Jet empiétant sur une plaque inclinée

Mechanical Engineering

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Overview

Source : Ricardo Mejia-Alvarez et Hussam Hikmat Jabbar, département de génie mécanique, Michigan State University, East Lansing, MI

L’objectif de cette étude est de démontrer comment un écoulement de fluide exerce des forces sur les structures de la conversion d’une pression dynamique en pression statique. À cette fin, nous allons faire un jet avion empiètent sur un plat plat et permettra de mesurer la distribution résultante de pression le long de la plaque. La force résultante sera estimée en intégrant le produit entre la répartition de la pression et les différentiels de la zone définie adéquatement le long de la surface de la plaque. Cette expérience sera répétée pour les deux angles d’inclinaison de la plaque par rapport à la direction du jet et les deux débits. Chaque configuration produit une distribution de pression différentes le long de la plaque, qui est le résultat de différents niveaux de la conversion d’une pression dynamique en pression statique à la surface de la plaque.

Pour cette expérience, on mesurera la pression avec un capteur de pression de diaphragme relié à une vanne de balayage. La plaque elle-même a petites perforations appelées prises de pression qui se connectent à la valve de balayage par l’intermédiaire de tuyaux. La valve de balayage envoie la pression de ces entailles vers le transducteur de pression l’un à la fois. La pression induit la déformation mécanique sur le diaphragme qui le transducteur de pression transforme en tension. Cette tension est proportionnelle à la différence de pression entre les deux côtés du diaphragme.

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JoVE Science Education Database. Génie mécanique. Jet empiétant sur une plaque inclinée. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Constant flux incompressible avec changements négligeables de potentiel gravitationnel, équation de Bernoulli peut être interprétée comme l’ajout de deux formes d’énergie : énergie cinétique et énergie potentielle de pression. Dans un processus non visqueux, ces formes d’énergie sont libres de transformer les uns des autres le long des lignes de courant tout en gardant la quantité totale initiale d’énergie constante. Ce total d’énergie est appelé constante de Bernoulli. Pour plus de commodité, l’équation de Bernoulli peut être exprimée en dimensions de pression en utilisant le principe d’homogénéité dimensionnelle [3]. En vertu de cette transformation dimensionnelle, le terme associé à l’énergie cinétique est surnommé la « pression dynamique », le terme associé à l’énergie potentielle de pression est appelé « pression statique » et constante de Bernoulli est appelé « pression de stagnation ». Ce dernier peut être interprété comme la pression maximale que le flux atteindrait si apporté à une halte en transformant toute sa pression dynamique en pression statique. Ces principes peuvent être mieux décrites par le formulaire suivant de l’équation de Bernoulli :

(1)

est la pression statique, est la pression dynamique, et est la pression de stagnation. La figure que 1 (a) montre une représentation schématique de l’expérience actuelle. Comme le montre, un jet d’air quitte un plénum de pression plus élevée grâce à une fente de largeur W et couvrent L à un espace clos à une pression plus faible, appelé récepteur. Le récepteur est une petite pièce qui sert à la section test de l’expérience. Il abrite le matériel d’acquisition de données et les expérimentateurs. Après s’écoulant sur une certaine distance, le jet empiète sur une plaque plane, à l’intérieur du récepteur qui fait un angle avec l’axe du jet. Le jet dans la figure que 1 (a) est délimité par trois lignes de courant. L’intermédiaire streamline divise le jet dans deux régions, celle qui obtient a dévié vers le haut et l’autre qui est dévié vers le bas. Étant donné que la démarcation simplifiée ne pas obtenir déviée, il s’arrête à droite du mur et à ce qu’on appelle le point de stagnation. À ce moment-là, toute la pression dynamique est convertie en pression statique et la pression atteint son niveau maximal, . Le niveau de pression diminue loin du point de stagnation car pression progressivement moins dynamique convertie en pression statique.

Selon l’angle d’incidence ( dans la figure 1), le streamline de stagnation suit un chemin différent. Lorsque , l’axe du jet est aussi le streamline de stagnation. Comme est diminuée, le streamline de stagnation s’éloigne de l’axe du jet, vers des trajectoires qui commencent vers le bord extérieur du jet. 90o étant aussi la trajectoire de la vitesse maximale, ergo maximum pression dynamique, son point de stagnation qui atteindra la valeur maximale de la pression par rapport aux autres trajectoires à des valeurs plus petites de . En résumé, l’effet de l’angle d’incidence sur le profil de pression est de réduire sa valeur maximale et de déplacer son apogée vers les régions de la plaque de plus près à la sortie du jet.

La ligne pointillée sur la figure 1 (a) représente la répartition de la pression nette le long de la surface de la plaque exposée au jet. Note de la figure 1 (b) que le total de pression sur la plaque, , est l’addition de la pression environnante, , plus la pression d’impaction ou surpression, . Puisque la pression environnante est distribuée de façon homogène, il annule et la charge sur la plaque est strictement le résultat de la surpression. Cette répartition de la pression sera déterminée expérimentalement et utilisée pour estimer la charge nette sur la plaque selon l’intégrale suivante :

(2)

Étant donné que les données expérimentales soient discrètes, cette intégrale peut être estimée à l’aide de la règle du trapèze ou règle de Simpson [4].

En outre, quand les fluides sont déchargent d’une région de pression plus élevée pour une région de basse pression à travers les orifices ou de fentes, le jet émettrice tend à converger au départ dans une région appelée la vena contracta (voir la Figure 1 pour référence) et puis divergent par la suite comme il coule de l’orifice de refoulement [5]. La vena contracta est en fait le premier emplacement après qu’un jet quitte son orifice de décharge dans lequel les lignes de courant deviennent parallèles. Par conséquent, c’est la première place le long du jet dans lequel la pression statique est égale à la pression de l’environnement [5]. Dans la présente expérience, le plénum est la région la pression plus élevée et le récepteur est la région de basse-pression. En outre, la vitesse à l’intérieur de l’Assemblée plénière est négligeable, et il peut être considéré comme stagnante avec très bonne approximation. Par conséquent, l’équation (1) pourrait servir à déterminer la vitesse dans le contrat de la veinea, comme suit :

(3)

Ici, est la différence de pression entre le plenum et le récepteur. En général, le taux de contraction entre la largeur de la fente et la vena contracta est très approximativement [5, 6, 7] :

(4)

Par conséquent, on peut estimer le débit massique de (3) et (4) comme suit :

(5)

Ici, est le domaine de la vena contracta.

