盖在相对较低的导热性冷却剂蒸气中, 从而导致传热不良。

    在本实验中, 将对加热后的铜钢瓶进行淬火传热测量, 这是一种具有代表性的热处理零件。将在淬火过程中测量瞬态试样温度剖面,

  • Mechanical Engineering

    09:14
    液压跳跃

    资料来源: 亚历山大的贾斯汀和马赫迪。宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系

    当液体沿着明渠高速流动时, 水流会变得不稳定, 轻微的扰动会使液体上表面突然向更高的水平过渡 (图 1a)。这种急剧增加的液位称为水力跳跃。液位的增加会导致平均流速的降低。因此, 潜在的破坏性流体动能耗散为热。水力跃迁被故意地被设计入大水工作, 例如水坝溢洪道, 防止损伤和减少可能由快速的移动的小河造成的侵蚀。水力跃迁在河和小河也自然地发生, 并且可以被观察在家庭情况, 例如水的辐形流出从水龙头到水槽 (图 1b)。

    在这个项目中, 将建立一个明渠流动实验设施。将安装一个闸门, 该闸门是可以升降的垂直闸门, 用来控制上游水库到下游溢洪道的水流流量。将测量在闸门出口处产生水力跃迁所需的流量。这些研究结果将与基于质量和动量分析的理论值进行比较。

    图 1: a. 由于对不稳定的高速水流的轻微扰动,

  • Mechanical Engineering

    11:37
    换热器分析

    来源: 亚历山大的贾斯汀和克里斯托弗 J。宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系

    热交换器在两个流体流之间传递热能, 并且在能量系统中无处不在。常见的应用包括汽车散热器 (从热引擎冷却剂到周围空气的传热)、冰箱蒸发器 (冰箱内的空气蒸发制冷剂) 和发电厂的冷却塔 (冷凝蒸汽到蒸发水和环境空气)。本实验的目的是介绍实验测量 (额定值) 和热交换器的建模过程。

    在本试验中, 将构建水-水管管内换热器, 并进行评价。温度和流速测量将被用来确定传热率 (Q) 和总电导率 (UA)。测量的热交换器 UA

  • Mechanical Engineering

    12:08
    制冷概论

    来源: 亚历山大的贾斯汀和克里斯托弗 J。宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系

    实验证明了蒸气压缩制冷的原理。蒸汽压缩循环是主要的制冷技术, 在大多数冰箱、冰柜、空调系统和热泵中都能找到。在这个循环中, 冷却 (热采集) 是通过低压力蒸发制冷剂。吸收在蒸发的热能通过高压制冷剂冷凝被拒绝到周围环境。在压缩机中应用机械工作, 使工作液从低到高的压力升高。

    在制冷技术普遍存在的情况下, 大多数电冰箱的隐蔽包装和自主操作使其难以理解关键部件的工作原理和功能。在本实验中, 建立了一个基本的蒸气压缩制冷机。压缩机是手动驱动的自行车泵, 允许直观的循环操作, 因为实验者成为系统的一部分。由此产生的组件压力和温度可以根据热力学T-sPh图来解释, 它从液态到蒸汽状态中捕获流体特性的变化

  • Mechanical Engineering

    09:16
    热丝测速

    资料来源: 里卡多梅希亚-阿尔瓦雷斯和 Hussam Hikmat, 密歇根州立大学机械工程系, 东兰辛, MI

    热线风速有很短的时间响应, 这使他们的理想测量迅速波动的现象, 如湍流流。本实验的目的是演示热丝测速的使用。

  • Mechanical Engineering

    10:05
    测量紊流

    资料来源: 里卡多梅希亚-阿尔瓦雷斯和 Hussam Hikmat, 密歇根州立大学机械工程系, 东兰辛, MI

    湍流流动表现出非常高的频率波动, 需要具有高时间分辨力的仪器来进行适当的表征。热线风速有足够短的时间响应来满足这一要求。本实验的目的是演示用热线测速来表征湍流射流。

    在这个实验中, 一个先前校准的热线探头将被用来获得在射流中不同位置的速度测量。最后, 我们将对数据进行基本的统计分析, 以描述湍流场的特征。

  • Mechanical Engineering

    00:10
    通过钝体流的可视化

    资料来源: 里卡多梅希亚-阿尔瓦雷斯, Hussam Hikmat 贾巴尔和艾哈迈德·阿卜杜勒拉蒂夫, 密歇根州立大学机械工程系, 东兰辛, MI

    由于其治理规律的非线性性质, 流体运动诱发了复杂的流型。几个世纪以来, 对这些模式的本质的了解一直是人们密切关注的课题。虽然个人电脑和超级计算机广泛用于推断流体流动模式, 但它们的能力仍然不足以确定复杂几何形状或高度惯性流的精确流动行为 (例如, 当动量支配粘性阻力)。考虑到这一点, 大量的实验技术, 使流模式明显的发展, 可以达到流的制度和几何无法进入理论和计算工具。

