Overview
מקור: ריקרדו מג'יה-אלווארז וחוסאם היקמט ג'באר, המחלקה להנדסת מכונות, אוניברסיטת מדינת מישיגן, מזרח לנסינג, MI
מטרת הניסוי היא להדגים כיצד זרימת נוזל מפעילה כוחות על מבנים על ידי המרה של לחץ דינמי ללחץ סטטי. כדי לכך, נגרום למטוס סילון לפגיעה על צלחת שטוחה ונמדוד את התפלגות הלחץ המתקבלת לאורך הצלחת. הכוח המתקבל יוערך על ידי שילוב המוצר בין התפלגות הלחץ לבין הפרשי שטח מוגדרים כראוי לאורך פני השטח של הלוח. ניסוי זה יחזור על עצמו לשתי זוויות של נטייה של הצלחת ביחס לכיוון הסילון ושני קצבי זרימה. כל תצורה מייצרת התפלגות לחץ שונה לאורך הצלחת, שהיא תוצאה של רמות שונות של המרה של לחץ דינמי ללחץ סטטי על פני השטח של הצלחת.
לניסוי זה, לחץ יימדד עם מתמר לחץ דיאפרגמה המחובר שסתום סריקה. לצלחת עצמה יש ניקובים קטנים הנקראים ברזי לחץ המתחברים לשסתום הסריקה דרך צינורות. שסתום הסריקה שולח את הלחץ מהברזים האלה לתמר הלחץ אחד בכל פעם. הלחץ מעורר הסטה מכנית על הסרעפת כי מתמר הלחץ ממיר למתח. מתח זה פרופורציונלי להבדל הלחץ בין שני הצדדים של הסרעפת.
Principles
בזרימות בלתי ניתנות לריסון יציבות עם שינויים זניחים בפוטנציאל הכבידה, ניתן לפרש את המשוואה של ברנולי כתוספת של שתי צורות אנרגיה: אנרגיה קינטית ואנרגיה פוטנציאלית ללחץ. בתהליך בלתי נראה, צורות אלה של אנרגיה חופשיות להפוך זו לזו לאורך ייעולים תוך שמירה על הכמות הכוללת הראשונית של קבועה. סה"כ האנרגיה הזה נקרא הקבוע של הברנולי. לנוחיותך, משוואת ברנולי יכולה לבוא לידי ביטוי בממדי לחץ תוך שימוש בעיקרון ההומוגניות המימדית [3]. תחת טרנספורמציה ממדית זו, המונח הקשור לאנרגיה קינטית מכונה "לחץ דינמי", המונח הקשור לאנרגיה הפוטנציאלית של הלחץ נקרא "לחץ סטטי", וקבוע הברנולי נקרא "לחץ קיפאון". זה האחרון יכול להתפרש כמו הלחץ המרבי כי הזרימה תגיע אם הביא לעצירה על ידי הפיכת כל הלחץ הדינמי שלה ללחץ סטטי. עקרונות אלה יכולים להיות מתוארים טוב יותר על ידי הצורה הבאה של משוואת ברנולי:
(1)
איפה הלחץ הסטטי, 
הוא הלחץ הדינמי, והוא לחץ 
הקיפאון. איור 1(A) מציג סכמטי של הניסוי הנוכחי. כפי שמוצג, מטוס אוויר יוצא ממליאה בלחץ גבוה יותר דרך חריץ רוחב W ומשתרע על פני L לחלל סגור בלחץ נמוך יותר בשם מקלט. המקלט הוא חדר קטן המשמש כמקטע הבדיקה לניסוי. הוא מאכלס את ציוד רכישת הנתונים ואת הניסויים. לאחר זורם למרחק מסוים, הסילון פוגע על צלחת שטוחה בתוך המקלט שעושה זווית עם ציר הסילון. המטוס באיור 1(A) מתואר על ידי שלושה ייעולים. ייעלות הביניים מחלקת את המטוס בשני אזורים, אחד שמקבל הסטה כלפי מעלה ואחד שמקבל סטה כלפי מטה. מכיוון שהייעול המפריד אינו מוסטה, הוא עוצר ממש ליד הקיר במה שמכונה נקודת הקיפאון. בשלב זה, כל הלחץ הדינמי מומר ללחץ סטטי והלחץ מגיע לרמתו המקסימלית, . רמת הלחץ יורדת הרחק מנקודת הקיפאון מכיוון שלחץ דינמי פחות בהדרגה מומר ללחץ סטטי.
