Quelle: Ricardo Mejia-Alvarez und Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI

Dieses Experiment soll zeigen, wie eine Flüssigkeit fließen Kräfte auf die Strukturen durch Umwandlung der Staudruck in statischen Druck ausübt. Zu diesem Zweck machen wir einen Flugzeug Jet treffen auf eine flache Platte und die daraus resultierenden Druckverteilung entlang der Platte zu messen. Die resultierende Kraft wird geschätzt werden, indem das Produkt zwischen der Druckverteilung und entsprechend definierten Bereich Differentiale entlang der Oberfläche der Platte zu integrieren. Dieses Experiment wird für zwei Winkel der Neigung der Platte in Bezug auf die Richtung des Strahls und zwei Volumenströme wiederholt werden. Jede Konfiguration erzeugt eine unterschiedliche Druckverteilung entlang der Platte, die das Ergebnis der verschiedenen Ebenen der Umwandlung der Staudruck in statischen Druck an der Plattenoberfläche.

Für dieses Experiment wird mit einer Membran Druckaufnehmer mit einem Scan Ventil verbunden Druck gemessen werden. Die Platte selbst hat kleine Perforationen genannt Druckverschlüssen, die mit dem Scan Ventil durch Schläuche verbunden. Der Scan Ventil sendet den Druck von diese Hähne an der Drucksensor eine zu einem Zeitpunkt. Der Druck verursacht mechanische Auslenkung auf die Membran, die Spannung der Drucksensor umwandelt. Diese Spannung ist proportional zu der Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Membran.

In stationäre inkompressible Strömungen mit vernachlässigbar Änderungen im Gravitationspotential, Bernoulli Gleichung als die Zugabe von zwei Formen von Energie interpretiert werden könnte: kinetische Energie und Druck potentielle Energie. In einem reibungsfreie Prozess können diese Energieformen ineinander verwandeln entlang Stromlinien während den anfänglichen Gesamtbetrag der Energie konstant zu halten. Diese Energie-Summe ist die Bernoulli Konstante genannt. Der Einfachheit halber kann in Dimensionen des Drucks mit dem Prinzip der dimensionalen Homogenität [3] Bernoulli Gleichung ausgedrückt werden. Unter diesem dreidimensionalen Transformation der Begriff kinetische Energie zugeordnet ist "Staudruck" genannt, der Begriff zugeordnete Druck potentielle Energie nennt man "statischen Druck" und die Bernoulli konstante heißt "Ruhedruck". Letzteres kann als der maximale Druck interpretiert werden, die der Fluss erreichen würde, wenn zum Stillstand gebracht, durch die Umwandlung der Staudruck in statischen Druck. Diese Grundsätze können besser durch die folgende Form der Bernoulli Gleichung beschrieben werden:

(1)

Wo ist der statische Druck, ist der dynamische Druck und ist der Ruhedruck. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des aktuellen Experiment. Wie gezeigt, ein Luftstrahl verläßt ein Vorgang Plenum durch einen Spalt der Breite W und L zu einem geschlossenen Raum bei einem geringeren Druck Empfänger benannt. Der Empfänger ist ein kleiner Raum, der als der Messstrecke für das Experiment dient. Freuen Sie sich auf das Equipment für die Akquisition und die Experimentatoren. Nach einiger Entfernung fließt, trifft der Jet auf einem flachen Teller in den Empfänger, der einen Winkel mit der Jet-Achse macht. Der Jet in Abbildung 1a durch drei Stromlinien beschrieben ist. Fortgeschrittene Streamline teilt sich der Strahl in zwei Regionen, die nach oben abgelenkt wird und eine, die nach unten abgelenkt wird. Da die trennende Streamline nicht abgelenkt erhalten, stoppt es direkt an der Wand an, was als der Staupunkt bekannt ist. An diesem Punkt der Staudruck in statischen Druck umgewandelt wird und der Druck erreicht seinen maximalen Level, . Das Druckniveau verringert abseits der Staupunkt, weil zunehmend weniger Staudruck in statischen Druck umgewandelt wird.

