Jet que inciden sobre una placa inclinada

Mechanical Engineering

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Overview

Fuente: Ricardo Mejía-Alvarez y Hussam Hikmat Jabbar, Departamento de ingeniería mecánica, Universidad Estatal de Michigan, East Lansing, MI

El objetivo de este experimento es demostrar cómo un fluido ejerce fuerzas sobre las estructuras por la conversión de presión dinámica en presión estática. Para ello, vamos a hacer un chorro plano incidir un plano de la placa y medir la distribución resultante de la presión a lo largo de la placa. La fuerza resultante se calcula mediante la integración del producto entre la distribución de la presión y diferenciales de área adecuadamente definida a lo largo de la superficie de la placa. Este experimento se repetirá para dos ángulos de inclinación de la placa con respecto a la dirección del jet y dos caudales. Cada configuración produce una distribución de presión a lo largo de la placa, que es el resultado de diferentes niveles de conversión de presión dinámica en presión estática en la superficie de la placa.

Para este experimento, la presión se medirá con un transductor de presión de diafragma conectado a una válvula de barrido. La placa en sí tiene pequeñas perforaciones llamados grifos de presión que conectan a la válvula de barrido a través de mangueras. La válvula de barrido envía la presión de estos grifos para el transductor de presión uno a la vez. La presión induce la deformación mecánica sobre el diafragma que el transductor de presión se convierte en tensión. Este voltaje es proporcional a la diferencia de presión entre los dos lados del diafragma.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Ingeniería mecánica. Jet que inciden sobre una placa inclinada. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

En constante flujo incompresible con insignificantes cambios en el potencial gravitatorio, ecuación de Bernoulli se puede interpretar como la adición de dos formas de energía: energía cinética y energía potencial de presión. En un proceso no viscoso, estas formas de energía pueden transformar en uno otro a lo largo de líneas aerodinámicas, manteniendo constante la cantidad total inicial de energía. Este total de energía se llama constante de Bernoulli. Para mayor comodidad, ecuación de Bernoulli se puede expresar en las dimensiones de presión utilizando el principio de homogeneidad dimensional [3]. Bajo esta transformación dimensional, el término asociado a la energía cinética es denominado "presión dinámica", el término asociado a la energía potencial de presión se llama "presión estática" y la constante de Bernoulli se denomina "presión del estancamiento". Este último puede interpretarse como la presión máxima que alcanzaría el flujo Si detiene transformando toda su presión dinámica en presión estática. Estos principios pueden ser mejor descritos por la siguiente forma de la ecuación de Bernoulli:

(1)

Donde es la presión estática, es la presión dinámica, y es la presión de estancamiento. La figura que 1 muestra un esquema del experimento actual. Como muestra, un chorro de aire sale por un plenum alto-presión a través de una rendija de anchura W y L a un espacio cerrado a una presión más baja llamada receptor. El receptor es una pequeña habitación que sirve como la sección de prueba para el experimento. Alberga el equipo de adquisición de datos y los experimentalistas. Después de fluir a cierta distancia, el chorro incide sobre una placa plana en el receptor, que hace un ángulo con el eje del jet. El chorro en la figura que 1 se describe por tres líneas. La optimizada intermedia divide el chorro en dos regiones, una que es desviado hacia arriba y que es desviado hacia abajo. Desde la divisoria optimizada no Haz desviado, se detiene justo en la pared en lo que se conoce como el punto de estancamiento. En ese momento, toda la presión dinámica es convertida en presión estática y la presión alcanza su nivel máximo, . La presión disminuye desde el punto de estancamiento porque consigue convertir presión progresivamente menos dinámica en presión estática.

Dependiendo del ángulo de choque ( en la figura 1), la línea aerodinámica del estancamiento sigue un camino diferente. Cuando , la línea central del jet es también la línea aerodinámica del estancamiento. Como se disminuye, la línea aerodinámica del estancamiento se mueve lejos de la línea central del chorro, hacia trayectorias que comienzan cercanos del borde externo del jet. Ya que 90o también es la trayectoria de máxima velocidad, ergo máxima presión dinámica, su punto de estancamiento resultante alcanzará el valor máximo de presión en comparación con otras trayectorias en valores más pequeños de . En Resumen, el efecto del ángulo de choque sobre el perfil de presión es reducir el valor máximo y desplazar a su máximo hacia las regiones de la placa más cerca a la salida del chorro.

La línea punteada en la figura 1 representa la distribución de la presión neta a lo largo de la superficie de la placa expuesta al chorro. Nota de la figura 1 (b) que el total de la presión en la placa, , es la suma de la presión circundante, , además de la presión de choque o sobrepresión, . Puesto que la presión circundante se distribuye homogéneamente, anula y la carga en la placa es estrictamente el resultado de la sobrepresión. Esta distribución de la presión se determina experimentalmente y para estimar la carga neta en la placa de acuerdo a la siguiente integral:

(2)

Puesto que los datos experimentales están discretos, esta integral se puede calcular usando la regla del trapecio o regla de Simpson [4].

