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.

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.

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 90 درجه میباشد و لذا معادله بالا به صورت رابطه زیر مورد استفاده قرار میگیرد.

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 180 درجه خواهد شد. در چنین حالتی اگر از تغییرات سرعت صرفنظر شود نیروی موثر بر مانع از رابطه زیر به دست می آید.

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.

که در آن S فاصله ی مانع تا دهانه خروجی آب است.

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.

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.

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 10 مرحله انجام دهید.