Je nach Betrachtungswinkel Impingement ( in Abbildung 1), Stagnation Streamline verfolgt einen anderen Weg. Wenn , die Mittellinie des Jet ist auch Stagnation Streamline. Als wird verringert, die Stagnation Streamline bewegt sich weg von der Mittellinie des Jets in Richtung Flugbahnen, die näher an der Außenkante des Jets starten. Da 90^o auch die Flugbahn der Maximalgeschwindigkeit, ergo maximalen Staudruck, seine daraus resultierende Staupunkt erreichen den maximalen Wert des Drucks im Vergleich zu anderen Bahnen bei kleineren Werten von . Zusammenfassend lässt sich sagen ist die Wirkung des Impingement Winkels auf der Druckverlauf zu verringern seinen maximalen Wert und ihren Höhepunkt in Regionen der Platte näher auf die Jet-Ausfahrt Richtung zu verdrängen.

Die gestrichelte Linie in Abbildung 1a stellt die net Druckverteilung entlang der Oberfläche der Platte bis zum Jet ausgesetzt. Hinweis aus Abbildung 1 Buchstabe b, die gesamten Druck auf der Platte, , ist die Ergänzung des umgebenden Drucks, , plus Impingement Druck oder Überdruck, . Da der Umgebungsdruck homogen verteilt ist, es hebt und die Last auf dem Teller ist ausschließlich das Ergebnis der Überdruck. Diese Druckverteilung wird experimentell ermittelt und verwendet, um die Nutzlast auf der Platte nach dem folgenden Integral zu schätzen:

(2)

Da die experimentellen Daten diskret ist, kann dieses Integral mit dem trapezförmigen Regel oder die Simpson [4] geschätzt werden.

Darüber hinaus als Flüssigkeiten aus einer Vakuumfähigkeiten Region zu einer niedrigeren Druck-Region durch Öffnungen oder Schlitze entlassen werden, der ausstellende Jet neigt dazu, zunächst in einer Region namens Vena Contracta zusammenlaufen (siehe Abbildung 1 als Referenz) und dann auseinander Danach fließt er weg von der Entlastung Port [5]. Vena Contracta ist in der Tat der erste Standort, nachdem ein Jet seine Entlastung Hafen verlässt in der Stromlinien parallel zu. Folglich ist dies der erste Ort entlang der Jet, der statische Druck den Druck der Umgebung [5 entspricht]. Im vorliegenden Experiment das Plenum ist die Vakuumfähigkeiten Region und der Empfänger ist der untere Druck-Region. Weiter, die Geschwindigkeit in das Plenum ist vernachlässigbar, und es kann stagnieren mit sehr guter Näherung betrachtet werden. Infolgedessen könnte Gleichung (1) verwendet werden, um der Geschwindigkeit an der Vena Vertragfestzustellen, wie folgt:

(3)

Hier, ist der Druckunterschied zwischen dem Plenum und dem Empfänger. Im Allgemeinen ist die Kontraktion Verhältnis zwischen die Spaltbreite und die Vena Contracta sehr ungefähr [5, 6, 7]:

(4)

Daher der Massendurchsatz abgeschätzt werden (3) und (4) wie folgt:

(5)

Hier, ist der Bereich der Vena Contracta.

Abbildung 1 . Schematische Darstellung der Grundkonfiguration. Ein Flugzeug Jet verlässt das Plenum in den Empfänger durch einen Spalt der Breite W. Der Strahl trifft auf eine geneigte Platte und es beim Ausüben einer Druckbelastung auf der Oberfläche (gestrichelte Linie) umgelenkt wird. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

