تصور عالية السرعة السائل جيت الانحشار على السطح المتحرك

الهدف العام من التجربة التالية هو دراسة ارتطام نفث سائل ذو سطح حر على أسطح تتحرك بسرعة عالية. ويتم تحقيق ذلك باستخدام جهازين مختلفين؛ الأول عبارة عن قرص دوار تصل سرعته القصوى إلى 100 meters per second، حيث تقوم فوهة برش نفث سائل عليه.

تلتقط كاميرات الفيديو اصطدام السائل بالسطح من أجل التحليل لاحقاً. أما الجهاز الثاني فهو مدفع سككي يعمل بالهواء المضغوط، وهو قادر على إطلاق مقذوف بسرعة تصل إلى 25 مترًا في الثانية. يمر المقذوف أسفل فتحة يُدفع منها تيار رقيق من السائل.

تقوم كاميرا بتصوير مقطع فيديو لتحليل تأثير الاصطدام. بعد ذلك، يتم تحليل الفيديو وتوصيف وتحديد كمية اصطدام سطح النفث. وتظهر النتائج وجود ثلاثة أنواع مختلفة من سلوك الاصطدام، وأن الانتقالات بين هذه السلوكيات تعتمد على عدة متغيرات.

يمكن لهذه الطريقة أن تساعدنا في الإجابة على بعض الأسئلة الرئيسية في مجال ميكانيكا مائعات السطح الحر، وبالتحديد فيما يتعلق بخصائص انتشار تسرب السطح الحر عند الاصطدام بسطح متحرك. كما يمكن استخدامها لدراسة ميكانيكا المائعات لخطوط التلامس المتحركة. يبدأ هذا الفيديو عند جهاز القرص الدوار بعد تحضير مائع الاختبار.

يوفر هذا المخطط نظرة عامة على النظام. يتم تشغيل قرص بواسطة محرك كهربائي يعمل بمغير تردد. وتوضع فوهة لتوجيه نفث من سائل الاختبار على سطح القرص. كاميرات.

قم بتسجيل عملية التفاعل على سطح السائل. ابدأ بفحص الجهاز عن طريق التأكد أولاً من أن صمام إمداد الهواء للمحمل الهوائي مفتوح. يجب أن يكون مقياس الضغط في نطاق يتراوح من 60 إلى 80 PSI من الضغط المقاس.

بعد ذلك، قم بإزالة أي عوائق قد تعيق حركة القرص، ثم قم بتدوير القرص. أجرِ عدة دورات في كل اتجاه للتحقق من عدم وجود أي مشكلات. انتقل بعد ذلك للعمل على نظام سائل الاختبار.

قم بإمالة وتثبيت مجمع الغاز المضغوط المستخدم لضغط سائل الاختبار. وعند الجاهزية، ضع ثلاثة كيلوغرامات من سائل الاختبار أو السائل في منفذ السوائل الخاص بالمجمع مع وضع السائل في مكانه. استمر في إجراء التوصيلات اللازمة أولاً.

قم بتوصيل منفذ الغاز في المجمع بخزان نيتروجين عن طريق منظم ضغط. بعد ذلك، قم بتوصيل منفذ السوائل في المجمع بفوهة الرش النفاثة. تالياً، قم بتشغيل برنامج التحكم في القرص والمحرك، ثم تحقق من عمل كاميرتي التصوير.

تحتوي كل منها على عدسة ذات تكبير عالٍ وتوضع على بعد 35 سنتيمتر من نقطة اصطدام النفث، حيث تلتقط كل عدسة مشهدًا مختلفًا. قم بوضع مصدر ضوء من الألياف البصرية بقدرة 150 وات لتحقيق خلفية مضاءة بشكل متساوٍ، وبمجرد أن تصبح جميع مكونات النظام جاهزة، يمكن بدء الاختبار.

استخدم وحدة التحكم في محرك التردد المتغير لضبط سرعة القرص على القيمة المطلوبة. في هذه الحالة، تكون حوالي 1000 RPM في برنامج التحكم. انقر على زر تسلسل الاختبار لبدء الاختبار الآلي.