בהתאם לזווית ההפוגה ( 
באיור 1), ייעלות הקיפאון עוקבת אחר נתיב אחר. כאשר 
, קו האמצע של הסילון הוא גם קיפאון ייעול. ככל שיורד, הקיפאון מתרחק מקו האמצע של הסילון, לכיוון מסלולים שמתחילים קרוב יותר לקצה החיצוני של המטוס. מאז 90o הוא גם המסלול של מהירות מקסימלית, ולכן לחץ דינמי מקסימלי, נקודת הקיפאון המתקבלת שלה תגיע לערך המרבי של לחץ בהשוואה למסלולים אחרים בערכים קטנים יותר של . לסיכום, ההשפעה של זווית הפגיעה בפרופיל הלחץ היא להפחית את הערך המקסימלי שלו ולהזיז את שיאו לכיוון אזורים בצלחת קרוב יותר ליציאת הסילון.
הקו המקווקו באיור 1(A) מייצג את התפלגות הלחץ נטו לאורך פני הלוח החשופה למטוס. הערה מאיור 1(B) כי הלחץ הכולל על הצלחת, 
הוא תוספת של הלחץ שמסביב, 
בתוספת לחץ ההכאה או לחץ יתר, 
. מכיוון שהלחץ שמסביב מופץ בצורה הומוגנית, הוא מתבטל והעומס על הצלחת הוא אך ורק תוצאה של לחץ יתר. התפלגות לחץ זו תיקבע באופן ניסיוני ותשמש להערכת העומס נטו על הצלחת בהתאם לאינטגרל הבא:
(2)
מאחר שהנתונים הניסיוניים הם דיסקרטיים, ניתן להעריך אינטגרל זה באמצעות כלל הטרפז או שלטונו של סימפסון [4].
בנוסף, כאשר נוזלים משוחררים מאזור בלחץ גבוה יותר לאזור לחץ נמוך יותר דרך פתחים או חריצים, המטוס המנפיק נוטה להתכנס בתחילה לאזור הנקרא ארסת הנתן (ראה איור 1 לעיון) ולאחר מכן לסטות ממנו כשהוא זורם הרחק מיציאת הפריקה [5]. החוזה של הוומן הוא למעשה המיקום הראשון לאחר שמטוס עוזב את יציאת הפריקה שלו שבה ההתייעלות הופכות מקבילות. כתוצאה מכך, זהו המקום הראשון לאורך הסילון שבו הלחץ הסטטי שווה ללחץ של הסביבה [5]. בניסוי הנוכחי, המליאה היא אזור הלחץ הגבוה יותר והמקלט הוא אזור הלחץ הנמוך יותר. יתר על כן, המהירות בתוך המליאה היא זניחה, וזה יכול להיחשב קיפאון עם קירוב טוב מאוד. לפיכך, ניתן להשתמש במשוואה (1) כדי לקבוע את המהירות בחוזה הוומןa כדלקמן:
(3)
הנה, הוא הבדל הלחץ בין המליאה למקלט. באופן כללי, יחס ההתכווצות בין רוחב החריץ לבין כווץ הוועד הוא בערך [5, 6, 7]:
(4)
לפיכך, ניתן להעריך את קצב זרימת המסה מ- (3) ו- (4) כדלקמן:
(5)
הנה, 
הוא האזור של ארס החוזה.
איור 1. סכמטי של תצורה בסיסית. מטוס סילון יוצא מהמליאה אל המקלט דרך חריץ ברוחב W. הסילון פוגע בלוח נוטה והוא מקבל סטה תוך הפעלת עומס לחץ על פני השטח (קו מקווקו). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. הגדרת המתקן
- ודא שאין זרימה במתקן.
- הגדר את המכשירים לפי השרטוט באיור 2.
- התאימו את הצלחת לזווית הרצויה
. הקלט ערך זה בטבלה 1. - מדוד את רוחב זרבובית הסילון W. רשום ערך זה בטבלה 1.
- מדוד את תוחלת הלוח L. תרשם ערך זה בטבלה 1.
- אפס מתמר הלחץ.
- שים לב קבוע הכיול של מתמר הלחץ, mp (Pa/V). הקלט ערך זה בטבלה 1.
- חבר את היציאה בלחץ גבוה של המתמר (מסומן כ+ ) לברז הלחץ של המליאה (מסומן
כ). - מכיוון שכל הפעולות מתרחשות בתוך המקלט, השאר את היציאה בלחץ נמוך של המתמר (מסומן כ-) פתוחה לחוש את הלחץ במקלט (
). - הפעל את מתקן הזרימה (FLL).
