Eğimli bir plakaya çarpan jet

Katı yapılar üzerine jet çarpması, imalat endüstrisinde malzeme kesme ve hidrolik kaynaklardan enerji üretimi gibi teknolojik uygulamalarda yaygın olarak kullanılan bir işlemdir. Jet çarpması, bir sıvının bir nozuldan yüksek basınçlı bir bölgeden düşük basınçlı bir bölgeye salınmasından ve jetin bir yapıya çarpması veya çarpmasından oluşur. Çarpma işlemi sırasında, akış alanının basıncı ve hızı arasındaki etkileşim tarafından üretilen kuvvetler nesnenin yüzeyine uygulanır. Örneğin, dikey kalkış ve iniş veya VTOL uçağı söz konusu olduğunda, iki jet bir araya getirildiğinde, uçağın pisti kullanmadan dikey olarak kalkışına yardımcı olmak için yeterli kaldırma kuvveti üretir. Uçağın her iki tarafında verilen iki ek küçük jet stabilite sağlar. Çarpmanın etkileri, jetin boyutlarına ve hızına, çarpma yüzeyinin özelliklerine ve nozul ile yüzey arasındaki mesafeye bağlıdır. Yüzeyin ve jetin sıcaklıkları önemli ölçüde farklı olduğunda, jet çarpması yüksek seviyelerde ısı transferi üretecektir. Bu video, bir jet tarafından bir nesneye uygulanan yükün nasıl belirleneceğini ve ayrıca jet hızı ve kütle akış hızı gibi akış teşhisi için ilgili diğer parametrelerin nasıl hesaplanacağını gösterecektir.

Deneysel protokolü incelemeden önce, jet çarpmasının arkasındaki ilkeleri inceleyelim. Sıfır viskoziteye sahip bir sıvının sabit sıkıştırılamaz bir akışı için, kinetik enerji ve basınç potansiyel enerjisi, akış çizgileri boyunca birbirine dönüşmekte serbesttir. İki enerji formunun toplamı her zaman sabit olsa da, bu, Enerji Korunumu İlkesinden türetilen Bernoulli İlkesidir. Bu prensibe göre, bir sıvının hızındaki ve buna bağlı olarak kinetik enerjisindeki bir artış, basıncındaki ve potansiyel enerjisindeki bir azalma ile aynı anda meydana gelir. Toplamları gibi her zaman sabittir. Bu Bernoulli Denklemi. Basınç boyutlarıyla ifade edilen kinetik enerji ile ilişkili terime dinamik basınç denir. Basınç ile ilişkili terim potansiyel enerji iken, statik basınç olarak adlandırılır. Bu iki terimin eklenmesi, durgunluk basıncı olarak da bilinen Bernoulli sabitini verir. Durgunluk basıncı, akışın tüm dinamik basıncını statik basınca dönüştürerek durma noktasına gelmesi durumunda ulaşacağı maksimum basınç olarak tanımlanır. Şimdi deney düzeneği hakkında konuşalım. Bir hava jeti, yüksek basınçlı bir plenumdan W genişliğinde bir yarıktan çıkar ve L açıklığından daha düşük basınçlı bir alıcıya çıkar ve burada jetin eğimli bir teta açısı plakasına çarptığı daha düşük basınçlı bir alıcıya gider. Ara düzenek, jeti iki bölgeye ayırır. Biri yukarı, diğeri aşağı doğru saptı. Bölme düzeneği, dinamik basıncın tamamen statik basınca dönüştürüldüğü durgunluk noktasında duvarda durur. Durgunluk noktasında, jet tarafından plaka üzerine uygulanan basıncın profili maksimum p0 değerine sahiptir. Bu noktadan uzaktayken, giderek daha az dinamik basınç statik basınca dönüştürüldüğü için basınç profili sürekli olarak azalır. Basınç profili, teta çarpma açısına bağlıdır. Teta 90 derece olduğunda, merkez çizgisi aynı zamanda durgunluk çizgisidir. Çarpma açısını azaltarak, durgunluk akımı jetin merkez hattından uzaklaşır ve sonuç olarak, basınç profilinin tepe noktası küçülür ve plakanın jet çıkışına daha yakın bölgelerine doğru kayar. Jete maruz kalan plakanın yüzeyindeki toplam basınç, çarpma basıncı ile alıcı içindeki statik basınç arasındaki eklemenin sonucudur. Alıcı içindeki basınç homojen bir şekilde dağıldığından, plakanın her iki tarafına uygulanan çevre basıncı iptal edilir. Sonuç olarak, plaka üzerindeki net yük aşırı basınçtan kaynaklanır ve plakanın alanı boyunca çarpma basıncı dağılımı üzerinden entegre edilerek hesaplanır. Bir sıvı, yüksek basınçlı bir bölgeden düşük basınçlı bir bölgeye bir yarıktan boşaltıldığında, jet vena kontrakta adı verilen bir alana yakınsama eğilimindedir. Bu, jetin boşaltma portundan ayrıldıktan sonra, akış hatlarının paralel hale geldiği ve sonuç olarak statik basıncın çevrenin basıncına eşit olduğu ilk konumdur. Bernoulli denklemini, jetin plenumdan çıktığı konum ile vena kontraktasındaki konum arasına uygulayalım. Plenum içindeki hızın ihmal edilebilir olduğu düşünülürse, vena kontraktadaki hız, plenum ile alıcı arasındaki basınç farkı kullanılarak hesaplanabilir. Son olarak, yarık genişliği ile vena kontrakta arasındaki büzülme oranı bilinerek, vena kontraktasının jet hızı ve alanı kullanılarak kütle akış hızı tahmin edilebilir. Aşağıdaki bölümlerde, plaka üzerinde ortaya çıkan basınç dağılımını ölçeceğiz ve ardından basınç alanını plakanın alanı üzerine entegre ederek toplam kuvveti hesaplayacağız.

