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推进力和推力

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流体推进系统在机械设计中无处不在, 在机械系统和流体之间需要使用相对力时, 它就会被利用。所有的空气和水工艺采用流体推进系统, 提供推进力或推力需要加速和转向通过周围的流体。不过, 他们的使用并不限于车辆。固定系统, 如 HVAC 设备也使用推进系统。但在这些情况下, 他们驱动流体本身的循环。这个视频将说明如何推力是由开放的操作流体推进系统, 包括螺旋桨和风扇类别。并演示了在实验室中如何估计和测量推力和推力效率。

从开放式操作流体推进系统的推力, 如飞机螺旋桨或小船支柱, 是通过加速环境流体的高速化而产生的。这些系统从一个很大的上游区域吸取流体, 并在狭窄的射流中将其排出下游。与一个流出面积近似地相同作为推进器面孔的区域。让我们看看如何通过采取控制卷方法产生推力。首先沿着螺旋桨周围的水流线构造一个控制容积, 从进气区延伸到流出区。进入控制容积的质量流速是上游流体密度、进气面积和上游流体流速的乘积。同样, 排气管容积的质量流量是下游流体密度、流出面积和下游流体流速的乘积。通过定义, 不会在流线边界上产生质量流。在稳定运行过程中, 控制容积内的质量必须保持恒定。然后, 通过质量守恒, 通过流出区的质量, 必须等于进入进气区的质量的速率。由于进水量和流出密度大致相等, 流出速度将等于摄入量与流出面积的比值。由于进气区比流出区大得多, 流出速度要比进水速度高得多。以类似的方式, 动量守恒要求在动量流率上的任何不同和进入控制容积的任何区别都体现为螺旋桨的力, 推力。由于质量流速的进出是平衡的, 流出速度比进气速度高得多, 从吸入速度项的贡献是微不足道的。在这一结果中, 扩大了质量流率项, 表明该推力与流出面积和流速接近。在任何推进系统中, 电源由外部源提供, 以产生推力。系统的推力效率, 在希腊字母 eta 这里被表示, 被定义作为推力的比率产生到输入力量。例如, 模型飞机螺旋桨和 PC 风扇是由一个电动马达驱动的。如果推力是已知的, 除以电输入功率将产生推力效率。在下面的部分, 我们将测量的推力和推力效率的一些小型推进系统使用静态试验台。然后将实测的推力与流出速度进行比较。

按照课文中的说明组装测试台, 并将其设置在工作台上。该支架有一个刚性的 "L" 部分支持的枢纽在关节。定位在短水平臂末端的精密刻度。力矩从数字秤上的短臂将平衡任何扭矩产生的推力对长臂。长度的差异放大了由天平测量的力, 从而产生更精确的读数。随着试验台的组装, 将最小的螺旋桨安装到长的垂直臂上, 使螺旋桨轴与短臂平行。测量和记录支柱直径和轮毂直径。现在测量和记录两个力矩臂的长度。长臂应从枢轴轴测量到螺旋桨轴。短臂应从枢轴轴测量到刻度上的接触点。将马达连接到可变直流电源, 并将其打开以检查气流的方向, 这应该是指示, 以便在刻度上有向下的力。关闭电源, 如果需要, 通过反转电气连接来纠正气流方向。当马达完全静止时, 秤的重量。打开电源, 并增加电压从零伏特, 在点四伏的增量, 最多, 但不超过电机的最大供电电压。对于每一个步骤的电压等待电机稳定, 然后记录电压, 电流, 平均读数, 和规模范围。如果有可用的热风速仪, 测量低输入电压和高输入电压的流出风速。请注意, 流出速度会随着位置的不同而变化, 所以这只是一个量级测量。对较大的马达和 PC 风扇重复此过程。测量完成后, 您就可以对数据进行分析了。

看看为小螺旋桨收集的数据。为每个供应电压也有供应电流和刻度读数。你也应该对流出的空气速度做一些测量。对每个电源电压值执行以下计算。从刻度读数中计算推力。刻度上的力是由于重力的读数乘以加速度。而推力是这一力量放大的时间比的力矩武器的早期测量。现在计算的输入功率的电机, 这是简单的产品的电压和电流。其次, 利用推力和输入功率的比值计算推力效率。如果测量流出速度, 你可以用它来预测推力。首先计算出的近似流出面积, 采取的区别, 支柱和枢纽区。然后将此结果与实测速度相结合, 从前向推力方程出发估计推力。传播您的测量不确定性, 如文本所示, 以确定您的最终结果的不确定性。重复这些计算的大型螺旋桨和风扇。

首先, 将推力图作为所有三设备的输入功率的函数进行绘制。PC 风扇产生的最高推力为三, 并具有更高的最大输入功率。在任何给定的输入功率下, 小螺旋桨比大推进器产生的推力略多, 但大风扇能够在更高的能量下运行。现在将推力效率比作输入功率的函数。大型螺旋桨的推力效率保持不变, 但在其他两种装置中, 效率下降, 功率增大。如果你采取任何测量的流出气流速度比较的估计范围的推力基础上, 从测试台测量。你应该在预测和测量之间找到良好的协议。但由于对流出速度的近似测量, 这种分析只能解释为定性。

流体推进系统在各种机械和自然发生系统中无处不在。移动性是许多水下生物赖以生存的关键, 而大量的自然推进系统也因此而进化。喷气推进从头, 鱼鳍, 和鞭毛在阿米巴虫只是几个例子。了解这些系统的工作方式对于理解这些动物如何生活和与环境相互作用很重要。风车和涡轮机的工作原理与本视频中所述相同, 但适用于反向。这些系统不使用储存的能量来产生推力, 而是从空气中提取动量和能量。风车的转轴可以驱动机械过程, 或者与发电机连接以产生电能。

你刚刚看了朱庇特的推进和推力介绍。现在, 您应该了解使用开放式操作流体推进系统产生推力的基本原理。您还学习了如何执行小规模的静态推力测试和确定推力效率。谢谢收看

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