Overview
资料来源: 里卡多梅希亚-阿尔瓦雷斯和 Hussam Hikmat, 密歇根州立大学机械工程系, 东兰辛, MI
本实验的目的是通过将动压转化为静压来证明流体流动对结构的作用力。为此, 我们将使一个平面射流撞击平板, 并将测量由此产生的压力分布沿板块。由此产生的力将通过在压力分布和适当定义的板块表面的面积差之间进行积分来估计。这一实验将重复的两个角度的板块倾斜的方向的喷气和两个流速。每个配置都产生不同的压力分布沿板块, 这是不同水平的结果, 动态压力转换为静态压力在板的表面。
对于这个实验, 压力将测量与一个膜片压力传感器连接到一个扫描阀。该板本身有一个小穿孔称为压力水龙头, 通过软管连接到扫描阀。扫描阀将压力从这些水龙头传送到压力传感器一次。压力感应器转换成电压, 在膜片上产生机械偏转。这个电压与隔膜两侧的压差成正比。
Principles
在可忽略不计的引力势变化的稳态不可压缩流动中, 伯努利方程可以解释为两种能量形式的加法: 动能和压力势能。在一个无粘的过程中, 这些形式的能量可以自由地相互转换, 同时保持初始总能量恒定。这个能量总和叫做伯努利常数。为了方便起见, 伯努利方程可以用尺寸均匀性原理来表示压力维数 [3]。在这个维度变换下, 与动能相关的术语被称为 "动态压力", 与压力势能相关的术语叫做 "静压力", 而伯努利常数则称为 "停滞压力"。后者可以被解释为最大的压力, 流量将达到如果停止通过把所有的动态压力转化为静态压力。这些原理可以用伯努利方程的以下形式更好地描述:
(1)
其中是静态压力, 是动态压力, 是停滞压力. 
图 1 (a) 显示了当前实验的示意图。如图所示, 一架喷气机通过宽度为W的狭缝从更高压力的容器中退出, 并将L跨越到一个被称为接收器的较低压力的封闭空间。接收器是一个小房间, 用作实验的测试部分。它安置数据采集设备和实验。在流了一段距离后, 射流撞击到接收器内的一个平板, 使其与射流轴线夹角。图 1 (A) 中的 jet 由三流线来概括。中间流线把喷气机分成两个区域, 一个被偏转向上, 一个被向下偏转。由于分流流线不会偏转, 它就会停在墙上, 也就是所谓的停滞点。在这一点上, 所有的动态压力转换成静态压力和压力达到其最大水平,. 压力水平从停滞点减少, 因为动态压力逐渐减少变成静态压力。
根据撞击角度 (图1中的), 停滞流线遵循不同的路径.
当时, jet 的中心线也是停滞流线. 
随着的减少, 停滞流线将从射流的中心线移开, 向着靠近射流外缘的轨迹移动. 由于 90o也是最大速度的轨迹, 因此最大动态压力, 其产生的停滞点将达到与其他轨道相比在较小的值的最大压力值. 总之, 撞击角对压力剖面的影响是降低其最大值, 并将其峰值移向靠近射流出口的板块区域。
图 1 (A) 中的虚线表示沿暴露于射流的板表面的净压力分布。从图 1 (B) 中注意到, 板上的总压力, 即, 是增加周围的压力,, 加上撞击压力或超压,. 
由于周围的压力是均匀分布的, 它抵消和板上的负荷是严格的结果, 超压。这种压力分布将通过实验确定, 并用于根据以下积分估计板上的净负荷:
(2)
由于实验数据是离散的, 这个积分可以估计使用梯形规则或辛普森的规则 [4]。
此外, 当流体通过孔或狭缝从高压区排出到较低压力区时, 发出的射流趋向于最初会聚到称为腔 contracta的区域 (参见图1以供参考), 然后发散尔后, 当它从放电口岸流动 [5]。实际上,腔 contracta是在 jet 离开其放电端口后的第一个位置, 其中的流线变为并行。因此, 这是沿射流的第一个地方, 静态压力等于周围环境的压力 [5]。在本实验中, 压腔是高压区, 接收器为低压区。此外, 内部的速度是微不足道的, 它可以被认为是停滞与非常好的逼近。因此, 方程 (1) 可用于确定腔收缩a 的速度, 如下所示:
(3)
这里, 是压舱和接收器之间的压力差. 