Deneye başlamadan önce, çalışırken alıcıya kapının açılması potansiyel olarak tehlikeli olduğundan ve tesise zarar vereceğinden, tesisin kullanımda olmadığından emin olun. Alıcının kapısı açıksa, tesis kullanımda değildir. Alıcının kapısı kapalıysa, pencereden bakın. İçeride personel yoksa, kapının açılması güvenlidir çünkü tesis sadece kapı kapalıyken içeriden başlatılabilir. Başlamak için aletleri şemaya göre ayarlayın. Basınç dönüştürücüsünün pozitif portunu tarama valfinin çıkışına bağlayın. Tarama valfinin başlangıç konumunda olduğundan emin olun. Plakanın piezometrik hortumlarını sonraki sırayla tarama valfine bağlayın. Ölçümleri, tarama valfinin çıkışının yanındaki girişte başlatmayı unutmayın. İlk olarak, plakayı istenen teta açısına ayarlayın. İkinci olarak, jet nozulu genişliğini ölçün. Üçüncüsü, plakanın açıklığını ve yüksekliğini ölçün. Basınç dönüştürücüsünü sıfırlayın ve kalibrasyon sabiti değerini kaydedin. Deneyin tüm temel parametrelerini bir referans tablosuna kaydedin. İlk olarak, alıcıdaki basıncı algılamak için düşük basınç portunu açın. Ardından, dönüştürücünün pozitif olarak işaretlenmiş yüksek basınç noktasını plenumun basınç musluğuna bağlayın. Ardından, akış tesisini başlatın. Dijital multimetreyi kullanarak plenum ve alıcı arasındaki basınç dönüştürücü tarafından algılanan basınç farkıyla ilişkili voltajı ölçün. Kalibrasyon sabitini kullanarak bu miktarı hesaplayın.

Cihaz kalibre edildikten ve temel parametreler kaydedildikten sonra, veri toplamaya başlamaya hazırsınız demektir. İlk olarak, dönüştürücünün yüksek basınç portunu tarama valfinin ortak portuna bağlayın. Ayrıca, ölçümünüzü plaka üzerindeki ilk basınç musluğu konumundan başlatmak için tarama valfini bileyin. Bilgisayarınızda Traverse six'i çalıştırın, volttan basınca dönüştürme faktörünü girin ve beş saniyelik veri elde etmek için örnekleme hızını 100 hertz'e ve örneklerin toplamını 500'e ayarlayın. Ardından, ilk basınç musluğunun konumu için sanal cihaza sıfır girin ve ardından verileri kaydedin. Ekrandaki değer, basınç musluğu ile alıcı arasındaki basınç farkıdır. Tarama valfini bir sonraki musluk konumuna getirin. Ardışık iki musluk arasındaki mesafenin 25,4 milimetre olduğunu bilerek yazılıma yeni konumu tanıtın ve basınç farkının yeni değerini kaydedin. Deneyin sonunda, yazılım bir tablo ve basınca karşı kademe konumunun bir grafiğini oluşturur. Akış alanını kabaca yarı yarıya kapatmak için akış kontrol plakasının konumunu değiştirerek akış hızını değiştirin ve basınç ölçümlerini tekrarlayın. Farklı akış hızları ve eğim açıları için ölçümleri tekrarlayın ve sonuçlarınızı her seferinde bir tabloya kaydedin. Tüm veriler toplandıktan sonra akış tesisini kapatın.