Además, cuando los fluidos se descargan de una región alto-presión a una región de presión baja a través de orificios o ranuras, el jet del emisor tiende a convergen inicialmente en una región llamada vena contracta (ver figura 1 para la referencia) y luego divergen después de eso que fluye desde el puerto de descarga [5]. La vena contracta es el primer sitio después de que un chorro sale de su orificio de salida en el que las líneas se convierten en paralelo. Por lo tanto, este es el primer lugar a lo largo del jet en el que la presión estática es igual a la presión del entorno [5]. En el presente experimento, el pleno es la región de la alto-presión y el receptor es la región de baja presión. Además, la velocidad dentro del impelente es despreciable, y puede considerarse estancada con muy buena aproximación. Por lo tanto, la ecuación (1) podría utilizarse para determinar la velocidad en el contrato de venacomo sigue:

(3)

Aquí, es la diferencia de presión entre la cámara y el receptor. En general, la relación de contracción entre la anchura de la rendija y la vena contracta es muy aproximadamente [5, 6, 7]:

(4)

Por lo tanto, se puede estimar la tasa de flujo de masa de (3) y (4) como sigue:

(5)

Aquí, es el área de la vena contracta.

Figure 1
Figura 1 . Esquema de configuración básica. Un jet de avión sale el pleno en el receptor a través de una rendija de anchura W. El chorro incide sobre una placa inclinada y es desviado y ejerciendo una carga de presión en la superficie (línea punteada). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Procedure

1. configuración de la instalación

  1. Asegúrese de que no hay ningún flujo en la instalación.
  2. Establecer los instrumentos según el esquema en la figura 2.
  3. Ajustar la placa de ángulo . Registre este valor en la tabla 1.
  4. Medir el ancho de boquilla de chorro . Registre este valor en la tabla 1.
  5. Medir la duración de la placa L. registro este valor en la tabla 1.
  6. A cero el transductor de presión.
  7. Tenga en cuenta la constante de calibración del transductor de presión, mp (Pa/V). Registre este valor en la tabla 1.
  8. Conectar el puerto de alta presión del transductor (marcado como +) a la llave de la presión de la cámara (marcado como ).
  9. Puesto que todas las operaciones tienen lugar dentro del receptor, deja el puerto de baja presión del transductor (marcado como-) abierto a sentir la presión en el receptor ().
  10. Iniciar la instalación del flujo (LFT).
  11. Utilizar el multímetro digital para registrar el voltaje de la (V) asociada a la diferencia de presión entre la cámara y el receptor captada por el transductor de presión. Registre este valor en la tabla 2.
  12. Utilizar la calibración constante mp de 1.7 para determinar la diferencia de presión entre la cámara y el receptor (). Registre este valor en la tabla 2.

Figure 2
Figura 2. Detalles de sistema de adquisición de datos. Esquema de conexiones del equipo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tabla 1. Parámetros básicos para el estudio experimental.

Parámetro Valor
Ancho de boquilla de chorro (Wn) 41,3 mm
Palmo de la placa (L) 81,3 cm
Altura de la placa (H) 61cm
Constante de calibración del transductor (m_p) 137.6832 Pa/V

2. ejecución del experimento

  1. Conectar el puerto de alta presión del transductor (marcado como +) al puerto común de la válvula de barrido. Dejar el puerto de baja presión del transductor (marcado como-) abierto a sentir la presión en el receptor ().
  2. Inicio la exploración válvula para iniciar la medición de la primera presión grifo posición.
  3. Ejecute el atravesar VI (instrumento virtual de LabView).
  4. De entrada la calibración constante mp en el VI.
  5. Establecer la frecuencia de muestreo de 100 Hz y el total de muestras a 500 (es decir, 5 segundos de datos).
  6. Entrar en la VI en la posición () de la llave de la presión de que la placa de presión se adquirirán datos. Tener en cuenta que los grifos de presión están espaciados por 25,4 mm. Por lo tanto, la posición será mm, donde es el índice de la llave a partir de 0.
  7. Registrar los datos. El VI mostrará la diferencia de presión entre la llave de la presión y el receptor (.
  8. Paso la válvula escaneada a la siguiente posición de tap.
  9. Repita los pasos del 2.6 a 2.8 hasta que todos los grifos de presión son recorridos.
  10. Al final, la VI proporciona una tabla y un diagrama de la presión de grifo posición vs.
  11. Detener el VI.
  12. Cambiar la posición de la placa de control de flujo para cerrar la zona de flujo aproximadamente a la mitad (ver figura 3 para referencia). Esto modificará la tasa de flujo. Utilice la ecuación (5) para determinar el valor de este caudal.
  13. Repita los pasos 2.3 a 2.11 para la nueva posición de la placa de control de flujo.
  14. Modificar el ángulo de la placa de choque y coloque la placa de control de flujo a su posición inicial.
  15. Repita los pasos 2.3 a 2.14 para 80o70o, 60o, 50oy 45o.

Figure 3
Figura 3. Ajuste experimental. Sección de prueba. Izquierda: Placa de choque frente a raja. Aire alto-presión se descarga del pleno en el receptor a través de esta ranura. Medio: grifos de presión conectados a la placa de choque se distribuyen en la válvula de barrido a muestra uno a la vez. Derecha: placa de choque frente a descarga de receptor. La descarga tiene una placa perforada para regular caudal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Análisis

  1. Para cada ángulo de inclinación, trazar los datos de presión de ambos caudales.
  2. Utilizar los datos experimentales para calcular la fuerza sobre la placa base en la ecuación (2).
  3. Determinar la velocidad del jet en la vena contracta usando la ecuación (3).
  4. Estimar la tasa de flujo de masa utilizando la ecuación (5).

