例題集

流体の動力学(17) 水車における運動量の法則

適用レベル   難易度: ★★★
図に示すように複数の平板羽根から構成される水車が,速度$V$,断面積$A$の噴流を受けて羽根は速度$u$で動いているものとする. 水の密度を$\rho$として次の設問に答えよ. $(1)$この水車に及ぼす水の力の大きさ$F$および水車の動力$L$を求めよ. %=image:/media/2015/01/22/142185301928212800.png: $(2)$ この水車の動力$L$が最大となる$u$と$V$の関係,および動力の最大値$L_{max}$と,このときの効率$\eta_{max}$を求めよ. $(3)$ 羽根形状は平板ではなく,下図に示すようなバケットからなるぺルトン水車であるとして,水車の動力$L$を求めよ. ただし,バケットからの流出角を$\beta$とする. %=image:/media/2015/01/22/142185294358656000.png: %=image:/media/2015/01/22/142185302101121600.png:
$(1)$ \[\begin{align} F&=\rho Q\left(V-u\right)\\ &=\rho AV\left(V-u\right) \end{align}\] \[\begin{align} L&=Fu\\ &=\rho AVu\left(V-u\right) \end{align}\] $(2)$ $\frac{dL}{du}=0$のとき$L$は最大となるので \[\begin{align} \frac{dL}{du}&=\frac{d\left\{\rho AVu\left(V-u\right)\right\}}{du}+\rho AV\left\{V-u+u\cdot\left(-1\right)\right\}\\ &=\rho AV\left(V-2u\right) \end{align}\] \[\underline{\therefore \rho AV\left(V-2u\right)=0}\] $\rho AV\ne0$だから$V-2u=0 \ \Longrightarrow\ u=\frac{V}{2}$ \[ L_{max}=\rho AV\cdot\frac{V}{2}\left(V-\frac{V}{2}\right)=\frac{\rho AV^3}{4}\] \[ \eta_{max}=\frac{最大動力値}{流体の持つ運動エネルギ}=\frac{\frac{\rho AV^{3}}{4}}{\frac{\rho AV^3}{2}}=\frac{1}{2}=0.5 \hspace{10mm} \] $(3)$ \[\begin{align} F&=\rho Q\left(V-u-\left(-\left(V-u\right)\cos\beta\right)\right)\\ &= \rho Q\left(V-u\right)\left(1+\cos\beta\right)\\ &=\rho AV\left(V-u\right)\left(1+\cos\beta\right) \end{align}\] \[\begin{align} L&=Fu\\ &=\rho AVu\left(V-u\right)\left(1+\cos\beta\right) \end{align}\]