Figure 1
Figure 1 . Schéma de configuration de base. Un jet avion quitte le plénum dans le récepteur à travers une fente de largeur W. Le jet empiète sur une plaque inclinée et il obtient a dévié tout en exerçant une pression systolique à la surface (ligne pointillée). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Procedure

1. réglage de l’installation

  1. Assurez-vous qu’il n’y a pas de débit dans l’installation.
  2. Définir les instruments selon le schéma de la figure 2.
  3. Régler la plaque à l’angle désiré . Enregistrer cette valeur dans le tableau 1.
  4. Mesurez la largeur de buse jet w. Enregistrer cette valeur dans le tableau 1.
  5. Mesurer l’étendue de la plaque L. reporter cette valeur dans le tableau 1.
  6. Le transducteur de pression à zéro.
  7. Notez la constante d’étalonnage du transducteur de pression, mp (Pa/V). Enregistrer cette valeur dans le tableau 1.
  8. Connectez le port à haute pression du transducteur (marqué comme +) vers le robinet de pression de la chambre de tranquillisation (marqué comme ).
  9. Étant donné que toutes les opérations se déroulent à l’intérieur du récepteur, quitter le port de basse pression du transducteur (marqué comme-) ouvert à ressentir la pression dans le récepteur ().
  10. Démarrez l’installation de flux (FLL).
  11. Utilisez un multimètre numérique pour enregistrer la tension (V) associée à la différence de pression entre le plenum et le récepteur détecté par le capteur de pression. Enregistrer cette valeur dans le tableau 2.
  12. Utilisez le calibrage constant mp de 1,7 pour déterminer la différence de pression entre le plenum et le récepteur (). Inscrire la valeur dans le tableau 2.

Figure 2
Figure 2. Détails du système d’acquisition de données. Schéma de raccordement des équipements. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Le tableau 1. Paramètres de base pour l’étude expérimentale.

Paramètre Valeur
Largeur de bec de jet (Wn) 41,3 mm
Durée de la plaque (L) 81,3 cm
Hauteur (H) de la plaque 61cm
Constante d’étalonnage de capteur (m_p) 137.6832 Pa/V

2. exécution de l’expérience

  1. Connectez le port à haute pression du transducteur (marqué comme +) à l’orifice commun de la valve de balayage. Quitter le port de basse pression du transducteur (marqué comme-) ouvert à ressentir la pression dans le récepteur ().
  2. Accueil la valve de balayage pour démarrer votre mesure de la première pression robinet position.
  3. Exécutez la Traverse VI (LabView instrument virtuel).
  4. Le calibrage constant mp dans le VI de l’entrée.
  5. Définir la fréquence d’échantillonnage de 100 Hz et le total des échantillons à 500 (c'est-à-dire 5 secondes de données).
  6. Entrez dans la VI la position () de la prise de pression de quelle plaque pression données seront acquises. Tenir compte du fait que les prises de pression sont espacées de 25,4 mm. Par conséquent, la position sera mm, où est l’index de l’eau du robinet à partir de 0.
  7. Enregistrer les données. Le VI lira la différence de pression entre la prise de pression et le récepteur (.
  8. L’étape de la valve de balayage vers la position suivante de robinet.
  9. Répétez les étapes 2.6 à 2.8 jusqu'à ce que toutes les prises de pression sont parcourus.
  10. À la fin, la VI fournit une table et un terrain de robinet pression de position vs.
  11. Arrêter la VI.
  12. Changer la position de la plaque de contrôle de flux pour fermer la zone de circulation à peu près de moitié (pour référence, voir Figure 3 ). Cela modifiera la vitesse d’écoulement. Équation (5) permet de déterminer la valeur de ce débit.
  13. Répétez les étapes 2.3 à 2.11 de la nouvelle position de la plaque de contrôle de flux.
  14. Modifier l’angle de la plaque d’impaction et mettre la plaque de contrôle de flux à sa position initiale.
  15. Répétez les étapes 2.3 à 2.14 pour 80o, 70o, 60o, 50oet 45o.

Figure 3
Figure 3. Paramètre expérimental. Section de l’essai. Gauche : Plaque Impingement en face de la fente. Air pression plus élevée est déchargé de la chambre de tranquillisation au récepteur par cette fente. Au milieu : prises de pression reliés à la plaque d’impact sont distribués dans la valve de balayage pour exemple est à la fois. Droite : plaque impingement en face de la décharge de récepteur. La décharge a une plaque perforée pour réguler le débit. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

3. analyse

  1. Pour chaque angle d’inclinaison, tracer les données de pression pour les deux débits.
  2. Utilisez les données expérimentales pour estimer la force sur la plaque de base sur l’équation (2).
  3. Déterminer la vitesse de réaction à la vena contracta en utilisant l’équation (3).
  4. Estimer le débit massique en utilisant l’équation (5).

Impingement jet sur des structures solides est un procédé largement utilisé dans des applications technologiques, comme la coupe de matériaux dans l’industrie manufacturière et de l’énergie génération de sources hydrauliques. Impingement jet se compose de libérer un fluide à travers une buse d’une région à haute pression à une zone de basse pression et de substitution ou d’empiétant le jet sur une structure. Au cours du processus d’impact, les forces générées par l’interaction entre la pression et la vitesse du champ débit sont exercent sur la surface de l’objet. Par exemple, dans le cas d’un décollage vertical et atterrissage ou avion VTOL, deux jets combinés produisent assez de portance pour aider l’avion décoller verticalement sans utiliser la piste. Deux jets de petits supplémentaires émis sur chaque côté de l’avion assure la stabilité. Les effets d’impact dépendent des dimensions du jet et la vitesse, les caractéristiques de la surface de contact et la distance entre la buse et la surface. Lorsque les températures de la surface et le jet sont sensiblement différentes, impingement jet produirait des niveaux élevés de transfert de chaleur. Cette vidéo illustre comment déterminer la charge exercée par un jet sur un objet et comment calculer les autres paramètres d’intérêt pour le diagnostic de flux, tels que la vitesse de réaction et le débit massique.

