Хвала вам што сте посетили Натуре.цом. Верзија претраживача коју користите има ограничену подршку за ЦСС. За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или искључите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у). У међувремену, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказаћемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Експерименти су изведени у правоугаоном каналу блокираном попречним линијама четири нагнута цилиндрична штапа. Притисак на средишњу површину шипке и пад притиска у каналу мерени су варирањем угла нагиба штапа. Тестирана су три склопа шипки различитог пречника. Резултати мерења се анализирају применом принципа очувања момента кретања који се узима у обзир као полупроменљиви параметар без параметра. повезати притисак на критичним локацијама система са карактеристичним димензијама штапа. Утврђено је да принцип независности важи за већину Ојлерових бројева који карактеришу притисак на различитим локацијама, тј. ако је притисак бездимензионални користећи пројекцију улазне брзине нормалне на штап, скуп је независан од угла пада.Добијена полу-емпиријска корелација се може користити за пројектовање сличне хидраулике.
Многи уређаји за пренос топлоте и масе састоје се од скупа модула, канала или ћелија кроз које флуиди пролазе у мање или више сложеним унутрашњим структурама као што су шипке, пуфери, уметци, итд. У скорије време, поново се појавио интерес за стицање бољег разумевања механизама који повезују дистрибуцију унутрашњег притиска и сила на сложене унутрашње делове са укупним падом притиска модула. за нумеричке симулације и све већу минијатуризацију уређаја. Недавне експерименталне студије унутрашње дистрибуције притиска и губитака обухватају канале храпаве ребрима различитих облика 1, ћелије електрохемијског реактора 2, капиларно сужење 3 и материјале решеткастог оквира 4 .
Најчешће унутрашње структуре су вероватно цилиндричне шипке кроз модуле јединица, било у пакету или изоловано. Код измењивача топлоте, ова конфигурација је типична на страни омотача. Пад притиска на страни омотача повезан је са дизајном измењивача топлоте као што су генератори паре, кондензатори и испаривачи. У недавној студији, Ванг ет ал.5 је пронашло стање протока поновног везивања и ко-одвајања у тандем конфигурацији шипки. Лиу и сар.6 су измерили пад притиска у правоугаоним каналима са уграђеним дуплим цевним сноповима у облику слова У са различитим угловима нагиба и калибрисали нумерички модел који симулира снопове штапова са порозним медијима.
Као што се и очекивало, постоји велики број конфигурационих фактора који утичу на хидрауличне перформансе групе цилиндара: тип распореда (нпр. распоређени или у линији), релативне димензије (нпр. корак, пречник, дужина) и угао нагиба, између осталог. Неколико аутора се фокусирало на проналажење бездимензионалних критеријума за вођење дизајна за хватање комбинованих ефеката геометријских параметара, у недавној студији геометријских параметара и др.7 је предложио ефикасан модел порозности користећи дужину јединичне ћелије као контролни параметар, користећи тандемске и распоређене низове и Рејнолдсове бројеве између 103 и 104. Снарски8 је проучавао како спектар снаге, од акцелерометара и хидрофона причвршћених на цилиндар у воденом тунелу, варира у зависности од смера струјања у и др.9 проучавао је дистрибуцију притиска на зиду око цилиндричне шипке у струјању ваздуха за скретање.Митиаков ет ал.10 је уцртао поље брзине након цилиндра са скретањем користећи стерео ПИВ. Алам ет ал.11 је спровео свеобухватну студију тандемских цилиндара, фокусирајући се на ефекте Рејнолдсовог броја и геометријског односа на осипање вртлога. Били су у стању да идентификују пет стања, односно закључавање, повремено закључавање, без закључавања, субхармоничко закључавање и смицање слоја поновног везивања кроз бројчана стања структуре протока су указала на недавне студије о ограничењу формирања. цилиндри.
Уопштено гледано, очекује се да хидрауличне перформансе јединичне ћелије зависе од конфигурације и геометрије унутрашње структуре, које се обично квантификују емпиријским корелацијама специфичних експерименталних мерења. У многим уређајима који се састоје од периодичних компоненти, обрасци протока се понављају у свакој ћелији, и на тај начин, информације које се односе на репрезентативне ћелије могу да се користе за изражавање укупног хидрауличког модела са вишеструким степеном специфичног понашања структуре. принципи који се примењују се често могу смањити. Типичан пример је једначина пражњења за плочу са отвором 15. У посебном случају косих шипки, било да су у ограниченом или отвореном току, интересантан критеријум који се често цитира у литератури и користи га дизајнери је доминантна хидрауличка величина (нпр. пад притиска, сила, фреквенција вртлога, итд.) Ово се често назива принципом независности и претпоставља да је динамика протока вођена првенствено нормалном компонентом дотока и да је ефекат аксијалне компоненте поравнате са осом цилиндра занемарљив. Иако у литератури не постоји консензус о опсегу валидности овог критеријума, у многим случајевима он даје корисне експерименталне процене у многим случајевима. валидност независног принципа обухватају вибрације изазване вртлогом16 и једнофазни и двофазни просечни отпор417.