1. Einstellen der Anlage

1. Stellen Sie sicher, dass in der Anlage gibt es keine Strömung.
2. Setzen Sie die Instrumente nach dem Schaltplan in Abbildung 2.
3. Passen Sie die Platte auf den gewünschten Winkel . Tragen Sie diesen Wert in Tabelle 1.
4. Messen Sie die Jet-Düse-Breite w. Tragen Sie diesen Wert in Tabelle 1.
5. Messen Sie die Platte L. Datensatz dieser Wert in der Tabelle 1.
6. Der Drucksensor auf Null.
7. Beachten Sie die Kalibrierung Konstante der Druckaufnehmer, m_p (Pa/V). Tragen Sie diesen Wert in Tabelle 1.
8. Verbinden Sie den Hochdruck-Port des Wandlers (gekennzeichnet als +) zu den Druckmessstutzen des Plenums (gekennzeichnet als ).
9. Da die Vorgänge im Inneren des Empfängers stattfinden, verlassen den Niederdruck Hafen des Wandlers (gekennzeichnet als-) geöffnet, den Druck im Empfänger zu spüren ().
10. Starten Sie die Fluss-Anlage (FLL).
11. Verwenden Sie den digitalen Multimeter die Spannung aufzeichnen (V) verbunden mit der Druckdifferenz zwischen dem Plenum und den Empfänger von der Drucksensor spürte. Tragen Sie diesen Wert in Tabelle 2.
12. Verwenden Sie die Kalibrierung konstant m_p von 1,7 die Druckdifferenz zwischen dem Plenum und den Empfänger zu bestimmen (). Notieren Sie sich dieser Wert auf Tabelle 2.

Abbildung 2: Details des Datenerfassungssystems. Schaltplan für Ausrüstung Verbindungen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Tabelle 1. Grundparameter für experimentelle Studie.

2. Durchführung des Experiments

1. Verbinden Sie den Hochdruck-Port des Wandlers (gekennzeichnet als +) an den gemeinsamen Anschluss des Ventils Scan. Verlassen den Niederdruck Hafen des Wandlers (gekennzeichnet als-) geöffnet, den Druck im Empfänger zu spüren ().
2. Hause das Scan Ventil, Ihre Messung von den ersten Druck zu starten Tippen Sie auf Position.
3. Führen Sie die Traverse VI (LabView virtuelles Instrument).
4. Geben Sie die Kalibrierung konstant m_p in der VI.
5. Legen Sie die Sampling-Rate auf 100Hz und die Summe der Proben bis 500 (d.h. 5 Sekunden von Daten).
6. Geben Sie in das VI die Position () von den Druckmessstutzen aus welche Platte-Druck Daten erworben werden werden. Berücksichtigen Sie, dass die Druckverschlüssen von 25,4 mm verteilt sind. Daher werden die Position mm, wo ist der Index des Gewindebohrers beginnend bei 0.
7. Notieren Sie die Daten. Das VI wird die Druckdifferenz zwischen dem Druck Hahn und der Empfänger lesen (.
8. Der Scan Ventil Schritt auf die nächste Position tippen.
9. Wiederholen Sie die Schritte 2,6 bis 2,8 bis alle Druckverschlüssen durchlaufen werden.
10. Am Ende enthält die VI eine Tabelle und ein Grundstück von Hahn Stellung gegen Druck.
11. Stoppen Sie das VI.
12. Ändern Sie die Position von die Steuerplatte Flow, Flow-Bereich rund um die Hälfte schließen (siehe Abbildung 3 als Referenz). Dies wird die Durchflussmenge ändern. Verwenden Sie Gleichung (5), um den Wert dieser Durchflussmenge bestimmen.
13. Wiederholen Sie die Schritte 2,3 bis 2.11 für die neue Position der Flow Control Platte.
14. Ändern Sie den Winkel der Impingement-Platte und legen Sie die Steuerplatte fließen in seine Ausgangsposition zurück.
15. Wiederholen Sie die Schritte 2,3 bis 2.14 für 80^o, 70^o60^o, 50^ound 45^o.

