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质量守恒和流速测量

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质量守恒是一种众所周知的物理原理, 它与控制容积法一起用于许多机械系统的工程。控制体积分析的大规模保护是特别有用的估计流量率的大型水力结构, 如大坝, 水处理厂, 或水分配系统。这种方法通常是作为一个初步的步骤, 让工程师在一个系统的主要的质量交换的想法。例如, 通过大坝的表面构造出的出口阀门通常用来控制水流。由于质量守恒, 通过控制面的净质量通量, 以及封闭体积内的质量变化率必须保持平衡。本视频将说明如何将控制容积法用于质量守恒, 以校准作为流量计的平滑收缩。

本文讨论了线性动量守恒控制容积法的一般原理。在这里, 我们说明了这种方法的质量守恒。考虑在示意图中的流动通道, 包括一个离心风扇与平稳收缩的摄入量。质量守恒的控制容积分析如何适用于我们的系统?首先, 让我们以一个假想的闭合曲面 (称为控制面) 来定义包含一个流区域的控制卷。接下来, 我们来写出质量守恒的一般方程。方程的第一个术语表示控制体积内质量变化的速率。这一术语在我们的情况下是零, 因为流经我们控制量的流量是稳定的。因为控制容量附有收缩, 等式的第二个期限简化。这是通过控制面的质量的净通量。对于我们的系统, 质量通过第一个端口流入控制量, 然后通过第二端口离开音量。假设一个恒定的流体密度沿收缩, 并且解决点产品在流体速度和单位区域载体之间, 等式进一步简化。由于质量守恒, 通过两个端口的质量通量是相同的。其次, 通过给定的端口了解质量流量和容积流速, 可以得到该端口的平均速度。对于无粘性流体, 第二端口的速度在整个端口的截面上是恒定的。这种速度可以用伯努利方程沿中心流线计算。如果你需要复习伯努利方程, 你可以看一下以前的视频。第一口的流体压力是气压。我们还假设, 在第一端口的流体速度是零, 因为它是足够接近外部, 静止环境。然后, 该公式给出了无粘流体的二端口速度。速度剖面是非均匀的。实际上, 由于边界层生长, 当流体在固体壁附近流动时, 与边界接触的流体呈壁的速度。随着壁面距离的增加, 流速逐渐恢复, 直到到达自由流的速度。在壁附近的这一速度变化区域被称为边界层, 由于粘度的作用而发生。考虑到这一效果, 将理想的估计值与使用放电系数的实验测量进行比较。对于一个圆形的端口, 就像我们的例子中所使用的那样, 如果我们知道流经流道的径向速度剖面, 就可以计算出这个系数。速度剖面可以用皮托管-静态探针来测量。如果你需要审查的工作原理的皮托管-静态探头, 你可以看我们以前的视频。一个皮托管管带来的流量到停止, 传感总压力, 在任何点的流体内有两个组成部分: 静态组件, 和动态组件。在墙上的静态探头只感知静压。在二端口上应用伯努利方程, 可以确定管道内给定位置 r 的速度。通过沿管的径向坐标遍历皮托管管, 通过测量压力传感器的压力差, 得到速度剖面。最后, 利用流量系数和通道的横截面积以及用第二个换能器测量的压力差来确定两个端口的流速。现在, 你明白如何使用控制体积法的质量守恒分析一个流动系统, 让我们用这个方法来校准流量通道, 并确定其流量系数。

在开始实验之前, 要熟悉实验室的布局和设备内部的设施。首先, 检查主开关, 确保设备内部没有流动。然后检查喷气机的盖子是否盖住了。现在, 按照 "原则" 一节中描述的图表开始设置数据采集系统。将第一压力传感器的正端口连接到遍历托管管。将传感器的负端口连接到进气通道的静态探头。因此, 阅读这种压力传感器将给你, 直接, 压力差 PT P2。记录传感器从伏特到帕斯卡的转换。然后, 将第二压力传感器的正端口连接到使用 T 连接的托管管。把换能器的负极端口开到大气层。这个压力传感器的读数会给你压力差。将传感器的转换系数从伏特记录到帕斯卡。用直尺测量流道半径。还可以从国家气象服务网站收集您所在位置的气压和温度数据。在参数表中记录这些值以及两个压力传感器转换系数的值。现在, 将数据采集系统设置为采样速率为100赫兹, 总共为500样本, 以获得五秒的数据。确保数据采集系统中的通道零对应于第一压力传感器。然后在系统中输入转换因子, 在帕斯卡中直接进行压力读数。现在, 输入第二压力传感器的转换因数, 并确保该压力传感器对应于数据采集系统中的通道1。在旅行结束时, 把皮托管探针放在它碰到管子壁的地方。由于探头直径为两毫米, 第一次测量将在距墙一毫米外的径向坐标处进行。

设置完数据采集系统后, 打开流量装置。现在, 您可以开始数据获取了。使用数字万用表记录第二压力传感器的读数。使用转换系数将此值从伏特转换为压力单位, 并将其记录在 "参数" 表中。对于皮托管的当前位置, 使用数据采集系统记录第一传感器给出的压力差。在结果表中记录此值。使用遍历旋钮改变皮托管管的径向位置。用数据采集系统测量流量通道内这个位置的压力差。重复这一步的差异径向位置横跨流通道, 并记录的读数在结果表。接下来, 通过改变系统的流量来更改通道内的流速。为此, 将不同直径的穿孔板放在系统的放电上, 以限制不同水平的流量。测量流量通道内不同径向位置的压力差, 并对至少十不同的流量值重复此步骤。在您的实验结束时, 请记住关闭流设备。

在每一个位置, r, 在所有的直径的皮托管管的流量通道, 你有一个测量的总压力和静态压力的差异。对于每个数据点, 计算流速并在结果表中输入其值。对表中的所有数据点重复此操作, 然后在管道上绘制速度剖面图。现在, 计算放电系数。为此, 首先需要在半径函数中绘制速度和半径之间的乘积。由于速度测量是在离散位置进行的, 因此, 在计算流量系数公式中的积分时, 必须以梯形规则为例进行数值求解。其次, 利用积分值和参数表中记录的流体密度、通道半径以及大气压与静压之间的实测差值计算出放电系数。第二港对每组数据重复这些计算, 对应于通道内流速的每一个实验值。现在, 看看你的结果。

对不同流速的流量系数与一个减去压力比的平方根的值进行散射图。将幂律函数与散射图拟合, 确定流量系数与流道静压的比值与局部大气压之间的一般关系。接下来, 在流率的等式中替换此关系。在这里, 密度可以用理想气体定律来表示, 以方便大气压力和绝对温度。因此, 流速的表达是为了保持其在当地大气条件、通道大小和单位系统的变化下的有效性而开发的。总之, 将通道标定为流量计, 必须建立流量与压力差等易测量变量之间的关系。

质量守恒控制容积法在机械工程领域有着广泛的应用。文丘里管是一种用于密闭流中的装置, 用于根据通道的两个不同段之间的压力变化来确定流速。该方法可用于文丘里管内边界层效应的校正, 并能确定器件的放电系数。通过对流量限制前后水流深度的比较, 可以对大型液压系统的流量进行控制容积分析。

你刚刚看了朱庇特的介绍控制体积分析的大规模保护。现在, 您应该了解如何应用此方法来测量流经流道的流速, 并确定系统的流量系数。谢谢收看

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