У овом раду су приказани резултати проучавања унутрашњег притиска и пада притиска у каналу са попречном линијом од четири нагнута цилиндрична шипка. Измерити три склопа штапова различитих пречника, мењајући угао нагиба. Општи циљ је да се истражи механизам којим је расподела притиска на површини шипке повезана са укупним падом притиска у каналу. Експериментално се анализирају подаци о принципу пада притиска у каналу. хм да се процени валидност принципа независности. Коначно, генеришу се бездимензионалне полуемпиријске корелације које се могу користити за пројектовање сличних хидрауличних уређаја.
Експериментална поставка се састојала од правоугаоне испитне секције која је примала проток ваздуха обезбеђеним од аксијалног вентилатора. Секција за тестирање садржи јединицу која се састоји од две паралелне централне шипке и две полушипке уграђене у зидове канала, као што је приказано на слици 1е, сви истог пречника. Слике 1а–е приказују детаљну геометрију сета сваког дела сета и димензија експеримента. Слика 3 приказује детаљну геометрију скупа процеса.
а Улазни одељак (дужина у мм). Креирајте б помоћу Опенсцад 2021.01, опенсцад.орг.Главни тест део (дужина у мм).Креирано са Опенсцад 2021.01, опенсцад.орг ц Поглед попречног пресека главног тестног одељка (дужина у мм).Креирано коришћењем Опенсцад 2021.01, опенсцад.орг, д експорт.0 мм.г. снимљено са Опенсцад 2021.01, експлодирани приказ одељка тестова на опенсцад.орг е. Креирано са Опенсцад 2021.01, опенсцад.орг.
Тестирана су три сета шипки различитих пречника.Табле 1 наводи геометријске карактеристике сваког случаја. Шипке су монтиране на продор у односу на њихов угао у односу на то да варира између 90 ° и 30 ° (сликама и 30 ° (сликама и 3 и 3 године и они су усредсређени на нерђајуће од нехрђајућег челика, а они су у центру од нерђајућег челика, а они су усредсређени на нерђајуће од нехрђајућег челика.
Брзина улазног протока тестног одељка је измерена калибрисаном вентуријевом цевчицом, као што је приказано на слици 2, и праћена коришћењем ДП Целл Хонеивелл СЦКС. Температура флуида на излазу из тест секције је мерена термометром ПТ100 и контролисана на 45±1°Ц. Да би се обезбедила равна брзина дистрибуције турбулентне воде, и смањили улазни ниво протока воде кроз три металне решетке на нивоу улазног канала за воду. .Између последњег сита и шипке коришћено је таложење од приближно 4 хидрауличка пречника, а дужина испуста је била 11 хидрауличних пречника.
Шематски дијаграм Вентуријеве цеви која се користи за мерење улазне брзине протока (дужина у милиметрима). Креирано са Опенсцад 2021.01, опенсцад.орг.
Надгледати притисак на једној од страна централне шипке помоћу славине за притисак од 0,5 мм у средњој равни испитног дела. Пречник славине одговара углом распону од 5°;стога је угаона тачност приближно 2°. Надгледана шипка може да се ротира око своје осе, као што је приказано на слици 3. Разлика између површинског притиска шипке и притиска на улазу у испитни одељак се мери помоћу диференцијалне ћелије Хонеивелл СЦКС серије ДП Целл. Ова разлика притиска се мери за сваки распоред шипки, променљиву брзину протока, угао \у \у \у\угао(а)
Подешавања протока. Зидови канала су приказани сивом бојом. Проток тече с лева на десно и блокиран је штапом. Имајте на уму да је поглед „А“ окомит на осу шипке. Спољне шипке су полу-уграђене у бочне зидове канала. Угломер се користи за мерење угла нагиба \ре.\алпха.0, Опен \у003д, отворен са 1 цад.