通常, 狭缝宽度和腔 contracta的收缩率非常接近 [5、6、7]:
(4)
因此, 质量流量可以从 (3) 和 (4) 估计如下:
(5)
这里, 是
腔 contracta的区域。
图1.基本配置示意图。一架喷气机通过宽度 W 的狭缝向接收器出口 。射流撞击倾斜的板块, 在表面施加压力载荷时会产生偏转 (虚线).请单击此处查看此图的较大版本.
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Procedure
1. 设置设施
- 确保设施中没有流动。
- 根据图2中的示意图设置仪器。
- 将板调整为所需角度.
在表1中记录此值。 - 测量喷嘴宽度W.在表1中记录此值。
- 测量板跨度L.在表1中记录此值。
- 零压力传感器。
- 注意压力传感器的校准常数, mp (Pa/V)。在表1中记录此值。
- 将传感器的高压端口 (标记为 +) 连接到压舱的压力分路器 (标记为).
- 由于所有的操作都发生在接收器内, 所以将传感器的低压端口 (标记为-) 打开, 以感知接收器中的压力 ().
- 启动流量设备 (fll-)。
- 使用数字多米记录电压 (V) 与压力传感器所感测的接收器和接收机之间的压力差相关.
在表2中记录此值。 - 使用校准常量 mp从1.7 确定压舱和接收器 () 之间的压力差.
在表2中记录此值。
在表2中记录此值。
在表2中记录此值。
图2。数据采集系统的详细信息。设备连接示意图.请单击此处查看此图的较大版本.
表1。实验研究的基本参数。
| 参数 | 值 |
| 喷嘴宽度 (Wn) | 41.3 毫米 |
| 板跨度 (L) | 81.3 厘米 |
| 板高 (H) | 61cm |
| 传感器校准常数 (m_p) | 137.6832 Pa/五 |
2. 运行实验
- 将传感器 (标记为 +) 的高压端口连接到扫描阀的公共端口。将传感器的低压端口 (标记为-) 打开, 以感知接收器中的压力 ().
- 首页的扫描阀, 开始您的测量从第一个压力抽头位置。
- 运行遍历VI (LabView 虚拟仪器)。
- 在 VI. 中输入校准常量 mp
- 将采样率设置为 100 Hz, 并将样本总数设为 500 (即5秒的数据)。
- 在 VI 中输入压力水龙头的位置 (), 从中可以获取板压数据.
考虑到压力水龙头的间距是25.4mm。因此, 该位置将为 mm, 其中是从0开始的分路器的索引. 
- 记录数据。VI 将读取压力抽头和接收器之间的压力差 (.
- 将扫描阀步到下一个分路位置。
- 重复步骤2.6 到 2.8, 直到所有的压力水龙头都被遍历。
- 最后, VI 提供了一个表和一个抽头位置与压力的图形。
- 停止 VI。
- 更改流控制板的位置, 以便将流区域大致关闭一半 (请参阅图 3以供参考)。这将修改流率。使用公式 (5) 来确定此流量的值。
- 对流量控制板的新位置重复步骤2.3 到2.11。
- 修改撞击板的角度, 并设置流量控制板的初始位置。
- 重复步骤2.3 至 2.14, 80o、70o、60o、50o和 45o。
考虑到压力水龙头的间距是25.4mm。因此, 该位置将为 mm, 其中是从0开始的分路器的索引. 
图3。实验设置。测试部分。左: 在狭缝前面的撞击板。高压空气通过这个狭缝从压舱排出到接收器中。中间: 连接到撞击板的压力水龙头被分配到扫描阀中一次取样。右: 在接收器放电前的撞击板。放电有一个穿孔板来调节流速.请单击此处查看此图的较大版本.