Choque de jet en estructuras sólidas es un proceso ampliamente utilizado en aplicaciones tecnológicas, tales como la trituración en la industria y la energía generación de fuentes hidráulicas. Choque de jet consiste en soltar un líquido a través de una boquilla de una región de alta presión a una región de baja presión y pulso o afectando el chorro sobre una estructura. Durante el proceso del choque, las fuerzas generadas por la interacción entre la presión y la velocidad del campo de flujo se ejercen sobre la superficie del objeto. Por ejemplo, en el caso de un despegue vertical y aterrizaje o avión de VTOL, dos jets combinados producen suficiente elevación para ayudar a los aviones despegar verticalmente sin necesidad de utilizar la pista. Dos jets más pequeños adicionales emitidos a cada lado del avión proporciona estabilidad. Los efectos del choque dependen de dimensiones de jet y velocidad, las características de la superficie de choque y la distancia entre la boquilla y la superficie. Cuando las temperaturas de la superficie y el jet son significativamente diferentes, choque de jet produciría altos niveles de transferencia de calor. Este video ilustra cómo determinar la carga ejercida por un chorro en un objeto y también cómo calcular otros parámetros de interés para el diagnóstico de flujo, tales como velocidad de chorro y caudal de masa.

Antes de profundizar en el protocolo experimental, vamos a estudiar los principios detrás del choque del jet. De un constante flujo incompresible de un fluido con viscosidad cero, la energía cinética y energía potencial de presión pueden transformar a lo largo de las líneas. Mientras que la suma de las dos formas de energía es siempre constante, esto es principio de Bernoulli derivada el principio de conservación de la energía. Según este principio, un aumento en la velocidad y en consecuencia en la energía cinética de un fluido se produce simultáneamente con una disminución de su presión y energía potencial. Como la suma es siempre constante. Esta es la ecuación de Bernoulli. Expresado en las dimensiones de presión, el término asociado con la energía cinética se llama presión dinámica. Mientras que el término asociado a la energía potencial de presión se llama presión estática. La adición de estos dos términos da constante de Bernoulli, también conocida como presión del estancamiento. Presión del estancamiento se define como la presión máxima que alcanzaría el flujo Si detiene transformando toda su presión dinámica en presión estática. Ahora vamos a hablar de la instalación experimental. Un chorro de aire sale de una cámara de alta presión a través de una rendija de anchura W y L a un receptor de baja presión donde el chorro incide sobre una placa inclinada de theta de ángulo. La optimizada intermedia divide el chorro en dos regiones. Desviado hacia arriba y el otro hacia abajo. La divisoria optimizada se detiene justo en la pared en el punto de estancamiento donde la presión dinámica se convierte totalmente en presión estática. En el punto de estancamiento, el perfil de la presión ejercida por el chorro en la placa tiene un valor máximo de p0. Lejos de este punto, el perfil de presión disminuye constantemente desde progresivamente menos presión es convertida en presión estática. El perfil de presión depende del theta del ángulo de choque. Theta es de 90 grados, la línea central es también la línea de estancamiento. Al disminuir el ángulo de choque, la línea aerodinámica del estancamiento se aleja de la línea central del chorro, y en consecuencia, el pico del perfil de presión disminuye y cambia de puesto hacia las regiones de la placa más cerca a la salida del chorro. La presión total sobre la superficie de la placa expuesta para el jet es el resultado de la suma entre la presión de choque y la presión estática dentro del receptor. Ya que la presión dentro del receptor se distribuye homogéneamente, se anula la presión circundante a ambos lados de la placa. En consecuencia, la carga neta en la placa es debido a la sobrepresión y se calcula mediante la integración sobre la distribución de presión de choque en toda el área de la placa. Cuando un fluido se descarga a través de una rendija de una región de alta presión a una región de baja presión, el jet tiende a converger a una zona llamada vena contracta. Este es el primer lugar después de que el chorro sale de su orificio de salida en el que las líneas se convierten en paralelo y por lo tanto la presión estática es igual a la presión del entorno. Apliquemos la ecuación de Bernoulli entre la posición donde el jet sale del pleno y la posición en la vena contracta. Teniendo en cuenta la velocidad en el pleno para ser insignificante, la velocidad del aire en la vena contracta puede calcularse mediante la diferencia de presión entre la cámara y el receptor. Por último, conocer la relación de contracción entre el corte ancho y la vena contracta, el caudal másico puede estimarse usando la velocidad del jet y el área de la vena contracta. En las secciones siguientes, vamos a medir la resultante distribución de presión en la placa y luego calcular la fuerza total integrando el campo de presión sobre el área de la placa.

Antes de comenzar el experimento, ya que abre la puerta al receptor mientras está en funcionamiento es potencialmente peligroso y perjudicial para la instalación, asegúrese de que la instalación no está en uso. Si está abierta la puerta para el receptor, la instalación no esté en uso. Si se cierra la puerta al receptor, mire por la ventana. Si no hay ningún personal interior, la puerta es segura abrir porque la instalación sólo puede iniciarse desde dentro mientras la puerta está cerrada. Para comenzar, establezca los instrumentos según el esquema. Conecte el puerto positivo del transductor de presión a la salida de la válvula de barrido. Asegúrese de que la válvula de análisis está en la posición inicial. Conecte los tubos piezométricos del plato a la válvula análisis en orden subsecuente. Recuerde que iniciar las mediciones en la entrada junto a la salida de la válvula de barrido. Primero, ajuste la placa de la theta de ángulo deseado. En segundo lugar, medir el ancho de boquilla de chorro. En tercer lugar, medir la altura de la placa y la. Cero el transductor de presión y registrar el valor de la constante de calibración. Registrar todos los parámetros básicos del experimento en una tabla de referencia. En primer lugar, abrir el puerto de baja presión para el sentido de la presión en el receptor. Luego, conecte el punto de alta presión del transductor marcado como positivo para la llave de la presión del pleno. A continuación, iniciar la instalación del flujo. Mida la tensión asociada a la diferencia de presión captada por el transductor de presión entre la cámara y el receptor utilizando el multímetro digital. Calcular esta cantidad utilizando la constante de calibración.

