Overview
Source : Alexander S Rattner ; Département de génie mécanique et nucléaire, la Pennsylvania State University, University Park, PA
Avions, fusées et navires produisent la propulsion en accélérant entourant des produits de combustion de fluides ou de haute température à grande vitesse. En raison du principe de la conservation du moment, l’augmentation de la vitesse liquide se traduit par un effort de Poussée apparente sur le véhicule. Les fonctionnalités de la poussée des systèmes de propulsion sont souvent mesurées avec essais de poussée statique. Pour ces essais, systèmes de propulsion sont montées et exploités sur les plates-formes fixes, instrumentés, et la force de retenue sur les montures est mesurée comme la Poussée
Dans cette expérience, une installation de mesure de poussée statique à petite échelle est construite et modélisée. L’idée maîtresse courbes pour les deux moteurs d’avion modèle et systèmes d’hélices et un ordinateur ventilateur de refroidissement seront mesurés. Efficacité de Poussée est également évaluées (force de Poussée / puissance électrique absorbée). Mesuré la poussée des valeurs seront comparées avec les prédictions théoriques basées sur les vitesses mesurées dans l’air.
Principles
Mécanismes de propulsion liquide ouvert-opération, tels que les accessoires de bateau ou avion ou moteurs d’avion fanjet produisent la poussée en accélérant le fluide ambiant à une grande vitesse. Au cours de l’opération, ces dispositifs dans le liquide de l’apport en tirer une grande surface en amont et il en aval d’échappement comme un jet étroit à haute vélocité (Fig. 1). La section de sortie est approximativement égale à l’air de visage d’hélice. Masse et quantité de mouvement déborder le volume de contrôle, y compris l’apport en amont des équilibres de taux et d’échappement à rendement jet les résultats suivants :
(1)
(2)
Ici, 
est le débit massique, ρ est la densité du fluide, A est la zone de flux, U est la vitesse du fluide et T est la force de Poussée qui en résulte. Comme illustré à la figure 1, la zone d’absorption est beaucoup plus grande que les densités de zone et l’entrée et la sortie du jet de gaz d’échappement sont approximativement égale. Par conséquent, la vitesse d’échappement doit être beaucoup plus grande que la vitesse d’aspiration (
, et la vitesse d’écoulement d’admission dynamique est négligeable (
). L’orientation théorique qui en résulte est :
(3)
La poussée des systèmes de propulsion d’avions modèles est relativement faible, moins de 0,1 N dans de nombreux cas. Pour permettre la mesure de ces forces, on construira un banc d’essai de bras de levier basé ici (Fig. 2 a). La structure de banc d’essai qui pivote sur un roulement à faible coefficient de frottement telle que le couple de l’hélice à l’extrémité d’un bras (longueur Lappui vertical de l’axe du roulement au centre du moteur) équilibre le couple d’une échelle numérique, déprimé par une plus courte (de bras de moment L échelle). Cette configuration amplifie l’effort de Poussée sur l’échelle pour donner une lecture plus précise. Si l’échelle est taré (zéro) lorsque l’hélice est éteint, que la Poussée mesurée au cours de l’hélice opération peut être déterminée avec Eqn. 4. Ici, m est la masse de lecture sur l’échelle.
(4)
La puissance électrique fournie à l’hélice ou le ventilateur peut être déterminée comme 
, où I est le courant (en ampères) et V est la tension. Une efficacité de Poussée peut être définie comme 
(en Newtons par Watt).
Figure 1 : Régler le volume de flux à travers un dispositif de propulsion liquide
Figure 2 : a. schéma d’installation d’essais de poussée statique. b. vue de détail d’assemblage de pivot. c. photo d’installation expérimentale.
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Procedure
1. fabrication du système de test de poussée statique (voir schémas et photographie, Fig. 2)
- Former deux douilles cylindriques sur un tour avec diamètre extérieur 42,16 mm, longueur ~ 10 mm et percer l’axe central de 9,50 mm.
- Appuyez sur un roulement à billes à bride dans le trou sur chaque traversée. Insérez la chasse bagues dans les deux ports parallèles du 4-way té raccord, avec les roulements à l’extérieur. Les traversées doivent s’ajuster dans le raccord en té. (Voir l’articulée schématique dans Fig. 2 b.