- השתמש בריבוי מטרים הדיגיטלי כדי לתעד את המתח
(V) הקשור להבדל הלחץ בין המליאה למקלט שחש מתמר הלחץ. הקלט ערך זה בטבלה 2. - השתמש בכיול קבוע mp מ 1.7 כדי לקבוע את הפרש הלחץ בין המליאה לבין המקלט (
). הקלט ערך זה בטבלה 2.
(V) הקשור להבדל הלחץ בין המליאה למקלט שחש מתמר הלחץ. הקלט ערך זה בטבלה 2.
). הקלט ערך זה בטבלה 2.
איור 2 . פרטים על מערכת רכישת נתונים. סכמטי עבור חיבורי ציוד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
טבלה 1. פרמטרים בסיסיים למחקר ניסיוני.
| פרמטר | ערך |
| רוחב זרבובית סילון (Wn) | 41.3 מ"מ |
| טווח צלחת (L) | 81.3 ס"מ |
| גובה צלחת (H) | 61 ס"מ |
| קבוע כיול מתמר (m_p) | 137.6832 אבא/וי |
2. הפעלת הניסוי
- חבר את היציאה בלחץ גבוה של המתמר (מסומן כ+ ) ליציאה המשותפת של שסתום הסריקה. השאר את היציאה בלחץ נמוך של המתמר (מסומן כמו -) פתוח לחוש את הלחץ במקלט ( ).
- בית שסתום הסריקה כדי להתחיל את המדידה שלך ממיקום הקש הלחץ הראשון.
- הפעל את Traverse VI (מכשיר וירטואלי LabView).
- הזן את קבוע הכיול mp ב- VI.
- הגדר את קצב הדגימה ל- 100 הרץ ואת סך הדגימות ל- 500 (כלומר 5 שניות של נתונים).
- הזן ב- VI את המיקום (
) של הקשת הלחץ שממנו יירכשו נתוני לחץ לוחית. קח בחשבון כי הקשות הלחץ הם במרווחים על ידי 25.4mm. לפיכך, המיקום יהיה 
מ"מ, 
איפה הוא האינדקס של הברז מתחיל ב 0. - הקלט את הנתונים. VI יקרא את הפרש הלחץ בין ברז הלחץ לבין המקלט (
. . - צעד שסתום הסריקה למיקום הברז הבא.
- חזור על שלבים 2.6 עד 2.8 עד שכל הקשות הלחץ יחצו.
- בסוף, ה- VI מספק שולחן וחלקה של מיקום הקשה לעומת לחץ.
- עצור את השישי.
- שנה את מיקום לוח בקרת הזרימה כדי לסגור את אזור הזרימה בערך בחצי (ראו איור 3 לעיון). פעולה זו תשנה את קצב הזרימה. השתמש במשוואה (5) כדי לקבוע את הערך של קצב זרימה זה.
- חזור על שלבים 2.3 עד 2.11 עבור המיקום החדש של לוח בקרת הזרימה.
- שנה את זווית לוח השיפור והגדר את לוח בקרת הזרימה למקומו ההתחלתי.
- חזור על שלבים 2.3 עד 2.14 עבור 80o, 70o, 60o, 50oו- 45o.
) של הקשת הלחץ שממנו יירכשו נתוני לחץ לוחית. קח בחשבון כי הקשות הלחץ הם במרווחים על ידי 25.4mm. לפיכך, המיקום יהיה 
מ"מ, 
איפה הוא האינדקס של הברז מתחיל ב 0.
. .
איור 3. הגדרה ניסיונית. מחלקת בדיקה. משמאל: צלחת מכשול מול חריץ. אוויר בלחץ גבוה יותר משוחרר מהמליאה למקלט דרך החריץ הזה. אמצע: ברזי לחץ המחוברים ללוחית השיכומים מופצים לתוך שסתום הסריקה כדי לדגום אחד בכל פעם. מימין: צלחת מכשול מול פריקת מקלט. לפריקה יש צלחת מחוררת כדי לווסת את קצב הזרימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
3. ניתוח
- עבור כל זווית נטייה, התווה את נתוני הלחץ עבור שני קצבי הזרימה.
- השתמש בנתונים הניסיוניים כדי להעריך את הכוח על הלוח בהתבסס על משוואה (2).
- קבע את מהירות הסילון ב-vena contracta באמצעות משוואה (3).
- הערכת קצב זרימת המסה באמצעות משוואה (5).