Una vez que el instrumento se calibra y se registran los parámetros básicos, estás listo para comenzar la adquisición de datos. En primer lugar, conecte el puerto de alta presión del transductor al puerto común de la válvula de barrido. También la piedra de afilar la válvula análisis para iniciar la medición desde la primera posición del grifo de presión en la placa. Realice atravesar seis en su computadora, el factor de conversión de voltios a la presión de entrada y defina la frecuencia de muestreo 100 hertz y el total de muestras a 500 para obtener cinco segundos de datos. A continuación, introduzca cero en el instrumento virtual para la posición de la primera llave de la presión y luego registrar los datos. El valor en la pantalla es la diferencia de presión entre la llave de la presión y el receptor. Paso la válvula escaneada a la siguiente posición de tap. Introducir la nueva posición en el software sabiendo que la distancia entre dos consecutivos grifos es 25,4 milímetros y registre el nuevo valor de la diferencia de presión. Al final del experimento, el software genera una tabla y un diagrama de la posición del grifo versus la presión. Modificar el caudal variando la posición de la placa de control de flujo para cerrar la zona de flujo aproximadamente a la mitad y repita las mediciones de presión. Repita las mediciones para diferentes caudales y ángulos de inclinación y grabar cada vez los resultados en una tabla. Cuando todos los datos recabados, apague la facilidad de flujo.

Basado en los datos experimentales, se pueden obtener varios parámetros de interés. Mirar la tabla de resultados y para cada tasa de flujo y ángulo de la placa, utilice la diferencia de presión entre la cámara y el receptor para calcular la velocidad del jet en la vena contracta. De la tabla de referencia, tomar los valores para el intervalo L y anchura de la ranura y utilice la velocidad en la vena contracta calculado previamente para estimar la tasa de flujo de masa. Luego mirar la posición versus presión trama generada por atravesar seis y leer el valor máximo de la presión. Introducir el valor en la tabla de resultados. Este valor es una estimación directa de la presión de estancamiento. Ahora, para calcular la fuerza afectada en la placa mediante la integración de la distribución de presión sobre el área de la placa. Para ello, utilizan la diferencia de pressue versus la trama de la posición y calcular el área bajo la curva con la regla la regla del trapecio o de los Simpson. Introducir el valor en la tabla de resultados.

Comience trazando sobre el mismo gráfico cuatro conjuntos de resultados obtenidos para el choque del avión jet en un plato en dos ángulos diferentes y dos caudales diferentes. Ahora, comparar los perfiles de presión de los dos ángulos de choque diferentes y el mismo caudal. El perfil de presión a 90 grados es mayor que el de 70 grados. Mientras que el pico para choque de 90 grados se centra, el pico de 70 grados es cambiado de puesto hacia un menor x valor. Estos resultados indican que para un ángulo de 90 grados del choque, la línea aerodinámica del estancamiento corresponde a la línea central del flujo. La línea central se caracteriza por la velocidad máxima y, así, la presión dinámica máxima. A medida que disminuye el ángulo de choque, la línea aerodinámica del estancamiento se aleja de la línea de máxima velocidad y curvas de su trazado original. A continuación, comparar los perfiles de presión para los dos caudales diferentes y el mismo ángulo de choque. La presión máxima disminuye con el caudal porque hay una reducción en la energía cinética y por lo tanto en la energía dinámica como el flujo disminuye la tarifa. Mire la tabla de resultados y comparar los valores calculados para la carga en la placa. El ángulo de choque tiene el efecto de reducir la carga total porque cambia la presión del estancamiento del coincidiendo con la velocidad de la línea central a una optimizada con niveles más bajos de presión dinámica.

Afectar los jets son ampliamente utilizados en muchas aplicaciones industriales y de ingeniería que abarca desde hidráulica y aeronáutica a la electrónica. La interrelación entre presión y velocidad puede utilizarse para el diagnóstico de flujo. Una sonda pitot-estática o Prandtl está compuesto por dos tubos concéntricos. El tubo interno se enfrenta al flujo para detectar la presión del estancamiento. Mientras que el tubo exterior tiene un conjunto de puertos que detecta la presión estática. La diferencia de presión es detectada con un sensor integrado, y este valor se utiliza para estimar la velocidad. Este dispositivo se utiliza ampliamente en Ingeniería flúida. Por ejemplo, determinar la velocidad del viento en relación con el avión. Materiales blandos como los plásticos y la madera se pueden cortar con chorro fino de agua a alta velocidad. Mientras que los metales se pueden cortar con agua a la adición de partículas abrasivas a la corriente. Para generar un chorro de alta velocidad para fines de corte, es necesario imponer a alta presión en el flujo para poder acelerar a través de una tobera convergente. La alta energía cinética por el jet se convierte en presión dinámica en la superficie del objeto corte, ejerciendo una fuerza lo suficientemente fuerte para remover el material en la superficie de afectar.

Sólo ha visto introducción de Zeus a choque de Jet en una placa inclinada. Ahora debe comprender cómo la interacción entre la presión y velocidad genera fuerzas sobre las estructuras y poder calcular las fuerzas de choque, velocidades de flujo y las tasas de flujo de masa. Gracias por ver.