3. 分析
- 对于每个倾角, 绘制两个流速的压力数据。
- 利用实验数据, 根据方程 (2) 对板上的力进行估计。
- 使用等式 (3) 确定腔 contracta的射流速度。
- 使用方程 (5) 估计质量流量。
射流撞击固体结构是一个广泛应用的工艺应用, 如在制造工业的材料切割和能源产生从液压源。射流撞击包括将流体通过喷嘴从高压区域释放到低压区域, 并撞击或冲击结构上的射流。在撞击过程中, 在物体表面施加压力和流速之间相互作用产生的作用力。例如, 在垂直起飞和着陆或起降飞机的情况下, 两架喷气机联合产生足够的升力, 帮助飞机垂直起飞而不使用跑道。在飞机两侧发出的两架小型喷气机提供稳定。撞击的影响取决于射流的尺寸和速度、撞击面的特性以及喷嘴与表面之间的距离。当表面和射流的温度明显不同时, 射流撞击会产生很高的传热水平。该视频将说明如何确定在一个物体上的射流所施加的载荷, 以及如何计算流诊断的其他感兴趣的参数, 如射流速度和质量流率。
在钻研实验协议之前, 让我们研究一下射流撞击背后的原理。对于具有零粘度的流体的稳定不可压缩流动, 动能和压力势能可以自由地沿流线相互转换。这两种能量的总和总是不变的, 这是伯努利原理的能量守恒原理。根据这一原则, 速度的增加和结果在流体的动能发生同时, 它的压力和势能的减少。他们的总和总是不变的。这是伯努利方程。以压力的维数表示, 与动能相关的术语称为动态压力。而与压力势能有关的术语称为静压。这两个词的加法给伯努利的常数, 也称为停滞压力。停滞压力被定义为通过将其所有动态压力转换为静压力而使其停止流动所达到的最大压力。现在让我们来谈谈实验性的设置。喷气机通过宽 W 的狭缝从高压容器出口到一个低压接收器, 射流撞击角θ的倾斜板。中间流线将射流分为两个区域。一个偏转向上和另一向下。在动压完全转换为静压的停滞点处, 分流流线停止在墙上。在停滞点, 射流施加在板上的压力的剖面具有最大值 p0。当远离这一点, 压力剖面稳步下降, 因为逐步减少动态压力得到转换为静态压力。压力剖面取决于撞击角θ。当θ为90度时, 中线也是停滞线。通过减小撞击角, 停滞流线将远离射流的中心线, 结果, 压力剖面的峰值变小, 向靠近射流出口的板块区域转移。暴露在射流中的板表面的总压强是受撞击压力和接收器内的静压之间的增加的结果。由于接收器内的压力是均匀分布的, 在板的两侧施加的周围压力抵消。因此, 板上的净荷载是由于超压而产生的, 它是通过对板块区域的撞击压力分布进行积分计算的。当流体通过从高压区到低压区的狭缝排出时, 射流趋于会聚到一个称为腔 contracta 的区域。这是在喷气机离开其放电端口后的第一个位置, 其中流线变得平行, 因此静态压力等于周围环境的压力。让我们应用伯努利方程之间的位置, 喷气机退出从充满和位置在腔 contracta。考虑到腔内的速度可以忽略不计, contracta 的速度可以用压差和接收器之间的压力差异来计算。最后, 了解狭缝宽度和腔 contracta 的收缩率, 利用射流速度和腔 contracta 的面积来估计质量流速。在下面的部分中, 我们将测量所产生的压力分布在板上, 然后计算总力通过积分的压力场在板块的面积。
在开始试验之前, 由于在操作中打开接收器的门可能会对设备造成潜在的危险和损坏, 请确保该设施不被使用。如果接收器的门是开着的, 设施没有被使用。如果接收器的门是闭合的, 从窗口看。如果里面没有人员, 门是安全的打开, 因为设施只能从里面开始, 而门是关闭。首先, 根据示意图设置仪器。将压力传感器的正端口连接到扫描阀的输出。确保扫描阀位于主位置。将板上的测压管软管连接到扫描阀, 然后再按顺序。请记住在扫描阀输出旁边的进气口开始测量。首先, 将板调整到所需的角度θ。第二, 测量喷嘴宽度。第三, 测量板的跨度和高度。零压力传感器, 并记录校准常数的值。在参考表中记录实验的所有基本参数。首先, 打开低压口, 感受接收器的压力。然后连接被标记为正面的传感器的高压点对充满的压力轻拍。接下来, 启动流程设备。用数字万用表测量压力传感器与接收器之间的压力差的电压。使用校准常量计算此数量。