פגיעה סילון על מבנים מוצקים הוא תהליך בשימוש נרחב ביישומים טכנולוגיים, כגון חיתוך חומר בתעשיית הייצור וייצור אנרגיה ממקורות הידראוליים. פגיעה סילון מורכב שחרור נוזל דרך זרבובית מאזור בלחץ גבוה לאזור בלחץ נמוך ופגיעה או פגיעה במטוס על מבנה. במהלך תהליך ההסתבכות, מופעלים כוחות הנוצרים על ידי יחסי הגומלין בין לחץ למהירות של שדה הזרימה על פני השטח של האובייקט. לדוגמה, במקרה של המראה ונחיתה אנכית או מטוס VTOL, שני מטוסים בשילוב לייצר מספיק להרים כדי לעזור למטוס להמריא אנכית מבלי להשתמש במסלול. שני מטוסים קטנים נוספים שהונפקו בכל צד של המטוס מספקים יציבות. השפעות ההסתבכות תלויות בממדים ובמהירות של המטוס, במאפייני משטח ההכאה והמרחק בין הזרבובית למשטח. כאשר הטמפרטורות של פני השטח והסילון שונות באופן משמעותי, פגיעה סילון תפיק רמות גבוהות של העברת חום. וידאו זה ימחיש כיצד לקבוע את העומס המופעל על ידי סילון על אובייקט וגם כיצד לחשב פרמטרים אחרים של עניין עבור אבחון זרימה, כגון מהירות סילון וקצב זרימת מסה.
לפני שנתעמק בפרוטוקול הניסויי, בואו נלמד את העקרונות מאחורי סילון ההסתעפות. עבור זרימה בלתי ניתנת לריסון קבועה של נוזל עם אפס צמיגות, האנרגיה הקינטית והאנרגיה הפוטנציאלית של הלחץ חופשיים להפוך זה לזה לאורך היעילות. בעוד שהסכום של שתי צורות האנרגיה הוא תמיד קבוע, זהו עיקרון ברנולי הנגזר מעקרון שימור האנרגיה. על פי עיקרון זה, עלייה במהירות וכתוצאה מכך באנרגיה הקינטית של נוזל מתרחשת בו זמנית עם ירידה בלחץ ובאנרגיה הפוטנציאלית שלו. כמו הסכום שלהם הוא תמיד קבוע. זו המשוואה של ברנולי. המונח המושתת על אנרגיה קינטית, המתבטא בממדי לחץ, נקרא לחץ דינמי. בעוד המונח הקשורים לאנרגיה הפוטנציאלית של הלחץ, נקרא לחץ סטטי. התוספת של שני מונחים אלה מעניקה את הקבוע של הברנולי, הידוע גם בשם לחץ קיפאון. לחץ הקיפאון מוגדר כלחץ המקסימלי שהזרימה תגיע אליו אם תיעצר על ידי הפיכת כל הלחץ הדינמי שלה ללחץ סטטי. עכשיו בואו נדבר על ההתקנה הניסיונית. מטוס סילון אוויר יוצא ממליאה בלחץ גבוה דרך חריץ רוחב W ומשתרע על פני L למקלט בלחץ נמוך יותר שבו המטוס פוגע בלוח נוטה של טטה זווית. ייעלת הביניים מחלקת את המטוס לשני אזורים. אחד סטה כלפי מעלה והשני כלפי מטה. ההתייעלות המפרידה נעצרת ממש ליד הקיר בנקודת הקיפאון שבה הלחץ הדינמי מומר לחלוטין ללחץ סטטי. בנקודת הקיפאון, הפרופיל של הלחץ המופעל על ידי הסילון על הצלחת יש ערך מקסימלי p0. בעוד הרחק מנקודה זו, פרופיל הלחץ פוחת בהתמדה מאז בהדרגה פחות לחץ דינמי מקבל המרה ללחץ סטטי. פרופיל הלחץ תלוי בזווית ההכאה טטה. כאשר תטא הוא 90 מעלות, קו האמצע הוא גם קו הקיפאון. על ידי הפחתת זווית העיסוק, ייעול הקיפאון מתרחק מקו האמצע של הסילון, וכתוצאה מכך, שיא פרופיל הלחץ נעשה קטן יותר ועובר לכיוון אזורים של הצלחת קרוב יותר ליציאת הסילון. הלחץ הכולל על פני השטח של הצלחת החשופה למטוס הוא תוצאה של התוספת בין לחץ העיוות ללחץ הסטטי בתוך המקלט. מכיוון שהלחץ בתוך המקלט מופץ בצורה הומוגנית, הלחץ שמסביב המופעל משני צידי הצלחת מתבטל. כתוצאה מכך, העומס נטו על הצלחת נובע מלחץ יתר והוא מחושב על ידי שילוב על התפלגות לחץ המעכבות על פני שטח הצלחת. כאשר נוזל משוחרר דרך חריץ מאזור בלחץ גבוה לאזור בלחץ נמוך, המטוס נוטה להתכנס לאזור שנקרא ארסת ארס. זהו המיקום הראשון לאחר שהמטוס עוזב את יציאת הפריקה שלו שבה היעילות הופכות מקבילות וכתוצאה מכך הלחץ הסטטי שווה ללחץ של הסביבה. בואו ניישם את משוואת הברנולי בין המיקום שבו המטוס יוצא מהמליאה לבין המיקום ב"כנף הוועד". בהתחשב במהירות בתוך המליאה להיות זניח, המהירות על כווץ הנתן ניתן לחשב באמצעות הפרש הלחץ בין המליאה לבין המקלט. לבסוף, לדעת את יחס ההתכווצות בין רוחב החריץ לבין כווץ הוועד, ניתן להעריך את קצב זרימת המסה באמצעות מהירות הסילון והאזור של כווץ הווניל. בסעיפים הבאים, נמדוד את התפלגות הלחץ המתקבלת על הצלחת ולאחר מכן לחשב את הכוח הכולל על ידי שילוב שדה הלחץ מעל שטח הצלחת.
