مهندسی نساجی گیلان:. گیل تکس

سایت تخصصی نساجی و پوشاک

مهندسی نساجی گیلان:. گیل تکس

سایت تخصصی نساجی و پوشاک

آزمایش دهم :برخورد جت آب به اجسام

 

آزمایش دهم :برخورد جت آب به اجسام

هدف آزمایش :

  هدف از این آزمایش اندازه گیری نیروی حاصل از برخورد یک جت آب به یک سطح صاف یا نیمکره بطریقه تجربی و مقایسه این نیرو با تغییرات مقدار حرکت خطی جت آب نسبت به زمان می باشد .

تئوری آزمایش:

  یکی از مسائل مورد مطالعه در مکانیک سیالات، بررسی نیروی ناشی از برخورد سیال متحرک به موانع می باشد. از جمله موارد کاربرد پدیده مذکور استفاده از انرژی سیال تحت فشار برای تولید انرژی مکانیکی و الکتریکی است که به عنوان مثال می توان به کاربرد آن در توربین های آبی (سد ها) و توربین های بخار در نیروگاه های حرارتی اشاره کرد. یک نمونه دیگر آن برخورد جت آب به پره های چرخ پلتون است نیروی حاصل از تغییرات مقدار حرکت خطی ( ممنتوم خطی ) آب باعث بگردش در آمدن چرخ می شود.

  وقتی که یک جت آب به مانعی برخورد کرده و امتداد سرعت آن تغییر می کند طبق رابطه ممنتوم خطی نیرویی بر مانع اعمال می شود. مانع متقارنی را مطابق شکل(1) در نظر بگیرید که جت آب با دبی جرمی  بر حسب  و با سرعت  بر حسب  به آن برخورد کرده و به اندازه  تغییر جهت می دهد. ( دبی جرمی از حاصلضرب دبی حجمی در جرم مخصوص سیال بدست می آید :   )

با توجه به قوانین مکانیک سیالات می توان نوشت اندازه حرکت ورودی در جهت x برابر است با  بر حسب  همچنین مقدار اندازه حرکت خروجی پس از مانع برابر است با  بر حسب  . با توجه به قوانین بقای اندازه حرکت می توان نوشت:

 

                                           تغییر اندازه حرکت در امتداد x = نیروی وارده در جهت x

 

یا به عبارت ریاضی :

                                (10-1)                                                                 

بنابر این با داشتن مقادیر و جهت های سرعت ورودی و خروجی می توان نیروی وارد بر جسم از طرف سیال را محاسبه کرد و رابطه (1-10) را برای حالت های خاص ساده نمود.

 

 

برخورد جت آب به مانع نیمکره ای:

در صورتی که سطح مانع در مقابل جریان آب مطابق شکل(2- الف) به شکل یک نیمکره توخالی (فنجانی شکل) باشد، زاویه خروج آب  بوده و داریم  بنابر این نیروی وارده به مانع در این حالت برابر است با

 

در صورتی که از اختلاف ارتفاع و تغییرات فشار پیزومتریک صرف نظر کنیم، می توانیم فرض کنیم که  بنابر این نیروی وارده به مانع فنجانی معادل است با:      

 (10-2)                                           

برخورد جت آب به مانع مسطح:

در صورتی که سطح مانع در مقابل جریان آب مسطح و عمود بر محور x مطابق شکل(2- ب ) باشد، داریم: ، بنابر این ؛ لذا رابطه قبل به صورت زیر در می آید:

                                                                     (10-3)                                                     در برخی از نقاط برای پخش آب و مستهلک کردن انرژی از مانع مسطح در مقابل جریان استفاده می شود که نیروی وارده به مانع مسطح با استفاده از رابطه فوق محاسبه می شود. قابل ذکر است که این نوع موانع برای دبی های زیاد به علت فرسایش بالا و ضریب بازدهی پایین ، کمتر استفاده می شوند.


                 2-الف                                                    2- ب

شکل 2

شرح دستگاه و روش آزمایش :

  وسیله مورد آزمایش در شکل (3) نشان داده شده است . مانع مسطح یا نیمکره ای در امتداد عمود بر مسیر جت در داخل ظرفی استوانه ای و شفاف قرار می گیرد جت آب بعد از برخورد با مانع تعادل آن را بر هم می زند .توسط جابجا کردن وزنه ای بر روی یک اهرم متصل به مانع می توان مجدداً مانع را درحالت اولیه متعادل نمود تعیین وضعیت تعادل توسط یک شاقول متصل به اهرم معلوم می شود.

با توجه به معادله لنگر ناشی از نیروهای وارده به اهرم بالای دستگاه می توان رابطه زیر را نوشت :

                 (فاصله وزنه تا موقعیت صفر)*( جرم وزنه)=( فاصله مرکز مانع از محور اهرم )*( نیروی وارد بر مانع )

                                            (10-4)                                              

درصورتی که سرعت خروج آب از شیپوره (Nozzle)  باشد و فاصله شیپوره از مانع برابر Z باشد، سرعت برخورد آب با مانع مسطح یا فنجانی از رابطه زیر بدست می آید:

                                           (10-5)                                               

تعدادی از مشخصات لازم دستگاه جهت محاسبات به قرار زیر است :

·         قطر دهانه شیپوره     d = 10 mm

·         فاصله مرکز مانع تا نقطه اتکا اهرم ( لولا )

·         فاصله مانع تخت تادهانه شیپوره28 mm   Z =و فاصله مانع کروی تا دهانه شیپوره Z =17.5mm

مراحل انجام این آزمایش به صورت زیر است:

1- مانع مورد نظر (مانع فنجانی یا مسطح) را با استفاده از آچار مناسب در داخل دستگاه نصب نمایید.