Avant de plonger dans le protocole expérimental, nous allons étudier les principes qui sous-tendent l’impingement de jet. Pour un flux constant d’incompressible d’un fluide avec une viscosité nulle, l’énergie cinétique et énergie potentielle de pression sont libres de transformer les uns des autres le long des lignes de courant. Alors que la somme des deux formes d’énergie est toujours constante, c’est le principe de Bernoulli découlant du principe de Conservation de l’énergie. Selon ce principe, une augmentation de vitesse et par conséquent l’énergie cinétique d’un fluide se produit simultanément avec une diminution de sa pression et l’énergie potentielle. Tels que leur somme est toujours constante. Il s’agit d’équation de Bernoulli. Exprimé en dimensions de pression, le terme associé à l’énergie cinétique est appelé pression dynamique. Tandis que le terme associé à l’énergie potentielle de pression, est appelée pression statique. L’ajout de ces deux termes donne la constante de Bernoulli, également connu sous le nom des pression de stagnation. Pression de stagnation est définie comme la pression maximale que le flux atteindrait si apporté à une halte en transformant tous ses pression dynamique en pression statique. Maintenant nous allons parler du montage expérimental. Un jet d’air quitte un plénum à haute pression à travers une fente de largeur W et de la durée de L à un récepteur de basse pression où le jet empiète sur une plaque inclinée de thêta d’angle. L’intermédiaire streamline divise le jet dans deux régions. Celui a dévié vers le haut et l’autre vers le bas. La démarcation simplifiée s’arrête juste devant le mur au point de stagnation où la pression dynamique est transformée totalement en pression statique. Au point de stagnation, le profil de la pression exercée par le jet sur la plaque a une valeur maximale de p0. Tandis que loin de ce point, le profil de pression diminue régulièrement depuis pression progressivement moins dynamique convertie en pression statique. Le profil de pression dépend de la theta angle d’impingement. Lorsque theta est 90 degrés, l’axe est aussi la ligne de stagnation. En diminuant l’angle d’incidence, le streamline de stagnation s’éloigne de l’axe du jet, et par conséquent, le pic du profil pression devient plus petit et s’oriente vers les régions de plus près, la plaque à la sortie du jet. La pression totale sur la surface de la plaque exposée au jet est le résultat de l’addition entre la pression de contact et la pression statique à l’intérieur du récepteur. Étant donné que la pression à l’intérieur du récepteur est distribuée de façon homogène, la pression environnante exercée des deux côtés de la plaque annule. En conséquence, la charge nette sur la plaque est due à la surpression et elle est calculée en intégrant sur la distribution de pression impingement dans l’ensemble de la zone de la plaque. Quand un fluide est déchargé par une fente d’une région à haute pression à une zone de basse pression, le jet a tendance à converger vers une zone appelée vena contracta. Après le jet sort de son orifice de décharge dans lequel les lignes de courant deviennent parallèles et par conséquent la pression statique est égale à la pression de l’environnement, c’est le premier emplacement. Appliquons l’équation de Bernoulli entre la position où le jet sort de la chambre de tranquillisation et la position à la vena contracta. Compte tenu de la vitesse à l’intérieur du plénum négligeable, la vitesse à la vena contracta peut être calculée en utilisant la différence de pression entre le plenum et le récepteur. Enfin, connaissant le taux de contraction entre la contracta fente de largeur et de la veine, le débit massique peut être estimé à l’aide de la vitesse de réaction et la zone de la vena contracta. Dans les sections suivantes, nous mesurer la répartition de la pression qui en résulte sur la plaque et ensuite calculer la force totale en intégrant le champ de pression sur la zone de la plaque.

Avant de commencer l’expérience, ouvrant la porte au récepteur durant l’opération étant potentiellement dangereux et nuisible à l’installation, assurez-vous que l’installation n’est pas en cours d’utilisation. Si la porte du récepteur est ouverte, l’installation n’est pas en cours d’utilisation. Fermeture de la porte vers le récepteur, regardez par la fenêtre. S’il n’y a pas de personnel à l’intérieur, la porte est sûre d’ouvrir car l’installation seulement peut être démarrée à partir à l’intérieur alors que la porte est fermée. Pour commencer, définie les instruments selon le schéma. Connectez le port positif du transducteur de pression à la sortie de la valve de balayage. Assurez-vous que le balayage est en position initiale. Raccorder les tuyaux piézométriques de la plaque à la valve de balayage dans ordonnance ultérieure. N’oubliez pas de commencer les mesures à l’entrée à côté de la sortie de la valve de balayage. Tout d’abord, réglez la plaque à la theta angle souhaité. Ensuite, mesurez la largeur de buse jet. En troisième lieu, de mesurer la portée et la hauteur de la plaque. Zéro du capteur de pression et relever la valeur de la constante d’étalonnage. Enregistre tous les paramètres de base de l’expérience dans une table de référence. Tout d’abord, ouvrez le port à basse pression pour sentir la pression dans le récepteur. Raccordez ensuite le point à haute pression de la sonde marquée comme positif à la prise de pression du plénum. Ensuite, commencez l’installation de flux. Mesurer la tension associée à la différence de pression détectée par le capteur de pression entre le plenum et le récepteur à l’aide d’un multimètre numérique. Calculer cette quantité à l’aide de la constante d’étalonnage.

