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Determinación de fuerzas de choque sobre una placa plana con el método de Control de volumen
 

Determinación de fuerzas de choque sobre una placa plana con el método de Control de volumen

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Método de volumen de control es una potente herramienta en Ingeniería flúida, ampliamente utilizado para el diseño aerodinámico de las estructuras o dispositivos. Fuerza se desarrolla cuando un objeto se mueve a través de un fluido. Las fuerzas que un fluido ejercidas sobre cuerpos son el resultado de los cambios en el ímpetu linear del flujo alrededor de ellos. Para diseñar una lámina de turbina de viento, una vela de barco o un ala del aeroplano, un ingeniero debe ser capaz de determinar que el dominante las cargas en un sistema. La caja de herramientas de un analista ingeniería contiene métodos para predecir la viabilidad de desarrollar un sistema determinado de ingeniería así como métodos complejos para el cálculo de la estructura detallada. Este video muestra cómo aplicar el método de volumen de control para determinar la carga aerodinámica en una placa plana en diferentes ángulos y demostrar cómo cargas pueden ser estimadas y medidas en el laboratorio.

Consideremos un chorro plano que inciden sobre una placa plana inclinada. Debe estar familiarizado con este ejemplo de nuestro video anterior. Ahora vamos a tomar un volumen arbitrario de interés alrededor de la estructura denominada control volumen, definido por un imaginario cerrado superficie llamada superficie de control. El principio principal detrás de los análisis de volumen de control es reemplazar los detalles complejos de un sistema expuesto a un fluido por un diagrama de cuerpo libre simplificada para el volumen elegido. Las fuerzas que actúan en el sistema pueden ser fuerzas de superficie debido a la presión o esfuerzo cortante inducido por el flujo. Las fuerzas que actúan sobre el sistema también pueden ser cuerpo fuerzas, por ejemplo el peso de los sólidos y los líquidos contenidas dentro del volumen de control, y otros inducidos por efectos volumétricos tales como campos electromagnéticos. La suma de las fuerzas que actúan sobre el volumen de control es igual a la tasa de cambio del ímpetu lineal dentro del volumen de control y el flujo neto de ímpetu linear a través de la superficie de control, que también tiene en cuenta la velocidad del volumen de control. Esta es la ecuación vectorial para la conservación del ímpetu linear. Ahora vamos a volver a nuestro ejemplo y aplique los principios descritos anteriormente. En primer lugar, vamos a dibujar el volumen de control alrededor de la estructura. El volumen de control debe escogerse de manera que simplifican el análisis y al mismo tiempo que captura los efectos dominantes en el sistema. Tenga en cuenta que aquí el impulso fluye en el volumen de control a través del puerto uno y hojas a través de Puerto dos y tres del puerto. ¿Cómo puede escribirse la ecuación de la conservación del ímpetu para esta configuración particular? Puerto uno se coloca en la localización de la vena contracta donde el líquido optimiza son paralelos y la presión estática del inyector es igual a la presión atmosférica. Suponiendo que los puertos dos y tres se encuentran lo suficientemente lejos de la región de choque, las mismas condiciones son válidas para estos puertos también. Así, la presión se distribuye homogéneamente en la superficie de control y es igual a la presión atmosférica. En consecuencia, la fuerza de presión neta actuando sobre el volumen de control es cero. Puesto que la superficie de control es perpendicular a los flujos de entrada y salida, no hay carga esfuerzo cortante inducida por el flujo en la superficie. El único término en el lado izquierdo de la ecuación está dada por la fuerza de reacción de la placa a la transmisión de la carga aerodinámica ejercido por el chorro en el plato. Suponiendo que el flujo de chorro es constante, es el impulso interior del volumen de control y por lo tanto el primer término del lado derecho de la ecuación desaparece. Puesto que nuestro volumen del control se fija en el espacio, la ecuación se simplifica, mostrando que la fuerza de reacción del choque es igual al flujo neto de ímpetu a través de la superficie de control. Los vectores de velocidad en nuestra configuración particular de la superficie de control se alinean con los vectores de la zona. En consecuencia, hay un influjo negativo en el puerto uno y outfluxes en los puertos dos y tres. La suma de estos flujos es la fuerza de reacción al choque. Suponiendo que la velocidad de los puertos es aproximadamente homogénea, la ecuación de fuerza simplifica aún más. A sabiendas del theta del ángulo de choque, la fuerza resultante se puede descomponer en su componente normal a la placa y su componente tangente. A continuación, encontramos los componentes normales y tangenciales de la velocidad en el puerto uno, Puerto dos y respectivamente el puerto tres. Utilizamos en la ecuación de fuerza para obtener los correspondientes componentes de la fuerza. La carga normal sobre la placa es la más relevante desde el punto de vista estructural. También se puede expresar usando la placa y el ancho del jet en la vena contracta. Conocer la relación de contracción entre el ancho de salida del chorro y la vena contracta y la presión dinámica en la vena contracta, obtenemos la expresión final de la carga normal sobre la placa con el análisis del volumen de control. En las siguientes secciones vamos a medir las fuerzas dominantes ejercidas por un chorro de afectar en una placa inclinada con un equilibrio aerodinámico y luego comparar la carga medida en la estimación basada en el análisis del volumen de control.