Results

La figura 4 muestra cuatro conjuntos de resultados obtenidos para el jet avión que inciden sobre una placa en dos ángulos diferentes y dos caudales diferentes. De hecho, desde el lado de baja presión del transductor se abre para el receptor, sus lecturas corresponden sólo a la sobrepresión , que son en realidad los puntos indicados en la figura 4.

Figure 4
Figura 4 . Resultados representativos. Distribución de la presión a lo largo de la placa para dos ángulos y dos caudales. Símbolos representan: : , m/s; : , m/s; : , m/s; : , m/s.

Según la figura 4, los perfiles de 90o choque son superiores a los 70o choque. La razón de este comportamiento es que la aerodinámica de estancamiento para el primer caso corresponde a la línea central del flujo, es decir, optimizada para la velocidad pico y por lo tanto máxima presión dinámica. Mientras que la línea aerodinámica del estancamiento se aleja de la línea de máxima velocidad y las curvas de su trazado original como el ángulo de choque disminuye. Este efecto se bosqueja en la figura 1(A), y también es la razón por qué la presión máxima en el perfil de presión se mueve lejos del centro de la placa.

Como era de esperar, la presión máxima disminuye con la tasa de flujo (símbolos de cerrado en la figura 4) porque hay una reducción general de la energía cinética y por lo tanto en presión dinámica como el flujo disminuye la tasa de. Esta presión máxima es de hecho una medida de la presión de estancamiento, , anteriormente explicado. Para el caso de la reacción que afecta la placa a 90o, es una medida exacta de porque el grifo de presión coincide con la línea central, ergo la aerodinámica del estancamiento, del jet. Pero como se sugiere en la Figura 1a, la línea aerodinámica del estancamiento curvas de su trazado original como las disminuciones del ángulo de choque. Bajo esta nueva condición, no hay garantía de que este optimizada coincidirá exactamente con un grifo de presión en su lugar el choque. Por lo tanto, la presión máxima observada en ángulos de choque diferente que 90o es sólo una aproximación a la .

La tabla 2 muestra los resultados obtenidos en las mediciones experimentales para dos diversos ángulos afectar y las tasas de flujo.

Tabla 2 . Resultados representativos.

Parámetro Ejecutar 1 Run 2 Ejecutar 3 Ejecutar 4
Ángulo (θ) de la placa 90o 90o 70o 70o
Lectura del multímetro digital (E) 2.44 V 2.33 V 2.44 V 2.28 V
Diferencia de presión (P_pl-P_rec) 335.95 Pa 320.80 Pa 335.95 Pa 313.92 Pa
Velocidad del aire en la vena contracta (V_VC) 10.14 m/s 9.91 m/s 10.14 m/s 9.81 m/s
Flujo tasa ((m)) ̇ 0.254 kg/s 0.249 kg/s 0.254 kg/s 0.246 kg/s
Presión del estancamiento (P_o) 127.16 Pa 121.19 Pa 101.78 Pa de 94.31 Pa de
Carga en la placa (F) 16,84 N DE 16.24 N 14.11 N 12,32 N DE

Applications and Summary

Los experimentos ofrecidos adjunto demostraron la interacción de la presión y velocidad para generar cargas de objetos por medio de la conversión de la presión dinámica en presión estática. Estos conceptos fueron demostrados con un chorro de plano que inciden sobre una placa plana en dos ángulos diferentes y dos caudales diferentes. Los experimentos demostraron claramente que la carga es más alta en el punto de estancamiento, donde toda la presión dinámica se convierte en presión estática, y su magnitud disminuye a medida que el nivel de conversión de dinámica a estática disminuye en las posiciones de el punto de estancamiento. El ángulo de incidencia tiene el efecto de reducir la carga total porque cambia la presión del estancamiento de la una coincide con la velocidad (máxima) de la línea central a una optimizada con niveles más bajos de presión dinámica.

Estos experimentos también sirven el propósito de demostrar cómo determinar la carga total en el objeto expuesto al flujo integrando numéricamente los datos obtenidos de grifos de presión. Además, la conversión inversa de presión estática en presión dinámica también se utilizó para estimar la velocidad y caudal de masa de la reacción. En consecuencia, la interacción de presión y velocidad puede utilizarse para el diagnóstico de flujo.

Un concepto que no fue explorado en el presente experimento es velocimetría por Pitot - estática sondas. Son sondas que miden directamente la diferencia entre el estancamiento y presión estática, que es exactamente lo que se utilizó en la ecuación (3) para determinar la velocidad en la vena contracta. Tenga en cuenta que, al menos en la placa del ángulo de 90o , la llave de la presión central se expone directamente al punto de estancamiento, lo que es una sonda Pitot. Puesto que el transductor de presión compara la presión de cada llave de la presión a la presión del receptor, el resultado es una medida directa de . En sustitución de esta medida en la ecuación (3), el resultado es la velocidad de un punto en la aerodinámica de estancamiento que está cerca del punto de estancamiento, pero siguen fuera de su radio de influencia. Esta medida es de uso limitado en este experimento porque se desconoce la ubicación exacta de ese punto en la línea aerodinámica del estancamiento.