Deneysel verilere dayanarak, ilgilenilen birkaç parametre elde edilebilir. Sonuç tablosuna bakın ve her plaka açısı ve akış hızı için, vena kontraktasındaki jet hızını hesaplamak için plenum ve alıcı arasındaki basınç farkını kullanın. Referans tablosundan, açıklık L ve yarık genişliği için değerleri alın ve kütle akış hızını tahmin etmek için daha önce hesaplanan vena kaskontundaki hızı kullanın. Ardından, Traverse six tarafından oluşturulan konuma karşı basınç grafiğine bakın ve basıncın tepe değerini okuyun. Sonuçlar tablosuna değeri girin. Bu değer, durgunluk basıncının doğrudan bir tahminidir. Şimdi, plaka alanı üzerindeki basınç dağılımını entegre ederek plakaya çarpan kuvveti hesaplayın. Bunu yapmak için, baskı farkına karşı konum grafiğini kullanın ve eğrinin altındaki alanı Yamuk Kuralı veya Simpson Kuralı ile hesaplayın. Sonuçlar tablosuna değeri girin.

Aynı grafik üzerinde, iki farklı açıda ve iki farklı akış hızında bir plaka üzerinde düzlem jet çarpması için elde edilen dört sonuç setini çizerek başlayın. Şimdi, iki farklı çarpma açısı ve aynı akış hızı için basınç profillerini karşılaştırın. 90 derecedeki basınç profili, 70 derecelik olandan daha yüksektir. 90 derecelik çarpma için tepe noktası ortalanırken, 70 derecelik tepe noktası daha düşük bir x değerine kaydırılır. Bu sonuçlar size 90 derecelik bir çarpma açısı için durgunluk akışının akış merkez hattına karşılık geldiğini söyler. Merkez çizgisi, en yüksek hız ve dolayısıyla maksimum dinamik basınç ile karakterize edilir. Çarpma açısı azaldıkça, durgunluk akışı tepe hız çizgisinden uzaklaşır ve orijinal yolundan uzaklaşır. Ardından, iki farklı akış hızı ve aynı çarpma açısı için basınç profillerini karşılaştırın. Maksimum basınç akış hızı ile azalır çünkü akış hızı azaldıkça kinetik enerjide ve dolayısıyla dinamik enerjide bir azalma olur. Sonuç tablosuna bakın ve plaka üzerindeki yük için hesaplanan değerleri karşılaştırın. Çarpma açısı, toplam yükü azaltma etkisine sahiptir, çünkü durgunluk basıncını merkez hattı hızıyla çakışan basınçtan daha düşük dinamik basınç seviyeleri taşıyan bir akışa kaydırır.

Çarpma jetleri, hidrolik ve havacılıktan elektroniğe kadar birçok endüstriyel ve mühendislik uygulamasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Basınç ve hızın etkileşimi, akış teşhisi için kullanılabilir. Bir Prandtl veya pitot-statik prob, iki eşmerkezli tüpten oluşur. İç boru, durgunluk basıncını tespit etmek için akışa bakar. Dış boru, statik basıncı algılayan bir dizi yan porta sahipken. Basınç farkı entegre bir sensör ile algılanır ve bu değer hızı tahmin etmek için kullanılır. Bu cihaz, akışkan mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, rüzgarın uçağa göre hızını belirlemek için. Plastik ve ahşap gibi yumuşak malzemeler ince bir su jeti ile yüksek hızda kesilebilir. Metaller akışa aşındırıcı parçacıklar eklendikten sonra su ile kesilebilir. Kesme amaçlı yüksek hızlı bir jet oluşturmak için, yakınsak bir nozuldan hızlandırabilmek için akışa yüksek basınç uygulamak gerekir. Jet tarafından taşınan yüksek kinetik enerji daha sonra kesilen nesnenin yüzeyinde dinamik basınca dönüştürülür ve çarpma yüzeyindeki malzemeyi çıkarmak için yeterince güçlü bir kuvvet uygulanır.

Az önce Jove'un Eğimli Bir Plaka Üzerinde Jet Çarpma ile Tanışma filmini izlediniz. Artık basınç ve hız arasındaki etkileşimin yapılar üzerinde nasıl kuvvetler oluşturduğunu anlamalı ve çarpma kuvvetlerini, akış hızlarını ve kütle akış hızlarını hesaplayabilmelisiniz. İzlediğiniz için teşekkürler.