לפני תחילת הניסוי, שכן פתיחת הדלת למקלט בזמן הפעולה עלולה להיות מסוכנת ומזיקה למתקן, ודא כי המתקן אינו בשימוש. אם הדלת למקלט פתוחה, המתקן אינו בשימוש. אם הדלת למקלט סגורה, הביט דרך החלון. אם אין כוח אדם בפנים, הדלת בטוחה לפתיחה מכיוון שניתן להפעיל את המתקן רק מבפנים בזמן שהדלת סגורה. כדי להתחיל, הגדר את הכלים לפי השרטוט. חבר את היציאה החיובית של מתמר הלחץ לפלט של שסתום הסריקה. ודא שסתום הסריקה הוא בעמדה הביתית. חבר את הצינורות הפיזומטריים של הצלחת לשסתום הסריקה בסדר הבא. זכור להתחיל את המדידות בצריכה ליד הפלט של שסתום הסריקה. ראשית, להתאים את הצלחת לזווית הרצויה תטא. שנית, למדוד את רוחב זרבובית הסילון. שלישית, למדוד את הטווח והגובה של הצלחת. אפס את מתמר הלחץ ורשום את הערך עבור קבוע הכיול. הקלט את כל הפרמטרים הבסיסיים של הניסוי בטבלת הפניות. ראשית, פתח את היציאה בלחץ נמוך כדי לחוש את הלחץ במקלט. לאחר מכן חברו את נקודת הלחץ הגבוה של המתמר המסומנת כחיובית לברז הלחץ של המליאה. לאחר מכן, הפעל את מתקן הזרימה. מדוד את המתח הקשור להבדל הלחץ שחש מתמר הלחץ בין המליאה למקלט באמצעות המולטימטר הדיגיטלי. חשב כמות זו באמצעות קבוע הכיול.
לאחר שהמכשיר מכויל והפרמטרים הבסיסיים נרשמים, אתה מוכן להתחיל ברכישת נתונים. ראשית, חבר את היציאה בלחץ גבוה של המתמר ליציאה המשותפת של שסתום הסריקה. גם לחדד את שסתום הסריקה כדי להתחיל את המדידה שלך ממיקום הקש הלחץ הראשון על הצלחת. הפעל את Traverse Six במחשב, הזן את גורם ההמרה מוולטס ללחץ והגדר את קצב הדגימה ל- 100 הרץ ואת סך הדגימות ל- 500 כדי לקבל חמש שניות של נתונים. לאחר מכן, הזן אפס במכשיר הווירטואלי למיקום הקשת הלחץ הראשונה ולאחר מכן הקלט את הנתונים. הערך על המסך הוא הפרש הלחץ בין הקשת הלחץ למקלט. צעד שסתום הסריקה למיקום הברז הבא. הציגו את המיקום החדש בתוכנה בידיעה שהמרחק בין שתי הקשות רצופות הוא 25.4 מילימטרים ותיעדו את הערך החדש של הפרש הלחץ. בסוף הניסוי, התוכנה מייצרת טבלה ועלילה של מיקום הברז לעומת הלחץ. שנה את קצב הזרימה על-ידי שינוי המיקום של לוח בקרת הזרימה כדי לסגור את אזור הזרימה בערך בחצי ולחזור על מדידות הלחץ. חזור על המדידות עבור קצבי זרימה וזוויות נטייה שונות ותיעד בכל פעם שהתוצאות שלך בטבלה. לאחר שכל הנתונים נאספו, כבה את מתקן הזרימה.