Une fois que l’appareil est étalonné et les paramètres fondamentaux sont enregistrés, vous êtes prêt à commencer l’acquisition de données. Tout d’abord, connectez le port à haute pression du transducteur à l’orifice commun de la valve de balayage. Aussi parfaire la valve de balayage pour démarrer votre mesure depuis la première position de robinet de pression sur la plaque. Exécutez Traverse six sur votre ordinateur, le facteur de conversion d’une tension à la pression d’entrée et définissez la fréquence d’échantillonnage à 100 hertz et le total des échantillons à 500 pour obtenir cinq secondes de données. Ensuite, entrez zéro dans l’instrument virtuel pour la position de la première prise de pression et puis enregistrer les données. La valeur à l’écran est la différence de pression entre la prise de pression et le récepteur. L’étape de la valve de balayage vers la position suivante de robinet. Introduire la nouvelle position du logiciel, sachant que la distance entre deux clics consécutifs est de 25,4 millimètres et enregistrez la nouvelle valeur de la différence de pression. À la fin de l’expérience, le logiciel génère une table et un terrain de la position de prises par rapport à la pression. Modifier la vitesse d’écoulement en changeant la position de la plaque de contrôle de flux pour fermer la zone de circulation à peu près de moitié et de répéter les mesures de pression. Répéter les mesures des débits différents angles d’inclinaison et enregistre chaque fois vos résultats dans une table. Lorsque toutes les données ont été collectées, éteignez la facilité de circulation.

D’après les données expérimentales, plusieurs paramètres d’intérêt peuvent être obtenues. Regarder le tableau des résultats et pour chaque taux plaque d’angle et le débit, la différence de pression entre le plenum et le récepteur permet de calculer la vitesse de réaction à la vena contracta. De la table de référence, prendre les valeurs pour la durée de L et largeur de la fente et utilisez la vitesse à la vena contracta calculée précédemment pour estimer le débit massique. Ensuite, regardez la position contre le complot de pression généré par Traverse six et lire la valeur maximale de la pression. Introduire la valeur dans le tableau de résultats. Cette valeur est une estimation directe de la pression de stagnation. Maintenant, calculer la force empiétée sur la plaque en intégrant la distribution de la pression sur la zone de la plaque. Pour ce faire, utiliser la différence de pression et parcelle de position et calculer l’aire sous la courbe avec la règle de la règle du trapèze ou de Simpson. Introduire la valeur dans le tableau de résultats.

Commencez par tracer sur le même graphe quatre ensembles de résultats obtenus pour l’impingement avion jet sur une plaque à deux angles différents et deux débits différents. Maintenant, comparer les profils de pression pour les deux angles d’incidence différents et le même débit. Le profil de pression à 90 degrés est plus élevé que celui de 70 degrés. Tandis que le pic d’impingement de 90 degrés est centrée, le pic de 70 degrés est déplacé vers une plus faible valeur x. Ces résultats vous indiquent que, pour un angle de 90 degrés impingement, le streamline de stagnation correspond à l’axe de l’écoulement. L’axe central est caractérisé par la vitesse de pointe et, donc, par la pression dynamique maximale. À mesure que l’angle d’incidence diminue, le streamline de stagnation s’éloigne de la ligne de vitesse de pointe et se penche loin de son tracé d’origine. Ensuite, comparer les profils de pression pour les deux débits différents et le même angle d’incidence. La pression maximale diminue avec la vitesse d’écoulement, parce qu’il y a une réduction de l’énergie cinétique et donc l’énergie dynamique comme l’écoulement des réductions tarifaires. Regardez le tableau de résultats et de comparer les valeurs calculées pour la charge sur la plaque. L’angle d’impact a pour effet de réduire la charge totale parce qu’il repousse la pression de la stagnation de celle qui coïncide avec la vitesse d’axe à une streamline transportant des niveaux inférieurs de la pression dynamique.

Incidente jets sont largement utilisés dans de nombreuses applications industrielles et d’ingénierie qui s’étend de l’hydraulique et de l’aéronautique à l’électronique. L’interaction entre la pression et la vitesse peut être utilisée pour le diagnostic de l’écoulement. Un Prandtl ou la sonde pitot-statique est composé de deux tubes concentriques. Le tube intérieur est confrontée à l’écoulement pour détecter la pression de stagnation. Alors que le tube extérieur possède un ensemble de ports secondaires qui détectent la pression statique. La différence de pression est détectée par un capteur intégré, et cette valeur est utilisée pour estimer la vitesse. Ce dispositif est intensivement employé dans l’ingénierie fluide. Pour déterminer par exemple, la vitesse du vent par rapport à l’avion. Matériaux tendres comme le bois et les plastiques peuvent être coupés avec un mince jet d’eau à haute vitesse. Tandis que les métaux peuvent être coupés avec de l’eau sur l’ajout de particules abrasives dans le flux. Pour générer un jet à haute vitesse à des fins de coupe, il est nécessaire d’imposer une pression élevée dans le flux pour pouvoir accélérer à travers une tuyère convergente. L’énergie cinétique élevée par le jet est ensuite converti en pression dynamique à la surface de l’objet en cours, couper, exerçant une force suffisante pour enlever la matière à la surface incidente.

Vous avez juste regardé Introduction de Jove à l’incidence de Jet sur un plateau incliné. Vous devriez maintenant comprendre comment l’interaction entre pression et vitesse génère des forces sur les structures et être en mesure de calculer les forces impingement, les vitesses d’écoulement et les débits massiques. Merci de regarder.

Results

La figure 4 illustre les quatre ensembles de résultats obtenus pour le jet avion empiétant sur une plaque à deux angles différents et deux débits différents. En effet, depuis le côté basse pression du transducteur est ouvert au récepteur, ses lectures correspondent uniquement à la surpression , qui sont en fait les points indiqués à la Figure 4.

Figure 4
Figure 4 . Résultats représentatifs. Répartition de la pression le long de la plaque pour deux angles et deux débits. Les symboles représentent : : , m/s ; : , m/s ; : , m/s ; : , m/s.

