به نام یگانه مهندس گیتی عنوان آزمایش: ضربه جت آب تاریخ انجام آزمایش: 389/0/5 هدف آزمایش: بررسی نیروي وارده از یک جت آب به موانع ساکن که به صورت صفحه هاي تخت و کروي می باشند و مقایسه آن با قوانین مومنتوم است. در حالت اول سیال با سرعت به یک مانع تخت برخورد کرده و نیرویی به آن وارد می کند تا نیرویی را که وزنهها از طرف بالا به آن وارد کرده است را خنثی کند ) توسط تغییر و افزایش دبی تا دوبار وزنهها به حالت اول برگردند). در حالت دوم با تعویض مانع قرار دادن یک مانع کروي و محاسبه نیروهاي وارد بر آن براي خنثی کردن نیروي وزن حاصل از وزنهها به آن است تي وري آزمایش : طبق قانون مومنتوم می توان نوشت : ρ Q V V V V ρqv V سرعت برخورد سیال با مانع V :سرعت برگشت سیال پس از برخورد با مانع آزمایش ضربه جت آب
در معادله قبل Vاست زیرا در مانع تخت سیال بعد از برخورد به کنارهها رفته و سرعت برگشت در دو جهت مخالف 0 هم بوده و همدیگر را خنثی میکنند در نتیجه 0.V چنانچه نیرو در یک جهت خاص مورد نظر باشد مولفه هاي سرعت باید در آن جهت تصویر شوند. سیال با سرعت قابل تنظیم به مانع برخورد میکند(با توحه به اندازه دبی ورودي براي فواره که آب را به مانع میریزد). با مقایسه سرعت ورودي آب از فواره و سرعت برخورد سیال با مانع میتوان رابطهاي بیان کرد.که با توجه به آن ما میتوانیم سرعت V را محاسبه کنیم Q V0 ; A π D V V gh V V gh A 4 0 0 Q دبی آب ورودي است که با توجه به فرمول است که با توجه به بالا آمدن شاخص زمان تلف شده بدست میآید. A: مساحت جت آب h :ارتفاع بین فواره و مانع Qبدست V t میآید که در این رابطه V حجم بر حسب متر مکعب و t زمان V :سرعت 0 سیال در لحظه خروج از فواره علامت منفی در رابطه V V gh 0 به این دلیل است که سرعت حرکت سیال و جهت آن در جهت خلاف شتاب گرانشی زمین است و هر دو در جهت خلاف حرکت هم هستند. نیروي به دست آمده مقدار نیروي تي وري موجود است با توجه به اینکه در بالاي مانع وزنهها قرار گرفتهاند میتوان نیروي عملی وارده را با مقایسه حالت خاموش و روشن بودن جت آب محاسبه کرد : جت خاموش : M O 0 Mga k S x 0 Mga k sx آزمایش ضربه جت آب
جت روشن : M O 0 ( a + y) k x a 0 Mg S از نتایج فوق داریم: Mgy a 0 رابطه عملی جت آب : Mg a y که y فاصله وزنه تعادل تا نقطه تعادل است. مرحله دوم: با قرار دادن مانع کروي آزمایش را تکرار میکنیم. در این مرحله هم با تغییر دبی و در نتیجه تغییر سرعت میتوان مقدار نیروي وارده بر مانع را به دست آورد. هنگامی که سیال از طریق فواره به مانع برخورد میکند به دلیل شکل ظاهري مانع سیال با مانع برخورد کرده و بانصف سرعت اولیه از گوشههاي مانع کروي برمیگردد(که در مجموع سرعت رفت با برگشت مساوي. میشود) بنابراین دراین حالت : V 0 V V, با توجه به زاویه بین دو سرعت V V, میتوان نیروي را به دست آورد: آزمایش ضربه جت آب 3
V V V 0, γ 80 o + cos80 + نیروي تي وري در این مرحله دو برابر نیروي بدست آمده در مانع تخت است و در واقع در این مرحله استفاده بیشتري از ضربه جت میکنیم با استفاده از فرمول ممنتم داریم: ρq V شرح دستگاه: جریان سریع یک سیال به جت آب موسوم است. ازاین سرعت وانرژي موجود براي تولید کار مکانیکی یا براي برشکاري بکار می رود. نمونه اي از این کاربرد توربین ها یا ماشین هاي برشکاري می باشند.همانطور که در شکل مشاهده می کنید جت آبی درون محفظه ي شیشه اي قرار دارد که پس از خروج جت از آن به مانعی در مقابل برخورد کرده و ضمن این برخورد نیرویی رانشی به آن مانع اعمال می کند از طرفی دیگر مانع به محوري که در یک سمت لولا شده متصل است. این محور که با خط کشی مدرج گردیده مجهز به شیاري براي لغزش وزنه تراز کننده مجهز می باشد. آزمایش ضربه جت آب 4
شرح آزمایش : یک فواره ) جت قاي م ( در داخل دستگاه آزمایش که در داخل یک استوانه شفاف پلاستیکی قرار گرفته است موجود می باشد. در مقابل جت موانعی بشکل نیمکره صقحه مسطح یا صفحه شیبدار قرار می گیرد که نیروي وارده بر آن از طرف آب به وسیله اهرم بندي روي دستگاه قابل سنجش است. وزنه متعادل کننده : 540 گرم, قطر جت خروجی : 0 میلیمتر, فاصله محور تا اهرم : 40 میلیمتر, فاصله خروجی جت تا مانع : 65 میلیمتر آزمایش ضربه جت آب 5