- Couper deux longueurs de 100 mm de l’extrusion d’aluminium à angle droit. Percer un trou de 3,2 mm dans le milieu du côté le plus long des extrusions, ~ 45 mm vers le haut de la base. Percer deux trous de fixation près des extrémités des côtés plus courtes de l’extrusion. \
- Planter l’arbre à travers les deux roulements dans le raccord en té de la 4 voies. Même longueur doit être exposés à chaque extrémité. Faites glisser les extrusions à angle droit sur les bouts d’arbre exposées. Visser l’extrusion perpendiculairement à la surface de travail à travers les trous de fixation. Installer les colliers d’axe sur les extrémités exposées de l’arbre de tenir l’Assemblée centrée entre les supports à angle droit.
- Couper court (~ 18 mm) et long (~ 36 cm) longueurs de 42,16 mm diamètre extérieur PVC tuyaux. Insérez la brièveté dans le port horizontal sur le té de 4 voies montage et la longueur dans le port vertical. Insérer un bouchon de tube à l’extrémité de la longueur horizontale.
- Positionner une balance numérique de précision (± 0,1 ou ±0, 01 g recommandé) sous le bouchon de bras conduit horizontal.
- Monter l’hélice moteurs et le ventilateur sur les chapeaux de tuyau. Les hélices devraient être compensées afin que les bouchons ne bloquent pas la circulation d’air. Il est recommandé que les moteurs à hélice sont collées sur les têtes de vis minces installés sur les chapeaux de tuyau (Fig. 2c).
2. réaliser des expériences
- Monter l’hélice plus petit et le capuchon de tuyau moteur sur le bras de canalisation verticale.
- Enregistrer les distances (bras de moment) de l’axe de pivot à l’axe du moteur hélice (Lprop) et de l’axe de pivot au point de contact du bras horizontal sur l’échelle.
- Connecter le moteur de l’hélice à une alimentation à tension variable (éteint).
- Mettez l’échelle et tare (zéro) la lecture.
- Allumez l’alimentation et de modification de la tension par incréments ~0.4 V jusqu'à 3,8 V. Pour chaque cas, l’enregistrement, la tension, courant, l’échelle de lecture (en grammes) et l’évolution de gamme pendant le fonctionnement stable (généralement oscille par ~0.3 - 5,0 g). Il peut être nécessaire de puiser la pale d’hélice pour le lancer spinning. S’assurer que le débit d’air est dans la bonne direction (qui coule vers l’arrière du moteur). Si ce n’est pas le cas, inverser les fils positifs et négatifs sur l’alimentation.
- Le cas échéant, utiliser un anémomètre thermique pour mesurer la vitesse de l’air juste derrière (en aval) de l’hélice à certaines conditions. La vitesse varie dans la zone du visage hélice, donc c’est seulement une mesure de l’ordre de grandeur .
- Répétez les étapes 2,1 à 2,6 pour l’autre moteur et hélice et le ventilateur de refroidissement de PC. Le ventilateur peut fonctionner jusqu'à 12 V.
3. analyse
- Calculer les axes hélice et ventilateur (T) pour chaque cas mesurée à l’aide Eqn. 4. La principale source d’incertitude est la variation/oscillation dans l’échelle de lecture au cours de l’opération. Remplacer cette gamme (étape 2.5) m en Eqn. 4 pour déterminer l’incertitude de la Poussée.
- Pour chaque cas, calculer la puissance d’entrée
. L’incertitude peut être estimée comme 
, où Δ j’et ΔV sont les incertitudes de mesure courant et tension (0,005 A et 0,005 V ici). - Pour chaque cas, calculer l’efficacité de Poussée
. L’incertitude pour l’efficacité de poussée serait 
. - Comparer les poussées mesurées avec les valeurs théoriques estimées en utilisant les vitesses de l’anémomètre (Eqn. 3). Ici la zone de sortie peut être estimée dans la zone du visage hélice/ventilateur, moins la zone moyeu ou moteur :
. Comment les comparer avec les valeurs mesurées ?
, où Δ j’et ΔV sont les incertitudes de mesure courant et tension (0,005 A et 0,005 V ici).
. L’incertitude pour l’efficacité de poussée serait 
.
