Determinazione delle forze di impingement su una piastra piana con il metodo del volume di controllo

Fonte: Ricardo Mejia-Alvarez e Hussam Hikmat Jabbar, Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Michigan State University, East Lansing, MI

Lo scopo di questo esperimento è quello di dimostrare le forze sui corpi come risultato di cambiamenti nel momento lineare del flusso intorno a loro usando una formulazione del volume di controllo [1, 2]. L'analisi del volume di controllo si concentra sull'effetto macroscopico del flusso sui sistemi di ingegneria, piuttosto che sulla descrizione dettagliata che potrebbe essere ottenuta con un'analisi differenziale. Ognuna di queste due tecniche ha un posto nella cassetta degli attrezzi di un analista di ingegneria e dovrebbero essere considerate approcci complementari piuttosto che concorrenti. In generale, l'analisi del volume di controllo darà all'ingegnere un'idea dei carichi dominanti in un sistema. Questo darà a lei / lui una sensazione iniziale su quale percorso perseguire quando si progettano dispositivi o strutture, e dovrebbe idealmente essere il passo iniziale da fare prima di perseguire qualsiasi progettazione o analisi dettagliata tramite formulazione differenziale.

Il principio principale alla base della formulazione del volume di controllo è quello di sostituire i dettagli di un sistema esposto a un flusso di fluido con un diagramma semplificato del corpo libero definito da una superficie chiusa immaginaria soprannominata volume di controllo. Questo diagramma dovrebbe contenere tutte le forze di superficie e del corpo, il flusso netto di quantità di moto lineare attraverso i confini del volume di controllo e la velocità di variazione del momento lineare all'interno del volume di controllo. Questo approccio implica la definizione intelligente del volume di controllo in modi che semplificano l'analisi allo stesso tempo che catturano gli effetti dominanti sul sistema. Questa tecnica sarà dimostrata con un jet aereo che impatta su una piastra piana a diverse angolazioni. Utilizzeremo l'analisi del volume di controllo per stimare il carico aerodinamico sulla piastra e confronteremo i nostri risultati con le misurazioni effettive della forza risultante ottenuta con un equilibrio aerodinamico.

1. Impostazione della struttura

1. Assicurati che non ci sia flusso nella struttura.
2. Collegare la porta positiva del trasduttore di pressione al rubinetto di pressione plenum ( ).
3. Lasciare la porta negativa del trasduttore di pressione aperta all'atmosfera ( ).
4. Registrare il fattore di conversione del trasduttore da Volt a Pascal ( ).

La Figura 3 mostra un confronto tra il carico normale sulla piastra piana misurato direttamente da un equilibrio aerodinamico e stimato dalla conservazione della quantità di moto lineare. In generale, l'analisi del momento lineare ha catturato la tendenza dominante delle misurazioni dirette al variare dell'angolo di impingement. Le discrepanze in queste misurazioni variavano in modo non monotono con l'angolo di impingement. Per gli angoli di impingement nell.

Abbiamo dimostrato l'applicazione dell'analisi del volume di controllo della conservazione del momento lineare per determinare le forze esercitate da un getto che impatta su una piastra piana. Questa analisi si è rivelata semplice da applicare e ha fornito una stima soddisfacente dei carichi senza richiedere una conoscenza dettagliata del modello di flusso attorno alla piastra. Sebbene ci fossero alcune discrepanze (sia in grandezza che in tendenza) dovute all'assunzione di base della trasformazione inviscida della quan.

1. White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
2. Munson, B.R., D.F. Young, T.H. Okiishi. Fundamentals of Fluid Mechanics. 5^th ed., Wiley, 2006.
3. Buckingham, E. Note on contraction coefficients of jets of gas. Journal of Research,6:765-775, 1931.
4. 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.