Como se mencionó anteriormente, la medición puede utilizarse para determinar la velocidad de flujo. En la aplicación descrita en el presente, el cambio de presión entre la cámara y el receptor eran bastantes para estimar la velocidad media en la vena contracta. También se mencionó que, por cierto, el grifo de presión coincidiendo con el punto de estancamiento es un tubo de Pitot que podría ser utilizado en conjunción con una sonda de detección de la presión estática para determinar la velocidad de flujo de la ecuación (3) (sustituyendo con y con ). De hecho, un solo dispositivo que combina una sonda Pitot y un sondeo estático, conocido como tubo de Prandtl, podría ser el dispositivo de diagnóstico más extendido en los fluidos de ingeniería para medir la velocidad. Como se muestra en la figura 5, este sondeo está compuesto por dos tubos concéntricos. El tubo interno enfrenta el flujo para detectar la presión de estancamiento, y el tubo exterior tiene un conjunto de puertos sentido la presión estática. Un sensor como un transductor de presión o un manómetro de columna líquida se utiliza para determinar la diferencia entre estas dos presiones para estimar la velocidad de la ecuación (3) (otra vez, sustituyendo con y con ). Una punta de prueba como esta, o una combinación de un tubo de Pitot y una sonda estática independiente de hecho se utilizan en aviones para determinar la velocidad del viento en relación con el avión.

Figure 5
Figura 5 . Velocimetría de flujo. Sonda Pitot-estático (o Prandtl) para determinar la distribución de velocidad basada en la presión dinámica. Esta sonda se coloca en el campo de flujo para determinar la velocidad en diferentes posiciones. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

References

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  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. configuración de la instalación

  1. Asegúrese de que no hay ningún flujo en la instalación.
  2. Establecer los instrumentos según el esquema en la figura 2.
  3. Ajustar la placa de ángulo . Registre este valor en la tabla 1.
  4. Medir el ancho de boquilla de chorro . Registre este valor en la tabla 1.
  5. Medir la duración de la placa L. registro este valor en la tabla 1.
  6. A cero el transductor de presión.
  7. Tenga en cuenta la constante de calibración del transductor de presión, mp (Pa/V). Registre este valor en la tabla 1.
  8. Conectar el puerto de alta presión del transductor (marcado como +) a la llave de la presión de la cámara (marcado como ).
  9. Puesto que todas las operaciones tienen lugar dentro del receptor, deja el puerto de baja presión del transductor (marcado como-) abierto a sentir la presión en el receptor ().
  10. Iniciar la instalación del flujo (LFT).
  11. Utilizar el multímetro digital para registrar el voltaje de la (V) asociada a la diferencia de presión entre la cámara y el receptor captada por el transductor de presión. Registre este valor en la tabla 2.
  12. Utilizar la calibración constante mp de 1.7 para determinar la diferencia de presión entre la cámara y el receptor (). Registre este valor en la tabla 2.

Figure 2
Figura 2. Detalles de sistema de adquisición de datos. Esquema de conexiones del equipo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tabla 1. Parámetros básicos para el estudio experimental.

Parámetro Valor
Ancho de boquilla de chorro (Wn) 41,3 mm
Palmo de la placa (L) 81,3 cm
Altura de la placa (H) 61cm
Constante de calibración del transductor (m_p) 137.6832 Pa/V

2. ejecución del experimento

  1. Conectar el puerto de alta presión del transductor (marcado como +) al puerto común de la válvula de barrido. Dejar el puerto de baja presión del transductor (marcado como-) abierto a sentir la presión en el receptor ().
  2. Inicio la exploración válvula para iniciar la medición de la primera presión grifo posición.
  3. Ejecute el atravesar VI (instrumento virtual de LabView).
  4. De entrada la calibración constante mp en el VI.
  5. Establecer la frecuencia de muestreo de 100 Hz y el total de muestras a 500 (es decir, 5 segundos de datos).
  6. Entrar en la VI en la posición () de la llave de la presión de que la placa de presión se adquirirán datos. Tener en cuenta que los grifos de presión están espaciados por 25,4 mm. Por lo tanto, la posición será mm, donde es el índice de la llave a partir de 0.
  7. Registrar los datos. El VI mostrará la diferencia de presión entre la llave de la presión y el receptor (.
  8. Paso la válvula escaneada a la siguiente posición de tap.
  9. Repita los pasos del 2.6 a 2.8 hasta que todos los grifos de presión son recorridos.
  10. Al final, la VI proporciona una tabla y un diagrama de la presión de grifo posición vs.
  11. Detener el VI.
  12. Cambiar la posición de la placa de control de flujo para cerrar la zona de flujo aproximadamente a la mitad (ver figura 3 para referencia). Esto modificará la tasa de flujo. Utilice la ecuación (5) para determinar el valor de este caudal.
  13. Repita los pasos 2.3 a 2.11 para la nueva posición de la placa de control de flujo.
  14. Modificar el ángulo de la placa de choque y coloque la placa de control de flujo a su posición inicial.
  15. Repita los pasos 2.3 a 2.14 para 80o70o, 60o, 50oy 45o.

Figure 3
Figura 3. Ajuste experimental. Sección de prueba. Izquierda: Placa de choque frente a raja. Aire alto-presión se descarga del pleno en el receptor a través de esta ranura. Medio: grifos de presión conectados a la placa de choque se distribuyen en la válvula de barrido a muestra uno a la vez. Derecha: placa de choque frente a descarga de receptor. La descarga tiene una placa perforada para regular caudal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Análisis

  1. Para cada ángulo de inclinación, trazar los datos de presión de ambos caudales.
  2. Utilizar los datos experimentales para calcular la fuerza sobre la placa base en la ecuación (2).
  3. Determinar la velocidad del jet en la vena contracta usando la ecuación (3).
  4. Estimar la tasa de flujo de masa utilizando la ecuación (5).