בהתבסס על הנתונים הניסיוניים, ניתן להשיג מספר פרמטרים של עניין. תסתכל על טבלת התוצאות ועל כל זווית צלחת וקצב זרימה, השתמש בהפרש הלחץ בין המליאה למקלט כדי לחשב את מהירות הסילון ב- vena contracta. מטבלת ההפניות, קח את הערכים עבור הטווח L ורוחב החריץ והשתמש במהירות ב- vena contracta שחושבה בעבר כדי להעריך את קצב זרימת המסה. ואז להסתכל על המיקום לעומת עלילת הלחץ שנוצר על ידי Traverse שש ולקרוא את ערך השיא של הלחץ. הצג את הערך בטבלת התוצאות. ערך זה הוא הערכה ישירה של לחץ הקיפאון. עכשיו, לחשב את הכוח נפגע על הצלחת על ידי שילוב התפלגות הלחץ על אזור הלוח. כדי לעשות זאת, השתמש בהפרש לחץ לעומת התוויית מיקום וחשב את השטח שמתחת לעקומה עם כלל הטרפז או כלל סימפסון. הצג את הערך בטבלת התוצאות.
התחל על ידי התוויית באותו גרף ארבעה סטים של תוצאות שהושגו עבור מטען סילון המטוס על צלחת בשתי זוויות שונות ושני קצבי זרימה שונים. עכשיו, השווה את פרופילי הלחץ עבור שתי זוויות ההשחתה השונות ואותו קצב זרימה. פרופיל הלחץ ב-90 מעלות גבוה מזה של 70 מעלות. בעוד שהשיא של 90 מעלות מתרכז, השיא של 70 מעלות מוזז לכיוון ערך x נמוך יותר. תוצאות אלה אומרות לך שעבור זווית מכשול של 90 מעלות, ייעול הקיפאון מתאים לקו האמצע של הזרימה. קו האמצע מאופיין במהירות שיא, ולכן, על ידי הלחץ הדינמי המרבי. ככל שזווית העיקול פוחתת, ייעול הקיפאון מתרחק מקו מהירות השיא ומתכופף מהנתיב המקורי שלו. לאחר מכן, השווה את פרופילי הלחץ עבור שני קצבי הזרימה השונים ואותה זווית מכשול. הלחץ המרבי פוחת עם קצב הזרימה מכיוון שיש ירידה באנרגיה הקינטית ומכאן באנרגיה הדינמית ככל שקצב הזרימה יורד. עיין בטבלת התוצאות והשווה את הערכים שחושבו עבור העומס בלוח. לזווית ההפוגה יש השפעה של הפחתת העומס הכולל מכיוון שהיא מעבירה את לחץ הקיפאון מזה שחפוף למהירות קו האמצע ליעילה הנושאת רמות נמוכות יותר של לחץ דינמי.
פגיעה במטוסים נמצאים בשימוש נרחב ביישומים תעשייתיים והנדסיים רבים המשתרעים מהידראוליקה ואווירונאוטיקה ועד אלקטרוניקה. יחסי הגומלין של לחץ ומהירות יכולים לשמש לאבחון זרימה. גשושית פראנדל או פיטו-סטטי מורכבת משני צינורות קונצנטריים. הצינור הפנימי פונה לזרימה כדי לזהות את לחץ הקיפאון. בעוד הצינור החיצוני יש קבוצה של יציאות צד שחשים את הלחץ הסטטי. ההבדל בלחץ מזוהה עם חיישן משולב, וערך זה משמש להערכת המהירות. התקן זה נמצא בשימוש נרחב בהנדסת נוזלים. כדי לקבוע למשל, את מהירות הרוח ביחס למטוס. חומרים רכים כמו פלסטיק ועץ ניתן לחתוך עם waterjet דק במהירות גבוהה. בעוד מתכות ניתן לחתוך עם מים על הוספת חלקיקים שוחקים לנחל. כדי ליצור סילון במהירות גבוהה למטרות חיתוך, יש צורך להטיל לחץ גבוה בזרימה כדי להיות מסוגל להאיץ אותו דרך זרבובית מתכנסת. האנרגיה הקינטית הגבוהה הנישאת על ידי הסילון מומרת ללחץ דינמי על פני השטח של האובייקט החתוך, מפעיל כוח חזק מספיק כדי להסיר חומר על פני השטח הפוך.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב ל"ג'ט פוגעת בצלחת נוטה". כעת עליכם להבין כיצד יחסי הגומלין בין לחץ למהירות מייצרים כוחות על המבנים ולהיות מסוגלים לחשב את כוחות ההפגעה, מהירויות הזרימה וקצבי זרימת המסה. תודה שצפיתם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
איור 4 מציג ארבעה סטים של תוצאות שהושגו עבור מטוס המטוס המעכב על צלחת בשתי זוויות שונות ושני קצבי זרימה שונים. למעשה, מאחר שהצד בלחץ נמוך של המתמר נפתח למקלט, הקריאות שלו תואמות רק את לחץ יתר , שהן למעשה הנקודות המוצגות באיור 4.