Abbildung 3. Experimentelle Einstellung. Testabschnitt. Links: Impingement Platte vor Schlitz. Vakuumfähigkeiten Luft wird aus dem Plenum in den Empfänger durch diesen Schlitz abgeführt. Mitte: Druckverschlüssen an der Impingement-Platte angeschlossen sind in der Scan Ventil zum Beispiel eine zu einem Zeitpunkt verteilt. Rechts: Impingement Platte vor Empfänger Entlastung. Die Entlastung hat ein Lochblech, Durchflussmenge regulieren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

3. Analyse

1. Zeichnen Sie für jeden Neigungswinkel die Druckdaten für beide Volumenströme.
2. Verwenden Sie die experimentellen Daten, um die Kraft auf die Platte, die anhand der Gleichung (2) abzuschätzen.
3. Bestimmen Sie die Jet-Geschwindigkeit an der Vena Contracta mit Gleichung (3).
4. Schätzung des Massenstroms nach Gleichung (5).

Abbildung 4 zeigt vier Sätze von Ergebnissen für den Flugzeug-Jet Auftreffen auf einem Teller in zwei verschiedenen Winkeln und zwei unterschiedliche Durchflussmengen. In der Tat, da der Niederdruckseite des Wandlers an den Empfänger geöffnet wird, seine Lesungen entsprechen nur der Überdruck , welche in der Tat sind die Punkte, die in Abbildung 4dargestellt.

Abbildung 4 . Repräsentative Ergebnisse. Druckverteilung entlang der Platte für zwei Winkel und zwei Volumenströme. Symbole stehen für: : , m/s; : , m/s; : , m/s; : , m/s.

Nach Abbildung 4sind die Profile für 90^o Impingement höher als die für 70^o Impingement. Der Grund für dieses Verhalten ist, dass Stagnation Streamline für den ersten Fall der Fluss Mittellinie, d. h. Streamline für Peak Velocity und folglich maximale Staudruck entspricht. Während die Stagnation Streamline bewegt sich weg von der Spitze-Geschwindigkeit-Linie und beugt sich vom ursprünglichen Speicherort als verringert der Winkel auftreffen. Dieser Effekt wird in Abbildung 1(A) skizziert, und es ist auch der Grund, warum der Spitzendruck in der Druckverlauf bewegt sich weg von der Mitte der Platte.

Wie erwartet, abnimmt der maximale Druck mit Durchfluss (geschlossene Symbole in Abbildung 4), da gibt es eine generelle Senkung in kinetische Energie und damit in Staudruck als der Flow Rate sinkt. Dieser maximale Druck ist in der Tat ein gewisses Maß an der Ruhedruck, , zuvor erläutert. Für den Fall der Düse Auftreffen der Platte um 90^o, das ist eine genaue Messung der weil die Druckmessstutzen mit der Mittellinie, ergo Stagnation Streamline, der Jet fällt. Aber wie in Abbildung 1a, Stagnation Streamline biegt vom ursprünglichen Speicherort abnehmender Winkel auftreffen. Unter diesen neuen Bedingungen ist nicht garantiert, dass diese Streamline mit Druckmessstutzen am Standort Impingement genau zusammenfallen wird. Daher beobachtet den Spitzendruck im Impingement Winkel als 90^o ist nur eine Annäherung an .

Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse in experimentellen Messungen für zwei verschiedene auftreffenden Winkel und Durchflussmengen.

Tabelle 2 . Repräsentative Ergebnisse.

Die hier vorgestellten Experimente demonstriert das Zusammenspiel von Druck und Geschwindigkeit zu erzeugen lädt in Objekten durch Umwandlung der Staudruck in statischen Druck. Diese Konzepte wurden mit einem Flugzeug Jet Auftreffen auf einem flachen Teller in zwei verschiedenen Winkeln und zwei verschiedene Flussraten demonstriert. Die Experimente zeigten deutlich, dass die Last ist am höchsten im Staupunkt, wo der dynamische Druck in statischen Druck umgewandelt wird, und seine Größe verringert sich die Höhe der Umstellung von dynamischer auf statische Abnahmen an Positionen Weg von der Staupunkt. Der Einfallswinkel wirkt sich die Gesamtbelastung zu reduzieren, weil es die Totaldruck verschiebt sich von einem zeitgleich mit der Mittellinie (Höchstgeschwindigkeit) an eine Streamline mit geringeren Staudruck.