Сврха експеримента је мерење и тумачење пада притиска између улаза канала и притиска на површини централног штапа, \(\тхета\) и \(\алпха\) за различите азимуте и падове. Да сумирамо резултате, диференцијални притисак ће бити изражен у бездимензионалном облику као Ојлеров број:
где је \(\рхо \) густина флуида, \({у}_{и}\) је средња улазна брзина, \({п}_{и}\) је улазни притисак, а \({п }_{ в}\) је притисак у датој тачки на зиду шипке. Брзина на улазу је фиксирана у оквиру три различита опсега одређена отварањем вентила за резултат до 1 оци/великости отварања доводног вентила. Рејнолдсов број канала, \(Ре\екуив {у}_{и}Х/\ну \) (где је \(Х\) висина канала, а \(\ну \) кинематичка вискозност) између 40.000 и 67.000. Рејнолдсов број штапа (\(Ре\екуив {у\с/с до 0.65) је у опсегу од 0.0 до 65. напетост процењена релативном стандардном девијацијом сигнала забележених у вентури је у просеку 5%.
На слици 4 приказана је корелација \({Еу}_{в}\) са азимутским углом \(\тхета \), параметризована са три угла спуштања, \(\алпха \) = 30°, 50° и 70°. Мерења су подељена у три графикона према пречнику штапа. Може се видети да је брзина протока независна у оквиру експеримента Е. општа зависност од θ прати уобичајени тренд притиска на зиду око периметра кружне препреке. Под угловима окренутим према струјању, тј. θ од 0 до 90°, притисак на зиду шипке опада, достижући минимум на 90°, што одговара размаку између шипки где је брзина највећа због ограничења протока од θ до границе протока 9°. 00°, након чега притисак остаје равномеран због одвајања задњег граничног слоја зида шипке. Имајте на уму да нема промене угла минималног притиска, што сугерише да су могући поремећаји из суседних смичућих слојева, као што су Коанда ефекти, секундарни.
Варијација Ојлеровог броја зида око штапа за различите углове нагиба и пречнике штапа. Креирано са Гнуплот 5.4, ввв.гнуплот.инфо.
У наставку ћемо анализирати резултате на основу претпоставке да се Ојлерови бројеви могу проценити само помоћу геометријских параметара, тј. односа дужине обележја \(д/г\) и \(д/Х\) (где је \(Х\) висина канала) и нагиба \(\алпха \). Популарно практично правило за град каже да је по структури флуида детерминисана шипком велицина. до осе штапа, \({у}_{н}={у}_{и}\матхрм {син} \алпха \) .Ово се понекад назива принципом независности. Један од циљева следеће анализе је да испита да ли се овај принцип примењује на наш случај, где су проток и препреке ограничени унутар затворених канала.
Размотримо притисак измерен на предњој страни површине средњег штапа, тј. θ = 0. Према Бернулијевој једначини, притисак на овој позицији \({п}_{о}\) задовољава:
где је \({у}_{о}\) брзина флуида у близини зида штапа при θ = 0, и претпостављамо релативно мале неповратне губитке. Имајте на уму да је динамички притисак независан у термину кинетичке енергије. Ако је \({у}_{о}\) празан (тј. стагнирајући услов), Ојлерови бројеви би требало да се унифицирају. Резултат је уједначен. Еу}_{в}\) је близу, али није потпуно једнака овој вредности, посебно за веће углове пада. Ово сугерише да брзина на површини штапа не нестаје на \(\тхета =0\), што може бити потиснуто навише скретањем струјних линија које ствара нагиб штапа. Пошто је проток ограничен на врх и дно растућег одсека, ова рецидивна деформација би требало да створи ак дно растућег дела на дну и смањење брзине на врху. Под претпоставком да је величина горњег отклона пројекција улазне брзине на осовину (тј. \({у}_{и}\матхрм{цос}\алпха \)), одговарајући резултат Ојлеровог броја је:
Слика 5 упоређује једначине. (3) Показује добро слагање са одговарајућим експерименталним подацима. Просечно одступање је било 25%, а ниво поузданости 95%. Имајте на уму да је једначина.(3) У складу са принципом независности. Исто тако, Слика 6 показује да Ојлеров број одговара притиску на задњу шипку, и на задњој површини сегмента \, 0}, на задњој површини сегмента \ 0}. \({п}_{е}\), Такође прати тренд пропорционалан \({\матхрм{син}}^{2}\алпха \). У оба случаја, међутим, коефицијент зависи од пречника шипке, што је разумно пошто овај други одређује ометану област. Ова карактеристика је слична паду притиска плоче са отвором, где је проточна плоча смањена у односу на специфичну локацију пробног дела. штапови.У овом случају, притисак значајно опада при пригушивању и делимично се опоравља како се шири уназад. Узимајући у обзир ограничење као блокаду окомиту на осу шипке, пад притиска између предњег и задњег дела шипке може се написати као 18:
где је \({ц}_{д}\) коефицијент отпора који објашњава враћање парцијалног притиска између θ = 90° и θ = 180°, а \({А}_{м}\) и \ ({А}_{ф}\) је минимални слободни попречни пресек по јединици дужине окомито на осу штапа, а његов однос према пречнику штапа је \ф}(г/д\А Лефт{}(г/д\А Лефт) )/г\).Одговарајући Ојлерови бројеви су:
Зидни Ојлеров број на \(\тхета =0\) као функција дип.Ова крива одговара једначини.(3).Креирано са Гнуплот 5.4, ввв.гнуплот.инфо.