一旦仪器被校准, 基本参数被记录下来, 你就可以开始采集数据了。首先, 将传感器的高压端口连接到扫描阀的公共端口。还磨练了扫描阀开始您的测量从第一个压力抽头位置上的板。在您的计算机上运行遍历六, 将转换因子从伏特输入到压力, 并将采样率设置为100赫兹, 并将样本总数设为 500, 以获得五秒的数据。然后, 在虚拟仪器中输入零点, 用于第一压力抽头的位置, 然后记录数据。屏幕上的值是压力开关和接收器之间的压力差。将扫描阀步到下一个分路位置。在软件中引入新的位置, 知道两个连续抽头之间的距离为25.4 毫米, 并记录了压力差的新值。在实验结束时, 软件会生成一个表和一个抽头位置与压力的图形。通过改变流量控制板的位置来修改流量, 使流场大致接近一半, 并重复压力测量。重复测量不同的流速和倾角, 并记录每次在表中的结果。收集所有数据后, 关闭流设备。
根据实验数据, 可以得到几个感兴趣的参数。看看结果表和每个板的角度和流量, 使用压差和接收器来计算在腔 contracta 的射流速度。从参考表中, 取跨度 L 和狭缝宽度的值, 并利用先前计算的腔 contracta 的速度来估计质量流速。然后看看位置与压力图产生的导线六和读取的峰值压力。在结果表中引入值。这个值是对停滞压力的直接估计。现在, 通过将压力分布与板块面积相结合来计算板上撞击的力。为了做到这一点, 使用压力差与位置图和计算的面积曲线下的梯形规则或辛普森的规则。在结果表中引入值。
开始绘制相同的图四套结果的平面射流撞击在一个板块在两个不同的角度和两个不同的流速。现在, 比较两个不同撞击角度和相同流速的压力剖面。90度的压力剖面高于70度。当90度撞击的峰值为中心时, 70 度的峰值向较低的 x 值转移。这些结果告诉你, 对于一个90度的撞击角, 停滞流线对应于流中心线。中心线的特点是峰值速度, 从而, 由最大的动态压力。当撞击角减小时, 停滞流线会从峰值速度线移开, 并从原来的路径弯曲。然后, 比较两种不同流速和相同撞击角的压力剖面。最大压力随流速的降低而减小, 因为随着流速的降低, 动能会随之减少。查看结果表, 并比较为板上的负载计算的值。撞击角具有减小总荷载的作用, 因为它将停滞压力从与中心线速度一致的一个方向转移到具有较低动压水平的流线上。
撞击射流广泛应用于许多工业和工程领域, 从液压和航空到电子学。压力和速度的相互作用可用于流量诊断。普朗特或皮托管探头由两个同心管组成。内部管面的流动, 以检测停滞压力。而外管有一组侧口, 感应静压。用集成传感器检测压力差, 并用该值估计速度。该装置广泛应用于流体工程中。以确定例如, 风速相对于飞机。软材料, 如塑料和木材, 可以削减与薄水射流在高速。而金属可以被水切割后加入磨料颗粒流。为了制造高速射流用于切削, 必须在气流中施加高压, 以便通过汇聚喷嘴加速。然后将射流所携带的高动能转化为被切割物体表面的动态压力, 施加强大到足以在撞击表面去除材料的力。
你刚刚看了朱庇特的介绍喷气撞击的倾斜板。你现在应该了解压力和速度之间的相互作用是如何在结构上产生作用力, 并能够计算撞击力、流速和质量流速。谢谢收看
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Results
图 4显示了在两个不同角度和两个不同的流速下, 平面射流撞击平板所获得的四套结果。事实上, 由于传感器的低压侧向接收器打开, 所以它的读数只对应于超压, 这实际上是 图 4中所示的点。
图4.代表性的结果。沿板的压力分布为两个角和两个流速。符号表示: 
: , m/s; 
: , 
m/s;
: , m/s;: 
, m/s
根据图 4, 90o撞击的配置文件高于 70o撞击的轮廓。这种行为的原因是, 前一种情况下的停滞流线对应于流中心线, 即峰值速度和最大动态压力的流线。当冲击角减小时, 停滞流线从峰值速度线移开, 并从原来的路径弯曲。此效果在图 1(A) 中进行了草绘, 这也是压力剖面中的峰值压力从盘中心移开的原因。
正如预期的那样, 最大压力随流速 (图4中的闭合符号) 而减小, 因为在流动速率下降时, 动能普遍降低, 因此在动压下。这个最大压力实际上是停滞压力的措施,, 以前解释. 对于在 90o上撞击板的射流的情况, 这是对的精确测量, 因为压力抽头与中心线一致, 因此是射流的停滞流线. 但是, 如图1a 所示, 当撞击角减小时, 停滞流线会偏离原来的路径。在这种新的条件下, 没有保证这种流线将与压力水龙头在其撞击位置完全重合。因此, 在不同于 90o的撞击角上观测到的峰值压力只是对的近似值.