Choque de jet en estructuras sólidas es un proceso ampliamente utilizado en aplicaciones tecnológicas, tales como la trituración en la industria y la energía generación de fuentes hidráulicas. Choque de jet consiste en soltar un líquido a través de una boquilla de una región de alta presión a una región de baja presión y pulso o afectando el chorro sobre una estructura. Durante el proceso del choque, las fuerzas generadas por la interacción entre la presión y la velocidad del campo de flujo se ejercen sobre la superficie del objeto. Por ejemplo, en el caso de un despegue vertical y aterrizaje o avión de VTOL, dos jets combinados producen suficiente elevación para ayudar a los aviones despegar verticalmente sin necesidad de utilizar la pista. Dos jets más pequeños adicionales emitidos a cada lado del avión proporciona estabilidad. Los efectos del choque dependen de dimensiones de jet y velocidad, las características de la superficie de choque y la distancia entre la boquilla y la superficie. Cuando las temperaturas de la superficie y el jet son significativamente diferentes, choque de jet produciría altos niveles de transferencia de calor. Este video ilustra cómo determinar la carga ejercida por un chorro en un objeto y también cómo calcular otros parámetros de interés para el diagnóstico de flujo, tales como velocidad de chorro y caudal de masa.

Antes de profundizar en el protocolo experimental, vamos a estudiar los principios detrás del choque del jet. De un constante flujo incompresible de un fluido con viscosidad cero, la energía cinética y energía potencial de presión pueden transformar a lo largo de las líneas. Mientras que la suma de las dos formas de energía es siempre constante, esto es principio de Bernoulli derivada el principio de conservación de la energía. Según este principio, un aumento en la velocidad y en consecuencia en la energía cinética de un fluido se produce simultáneamente con una disminución de su presión y energía potencial. Como la suma es siempre constante. Esta es la ecuación de Bernoulli. Expresado en las dimensiones de presión, el término asociado con la energía cinética se llama presión dinámica. Mientras que el término asociado a la energía potencial de presión se llama presión estática. La adición de estos dos términos da constante de Bernoulli, también conocida como presión del estancamiento. Presión del estancamiento se define como la presión máxima que alcanzaría el flujo Si detiene transformando toda su presión dinámica en presión estática. Ahora vamos a hablar de la instalación experimental. Un chorro de aire sale de una cámara de alta presión a través de una rendija de anchura W y L a un receptor de baja presión donde el chorro incide sobre una placa inclinada de theta de ángulo. La optimizada intermedia divide el chorro en dos regiones. Desviado hacia arriba y el otro hacia abajo. La divisoria optimizada se detiene justo en la pared en el punto de estancamiento donde la presión dinámica se convierte totalmente en presión estática. En el punto de estancamiento, el perfil de la presión ejercida por el chorro en la placa tiene un valor máximo de p0. Lejos de este punto, el perfil de presión disminuye constantemente desde progresivamente menos presión es convertida en presión estática. El perfil de presión depende del theta del ángulo de choque. Theta es de 90 grados, la línea central es también la línea de estancamiento. Al disminuir el ángulo de choque, la línea aerodinámica del estancamiento se aleja de la línea central del chorro, y en consecuencia, el pico del perfil de presión disminuye y cambia de puesto hacia las regiones de la placa más cerca a la salida del chorro. La presión total sobre la superficie de la placa expuesta para el jet es el resultado de la suma entre la presión de choque y la presión estática dentro del receptor. Ya que la presión dentro del receptor se distribuye homogéneamente, se anula la presión circundante a ambos lados de la placa. En consecuencia, la carga neta en la placa es debido a la sobrepresión y se calcula mediante la integración sobre la distribución de presión de choque en toda el área de la placa. Cuando un fluido se descarga a través de una rendija de una región de alta presión a una región de baja presión, el jet tiende a converger a una zona llamada vena contracta. Este es el primer lugar después de que el chorro sale de su orificio de salida en el que las líneas se convierten en paralelo y por lo tanto la presión estática es igual a la presión del entorno. Apliquemos la ecuación de Bernoulli entre la posición donde el jet sale del pleno y la posición en la vena contracta. Teniendo en cuenta la velocidad en el pleno para ser insignificante, la velocidad del aire en la vena contracta puede calcularse mediante la diferencia de presión entre la cámara y el receptor. Por último, conocer la relación de contracción entre el corte ancho y la vena contracta, el caudal másico puede estimarse usando la velocidad del jet y el área de la vena contracta. En las secciones siguientes, vamos a medir la resultante distribución de presión en la placa y luego calcular la fuerza total integrando el campo de presión sobre el área de la placa.

Antes de comenzar el experimento, ya que abre la puerta al receptor mientras está en funcionamiento es potencialmente peligroso y perjudicial para la instalación, asegúrese de que la instalación no está en uso. Si está abierta la puerta para el receptor, la instalación no esté en uso. Si se cierra la puerta al receptor, mire por la ventana. Si no hay ningún personal interior, la puerta es segura abrir porque la instalación sólo puede iniciarse desde dentro mientras la puerta está cerrada. Para comenzar, establezca los instrumentos según el esquema. Conecte el puerto positivo del transductor de presión a la salida de la válvula de barrido. Asegúrese de que la válvula de análisis está en la posición inicial. Conecte los tubos piezométricos del plato a la válvula análisis en orden subsecuente. Recuerde que iniciar las mediciones en la entrada junto a la salida de la válvula de barrido. Primero, ajuste la placa de la theta de ángulo deseado. En segundo lugar, medir el ancho de boquilla de chorro. En tercer lugar, medir la altura de la placa y la. Cero el transductor de presión y registrar el valor de la constante de calibración. Registrar todos los parámetros básicos del experimento en una tabla de referencia. En primer lugar, abrir el puerto de baja presión para el sentido de la presión en el receptor. Luego, conecte el punto de alta presión del transductor marcado como positivo para la llave de la presión del pleno. A continuación, iniciar la instalación del flujo. Mida la tensión asociada a la diferencia de presión captada por el transductor de presión entre la cámara y el receptor utilizando el multímetro digital. Calcular esta cantidad utilizando la constante de calibración.