Conformément à la Figure 4, les profils pour 90o impaction sont plus élevés que ceux de 70o impaction. La raison de ce comportement est que le streamline de stagnation pour le premier cas correspond à l’axe de l’écoulement, c'est-à-dire la simplifiée pour la vitesse de pointe et par conséquent la pression dynamique. Tandis que l’aérodynamique de la stagnation s’éloigne de la ligne de vitesse de pointe et se penche loin de son tracé d’origine comme l’angle d’incidence diminue. Cet effet est esquissé dans la Figure 1(A), et c’est la raison pourquoi la pression de crête dans le profil de pression s’éloigne du centre de la plaque.

Comme prévu, la pression maximale diminue avec la vitesse d’écoulement (symboles fermés à la figure 4) parce qu’il y a une réduction générale de l’énergie cinétique et donc la pression dynamique comme l’écoulement des réductions tarifaires. Cette pression maximale est en fait une mesure de la pression de stagnation, , précédemment expliqué. Dans le cas du jet empiéter la plaque à 90o, c’est une mesure exacte du parce que le robinet de pression coïncide avec l’axe central, ergo le streamline de stagnation, du jet. Mais comme le suggère la figure 1 a, le streamline de stagnation se penche loin de son tracé d’origine lorsque l’impingement angle diminue. Dans ces nouvelles conditions, il n’est pas garantie que cette streamline coïncidera exactement avec un robinet de pression à l’endroit de l’impact. Par conséquent, la pression maximale observée à angles impingement différente de celle de 90o est seulement une approximation de .

Le tableau 2 montre les résultats obtenus dans les mesures expérimentales pour deux différents angles incidente et les débits.

Tableau 2 . Résultats représentatifs.

Paramètre Course 1 2e manche Exécuter 3 4e manche
Angle d’attaque (θ) 90o 90o 70o 70o
Multimètre numérique de lecture (E) 2,44 V 2.33 V 2,44 V 2.28 V
Différence de pression (P_pl-P_rec) 335.95 Pa 320.80 Pa 335.95 Pa 313.92 Pa
Vitesse à vena contracta (V_VC) 10,14 m/s 9.91 m/s 10,14 m/s 9,81 m/s
Débit massique taux ((m)) ̇ 0,254 kg/s 0,249 kg/s 0,254 kg/s 0,246 kg/s
Pression de stagnation (P_o) 127.16 Pa 121.19 Pa 101,78 Pa 94,31 Pa
Charger sur la plaque (F) 16,84 N 16.24 N 14.11 N 12,32 N

Applications and Summary

Les expériences présentées ci-après démontrent l’interaction de la pression et vitesse pour générer des charges dans les objets au moyen de la conversion d’une pression dynamique en pression statique. Ces concepts ont été démontrées avec un jet avion empiétant sur une plaque plane à deux angles différents et deux débits différents. Les expériences ont clairement démontré que la charge est plus élevée au point de stagnation, où toute la pression dynamique est transformée en pression statique, et sa magnitude diminue avec le niveau de la conversion de dynamique en statique diminue aux positions loin de le point de stagnation. L’angle d’incidence a pour effet de réduire la charge totale parce qu’il repousse la pression de stagnation de l’un coïncidant avec la vitesse (maximale) axe central d’une streamline transportant des niveaux inférieurs de la pression dynamique.

Ces expériences ont également servi le but de démontrer comment faire pour déterminer la charge totale sur l’objet exposé au flux en intégrant numériquement les données obtenues à partir de prises de pression. En outre, la conversion inverse de pression statique en pression dynamique servait aussi pour estimer la vitesse et le débit massique du jet. En conséquence, l’interaction entre la pression et la vitesse peut être utilisée pour le diagnostic de l’écoulement.

Un concept qui n’a pas exploré dans la présente expérience est vélocimétrie par Pitot - statiques sondes. Ce sont des sondes qui mesurent directement la différence entre la stagnation et la pression statique, qui est exactement ce qui a été utilisé dans l’équation (3) pour déterminer la vitesse à la vena contracta. Notez que, au moins dans l’équerre de fixation 90o , le robinet de pression centrale est directement exposé à la point de stagnation, ce qui en fait une sonde Pitot. Étant donné que le transducteur de pression compare la pression de chaque robinet de pression à la pression du récepteur, le résultat est une mesure directe de . Lors de la substitution de cette mesure dans l’équation (3), le résultat est la vitesse d’un point sur le streamline de stagnation qui est proche du point de stagnation, mais toujours en dehors de son rayon d’influence. Cette mesure est d’une utilité limitée dans cette expérience parce qu’on ne connaît pas l’emplacement exact de ce point sur l’aérodynamique de la stagnation.

Comme mentionné auparavant, mesures de pression peuvent servir à déterminer la vitesse d’écoulement. Dans l’application décrite dans les présentes, la variation de pression entre le plenum et le récepteur suffirent pour estimer la vitesse moyenne à la vena contracta. Il est également mentionné que, soit dit en passant, le robinet de pression qui coïncide avec le point de stagnation est un tube de Pitot qui pourraient être utilisé en conjonction avec une sonde de détection de la pression statique pour déterminer la vitesse d’écoulement de l’équation (3) (son remplacement par avec et avec ). En fait, un seul appareil combinant une sonde Pitot et une sonde statique, appelée tube de Prandtl, pourrait être l’appareil de diagnostic plus étendue dans les fluides techniques pour mesurer la vitesse. Comme illustré à la figure 5, cette sonde se compose de deux tubes concentriques. Le tube intérieur fait face à la circulation afin de détecter la pression de stagnation, et le tube extérieur dispose d’un ensemble de ports de côté ce sens la pression statique. Un capteur tel qu’un capteur de pression ou un manomètre à colonne de liquide est utilisé pour déterminer la différence entre ces deux pressions pour estimer la vitesse de l’équation (3) (encore une fois, son remplacement par avec et avec ). Une sonde comme cela, ou une combinaison d’un Pitot et une sonde statique indépendante sont en fait utilisés dans les avions pour déterminer la vitesse du vent par rapport à l’avion.