. Comment les comparer avec les valeurs mesurées ?Systèmes de propulsion liquide sont omniprésents dans la conception mécanique et sont utilisées à tout moment une force relative doit être appliquée entre un liquide et un système mécanique. Toutes les embarcations d’eau et air emploient des systèmes de propulsion liquide pour fournir des forces de propulsion ou de coups nécessaires pour l’accélération et de direction à travers le liquide environnant. Leur utilisation n’est pas limitée aux véhicules bien. Systèmes fixes comme équipement de CVC également utilisent des systèmes de propulsion. Mais dans ces cas ils conduisent la circulation du fluide lui-même. Cette vidéo illustre comment Poussée est produite par les systèmes de propulsion liquide de fonctionnement ouvert, une catégorie qui inclut les hélices et les fans. Et de démontrer comment, Poussée et butée efficacité peut être estimée et mesurée en laboratoire.
La poussée des systèmes de propulsion fluide de fonctionnement ouvert, telles que les hélices de l’avion ou des accessoires de bateau, est produite en accélérant le fluide ambiant à une grande vitesse. Ces systèmes dans le liquide en tirer une grande surface en amont et en aval, il d’échappement dans un jet étroit. Avec un hors flux zone environ la même que la zone de la surface de l’hélice. Nous allons voir comment la Poussée est générée en adoptant une approche de volume de contrôle. Commencez par construire un volume de contrôle le long des lignes de flux autour de l’hélice, s’étendant de la zone d’apport à l’out flow zone. Le débit massique dans le volume de contrôle à l’entrée est le produit de la densité du fluide en amont, le domaine de la consommation et la vitesse du fluide en amont. De même, le débit-masse sur le volume de contrôle à l’échappement est le produit de la densité du fluide en aval, la zone de sortie et la vitesse du fluide en aval. Aucun débit massique se produira à travers la frontière simplifiée par définition. Au cours de l’opération stable, la masse à l’intérieur du volume de contrôle doit rester constante. Puis, par la conservation de la masse, le taux de masse sortant à travers la zone de sortie doit être égale le taux de masse entrant par le secteur des admissions. Maintenant, parce que les densités d’admission et de sortie sont approximativement égales, la vitesse de sortie sera égale à la vitesse d’absorption réduite par le rapport entre la prise de sortie de zone. Le secteur des admissions étant beaucoup plus grande que la zone de sortie, la vitesse d’écoulement sera beaucoup plus élevée que la vitesse d’absorption. De manière similaire, conservation du moment exige que toute différence dans les débits de momentum sur et dans le volume de contrôle se manifeste par une force sur l’hélice, la Poussée. Puisque les débits massiques et de sortie sont équilibrées et la vitesse d’écoulement est beaucoup plus élevée que la vitesse de l’apport, la contribution de la notion de vitesse d’admission est négligeable. Élargir la notion de taux de débit massique dans ce résultat montre que la Poussée est bien approximée par la zone de sortie et la vitesse. En propulsion système est alimenté par une source externe pour générer la Poussée. L’efficacité de la poussée du système, désigné ici par la lettre grecque êta, est définie comme le rapport entre la poussée à la puissance d’entrée. Par exemple, les hélices d’avion modèle et ventilateurs de PC sont conduits par un moteur électrique. Si la Poussée est connue, divisant par la puissance d’entrée électrique donnera l’efficacité de la Poussée. Dans les sections suivantes, nous allons mesurer la Poussée et l’efficacité de Poussée quelques petites des systèmes de propulsion à l’aide d’un banc d’essai statique. Et puis comparer la Poussée mesurée à une estimation basée sur la vitesse d’écoulement.
Assembler le banc d’essai tel que décrit dans le texte et mis en place sur le banc de travail. Le stand comporte une section de rigide « L » pris en charge par un pivot au niveau du joint. Positionner la balance de précision sous l’extrémité du bras horizontal court. Couple de la balance numérique sur le bras court équilibrera tout couple généré par la Poussée sur le bras long. Et la différence dans les longueurs amplifie la force mesurée par l’échelle pour donner une lecture plus précise. Avec le banc d’essai assemblé, monter l’hélice plus petite sur le bras long vertical et aligner l’axe de l’hélice afin qu’elle soit parallèle avec le bras court. Mesurer et noter le diamètre de l’hélice et le diamètre du moyeu. Maintenant, mesurer et enregistrer les longueurs des deux bras du moment. Le bras long doit être mesuré de l’axe de pivot à l’axe de l’hélice. Et le bras court doit être mesuré de l’axe de pivot au point de contact à l’échelle. Connecter le moteur à une variable alimentation CC et activez-le pour vérifier l’orientation de l’air, qui doit être adressée afin qu’il y a une force vers le bas sur l’échelle. Coupez l’alimentation et si nécessaire corriger le flux d’air en inversant le branchement électrique. Lorsque le moteur est complètement encore tarer la balance. Ouvrir l’alimentation et augmenter la tension de l’absence de toute tension, par incréments de 4 volts point, jusqu'à mais n’excédant ne pas la tension d’alimentation maximale de moteurs. Pour chaque étape en attente de tension pour le moteur se stabiliser et ensuite enregistrer la tension actuelle, moyenne échelle de lecture et l’échelle de mesure. S’il existe un anémomètre thermique, mesurer la vitesse d’air de sortie pour une tension d’entrée basse et haute tension d’entrée. Notez que la vitesse d’écoulement varie en position, donc c’est seulement une mesure de l’ordre de grandeur. Répétez ce processus pour le plus grand moteur et le ventilateur de PC. Une fois que les mesures sont faites, vous êtes prêt à analyser les données.