Зидни Ојлеров број се мења, у \(\тхета =18{0}^{о}\) (знак пун) и излаз (знак празно) са дипом. Ове криве одговарају принципу независности, тј. \(Еу\пропто {\матхрм{син}}^{2}\алпха \).Креирано са Гнуплот 5.4, ввв.гнуплот, ввв.гнуплот.
На слици 7 приказана је зависност \({Еу}_{0-180}/{\матхрм{син}}^{2}\алпха \) од \(д/г\), показујући екстремно добру конзистенцију.(5). Добијени коефицијент отпора је \({ц}_{д}=1,28\пм 0,02\) од 67% вредности укупног притиска који такође показује укупан пад притиска Ли у вредности од 67%. и излаз тестне секције прати сличан тренд, али са различитим коефицијентима који узимају у обзир опоравак притиска у задњем простору између шипке и излаза канала. Одговарајући коефицијент отпора је \({ц}_{д}=1.00\пм 0.05\) са нивоом поузданости од 67%.
Коефицијент отпора је повезан са \(д/г\) падом притиска испред и иза шипке\(\лефт({Еу}_{0-180}\ригхт)\) и укупним падом притиска између улаза и излаза канала. Сива област је опсег поузданости од 67% за корелацију.Креирано са Гнуплот 5.4, ввв.гнуплот.инфо.
Минимални притисак \({п}_{90}\) на површини штапа при θ = 90° захтева посебно руковање. Према Бернулијевој једначини, дуж тренутне линије кроз зазор између шипки, притисак у центру\({п}_{г}\) и брзина\({у}_{г}\) у вези са факторима између параметара кованице и између параметара (средњи део канала) је:
Притисак \({п}_{г}\) се може повезати са површинским притиском штапа на θ = 90° интеграцијом расподеле притиска преко процепа који одваја централни штап између средње тачке и зида (види слику 8).Однос снага даје 19:
где је \(и\) координата нормална на површину штапа од централне тачке размака између централних штапова, а \(К\) је закривљеност тренутне линије у позицији \(и\). За аналитичку процену притиска на површину штапа, претпостављамо да је \({у}_{г}\) униформан и \(К\лефт(и\ригхт) је верификована нумеричка линија штапа као што је линија зида А. закривљеност је одређена пресеком елипсе штапа под углом \(\алпха \), тј. \(К\лефт(г/2\ригхт)=\лефт(2/д\ригхт){\ матхрм{син} }^{2}\алпха \) (видети слику 8). Затим, у погледу закривљености струјне линије у координату \нисива = нестајање кривуље на \нисива\ е \(и\) је дато са:
Приказ попречног пресека, напред (лево) и горе (доле). Креирано у програму Мицрософт Ворд 2019,
С друге стране, очувањем масе, средња брзина у равни која је окомита на ток на месту мерења \(\лангле {у}_{г}\рангле \) повезана је са улазном брзином:
где је \({А}_{и}\) површина попречног пресека на улазу у канал и \({А}_{г}\) је површина попречног пресека протока на месту мерења (видети слику 8), односно:
Имајте на уму да \({у}_{г}\) није једнако \(\лангле {у}_{г}\рангле \). У ствари, слика 9 приказује однос брзине \({у}_{г}/\лангле {у}_{г}\рангле \), израчунат једначином.(10)–(14), исцртан према којем се/г однос може идентификовати према диску, а/г тренд се може идентификовати \Де(). има полином другог реда:
Однос максималне\({у}_{г}\) и просечне\(\лангле {у}_{г}\рангле \) брзина централног попречног пресека канала\(.\) Пуне и испрекидане криве одговарају једначинама.(5) и опсегу варијације одговарајућих коефицијената\(\пм 25\% нупло\,т ввв.цре.