Figure 5
Figure 5 . Flux de vélocimétrie. Sonde Pitot-statique (ou Prandtl) afin de déterminer la distribution de vitesse basée sur la pression dynamique. Cette sonde est déplacée en travers le champ d’écoulement afin de déterminer la vitesse à différentes positions. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

References

  1. Arnau, A. (ed.). Piezoelectric transducers and applications. Vol. 2004. Heidelberg: Springer, 2004.
  2. Tropea, C., A.L. Yarin, and J.F. Foss. Springer handbook of experimental fluid mechanics. Vol. 1. Springer Science & Business Media, 2007.
  3. White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
  4. Chapra, S.C. and R.P. Canale. Numerical methods for engineers. Vol. 2. New York: McGraw-Hill, 1998.
  5. Buckingham, E. Note on contraction coefficients of jets of gas. Journal of Research,6:765-775, 1931.
  6. Munson, B.R., D.F. Young, T.H. Okiishi. Fundamentals of Fluid Mechanics. 5th ed., Wiley, 2006.
  7. Lienhard V, J.H. and J.H. Lienhard IV. Velocity coefficients for free jets from sharp-edged orifices. ASME Journal of Fluids Engineering, 106:13-17, 1984.

1. réglage de l’installation

  1. Assurez-vous qu’il n’y a pas de débit dans l’installation.
  2. Définir les instruments selon le schéma de la figure 2.
  3. Régler la plaque à l’angle désiré . Enregistrer cette valeur dans le tableau 1.
  4. Mesurez la largeur de buse jet w. Enregistrer cette valeur dans le tableau 1.
  5. Mesurer l’étendue de la plaque L. reporter cette valeur dans le tableau 1.
  6. Le transducteur de pression à zéro.
  7. Notez la constante d’étalonnage du transducteur de pression, mp (Pa/V). Enregistrer cette valeur dans le tableau 1.
  8. Connectez le port à haute pression du transducteur (marqué comme +) vers le robinet de pression de la chambre de tranquillisation (marqué comme ).
  9. Étant donné que toutes les opérations se déroulent à l’intérieur du récepteur, quitter le port de basse pression du transducteur (marqué comme-) ouvert à ressentir la pression dans le récepteur ().
  10. Démarrez l’installation de flux (FLL).
  11. Utilisez un multimètre numérique pour enregistrer la tension (V) associée à la différence de pression entre le plenum et le récepteur détecté par le capteur de pression. Enregistrer cette valeur dans le tableau 2.
  12. Utilisez le calibrage constant mp de 1,7 pour déterminer la différence de pression entre le plenum et le récepteur (). Inscrire la valeur dans le tableau 2.

Figure 2
Figure 2. Détails du système d’acquisition de données. Schéma de raccordement des équipements. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Le tableau 1. Paramètres de base pour l’étude expérimentale.

Paramètre Valeur
Largeur de bec de jet (Wn) 41,3 mm
Durée de la plaque (L) 81,3 cm
Hauteur (H) de la plaque 61cm
Constante d’étalonnage de capteur (m_p) 137.6832 Pa/V

2. exécution de l’expérience

  1. Connectez le port à haute pression du transducteur (marqué comme +) à l’orifice commun de la valve de balayage. Quitter le port de basse pression du transducteur (marqué comme-) ouvert à ressentir la pression dans le récepteur ().
  2. Accueil la valve de balayage pour démarrer votre mesure de la première pression robinet position.
  3. Exécutez la Traverse VI (LabView instrument virtuel).
  4. Le calibrage constant mp dans le VI de l’entrée.
  5. Définir la fréquence d’échantillonnage de 100 Hz et le total des échantillons à 500 (c'est-à-dire 5 secondes de données).
  6. Entrez dans la VI la position () de la prise de pression de quelle plaque pression données seront acquises. Tenir compte du fait que les prises de pression sont espacées de 25,4 mm. Par conséquent, la position sera mm, où est l’index de l’eau du robinet à partir de 0.
  7. Enregistrer les données. Le VI lira la différence de pression entre la prise de pression et le récepteur (.
  8. L’étape de la valve de balayage vers la position suivante de robinet.
  9. Répétez les étapes 2.6 à 2.8 jusqu'à ce que toutes les prises de pression sont parcourus.
  10. À la fin, la VI fournit une table et un terrain de robinet pression de position vs.
  11. Arrêter la VI.
  12. Changer la position de la plaque de contrôle de flux pour fermer la zone de circulation à peu près de moitié (pour référence, voir Figure 3 ). Cela modifiera la vitesse d’écoulement. Équation (5) permet de déterminer la valeur de ce débit.
  13. Répétez les étapes 2.3 à 2.11 de la nouvelle position de la plaque de contrôle de flux.
  14. Modifier l’angle de la plaque d’impaction et mettre la plaque de contrôle de flux à sa position initiale.
  15. Répétez les étapes 2.3 à 2.14 pour 80o, 70o, 60o, 50oet 45o.

Figure 3
Figure 3. Paramètre expérimental. Section de l’essai. Gauche : Plaque Impingement en face de la fente. Air pression plus élevée est déchargé de la chambre de tranquillisation au récepteur par cette fente. Au milieu : prises de pression reliés à la plaque d’impact sont distribués dans la valve de balayage pour exemple est à la fois. Droite : plaque impingement en face de la décharge de récepteur. La décharge a une plaque perforée pour réguler le débit. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

3. analyse

  1. Pour chaque angle d’inclinaison, tracer les données de pression pour les deux débits.
  2. Utilisez les données expérimentales pour estimer la force sur la plaque de base sur l’équation (2).
  3. Déterminer la vitesse de réaction à la vena contracta en utilisant l’équation (3).
  4. Estimer le débit massique en utilisant l’équation (5).