Regardez les données recueillies pour la petite hélice. Pour chaque tension d’alimentation, il y a aussi un courant d’alimentation et les lectures de l’échelle. Vous devez également avoir quelques mesures de la vitesse de l’air sortant. Effectuer les calculs suivants pour chaque valeur de tension d’alimentation. Calculer la poussée de l’échelle de lecture. La force sur l’échelle est la lecture fois l’accélération due à la pesanteur. Et l’idée maîtresse est cette force amplifiée par le ratio du moment bras mesurée précédemment. Maintenant calculer la puissance du moteur, qui est simplement le produit de la tension et de courant d’entrée. Calculons ensuite l’efficacité de la poussée en prenant le rapport entre la Poussée et la puissance d’entrée. Si la vitesse d’écoulement a été mesurée, vous pouvez l’utiliser pour prédire la Poussée. Tout d’abord calculer la zone de sortie approximative en faisant la différence entre les zones prop et moyeu. Puis combinez ce résultat avec la vitesse mesurée pour estimer la poussée en utilisant l’équation de la poussée d’avant. Propager vos incertitudes de mesure, comme indiqué dans le texte pour déterminer l’incertitude dans vos résultats finaux. Répétez ces calculs pour la grande hélice et ventilateur.
Commencez par tracer l’orientation en fonction de la puissance d’entrée pour tous les trois appareils. Le ventilateur de PC produit la plus forte poussée des trois et a puissance d’entrée maximum beaucoup plus élevé. La petite hélice produit un peu plus poussée que celle importante à la toute puissance d’entrée donnée, mais le gros ventilateur est capable de fonctionner à des grossissements plus importants. Maintenant, comparer l’efficacité de Poussée en fonction de la puissance d’entrée. L’efficacité de la poussée de l’hélice grande demeure relativement constante, mais l’efficacité diminue avec l’augmentation de puissance pour les deux autres appareils. Si vous avez pris toutes les mesures de la vitesse d’air de sortie comparer l’autonomie estimée des axes basé sur ceux-ci à la Poussée mesurée entre le banc d’essai. Vous devriez trouver le bon accord entre la prédiction et la mesure. Mais en raison de la mesure approximative de la vitesse d’écoulement, cette analyse devrait seulement être interprétée comme qualitatifs.
Systèmes de propulsion liquide sont omniprésentes dans une variété de systèmes mécaniques et naturels. La mobilité est essentielle pour de nombreuses créatures sous-marines pour la survie, et une grande variété de systèmes de propulsion naturelle ont évolué en conséquence. Palmes de propulsion par réaction de céphalopodes, poissons, et les flagelles sur amibe sont que quelques exemples. Apprendre comment fonctionnent ces systèmes est importante pour comprendre comment ces animaux vivre et interagissent avec leur environnement. Moulins à vent et les éoliennes fonctionnent sur les mêmes principes abordés dans cette vidéo, mais appliqué à l’envers. Au lieu d’utiliser l’énergie emmagasinée pour produire la Poussée, ces systèmes extraire élan et l’énergie de l’air. L’axe de rotation du moulin à vent peut piloter un procédé mécanique ou bien être reliée à un générateur pour produire de l’électricité.
Vous avez juste regardé introduction de Jove à propulsion et la Poussée. Vous devez maintenant comprendre les principes de base de générer la Poussée avec un système de propulsion liquide de fonctionnement ouvert. Vous avez également appris comment effectuer des essais de poussée statique à petite échelle et de déterminer l’efficacité de la Poussée. Merci de regarder.
