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東京大学 工学系研究科 機械工学専攻 機械工学第1部 2016年8月実施 問題 2

Author​

祭音Myyura (Based on SN's answer refined with GPT 6 Astra)

Description​

水槽の液面から深さ HH に、長さ LL、内径 dd の水平円管がある。d≪H,Ld\ll H,L、水の密度は ρ\rho、重力加速度は gg とする。円管出口に質量 MM の物体を押し付ける。物体は車輪により摩擦なく水平移動できる。

(1) 流出を止めるのに必要な最小押付け力 F0F_0 を求めよ。

次に物体を出口から離す。直径 dd、一様速度 VJV_J の水平噴流が物体の鉛直面に衝突し、物体の相対座標で横向きに流れ去る。液面高さは一定、噴流の重力による曲がりは無視する。まず損失を無視する。

(2) VJV_J を求めよ。(3) 物体を静止させる押付け力 F1F_1 を求めよ。(4) 物体表面の最大ゲージ圧 Pmax⁡P_{\max} を求めよ。(5) 押付け力を F0F_0 に変更したときの終速度を求めよ。

管入口損失係数を ζ\zeta、管摩擦係数を λ\lambda とし、ΔP/ρ=λ(L/d)uˉ2/2\Delta P/\rho=\lambda(L/d)\bar u^2/2 と定義する。

(6) 層流速度分布 u(r)=α[(d/2)2−r2]u(r)=\alpha[(d/2)^2-r^2] から平均速度 uˉ\bar u を求めよ。(7) この流れの λ0\lambda_0 を求めよ(粘度 μ\mu)。

(8) ζ=0.5,λ=0.02,L=2.5 m,d=0.05 m\zeta=0.5,\lambda=0.02,L=2.5\,\mathrm m,d=0.05\,\mathrm m のとき、静止させる力 F2F_2 と F1F_1 の比を求めよ。

以後は出口速度 VJV_J を用い、衝突中の噴流の蓄積運動量を無視する。(9) 静止状態から t=0t=0 に押付け力を除いた後の物体速度 v(t)v(t) を求めよ。

(10) 物体を曲面の羽根に変更し、相対噴流が速さを保ったまま +x+x 軸から角度 θ\theta で流出する。左向きの外力 F3F_3 を加えた場合の右向き終速度を求めよ。

流れと座標の模式図

题目描述​

恒定水头 HH 的水槽经直径 dd、长 LL 的管道形成水平射流,冲击可无摩擦移动的质量 MM 的物体。求堵住管口的静压力、无损出口速度、静止冲击力、最大表压及指定负载下的终速;由抛物线管流求平均速度和摩擦系数,计算给定局部及沿程损失下的冲击力比;最后求撤除负载后的速度历程,以及曲面使相对射流转向 θ\theta 时的终速。

Kai​

A=πd2/4A=\pi d^2/4 とおく。

(1)–(4)​

静水圧から F0=ρgHA\boxed{F_0=\rho gHA}。自由表面と出口の Bernoulli の式より VJ=2gH\boxed{V_J=\sqrt{2gH}}。

静止物体で噴流の xx 方向運動量が失われるので、

F1=ρAVJ2=2ρgHA,Pmax⁡=12ρVJ2=ρgH.\boxed{F_1=\rho AV_J^2=2\rho gHA},\qquad \boxed{P_{\max}=\frac12\rho V_J^2=\rho gH}.

(5)​

物体速度を vv とすると、衝突質量流量は ρA(VJ−v)\rho A(V_J-v)、相対速度の減少は VJ−vV_J-v。終状態では

ρA(VJ−v)2=F0,v=(2−1)gH.\rho A(V_J-v)^2=F_0,\qquad \boxed{v=(\sqrt2-1)\sqrt{gH}}.

(6)​

uˉ=2πA∫0d/2α(d24−r2)r dr=αd28.\boxed{\bar u=\frac{2\pi}{A}\int_0^{d/2}\alpha\left(\frac{d^2}{4}-r^2\right)r\,dr =\frac{\alpha d^2}{8}}.

(7)​

τw=μαd\tau_w=\mu\alpha d、ΔP A=τwπdL\Delta P\,A=\tau_w\pi dL から ΔP=4μαL\Delta P=4\mu\alpha L。定義に代入して、

λ0=512μραd3=64Red,Red=ρuˉdμ.\boxed{\lambda_0=\frac{512\mu}{\rho\alpha d^3} =\frac{64}{\mathrm{Re}_d}},\qquad \mathrm{Re}_d=\frac{\rho\bar u d}{\mu}.

(8)​

損失を含むエネルギー式は gH=(1+ζ+λL/d)VJ2/2gH=(1+\zeta+\lambda L/d)V_J^2/2。力は速度の二乗に比例するので、

F2F1=11+ζ+λL/d=12.5=0.4.\boxed{\frac{F_2}{F_1}=\frac1{1+\zeta+\lambda L/d}=\frac1{2.5}=0.4}.

(9)​

Mdvdt=ρA(VJ−v)2,v(0)=0.M\frac{dv}{dt}=\rho A(V_J-v)^2,\qquad v(0)=0.

変数分離して積分すると、

v(t)=VJ(1−11+ρAVJt/M).\boxed{v(t)=V_J\left(1-\frac1{1+\rho AV_Jt/M}\right)}.

(10)​

相対流出速度の xx 成分は (VJ−v)cos⁡θ(V_J-v)\cos\theta。終状態の力の釣合いより

F3=ρA(VJ−v)2(1−cos⁡θ),F_3=\rho A(V_J-v)^2(1-\cos\theta),
v=VJ−F3ρA(1−cos⁡θ)=VJ−2dF3πρ(1−cos⁡θ).\boxed{v=V_J-\sqrt{\frac{F_3}{\rho A(1-\cos\theta)}} =V_J-\frac2d\sqrt{\frac{F_3}{\pi\rho(1-\cos\theta)}}}.

Reference​