Impingement jet sur des structures solides est un procédé largement utilisé dans des applications technologiques, comme la coupe de matériaux dans l’industrie manufacturière et de l’énergie génération de sources hydrauliques. Impingement jet se compose de libérer un fluide à travers une buse d’une région à haute pression à une zone de basse pression et de substitution ou d’empiétant le jet sur une structure. Au cours du processus d’impact, les forces générées par l’interaction entre la pression et la vitesse du champ débit sont exercent sur la surface de l’objet. Par exemple, dans le cas d’un décollage vertical et atterrissage ou avion VTOL, deux jets combinés produisent assez de portance pour aider l’avion décoller verticalement sans utiliser la piste. Deux jets de petits supplémentaires émis sur chaque côté de l’avion assure la stabilité. Les effets d’impact dépendent des dimensions du jet et la vitesse, les caractéristiques de la surface de contact et la distance entre la buse et la surface. Lorsque les températures de la surface et le jet sont sensiblement différentes, impingement jet produirait des niveaux élevés de transfert de chaleur. Cette vidéo illustre comment déterminer la charge exercée par un jet sur un objet et comment calculer les autres paramètres d’intérêt pour le diagnostic de flux, tels que la vitesse de réaction et le débit massique.

Avant de plonger dans le protocole expérimental, nous allons étudier les principes qui sous-tendent l’impingement de jet. Pour un flux constant d’incompressible d’un fluide avec une viscosité nulle, l’énergie cinétique et énergie potentielle de pression sont libres de transformer les uns des autres le long des lignes de courant. Alors que la somme des deux formes d’énergie est toujours constante, c’est le principe de Bernoulli découlant du principe de Conservation de l’énergie. Selon ce principe, une augmentation de vitesse et par conséquent l’énergie cinétique d’un fluide se produit simultanément avec une diminution de sa pression et l’énergie potentielle. Tels que leur somme est toujours constante. Il s’agit d’équation de Bernoulli. Exprimé en dimensions de pression, le terme associé à l’énergie cinétique est appelé pression dynamique. Tandis que le terme associé à l’énergie potentielle de pression, est appelée pression statique. L’ajout de ces deux termes donne la constante de Bernoulli, également connu sous le nom des pression de stagnation. Pression de stagnation est définie comme la pression maximale que le flux atteindrait si apporté à une halte en transformant tous ses pression dynamique en pression statique. Maintenant nous allons parler du montage expérimental. Un jet d’air quitte un plénum à haute pression à travers une fente de largeur W et de la durée de L à un récepteur de basse pression où le jet empiète sur une plaque inclinée de thêta d’angle. L’intermédiaire streamline divise le jet dans deux régions. Celui a dévié vers le haut et l’autre vers le bas. La démarcation simplifiée s’arrête juste devant le mur au point de stagnation où la pression dynamique est transformée totalement en pression statique. Au point de stagnation, le profil de la pression exercée par le jet sur la plaque a une valeur maximale de p0. Tandis que loin de ce point, le profil de pression diminue régulièrement depuis pression progressivement moins dynamique convertie en pression statique. Le profil de pression dépend de la theta angle d’impingement. Lorsque theta est 90 degrés, l’axe est aussi la ligne de stagnation. En diminuant l’angle d’incidence, le streamline de stagnation s’éloigne de l’axe du jet, et par conséquent, le pic du profil pression devient plus petit et s’oriente vers les régions de plus près, la plaque à la sortie du jet. La pression totale sur la surface de la plaque exposée au jet est le résultat de l’addition entre la pression de contact et la pression statique à l’intérieur du récepteur. Étant donné que la pression à l’intérieur du récepteur est distribuée de façon homogène, la pression environnante exercée des deux côtés de la plaque annule. En conséquence, la charge nette sur la plaque est due à la surpression et elle est calculée en intégrant sur la distribution de pression impingement dans l’ensemble de la zone de la plaque. Quand un fluide est déchargé par une fente d’une région à haute pression à une zone de basse pression, le jet a tendance à converger vers une zone appelée vena contracta. Après le jet sort de son orifice de décharge dans lequel les lignes de courant deviennent parallèles et par conséquent la pression statique est égale à la pression de l’environnement, c’est le premier emplacement. Appliquons l’équation de Bernoulli entre la position où le jet sort de la chambre de tranquillisation et la position à la vena contracta. Compte tenu de la vitesse à l’intérieur du plénum négligeable, la vitesse à la vena contracta peut être calculée en utilisant la différence de pression entre le plenum et le récepteur. Enfin, connaissant le taux de contraction entre la contracta fente de largeur et de la veine, le débit massique peut être estimé à l’aide de la vitesse de réaction et la zone de la vena contracta. Dans les sections suivantes, nous mesurer la répartition de la pression qui en résulte sur la plaque et ensuite calculer la force totale en intégrant le champ de pression sur la zone de la plaque.

Avant de commencer l’expérience, ouvrant la porte au récepteur durant l’opération étant potentiellement dangereux et nuisible à l’installation, assurez-vous que l’installation n’est pas en cours d’utilisation. Si la porte du récepteur est ouverte, l’installation n’est pas en cours d’utilisation. Fermeture de la porte vers le récepteur, regardez par la fenêtre. S’il n’y a pas de personnel à l’intérieur, la porte est sûre d’ouvrir car l’installation seulement peut être démarrée à partir à l’intérieur alors que la porte est fermée. Pour commencer, définie les instruments selon le schéma. Connectez le port positif du transducteur de pression à la sortie de la valve de balayage. Assurez-vous que le balayage est en position initiale. Raccorder les tuyaux piézométriques de la plaque à la valve de balayage dans ordonnance ultérieure. N’oubliez pas de commencer les mesures à l’entrée à côté de la sortie de la valve de balayage. Tout d’abord, réglez la plaque à la theta angle souhaité. Ensuite, mesurez la largeur de buse jet. En troisième lieu, de mesurer la portée et la hauteur de la plaque. Zéro du capteur de pression et relever la valeur de la constante d’étalonnage. Enregistre tous les paramètres de base de l’expérience dans une table de référence. Tout d’abord, ouvrez le port à basse pression pour sentir la pression dans le récepteur. Raccordez ensuite le point à haute pression de la sonde marquée comme positif à la prise de pression du plénum. Ensuite, commencez l’installation de flux. Mesurer la tension associée à la différence de pression détectée par le capteur de pression entre le plenum et le récepteur à l’aide d’un multimètre numérique. Calculer cette quantité à l’aide de la constante d’étalonnage.