איור 4. תוצאות מייצגות. התפלגות לחץ לאורך הצלחת לשתי זוויות ושני קצבי זרימה. סמלים מייצגים: 
: 
, 
m/s; 
: , 
מ/ש; 
: 
, מ/ש; 
: , מ/ש.
לפי איור 4,הפרופילים של 90o פוגעים גבוהים מאלה של 70o. הסיבה להתנהגות זו היא כי ייעול הקיפאון עבור המקרה הקודם מתאים לקו האמצע של הזרימה, כלומר, את היעילות למהירות שיא וכתוצאה מכך לחץ דינמי מקסימלי. בעוד שקיפאון ההתייעלות מתרחק מקו מהירות השיא ומתכופף מהנתיב המקורי שלו ככל שזווית ההפוגה פוחתת. אפקט זה משורטט באיור 1(A), וזו גם הסיבה לכך שלחץ השיא בפרופיל הלחץ מתרחק ממרכז הצלחת.
כצפוי, הלחץ המרבי יורד עם קצב הזרימה (סמלים סגורים באיור 4) מכיוון שיש ירידה כללית באנרגיה הקינטית ולכן בלחץ דינמי ככל שקצב הזרימה יורד. לחץ מקסימלי זה הוא למעשה מדד ללחץ הקיפאון, , הסביר בעבר. במקרה של הסילון פוגע בצלחת בשעה 90o, זהו מדד מדויק של כי ברז הלחץ עולה בקנה אחד עם קו האמצע, מכאן ייעלת הקיפאון, של המטוס. אבל כפי שהוצע באיור 1a, הקיפאון מייעל מתכופף הרחק ממסלולו המקורי ככל שזווית העיקול פוחתת. במצב חדש זה, אין ערובה כי ייעול זה יהיה בדיוק בקנה אחד עם ברז לחץ במיקום המעכב שלה. לפיכך, לחץ השיא שנצפה בזוויות מכשול שונות מ 90o הוא רק קירוב .
טבלה 2 מציגה את התוצאות המתקבלות במדידות ניסיוניות עבור שתי זוויות וקצבי זרימה שונים.
טבלה 2. תוצאות מייצגות.
| פרמטר | הפעל 1 | הפעל 2 | הפעל 3 | הפעל 4 |
| זווית צלחת (θ) | 90o | 90o | 70o | 70o |
| קריאה דיגיטלית מרובת מטרים (E) | 2.44 V | 2.33 V | 2.44 V | 2.28 V |
| הפרש לחץ (P_pl-P_rec ) | 335.95 אבא | 320.80 אבא | 335.95 אבא | 313.92 אבא |
| מהירות בוינה חוזים (V_VC) | 10.14 מטר/ש | 9.91 מטר/ש | 10.14 מטר/ש | 9.81 מטר/ש |
| קצב זרימת מסה ((מ')) ̇ | 0.254 ק"ג/ש | 0.249 ק"ג/ש | 0.254 ק"ג/ש | 0.246 ק"ג/ש |
| לחץ קיפאון (P_o) | 127.16 אבא | 121.19 אבא | 101.78 אבא | 94.31 אבא |
| טען על הצלחת (F) | 16.84 נ' | 16.24 ן | 14.11 נ' | 12.32 נ' |
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
הניסויים המוצגים כאן הדגימו את יחסי הגומלין של לחץ ומהירות כדי ליצור עומסים באובייקטים באמצעות המרה של לחץ דינמי ללחץ סטטי. מושגים אלה הפגינו עם מטוס סילון המעכב לוח שטוח בשתי זוויות שונות ושני קצבי זרימה שונים. הניסויים הוכיחו בבירור כי העומס הוא הגבוה ביותר בנקודת הקיפאון, שם כל הלחץ הדינמי מומר ללחץ סטטי, וגודלו יורד ככל שרמת ההמרה מדינמית לסטטית יורדת בעמדות הרחק מנקודת הקיפאון. זווית השכיחות משפיעה על הפחתת העומס הכולל מכיוון שהיא מעבירה את לחץ הקיפאון מהמהירות של קו האמצע (המרבי) ליעילה הנושאת רמות נמוכות יותר של לחץ דינמי.