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Results
Fig. 3 a, la Poussée vs courbes de puissance sont présentées pour les trois dispositifs de propulsion évalués dans cette expérience. Le ventilateur permet d’obtenir la Poussée plus forte, atteignant 0,68 ± 0,02 N à 11,83 ± 0,08 W de puissance d’entrée. La plus petite hélice produit un peu plus poussée par la puissance d’entrée que l’hélice plus grande, mais atteint son maximum de tension de fonctionnement à 2,66 ± 0,04 W. Fig. 3 b présente l’efficacité de Poussée pour les trois dispositifs. La petite hélice et du ventilateur, le rendement diminue généralement avec l’augmentation de puissance d’entrée. Le rendement de l’hélice plus grande est relativement constant à η ~ 0,03 W N-1.
Poussée théorique valeurs basées sur les vitesses de sortie mesurée sont comparées avec les valeurs de la Poussée mesurée directement dans le tableau 1. Dans ces cas, les vitesses mesurées varient sur les zones du visage hélice/ventilateur, donc on rapporte vitesse et gammes de Poussée prévue, plutôt que des valeurs uniques. En général, un accord raisonnable se trouve entre les valeurs prédites et mesurées, qui fournit une confirmation pour la théorie décrite dans la section principes. Cependant, les gammes de vitesse mesurée étaient assez larges dans certains cas, afin que cette analyse devrait être soit seulement qualitative.
Figure 3: (a) Poussée et butée (b) des courbes d’efficacité pour les trois dispositifs de propulsion étudiée.
| Dispositif de propulsion (Aout) | Puissance absorbée (W) | Gamme de vitesse de sortie (m s-1) | Gamme de Poussée prévue (N) | Poussée mesurée (N) |
| Petite hélice (0,0016 m2) |
0,49 ± 0,02 | 3.0 – 5.0 | 0,017 – 0,048 | 0,034 ± 0,005 |
| 1,56 ± 0,03 | 4.0 – 6.2 | 0,030 – 0,073 | 0,068 ± 0.005 | |
| Grande hélice (0,0042 m2) |
0,73 ± 0,03 | 2.0 – 3.0 | 0,020 – 0,045 | 0,020 ± 0,004 |
| 2,39 ± 0,05 | 4.0 – 5.0 | 0,080 – 0,125 | 0.066 ± 0,004 | |
| Ventilateur de refroidissement PC (0,0077 m2) |
2.16 ± 0,03 | 4.0 – 5.5 | 0,145 – 0,275 | 0,180 ± 0.007 |
| 9.98 ± 0,07 | 8.0 – 8,4 | 0.581 – 0,641 | 0.593 ± 0,014 |
Tableau 1 - Comparaison des axes prévus basé sur les plages de vitesse de sortie mesurée avec poussées mesurées directement.
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Applications and Summary
Cette expérience a présenté les principes fondamentaux de fonctionnement des dispositifs de propulsion liquide trouvés dans les aéronefs et les embarcations. Une plateforme d’essai de poussée statique a été construite pour mesurer la capacité de propulsion des hélices d’avion modèle et un pc ventilateur de refroidissement. La résultante des poussées et l’efficacité de propulsion (Poussée par la puissance d’entrée) ont été mesurées et comparées. Valeurs d’orientation théorique s’élevaient également basé sur les vitesses de jet en aval. Mesure et évaluation des performances de système de propulsion, comme démontré ici à petite échelle, est une étape-clé dans le développement de systèmes de propulsion liquide et est essentielles pour assurer des niveaux de Poussée moteurs livrer requis.
Systèmes de propulsion liquide travaillent dans presque tous les aéronefs et les embarcations. Dans la configuration considérée ici, fluide ambiant en amont est accéléré d’un jet en aval de haute vélocité, également à la pression ambiante. Dans des dispositifs tels que CVC générateurs, compresseurs d’air ou vapeur centrale électrique pompes à liquide, une partie importante du travail d’entrée est fournie pour mettre sous pression le liquide plutôt que juste pour augmenter la vitesse d’écoulement. Toutefois, les mêmes principes généraux de l’analyse peuvent être appliquées, contrôle volume masse et quantité de mouvement débit Mentrée. Périphériques tels que les éoliennes et turbines à vapeur fonctionnent selon des principes similaires, mais extrait fluide pour produire de l’énergie mécanique et électrique, impulsion et énergie.
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