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Mechanical Engineering

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用控制容积法测定扁板的撞击力
 

用控制容积法测定扁板的撞击力

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控制容积法是流体工程中的一个强有力的工具, 广泛应用于结构或装置的气动设计。当物体在流体中移动时, 力就会被形成。流体在物体上施加的作用力是其周围流动的线性动量变化的结果。为了设计风力涡轮叶片, 船帆, 或飞机机翼, 工程师必须能够确定在系统中的主导负荷。工程分析员的工具箱包含了预测开发给定工程系统的可行性的方法, 以及详细的结构计算的复杂方法。这段视频将说明如何应用控制容积法, 以确定在不同角度的平板气动载荷, 并说明如何估计和测量在实验室的负荷。

让我们考虑一架平面射流撞击平板倾斜板。你应该熟悉这个例子从我们以前的视频。现在, 让我们对名为 "控制体积" 的结构进行任意量的兴趣, 由一个假想的闭合曲面定义为控制曲面。控制体积分析的主要原理是用简化的自由体图代替所选体积的系统的复杂细节。作用在系统上的力可以是由于压力或流致剪切引起的表面力。作用在系统上的力也可以是体力, 例如控制容积内所含的固体和流体的重量, 或由诸如电磁场等体积效应引起的其他力。作用在控制容积上的力的总和等于控制体积内的线性动量的变化速率和通过控制面的线性动量的净通量, 同时也考虑了控制量的速度。这是线性动量守恒的向量方程。现在, 让我们回到我们的例子, 并应用前面描述的原则。首先, 让我们在结构周围绘制控制音量。控制卷必须以简化分析的方式进行选择, 同时捕获对系统的主要影响。请注意, 在这里动量流入控制量通过第一个端口和离开第二端口和端口三。如何为这个特定的配置编写动量守恒方程?第一端口放置在 contracta 的位置, 流体流线是平行的, 而射流的静压等于大气压。假设端口2和三位于离撞击区域足够远的地方, 同样的条件对这些端口也是有效的。因此, 压力是均匀分布在控制面上, 它等于大气压。因此, 作用在控制容积上的净压力为零。由于控制面是垂直于入口和出口的流动, 没有在表面的流动引起的剪切载荷。在等式的左手边唯一的期限由板材的反应力量给由喷气机施加的空气动力学的装载的传输在板材。假设射流是稳定的, 在控制容积内没有动量的变化, 因此在等式的右手边的第一个术语就消失了。由于我们的控制体积是固定在空间, 该方程简化, 表明, 反应力的冲击等于净流量的动量通过控制表面。在我们的控制面的特定配置中的速度向量与区域向量对齐。结果, 在口岸一和 outfluxes 在口岸二和三有消极汇集。这些通量的总和是撞击的反作用力。假设港口的速度近似地是均匀的, 力量等式进一步简化。知道撞击角θ, 产生的力可以分解成它的正常成分的板块和它的切线分量。接下来, 我们将在第一端口、第二端口和分别端口三处找到速度的法线和切线分量。我们使用这些在力方程式中, 以获得相应的组成部分的力量。从结构角度来看, 板的正常载荷是最相关的。它也可以用平板跨度和射流在腔 contracta 的宽度来表示。了解射流出口宽度与腔 contracta 的收缩率和腔内 contracta 的动压, 得到控制容积分析对板上正常载荷的最终表达式。在下一节中, 我们将测量撞击射流在具有气动平衡的倾斜板上施加的主导力, 然后根据控制体积分析将实测载荷与估计值进行比较。

在开始实验之前, 检查设备是否没有运行。首先, 将传感器的正极端口连接到压舱的压力水龙头。将压力传感器的负端口打开, 以感知接收器中的大气压。零压力传感器, 并记录校准常数的值。设置喷口宽度并测量钢板跨度。首先, 校准空气动力平衡, 以确定从伏特到牛顿的升力转换和从伏特到牛顿的阻力转换。接下来, 记录的电压, 牛顿转换常数的力量气动平衡装置。现在将实验的所有基本参数记录在一个参考表中。接下来, 建立数据采集系统, 以100赫兹的速率捕获500样本, 对应于五秒的数据。在数据获取软件的相关字段中输入伏特到牛顿转换常数。最后, 在力平衡上安装冲击板, 并将设备的输出调整为零。

要开始数据采集, 首先将板的角度设置为90度, 然后打开流设施。首先, 记录压力传感器在伏特的读数。将此量与参考表中的校准常数一起使用, 以计算静压和大气之间的压力差。现在你已经准备好用力平衡来测量力了。为此, 使用数据采集系统记录力数据。数据采集系统将自动使用转换因子来确定使用伏特测量的力。在表中输入结果。关闭流量装置, 改变板的角度。接下来, 打开流量设备, 并重复不同角度的力测量。在结果表中记录数据。

用角θ和气动平衡测量撞击力的水平和垂直分量的实验值计算平板的正力。对每个角度θ重复计算并记录结果表中的值。利用参数表和大气压力差的实测值, 计算了板上正常撞击力的理论值。对每个角度θ重复计算并记录结果表中的值。计算撞击力的实测值和理论数值之间的不一致。对每个角度θ重复计算并记录结果表中的值。

首先, 用气动天平作为撞击角θ的函数, 通过直接测量给出的板上的载荷来绘制。在同一个图上, 用控制容积法和误差ε的理论分析计算载荷。现在比较的值直接测量的值与控制体积分析计算的每一个负荷施加在每个角度θ板。这两种方法之间的差异不单调与角度θ和范围之间的2% 和12.5%。对于小于和等于80度的角度, 控制容积法低估了板上的载荷。而对于大于80度的角度, 此方法给出的值高于实测载荷。这些差异可能是由于控制体积分析假设线性动量的无粘性非耗散变化。而直接测量不能避免粘度对流量的影响。

线性动量守恒的控制体积分析被广泛用于预测在结构或装置的详细气动设计之前开发给定工程系统的可行性。式刀片设计为将最高的线性动量转化为扭矩。控制体积分析表明, 叶片几何, 使水射流的线性动量的变化最大化, 这就造成了180度的方向变化的喷气弹道。为了预测风对实际结构的影响, 可以在风或水隧道中进行缩减模型试验。控制容积分析与模型的上游和下游的速度测量一起使用, 以确定原型的有效载荷。

你刚才看了朱庇特的介绍控制体积分析的线性动量守恒。您现在应该了解该方法的基本原理, 以及如何将它们应用于结构上的流对其施加的估计力。你也学会了如何使用气动平衡来进行力测量。谢谢收看

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