ניסויים אלה שימשו גם את המטרה של הדגמת האופן שבו ניתן לקבוע את העומס הכולל על האובייקט שנחשף לזרימה על ידי שילוב מספרי של הנתונים המתקבלים מהברזים. בנוסף, ההמרה ההפוכה של לחץ סטטי ללחץ דינמי שימשה גם להערכת המהירות וקצב זרימת המסה של המטוס. כתוצאה מכך, ניתן להשתמש במשחק הגומלין של הלחץ והמהירות לאבחון זרימה.
מושג שלא נחקר בניסוי הנוכחי הוא ולוצימטריה על ידי פיטו - בדיקות סטטיות. אלה הם בדיקות המודדות ישירות את ההבדל בין הקיפאון ללחצים סטטיים, וזה בדיוק מה ששימש במשוואה (3) כדי לקבוע את המהירות ב- vena contracta. שימו לב שלפחות בצלחת הזווית של 90o, הקשת הלחץ המרכזית חשופה ישירות לנקודת הקיפאון, מה שהופך אותה לגשושית פיטו. מאז מתמר הלחץ משווה את הלחץ של כל ברז לחץ ללחץ של המקלט, התוצאה היא מדידה ישירה של 
. עם החלפת מדידה זו במשוואה (3), התוצאה היא מהירות של נקודה על ייעול הקיפאון שקרוב לנקודת הקיפאון אך עדיין מחוץ לרדיוס ההשפעה שלו. מדידה זו היא שימוש מוגבל בניסוי זה מכיוון שהמיקום המדויק של נקודה זו על קיפאון ייעול אינו ידוע.
כפי שהוזכר קודם לכן, מדידות לחץ ניתן להשתמש כדי לקבוע את מהירות הזרימה. ביישום המתואר להלן, השינוי בלחץ בין המליאה למקלט הספיק כדי להעריך את המהירות הממוצעת ב- vena contracta. כמו כן הוזכר כי, אגב, ברז הלחץ בקנה אחד עם נקודת הקיפאון הוא צינור Pitot שניתן להשתמש בו בשילוב עם בדיקה החושה את הלחץ הסטטי כדי לקבוע את מהירות הזרימה מהמשוואה (3) (מחליף 
עם ועם 
). למעשה, מכשיר יחיד המשלב גשושית פיתות וגשושית סטטית, המכונה צינור פראנדל, עשוי להיות מכשיר האבחון המורחב ביותר בהנדסת נוזלים למדידת מהירות. כפי שמוצג באיור 5, בדיקה זו מורכבת משני צינורות קונצנטריים. הצינור הפנימי פונה לזרימה כדי לזהות את לחץ הקיפאון, ולצינור החיצוני יש קבוצה של יציאות צדדיות שחשות את הלחץ הסטטי. חיישן כגון מתמר לחץ או מנור עמוד נוזלי משמש כדי לקבוע את ההבדל בין שני לחצים אלה כדי להעריך את המהירות מהמשוואה (3) (שוב, מחליף עם ועם ). גשושית כזאת, או שילוב של פיתות וגשושית סטטית עצמאית משמשת למעשה במטוסים כדי לקבוע את מהירות הרוח ביחס למטוס.
איור 5. Flow velocimetry. גשושית פיטו-סטטית (או פראנדל) כדי לקבוע את התפלגות המהירות בהתבסס על הלחץ הדינמי. גשושית זו חוצה את שדה הזרימה כדי לקבוע את המהירות במיקומים שונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- Arnau, A. (ed.). Piezoelectric transducers and applications. Vol. 2004. Heidelberg: Springer, 2004.
- Tropea, C., A.L. Yarin, and J.F. Foss. Springer handbook of experimental fluid mechanics. Vol. 1. Springer Science & Business Media, 2007.
- White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
- Chapra, S.C. and R.P. Canale. Numerical methods for engineers. Vol. 2. New York: McGraw-Hill, 1998.
- Buckingham, E. Note on contraction coefficients of jets of gas. Journal of Research,6:765-775, 1931.
- Munson, B.R., D.F. Young, T.H. Okiishi. Fundamentals of Fluid Mechanics. 5th ed., Wiley, 2006.
- 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.