    这个演示将调查一个钝体周围的流体流动。一个钝体是一个物体, 由于其形状, 导致其表面的分离流动。这是与流线型的身体形成对比, 就像一个翼型, 这是在流中对齐, 导致较少的流分离。本研究的目的是利用氢泡作为一种可视化流动模式的方法。氢泡是通过电解在水中的电极, 利用直流电源产生的。在负极中形成氢气气泡, 这需要是一个非常细的导线,

  • Mechanical Engineering

    13:27
    射流撞击斜面板

    资料来源: 里卡多梅希亚-阿尔瓦雷斯和 Hussam Hikmat, 密歇根州立大学机械工程系, 东兰辛, MI

    本实验的目的是通过将动压转化为静压来证明流体流动对结构的作用力。为此, 我们将使一个平面射流撞击平板, 并将测量由此产生的压力分布沿板块。由此产生的力将通过在压力分布和适当定义的板块表面的面积差之间进行积分来估计。这一实验将重复的两个角度的板块倾斜的方向的喷气和两个流速。每个配置都产生不同的压力分布沿板块, 这是不同水平的结果, 动态压力转换为静态压力在板的表面。

    对于这个实验, 压力将测量与一个膜片压力传感器连接到一个扫描阀。该板本身有一个小穿孔称为压力水龙头, 通过软管连接到扫描阀。扫描阀将压力从这些水龙头传送到压力传感器一次。压力感应器转换成电压,

  • Mechanical Engineering

    10:15
    系统分析中的能量守恒方法

    资料来源: 里卡多梅希亚-阿尔瓦雷斯和 Hussam Hikmat, 密歇根州立大学机械工程系, 东兰辛, MI

    本实验的目的是为了说明能量守恒方程的应用, 以确定流动系统的性能。为此, 将稳态、不可压缩流的能量方程应用于带有闸阀的短管中。闸板阀随后逐渐闭合, 其对流动条件的影响也得到了表征。此外, 通过系统曲线与风机特性曲线的比较, 研究了该流量系统与驱动气流的风扇之间的相互作用。

    这个实验有助于了解如何利用能量耗散阀来限制流量。同样, 在同样的原理下,

  • Mechanical Engineering

    13:35
    质量守恒和流速测量

    资料来源: 里卡多梅希亚-阿尔瓦雷斯和 Hussam Hikmat, 密歇根州立大学机械工程系, 东兰辛, MI

    本实验的目的是演示使用控制容积 (CV) 配方 [1, 2] 的流量通道作为流量计的校准。CV 分析的重点是流对工程系统的宏观影响, 而不是详细的微分分析可以实现的详细描述。这两种技术应该被认为是互补的方法, 因为 CV 分析将使工程师在设计一个流程系统时, 能在哪条路径上进行初始化。从广义上讲, CV 分析将给工程师一个系统中主导的质量交换的概念, 最好是在通过差分公式进行详细设计或分析之前采取的最初步骤。

    质量守恒的 CV 公式的主要原理是用被称为控制面 (CS) 的简化体积来替换流系统的细节。这个概念是虚构的, 可以自由定义, 巧妙地简化分析。例如, CS 应 "切割" 入口和出口端口, 其方向与主速度垂直。然后, 通过 CS 的净质量通量与 CV 内质量变化率之间的平衡,

  • Mechanical Engineering

    11:30
    用控制容积法测定扁板的撞击力

    资料来源: 里卡多梅希亚-阿尔瓦雷斯和 Hussam Hikmat, 密歇根州立大学机械工程系, 东兰辛, MI

    本实验的目的是在物体周围的流动的线性动量的变化的结果显示力量在他们附近使用控制容量公式化 [1, 2]。控制容积分析侧重于对工程系统的宏观影响, 而不是通过差分分析实现的详细描述。这两种技术中的每一个都在工程分析员的工具箱中有一席之地, 它们应该被认为是互补的, 而不是相互竞争的方法。从广义上讲, 控制容积分析将使工程师对系统中的主导负荷有一个概念。这将给她/他一个初步的感觉, 在设计设备或结构时, 应该采取什么途径, 最好是在通过差分公式进行任何详细设计或分析之前, 首先要迈出的第一步。

    控制容积公式化的主要原则是用一个被称为控制容积的假想闭合表面所定义的简化的自由体图来取代暴露在流体流动中的系统的细节。该图应包含所有的表面和体力, 通过控制容积的边界的线性动量的净通量, 以及控制容积内的线性动量的变化率。这种方法意味着巧妙地定义控制量,

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