Слика 10 упоређује \({Еу}_{90}\) са експерименталним резултатима једначине.(16). Средња релативна девијација је била 25%, а ниво поузданости 95%.
Валл Ојлеров број на \(\тхета ={90}^{о}\).Ова крива одговара једначини.(16).Креирано са Гнуплот 5.4, ввв.гнуплот.инфо.
Нето сила \({ф}_{н}\) која делује на централни штап окомито на његову осу може се израчунати интегрисањем притиска на површину штапа на следећи начин:
где је први коефицијент дужина штапа унутар канала, а интеграција се врши између 0 и 2π.
Пројекција \({ф}_{н}\) у правцу тока воде треба да одговара притиску између улаза и излаза из канала, осим ако је трење паралелно са штапом и мање због непотпуног развоја каснијег пресека. Ток импулса је неуравнотежен.дакле,
Слика 11 приказује график једначина.(20) показује добро слагање за све експерименталне услове. Међутим, постоји благо одступање од 8% десно, што се може приписати и користити као процена неравнотеже момента између улаза и излаза канала.
Баланс снаге канала. Линија одговара једначини. (20). Пирсонов коефицијент корелације био је 0.97. Креирано са Гнуплот 5.4, ввв.гнуплот.инфо.
Мерење угла нагиба штапа, притиска на површинском зиду шипке и пада притиска у каналу са попречним линијама четири нагнута цилиндрична шипка су мерени. Тестирана су три склопа шипки различитог пречника. У тестираном опсегу Рејнолдсових бројева, између 2500 и 6500, Ојлеров број брзине протока је независан од притиска на централној површини шипке, посматрајући тренд централне брзине протока од нас. максимални на предњој страни и минимални на бочном размаку између шипки, опорављајући се на задњем делу због раздвајања граничног слоја.
Експериментални подаци се анализирају коришћењем разматрања о очувању момента и полуемпиријских процена да би се пронашли непроменљиви бездимензионални бројеви који повезују Ојлерове бројеве са карактеристичним димензијама канала и шипки. Све геометријске карактеристике блокирања су у потпуности представљене односом између пречника шипке и размака између шипки (бочно) и висине канала (вертикално).
Утврђено је да принцип независности важи за већину Ојлерових бројева који карактеришу притисак на различитим локацијама, тј. ако је притисак бездимензионални користећи пројекцију улазне брзине нормалне на штап, скуп је независан од угла пада.Поред тога, карактеристика је повезана са масом и импулсом протока. Једначине очувања су конзистентне и подржавају горњи емпиријски принцип. Само површински притисак штапа на размаку између шипки незнатно одступа од овог принципа. Генеришу се бездимензионалне полуемпиријске корелације које се могу користити за пројектовање сличних хидрауличних уређаја. 20,21,22,23,24.
Посебно занимљив резултат произилази из анализе пада притиска између улаза и излаза испитне секције. У оквиру експерименталне несигурности, резултујући коефицијент отпора је једнак јединици, што указује на постојање следећих инваријантних параметара:
Обратите пажњу на величину \(\лефт(д/г+2\ригхт)д/г\) у имениоцу једначине.(23) је величина у заградама у једначини.(4), у супротном се може израчунати са минималним и слободним попречним пресеком окомитим на штап, \({А}_{м}\) и \ф сугеришу у опсегу Ре ин{А} и ф сугеришу у опсегу Реин{А). тренутна студија (40.000-67.000 за канале и 2500-6500 за шипке).Важно је напоменути да ако постоји температурна разлика унутар канала, то може утицати на густину течности.У овом случају, релативна промена Ојлеровог броја може се проценити множењем коефицијента топлотног ширења са максималном очекиваном температурном разликом.
Руцк, С., Кохлер, С., Сцхлиндвеин, Г., анд Арбеитер, Ф. Мерење преноса топлоте и пада притиска у каналу храпавом ребрима различитог облика на зиду.екперт.Хеат Трансфер 31, 334–354 (2017).
Ву, Л., Аренас, Л., Гравес, Ј., анд Валсх, Ф. Карактеризација проточне ћелије: визуализација протока, пад притиска и транспорт масе у дводимензионалним електродама у правоугаоним каналима.Ј.Елецтроцхемистри.Социалист Парти.167, 043505 (2020).
Лиу, С., Доу, Кс., Зенг, К. & Лиу, Ј. Кључни параметри Јамин ефекта у капиларама са суженим попречним пресецима.Ј.Бензин.наука.Британија.196, 107635 (2021).