آزمایش نیروی برخورد جت آب

(Impact of a Jet)

هدف آزمایش

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

تئوری آزمایش

جت آب معمولاً برای ایجاد کار مکانیکی مورد استفاده قرار میگیرد. یک نمونه آن برخورد جت آب به پرههای چرخ پلتون است که نیروی حاصل از تغییرات مقدار حرکت خطی (مومنتوم خطی) آب باعث به گردش درآمدن چرخ میشود.

وقتی که جت آب به مانعی برخورد کند، امتداد سرعت آن تغییر میکند، طبق رابطه مومنتوم خطی نیرویی بر مانع اعمال میشود که در حالت دائمی بودن جریان و با این فرض که فقط نیروی سطحی بر مانع اعمال شود این نیرو برابر با تغییرات مقدار حرکت خطی جریان نسبت به زمان با علامت مخالف میباشد.

فرمول نیروی سطحی

که در آن T نیروی سطحی وارد بر واحد سطح میباشد. اگر در حالت کلی مانعی را همانند شکل زیر در نظر بگیریم که نسبت به محور x تقارن داشته باشد و همچنین آب خروجی از جت با سرعت u0 به طرف بالا در حرکت بوده و بعد از برخورد با مانع در امتداد زاویه β منحرف شود. در این حالت رابطه بالا برای یک حجم کنترل انتخابی در جهت x ، مقدار نیروی اعمال شده را نتیجه میدهد که به صورت رابطه زیر است.

فرمول مقدار نیروی سطحی

شکل برخورد آب با مانع

مانع صاف ومانع نیم کره ای

در حالتی که مانع به صورت یک سطح صاف و عمود بر امتداد سرعت باشد شکل زیر در این حالت مقدار زاویه انحراف β در امتداد سرعت ۹۰ درجه میباشد و لذا معادله بالا به صورت رابطه زیر مورد استفاده قرار میگیرد.

فرمول مقدار نیرو در سطح صاف

شکل برخورد آب با مانع صاف

در حالتی که مانع به صورت یک سطح نیمکرهای و عمود بر امتداد سرعت باشد (شکل زیر) مقدار زاویه انحراف  βدر امتداد سرعت برابر با ۱۸۰ درجه خواهد شد. در چنین حالتی اگر از تغییرات سرعت صرفنظر شود نیروی موثر بر مانع از رابطه زیر به دست می آید.

فرمول مقدار نیرو در سطح نیم کرهشکل برخورد آب با مانع نیم کره

باید توجه داشت که اندازهگیری سرعت برخورد جت آب به مانع عملاً مشکل است، اما با داشتن دبی جریان و سطح مقطع جت آب میتوان سرعت جت را در آن مقطع تعیین نمود و با داشتن فاصله بین مقطع جت و مانع، سرعت برخورد جت را محاسبه کرد.

اگر u سرعت خروجی جت آب از لوله و u0 سرعت برخورد جت با مانع باشد، u0 به علت ثقل کمتر از u میشود لذا u0 را میتوان از رابطه زیر تعیین نمود.

فرمول سرعت خروجی آبکه در آن S فاصله ی مانع تا دهانه خروجی آب است.

اپ آزمایشگاه مهندس

شرح دستگاه و روش انجام آزمایش

وسیله مورد آزمایش در شکل زیر نشان داده شده است. مانع صاف یا نیمکرهای در امتداد عمود بر مسیر جت آب در داخل ظرفی استوانهای و شفاف قرار میگیرد. جت آب بعد از برخورد با مانع تعادل آن را بر هممیزند. توسط جابهجا کردن وزنهای که در روی اهرم متصل به مانع قرار دارد میتوان مجدداً مانع را به صورت اولیه متعادل نمود. تعیین وضعیت تعادل توسط شاقول متصل به اهرم انجام میشود.

شکل دستگاه آزمایش ضربه جت

قبل از آزمایش می بایست با قراردادن وزنه متحرک روی فاصله صفر با مهره ی تنظیم بالای فنر، اهرم را با شاقول تراز نمود. وضعیت تعادل شاقول و شیار وزنه متحرک در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل وزنه و شاقول در وضعیت تعادل

بعد از تنظیم دستگاه، شیر خروجی پمپ را کامل باز نموده تا جت آب با حداکثر دبی به مانع برخورد و اهرم را از وضعیت تعادل خارج کند. با جابه جا کردن وزنه متحرک میتوان مجدداً اهرم را در وضعیت تعادل قرار داد. در این حالت با یادداشت کردن فاصله جابه جا شده وزنه متحرک و تعیین دبی آب توسط میز هیدرولیک، مقدار نیروی تجربی و تئوری موثر بر مانع قابل محاسبه است. حال با کاهش دبی آب و جابهجا نمودن وزنه متحرک، این آزمایش را برای مانع تخت و نیمکره در ۱۰ مرحله انجام دهید.

مشخصات دستگاه

مشخصات لازم دستگاه جهت محاسبات به شکل زیر است:

  1. جرم وزنه متحرک روی اهرم ۶۰۰ گرم
  2. قطر دهانه شیپوره ۱۰ میلیمتر
  3. فاصله مرکز مانع تا نقطه اتکای اهرم (لولا) ۱۵۰ میلیمتر
  4. فاصله مانع تا دهانه شیپوره S 35میلیمتر

لازم به ذکر است باتوجه به مشخصات دستگاه از قبیل جرم وزنه متحرک و فواصل اتصالات، نیروی تجربی Fe موثر بر مانع را میتوان از رابطه زیر به دست آورد.

فرمول نیروی تجربی

در این رابطه g شتاب گرانش زمین در سیستم متریک (۹.۸۱ متر بر مجذور ثانیه) و Δx جابهجایی وزنه متحرک بر حسب متر است.

محاسبات و نتایج

جداول زیر را برای سطح صاف و نیمکرهای کامل نمایید.

جدول محاسبات در مانع صاف

جدول محاسبات در مانع نیم کره ای