表2显示了两个不同撞击角和流速的实验测量结果。
Table2.代表结果.
| 参数 | 运行1 | 运行2 | 运行3 | 运行4 |
| 板角 (θ) | 90o | 90o | 70o | 70o |
| 数字多表读数 (E) | 2.44 V | 2.33 V | 2.44 V | 2.28 V |
| 压力差 (P_pl-P_rec) | 335.95 Pa | 320.80 Pa | 335.95 Pa | 313.92 Pa |
| 腔 contracta 速度 (V_VC) | 10.14 米/秒 | 9.91 米/秒 | 10.14 米/秒 | 9.81 米/秒 |
| 质量流量 (m))#̇ | 0.254 公斤/秒 | 0.249 公斤/秒 | 0.254 公斤/秒 | 0.246 公斤/秒 |
| 停滞压力 (P_o) | 127.16 Pa | 121.19 Pa | 101.78 Pa | 94.31 Pa |
| 在板上加载 (F) | 16.84 N | 16.24 N | 14.11 N | 12.32 N |
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Applications and Summary
本文的实验证明了压力和速度的相互作用, 通过将动压转化为静压来产生物体的载荷。这些概念是用平面射流撞击平板的两个不同角度和两个不同的流速来证明的。实验清楚地表明, 在停滞点的负载是最高的, 在那里所有的动态压力转换成静态压力, 其幅度随着从动态到静态的转换水平下降的位置远离停滞点。入射角的影响, 减少总负荷, 因为它转移的停滞压力, 从一个与中心线 (最大) 速度与流线承载较低的动态压力。
这些实验的目的还在于演示如何通过数值积分从压力水龙头获得的数据来确定接触到的物体的总载荷。此外, 还利用静压反向转化为动态压力, 对射流的速度和质量流量进行了估算。因此, 压力和速度的相互作用可以用于流量诊断。
在本实验中没有探讨的一个概念是用静力探针测速。这些探针直接测量了停滞和静压之间的差异, 这正是在方程式 (3) 中用来确定腔 contracta的速度的。注意, 至少在 90o角板中, 中央压力分路器直接暴露在停滞点, 使其成为一个皮托管探头。由于压力传感器比较每个压力抽头对接收器压力的压力, 因此结果是对的直接测量. 
当这个测量在等式 (3) 的替换时, 结果是速度在停滞流线上的点在接近停滞点, 但仍然在它的影响半径之外。这种测量在这个实验中是有限的, 因为在停滞流线上的那个点的确切位置是未知的。
如前所述, 压力测量可用于确定流速。在本文所描述的应用中, 在压力和接收器之间的变化足以估计在腔 contracta的平均速度。还有人提到, 顺便提一下, 与停滞点重合的压力抽头是一个皮托管, 它可以与探针感应静态压力来确定流速的公式 (3) (替代
使用和与). 
事实上, 一个单一的设备组合的皮托管探针和静态探头, 称为普朗特管, 可能是最广泛的诊断设备的流体工程测量速度。如图5所示, 该探头由两个同心管组成。内部管面的流量, 以检测停滞压力, 外管有一组侧面端口, 感觉到静态压力。传感器, 如压力传感器或液体柱压表, 用来确定这两个压力之间的差异, 以估计的速度从方程 (3) (再次, 以与和与). 像这样的探针, 或者是一个皮托管和一个独立的静态探头的组合, 实际上是用在飞机上, 来确定相对于飞机的风速。
图5.流动测速仪用静力 (或普朗特) 探针确定基于动压的速度分布。这个探针横跨流场被遍历, 以确定不同位置的速度。请单击此处查看此图的较大版本.
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References
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