Antes de comenzar el experimento, comprobar que la instalación no se ejecuta. En primer lugar, conecte el puerto positivo del transductor a la llave de la presión del pleno. Deje el puerto negativo del transductor de presión abierta para detectar la presión atmosférica en el receptor. Cero el transductor de presión y registrar el valor de la constante de calibración. Establecer el ancho de salida del chorro y medir la duración de la placa. En primer lugar, calibrar la balanza aerodinámica para determinar la conversión de elevación de voltios a Newton y el arrastre de voltios a Newton. A continuación, grabar el volt al constantes de conversión de Newton del dispositivo de equilibrio aerodinámico fuerza. Ahora anote todos los parámetros básicos del experimento en una tabla de referencia. A continuación, configurar el sistema de adquisición de datos para capturar un total de 500 muestras a una velocidad de 100 hercios correspondiente a cinco segundos de datos. Introduzca el volt al constantes de conversión de Newton en los campos relevantes del software de adquisición de datos. Por último, montar la placa de impacto en el equilibrio de fuerza y ajuste salidas del aparato a cero.

Para iniciar la adquisición de datos, primero establecer el ángulo de la placa a 90 grados y luego encienda la facilidad de flujo. En primer lugar, registrar la lectura del transductor de presión en voltios. Use esta cantidad junto con la constante de calibración de la tabla de referencia para calcular la diferencia de presión entre la atmósfera y pleno. Ahora estás listo para medir la fuerza con la fuerza de equilibrio. Para ello, utilice el sistema de adquisición de datos a los datos de registro de la fuerza. El sistema de adquisición de datos utilizará automáticamente los factores de conversión para determinar la fuerza usando las medidas en voltios. Introduzca los resultados en una tabla. Apague la facilidad de flujo y cambiar el ángulo de la placa. A continuación, encienda la facilidad de flujo y repita las mediciones de fuerza para diferentes ángulos. Registrar los datos en una tabla de resultados.

Calcular la fuerza normal ejercida sobre una placa plana mediante el uso del theta de ángulo y los valores experimentales de la horizontal y los componentes verticales de la fuerza de impacto medido con el balance aerodinámico. Repita el cálculo para cada theta de ángulo y registrar los valores de la tabla de resultados. La tabla de parámetros y los valores de medición de la diferencia de presión entre la atmósfera y pleno, calcular el valor teórico de la fuerza de choque normal en la placa. Repita el cálculo para cada theta de ángulo y registrar los valores de la tabla de resultados. Calcular el desacuerdo entre los valores teóricos y medidos de la fuerza de choque. Repita el cálculo para cada theta de ángulo y registrar los valores de la tabla de resultados.

Comience trazando la carga en la placa dada por mediciones directas con un equilibrio aerodinámico en función de la theta del ángulo de choque. Coloque en la misma gráfica la carga calculada mediante el análisis teórico con el enfoque de volumen de control junto con el epsilon error porcentual. Compararemos los valores directamente medidos con los valores calculados con el análisis del volumen de control para cada carga ejercida sobre la placa a la theta de cada ángulo. Las discrepancias entre los dos métodos no monótonamente varían con el ángulo theta y el rango entre 2% y el 12,5%. Para ángulos de menor que e iguales a 80 grados, el método de control de volumen había subestimado las cargas en la placa. Mientras que para ángulos superiores a 80 grados, este método dio valores superiores a las cargas de la medida. Las diferencias pueden ser debido a que el análisis del volumen control supone no viscoso no disipativos cambios en ímpetu linear. Mientras que las medidas directas no pueden evitar el efecto de la viscosidad sobre el flujo.

Análisis del volumen control de la conservación del ímpetu linear es ampliamente utilizado para predecir la viabilidad de desarrollar un sistema de ingeniería dado antes de intentar conseguir un detallado diseño aerodinámico de la estructura o dispositivo. Una hoja de Pelton está diseñada para convertir la mayor cantidad de ímpetu linear en par. Análisis del volumen de control ha demostrado que la geometría de la hoja que maximiza el cambio en ímpetu linear de chorros de agua es tal que impone un cambio de rumbo de 180 grados en la trayectoria del chorro. Para predecir los efectos del viento sobre una estructura de tamaño real, se pueden realizar experimentos con un modelo regionalizado en túneles de viento o agua. Aquí el análisis del volumen de control es utilizado junto con mediciones de velocidad aguas arriba y aguas abajo del modelo para determinar la carga efectiva del prototipo.

Sólo ha visto la introducción de Zeus para el análisis del volumen control de la conservación del ímpetu linear. Ahora usted debe entender los principios básicos del método y cómo aplicarlas para estimar las fuerzas ejercidas por el flujo en una estructura. También han aprendido a realizar medidas de fuerza con un equilibrio aerodinámico. Gracias por ver.

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