2- با استفاده از وزنه ای که بر روی اهرم سوار است دستگاه را تراز می کنیم به گونه ای که اهرم در حالت تعادل کاملا˝ افقی باشد (با تنظیم شیارهای حک شده روی شاهین)

3- دبی را به میزان حداکثر افزایش داده و آن را اندازه می گیریم.

4- بعد از تنظیم دستگاه و کامل باز نمودن شیر خروجی پمپ جت آب با حداکثر دبی خود با مانع برخورد می کند اهرم را از وضعیت تعادل اولیه خود خارج می کند.برای اینکه اهرم دوباره به حالت تعادل برسد وزنه روی اهرم را جابجا کرده و موقعیت شیار نشانگر وزنه را بر روی اهرم یادداشت می کنیم.

5- دبی را مقداری کاهش داده ، آن را اندازه می گیریم و گام چهارم را انجام می دهیم.

6- گام های 3و4و5 را برای مانع مسطح و فنجانی تکرار می کنیم به صورتی که برای هر مانع 10 بار اندازه گیری دبی Q و فاصله شده باشد.

باید توجه داشت که اندازگیری سرعت برخورد آب با مانع عملاً مشکل است ولیکن با داشتن دبی جریان و سطح مقطعی از جت آب می توان سرعت جت را در آن مقطع تعیین نموده و با داشتن فاصله بین مقطع معلوم و مانع سرعت برخورد جت را تعیین نمود .

قبل از شروع آزمایش می بایست با قراردادن شیار وزنه متحرک روی فاصله صفر با مهره تنظیم بالای فنر اهرم را باشاقول تراز نموده سپس آزمایش را در دو مرحله یکبار با مانع مسطح و بار دیگر با مانع نیمکره ای انجام داد. تعیین وضعیت شاقول و شیار وزن متحرک در شکل(4)نشان داده شده است .

 

 

 

 

شکل 4- وزنه و شاقول در وضعیت تعادل


 

 

نتایج ومحاسبات :

1- نتایج حاصل ازدو مرحله آزمایش را که شامل تعیین دبی (مقدار جرم آب جمع شده و زمان آن) و تغییر مکان وزنه متحرک (Lw) است، در دو جدول جداگانه ،یکی برای مانع فنجانی و دیگری برای مانع مسطح یادداشت نمایید.

با داشتن دبی و سطح مقطع شیپوره سرعت خروج آب از شیپوره (( را بدست آوریدو با کمک رابطه (5-10 )، سرعت برخورد جت آب با مانع) u ) را محاسبه کنید. با استفاده از روابط (10-2) و(10-3) نیروی تئوری(  ) مؤثر بر هر مانع را حساب نمایید. با استفاده از جرم وزنه متحرک و فاصله آن از نقطه اتکاء اهرم (لولا) و فاصله مانع تا نقطه اتکاء اهرم، نیروی تجربی ( ) مؤثر بر مانع را بدست آورید. برای محاسبه آن به شکل زیر دقت کنید:

رابطه گشتاور را حول o می نویسیم :

                                                                     (10-6)

 

: فاصله وزنه متحرک از o (لولا)

: فاصله مانع از o (لولا)

در رابطه (10-6) مقدارg 9.81 متر بر مجذور ثانیه است و  جابجایی وزنه متحرک بر حسب متر است .با توجه به واحد های فوق مقدار نیروی تجربی موثر بر حسب نیوتن بدست خواهد آمد.

2- منحنی تغییرات  را برای هر یک از مانع ها رسم کنید ( محور افقی و  محور قائم). منحنی بهترین خط را برازش دهید و معادله آن را بنویسید.

3- با مقایسه نتایج اندازه گیری شده کنترل کنید که آیا نیروی مهار شده توسط مانع فنجانی دو برابر مانع مسطح است یا خیر. همچنین در صورتی که خط برازش داده شده به منحنی مانع مسطح از مبداء عبور نمی کند، علت را شرح دهید.

4- رابطه (10-6) را اثبات نمایید.

5- اگر سرعت خروج آب در نصف سطح مقطع مانع معادل 1.5u و در نصف دیگر معادل 0.5u باشد، چه تغییری در نتایج حاصل خواهد شد.

6- نقش نیروهای اصطکاکی را در هر مانع بررسی نمایید.

7- با توجه به محاسبات به عمل آمده کدام یک از مانع ها را برای استفاده در توربین ها پیشنهاد می کنید. علت را توضیح دهید.

 

مدیر سایت دوشنبه 29 آذر‌ماه سال 1389 ساعت 04:16 ب.ظ
نظرات 0 + ارسال نظر
برای نمایش آواتار خود در این وبلاگ در سایت Gravatar.com ثبت نام کنید. (راهنما)
ایمیل شما بعد از ثبت نمایش داده نخواهد شد