روش آزمایش : ابتدا دستگاه را کاملا تراز میکنیم, سپس در مرحله اول مانع مسطح را در مقابل جت در جاي خود نصب می کنیم, و وزنه روي اهرم را در مقابل صفر خط کش قرار می دهیم و اهرم را در حالت افقی تنظیم می کنیم پمپ دستگاه را روشن می کنیم و در دبی هاي مختلف نیروي وارد به مانع را اندازه گیري می کنیم, سپس جدوال مربوطه را پر می کنیم مانع تخت : y(cm) t(s) V(litr) Q( ) میانگین درصد درصد خطا a(n) V0(m/s) V(m/s) t(n) اطخ.8 40.3 8.98E-04.5.55 0.45 0.4 0 3. 9.8 8.73E-04 3.478 3.9 0.90 0.68 4 4.7 3.4 8 3.4E-04 4.357 4.08.44.04 8 8 7.3 9.8 8 4.7E-04 5.3 5.9.6.6 6 0.3 5.96 8 5.0E-04 6.38 6.8 3.5.7 8 آزمایش ضربه جت آب 6
نمودار نیرو بر حسب دبی در مانع تخت: 3.50 3.00.50 Q 89.6(t) -.4696.00.50.00 Q 649.9(a)- 0.9637 0.50 0.00 0.00E+00.00E-04.00E-04 3.00E-04 4.00E-04 5.00E-04 6.00E-04 Q مانع کروي : y(cm) t(s) V(litr) Q( ) میانگین درصد درصد خطا a(n) V0(m/s) V(m/s) t(n) اطخ 6 30.37 8.63E-04 3.35 3.54 0.83.3-59 9.4 3. 8 3.45E-04 4.395 4.47.47.07-4.9 0.4 8 3.9E-04 4.994 4.865.9.63-38 -43 4.6 8. 8 4.39E-04 5.59 5.477.40 3. -34 آزمایش ضربه جت آب 7
نمودار نیرو بر حسب دبی در مانع کروي: 3.50 3.00.50 Q 0756(a)-.5594.00.50.00 Q 8887.4(t)-.5457 0.50 0.00 0.00E+005.00E-05.00E-04.50E-04.00E-04.50E-043.00E-043.50E-0 4.00E-0 4.50E-045.00E-04 Q بررسی عوامل خطا : خط کش در محل لولا داراي اصطکاك است که از آن صرف نظر شده. در خواندن ارتفاع آب و تعیین زمان براي محاسبه دبی واقعی اپراتور میتواند خطا وجود داشته باشد. - -٢ آزمایش ضربه جت آب 8
سو الات: - اگر قطر جت آب برابر d و قطر دیسک برابر D باشد در کدامیک از حالات زیر نیروي وارده بر دیسک بیشتر است چرا اگر d >> D یعنی مقطع جت بسیار کوچک باشد سیال اسپري شده و از حالت ستونی خود خارج میشود و تقریبا نیرویی به مانع وارد نمیکند حال اگر d > D باشد مقداري از سیال به مانع برخورد نمیکند و لذا نیروي زیادي به مانع وارد نمیکند هم چنین براي d D نیز نیروي زیادي نداریم زیرا سطح مقطع بزرگ است V کم میباشد بنابراین مهمترین حالت d < D میباشد - نیروي وارده از طرف یک جت آب بر یک نیمکره در حالات زیر چه فرقی با هم دارند کدامیک بهترین حالت است در حالت ب تلفات انرژي را به خاطر تغییر شکل ناگهانی سیال در هنگام برخورد با مانع را داریم. حالت ج چون سیال مسیر طولانی را طی میکند لذا اصطکاك مقداري از انرژي را هدر میدهد. حالت الف مهمترین حالت است چون مشکل حالت ب و ج را ندارد و سیال به طور همگن توزیع میشود. 3 -نقش فنر در آزمایش چیست آیا ضریب خنثی آن بر آزمایش اثري دارد آیا کلیت لولاشدن اهرم برنتایج اثر دارد نقش فنر تا مین یک گشتاور براي ایجاد تعادل در خطکش مدرج و تراز کردن آن و همان طور که در فرمولهاي تجربی و تي وري میبینیم اثري از K نیست لذا سختی فنر اثري درآزمایش ندارد.در محل لولا اصطکاك داریم و در نتیجه مقداري از نیرو براي غلبه بر اصطکاك آن به هدر میرود و خطا ایجاد میکند. 4 -در آنالیز تي وریک مسي له فرض شده بود که سرعت در همهی نقاط سطح مقطع یکسان است.اگر چنین نباشد تا ثیر آن در مومنتم چگونه است سرعت در وسط مقطع بیشتر بوده لذا مومنتم بیشتر بوده و در کناره ها سرعت کمتر میبود لذا مومنتم کمتر بود. آزمایش ضربه جت آب 9
5- به نظر شما زاویه نازل چه تا ثیري در نیروي وارد بر موانع مقابل آن دارد هر چه زاویه همگرایی ملایمتر باشد میزان تلفات کمتر است و سیال پر انرژي و نهایتا داراي سرعت بیشتر است لذا نیروي بیشتري به مانع وارد میکند. 6 -اگر فواره در هنگام برخورد به صفحه به اندازه درجه نسبت به امتداد قاي م انحراف داشته باشد تاثیرات این انحراف در مقدار نیرو چه قدر است y. Gi نیروي نیز به دو مولفه تجزیه می شود که نیروي عمودي به سمت بالا یعنی.0 99984 یعنی نیروي منتقل شده به اندازه 0.05% گاهی می یابد. 7- اگر فواره در حالت قاي م و دیسک نسبت به افق یک درجه انحراف داشته باشد مقدار نیرو چگونه است tr ( ) ( 9 ) 0. 999695 Cos Cos نیروي انتقالی به میله یعنی نیرو به اندازه 0.03% کاهش پیدا کرده و سپس انتقال داده شده است. آزمایش ضربه جت آب 0