Una vez que el instrumento se calibra y se registran los parámetros básicos, estás listo para comenzar la adquisición de datos. En primer lugar, conecte el puerto de alta presión del transductor al puerto común de la válvula de barrido. También la piedra de afilar la válvula análisis para iniciar la medición desde la primera posición del grifo de presión en la placa. Realice atravesar seis en su computadora, el factor de conversión de voltios a la presión de entrada y defina la frecuencia de muestreo 100 hertz y el total de muestras a 500 para obtener cinco segundos de datos. A continuación, introduzca cero en el instrumento virtual para la posición de la primera llave de la presión y luego registrar los datos. El valor en la pantalla es la diferencia de presión entre la llave de la presión y el receptor. Paso la válvula escaneada a la siguiente posición de tap. Introducir la nueva posición en el software sabiendo que la distancia entre dos consecutivos grifos es 25,4 milímetros y registre el nuevo valor de la diferencia de presión. Al final del experimento, el software genera una tabla y un diagrama de la posición del grifo versus la presión. Modificar el caudal variando la posición de la placa de control de flujo para cerrar la zona de flujo aproximadamente a la mitad y repita las mediciones de presión. Repita las mediciones para diferentes caudales y ángulos de inclinación y grabar cada vez los resultados en una tabla. Cuando todos los datos recabados, apague la facilidad de flujo.

Basado en los datos experimentales, se pueden obtener varios parámetros de interés. Mirar la tabla de resultados y para cada tasa de flujo y ángulo de la placa, utilice la diferencia de presión entre la cámara y el receptor para calcular la velocidad del jet en la vena contracta. De la tabla de referencia, tomar los valores para el intervalo L y anchura de la ranura y utilice la velocidad en la vena contracta calculado previamente para estimar la tasa de flujo de masa. Luego mirar la posición versus presión trama generada por atravesar seis y leer el valor máximo de la presión. Introducir el valor en la tabla de resultados. Este valor es una estimación directa de la presión de estancamiento. Ahora, para calcular la fuerza afectada en la placa mediante la integración de la distribución de presión sobre el área de la placa. Para ello, utilizan la diferencia de pressue versus la trama de la posición y calcular el área bajo la curva con la regla la regla del trapecio o de los Simpson. Introducir el valor en la tabla de resultados.

Comience trazando sobre el mismo gráfico cuatro conjuntos de resultados obtenidos para el choque del avión jet en un plato en dos ángulos diferentes y dos caudales diferentes. Ahora, comparar los perfiles de presión de los dos ángulos de choque diferentes y el mismo caudal. El perfil de presión a 90 grados es mayor que el de 70 grados. Mientras que el pico para choque de 90 grados se centra, el pico de 70 grados es cambiado de puesto hacia un menor x valor. Estos resultados indican que para un ángulo de 90 grados del choque, la línea aerodinámica del estancamiento corresponde a la línea central del flujo. La línea central se caracteriza por la velocidad máxima y, así, la presión dinámica máxima. A medida que disminuye el ángulo de choque, la línea aerodinámica del estancamiento se aleja de la línea de máxima velocidad y curvas de su trazado original. A continuación, comparar los perfiles de presión para los dos caudales diferentes y el mismo ángulo de choque. La presión máxima disminuye con el caudal porque hay una reducción en la energía cinética y por lo tanto en la energía dinámica como el flujo disminuye la tarifa. Mire la tabla de resultados y comparar los valores calculados para la carga en la placa. El ángulo de choque tiene el efecto de reducir la carga total porque cambia la presión del estancamiento del coincidiendo con la velocidad de la línea central a una optimizada con niveles más bajos de presión dinámica.

Afectar los jets son ampliamente utilizados en muchas aplicaciones industriales y de ingeniería que abarca desde hidráulica y aeronáutica a la electrónica. La interrelación entre presión y velocidad puede utilizarse para el diagnóstico de flujo. Una sonda pitot-estática o Prandtl está compuesto por dos tubos concéntricos. El tubo interno se enfrenta al flujo para detectar la presión del estancamiento. Mientras que el tubo exterior tiene un conjunto de puertos que detecta la presión estática. La diferencia de presión es detectada con un sensor integrado, y este valor se utiliza para estimar la velocidad. Este dispositivo se utiliza ampliamente en Ingeniería flúida. Por ejemplo, determinar la velocidad del viento en relación con el avión. Materiales blandos como los plásticos y la madera se pueden cortar con chorro fino de agua a alta velocidad. Mientras que los metales se pueden cortar con agua a la adición de partículas abrasivas a la corriente. Para generar un chorro de alta velocidad para fines de corte, es necesario imponer a alta presión en el flujo para poder acelerar a través de una tobera convergente. La alta energía cinética por el jet se convierte en presión dinámica en la superficie del objeto corte, ejerciendo una fuerza lo suficientemente fuerte para remover el material en la superficie de afectar.

Sólo ha visto introducción de Zeus a choque de Jet en una placa inclinada. Ahora debe comprender cómo la interacción entre la presión y velocidad genera fuerzas sobre las estructuras y poder calcular las fuerzas de choque, velocidades de flujo y las tasas de flujo de masa. Gracias por ver.

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