Une fois que l’appareil est étalonné et les paramètres fondamentaux sont enregistrés, vous êtes prêt à commencer l’acquisition de données. Tout d’abord, connectez le port à haute pression du transducteur à l’orifice commun de la valve de balayage. Aussi parfaire la valve de balayage pour démarrer votre mesure depuis la première position de robinet de pression sur la plaque. Exécutez Traverse six sur votre ordinateur, le facteur de conversion d’une tension à la pression d’entrée et définissez la fréquence d’échantillonnage à 100 hertz et le total des échantillons à 500 pour obtenir cinq secondes de données. Ensuite, entrez zéro dans l’instrument virtuel pour la position de la première prise de pression et puis enregistrer les données. La valeur à l’écran est la différence de pression entre la prise de pression et le récepteur. L’étape de la valve de balayage vers la position suivante de robinet. Introduire la nouvelle position du logiciel, sachant que la distance entre deux clics consécutifs est de 25,4 millimètres et enregistrez la nouvelle valeur de la différence de pression. À la fin de l’expérience, le logiciel génère une table et un terrain de la position de prises par rapport à la pression. Modifier la vitesse d’écoulement en changeant la position de la plaque de contrôle de flux pour fermer la zone de circulation à peu près de moitié et de répéter les mesures de pression. Répéter les mesures des débits différents angles d’inclinaison et enregistre chaque fois vos résultats dans une table. Lorsque toutes les données ont été collectées, éteignez la facilité de circulation.

D’après les données expérimentales, plusieurs paramètres d’intérêt peuvent être obtenues. Regarder le tableau des résultats et pour chaque taux plaque d’angle et le débit, la différence de pression entre le plenum et le récepteur permet de calculer la vitesse de réaction à la vena contracta. De la table de référence, prendre les valeurs pour la durée de L et largeur de la fente et utilisez la vitesse à la vena contracta calculée précédemment pour estimer le débit massique. Ensuite, regardez la position contre le complot de pression généré par Traverse six et lire la valeur maximale de la pression. Introduire la valeur dans le tableau de résultats. Cette valeur est une estimation directe de la pression de stagnation. Maintenant, calculer la force empiétée sur la plaque en intégrant la distribution de la pression sur la zone de la plaque. Pour ce faire, utiliser la différence de pression et parcelle de position et calculer l’aire sous la courbe avec la règle de la règle du trapèze ou de Simpson. Introduire la valeur dans le tableau de résultats.

Commencez par tracer sur le même graphe quatre ensembles de résultats obtenus pour l’impingement avion jet sur une plaque à deux angles différents et deux débits différents. Maintenant, comparer les profils de pression pour les deux angles d’incidence différents et le même débit. Le profil de pression à 90 degrés est plus élevé que celui de 70 degrés. Tandis que le pic d’impingement de 90 degrés est centrée, le pic de 70 degrés est déplacé vers une plus faible valeur x. Ces résultats vous indiquent que, pour un angle de 90 degrés impingement, le streamline de stagnation correspond à l’axe de l’écoulement. L’axe central est caractérisé par la vitesse de pointe et, donc, par la pression dynamique maximale. À mesure que l’angle d’incidence diminue, le streamline de stagnation s’éloigne de la ligne de vitesse de pointe et se penche loin de son tracé d’origine. Ensuite, comparer les profils de pression pour les deux débits différents et le même angle d’incidence. La pression maximale diminue avec la vitesse d’écoulement, parce qu’il y a une réduction de l’énergie cinétique et donc l’énergie dynamique comme l’écoulement des réductions tarifaires. Regardez le tableau de résultats et de comparer les valeurs calculées pour la charge sur la plaque. L’angle d’impact a pour effet de réduire la charge totale parce qu’il repousse la pression de la stagnation de celle qui coïncide avec la vitesse d’axe à une streamline transportant des niveaux inférieurs de la pression dynamique.

Incidente jets sont largement utilisés dans de nombreuses applications industrielles et d’ingénierie qui s’étend de l’hydraulique et de l’aéronautique à l’électronique. L’interaction entre la pression et la vitesse peut être utilisée pour le diagnostic de l’écoulement. Un Prandtl ou la sonde pitot-statique est composé de deux tubes concentriques. Le tube intérieur est confrontée à l’écoulement pour détecter la pression de stagnation. Alors que le tube extérieur possède un ensemble de ports secondaires qui détectent la pression statique. La différence de pression est détectée par un capteur intégré, et cette valeur est utilisée pour estimer la vitesse. Ce dispositif est intensivement employé dans l’ingénierie fluide. Pour déterminer par exemple, la vitesse du vent par rapport à l’avion. Matériaux tendres comme le bois et les plastiques peuvent être coupés avec un mince jet d’eau à haute vitesse. Tandis que les métaux peuvent être coupés avec de l’eau sur l’ajout de particules abrasives dans le flux. Pour générer un jet à haute vitesse à des fins de coupe, il est nécessaire d’imposer une pression élevée dans le flux pour pouvoir accélérer à travers une tuyère convergente. L’énergie cinétique élevée par le jet est ensuite converti en pression dynamique à la surface de l’objet en cours, couper, exerçant une force suffisante pour enlever la matière à la surface incidente.

Vous avez juste regardé Introduction de Jove à l’incidence de Jet sur un plateau incliné. Vous devriez maintenant comprendre comment l’interaction entre pression et vitesse génère des forces sur les structures et être en mesure de calculer les forces impingement, les vitesses d’écoulement et les débits massiques. Merci de regarder.

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