Diese Experimente dienten auch zeigen, wie man die Gesamtlast auf das Objekt ausgesetzt, den Fluss durch die Integration von numerisch Druckverschlüssen gewonnenen Daten zu bestimmen. Darüber hinaus diente die umgekehrte Umwandlung von statischen Druck in Staudruck auch zur Schätzung der Geschwindigkeit und Massenstrom des Jets. In der Folge kann das Zusammenspiel von Druck und Geschwindigkeit für die Strömung Diagnostik verwendet werden.

Ein Konzept, das nicht in dem vorliegenden Experiment erforscht wurde ist Velocimetry durch Pitot - Sonden statische. Dies sind Sonden, die den Unterschied zwischen Stagnation und statische Drücke, der ist genau das, was in Gleichung (3) verwendet wurde, um die Geschwindigkeit zu bestimmen in der Vena Contractadirekt zu messen. Beachten Sie, dass, zumindest in der 90^o Winkelplatte, die zentrale Druckmessstutzen Staupunkt, so dass es eine Pitot-Sonde direkt ausgesetzt ist. Da der Drucksensor den Druck der einzelnen Druckmessstutzen des Empfängers Druck vergleicht, das Ergebnis ist ein direktes Maß für . Bei der Substitution von diese Messung in Gleichung (3) ergibt sich die Geschwindigkeit eines Punktes auf der Stagnation Streamline in der Nähe der Staupunkt noch außerhalb dessen Radius des Einflusses liegt. Diese Messung ist von begrenztem Nutzen in diesem Experiment, weil die genaue Lage dieses Punktes auf Stagnation Streamline nicht bekannt ist.

Wie bereits erwähnt, können Druckmessungen zur Strömungsgeschwindigkeit ermitteln. In der hier beschriebenen Anwendung die Änderung im Druck zwischen Plenum und die Empfänger waren genug, um die durchschnittliche Geschwindigkeit auf der Vena Contractaschätzen. Aus Gleichung (3) es auch erwähnt, dass übrigens den Druckmessstutzen zeitgleich mit der Staupunkt ein Staurohr, die in Verbindung mit einer Sonde verwendet werden kann, der statische Druck, Strömungsgeschwindigkeit bestimmen sensing ist (Substitution von mit und mit ). In der Tat möglicherweise ein einzelnes Gerät kombiniert eine Pitot-Sonde und eine statische Sonde, bekannt als Prandtl-Rohr, das ausgedehnteste Diagnosegerät in Flüssigkeiten engineering, um die Geschwindigkeit zu messen. Wie in Abbildung 5 dargestellt, besteht aus zwei konzentrischen Rohren diese Sonde. Das innere Rohr sieht sich die Strömung um den Ruhedruck zu erkennen, und die äußere Röhre hat eine Reihe von Anschlüsse Seite dieses Gefühl der statische Druck. Ein Sensor wie ein Drucksensor oder einer Flüssigkeitssäule Manometer eingesetzt wird, um den Unterschied zwischen diesen beiden bestimmen Druck, um die Geschwindigkeit von Gleichung (3) zu schätzen (wieder, Substitution von mit und mit ). Wie diese, oder eine Kombination aus einem Pitot-Sonde und eine unabhängige statische Sonde werden in der Tat in Flugzeugen verwendet, um festzustellen, die Geschwindigkeit des Windes im Verhältnis zu dem Flugzeug.

Abbildung 5 . Fließen Sie Velocimetry. Pitot-Statik (oder Prandtl) Sonde die Geschwindigkeitsverteilung, basierend auf der Staudruck zu bestimmen. Diese Sonde wird über das Strömungsfeld bestimmen die Geschwindigkeit an verschiedenen Positionen durchlaufen. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

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2. Tropea, C., A.L. Yarin, and J.F. Foss. Springer handbook of experimental fluid mechanics. Vol. 1. Springer Science & Business Media, 2007.
3. White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
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