أثناء الاختبار، يحدد البرنامج المعلمات المثلى، ويراقب سرعة السطح، والضغط المرتد للفوهة، ودرجة الحرارة، ثم يقوم بتشغيل الكاميرات عند اكتمال الاختبار. يتم حفظ الفيديو والبيانات الأخرى، كما يمكن إجراء التجارب باستخدام مدفع هوائي.

يتكون مدفع الهواء من سبطانه فولاذية يتم ضغطها بواسطة خزان هواء. المقذوف مصنوع من الخشب مع سطح علوي معدني يصطدم به النفث السائل. توجد فوهة فوق السبطانة توفر النفث السائل.

الآن، أحضر ثلاثة كيلوغرامات من سائل الاختبار المُحضّر، واسكبه في منفذ السائل الخاص بالمراكم. عند الانتهاء، صِل منفذ السائل في المراكم بفوهة الرش النفاث، وصِل الأنبوب الممتد من منفذ الغاز في المراكم بأسطوانة نيتروجين. ثم قم بتشغيل منظم الضغط.

أكمل تحضير السائل بضبط ضغط المجمع عند حوالي 40 PSI. بالنسبة لهذا الفيديو، قم بتشغيل برنامج التحكم. ثم أحضر القذيفة وأدخلها في سبطانة المدفع.

انقل آلية الإيقاف إلى مخرج السبطانة. بعد ذلك، افتح خط الهواء المضغوط المؤدي إلى خزان الهواء. قم بضغط الخزان في نطاق يتراوح من 30 إلى 70 PSI لتحقيق سرعة المقذوف المطلوبة.

في هذه المرحلة، تحقق من إعدادات التقاط الفيديو. ضع كاميرا عالية السرعة بجوار فوهة الرش النفاث، وضع ورقة انتشار عبر ماسورة المسدس الهوائي أمام الكاميرا. ثبت ضوءاً بالألياف الضوئية عالي الكثافة ليسلط الضوء عبر الناشر لإضاءة موقع الاصطدام.

بمجرد وضع كل شيء في مكانه، ارتدِ قناع الحماية من الرذاذ للحماية من دفق مدفع الهواء. ادخل إلى لوحة تحكم المدفع واضغط على زر التحذير للإشارة إلى بدء التجربة. اضغط على زر لوحة تحكم مسدس الهواء لإطلاق المقذوف، وسيقوم نظام التحكم الآلي في مدفع الهواء بتنسيق عمل كل مكون من مكونات الجهاز.

لإتمام اختبار تحليل البيانات، استخدم جهاز كمبيوتر مجهزاً ببرنامج لعرض التسجيلات عالية السرعة لظروف اختبار محددة. قم بتشغيل فيديو الاصطدام بالسرعة العادية لملاحظة وتسجيل سلوك النفاث. بعد معايرة مقياس الصورة، حدد فترة زمنية في الفيديو.

عندما يظهر التدفق النفاث في أقصى درجات استقراره، ابدأ في قياس وتسجيل الأبعاد المطلوبة من نقطة الاصطدام. في هذه الحالة، يُستخدم البرنامج لتحديد نصف قطر نقطة ركود الصفيحة. أكمل قياس جميع الأبعاد قبل المتابعة.

بعد ذلك، انتقل عبر 100 إطار من الصور. كرر القياسات للتأكد من استقرار النفث والرقاقة. هناك ثلاثة سلوكيات رئيسية مرتبطة بارتطام النفث السائل بالأسطح المتحركة، وهي الترسيب، والترذيذ، والطرطشة.

تم الحصول على هذه الصور الثابتة من تسجيلات فيديو أثناء تجارب تدفق فيها النفاث في تيار مستقيم وثابت نحو السطح. وفي حالة الترسيب، يلتصق النفاث بالسطح ويبقى عليه. أما في بقية التجربة، فيحدث التطشر والترذيذ عندما يلتصق النفاث السائل جزئياً فقط بسطح الاصطدام.

يُعد الانتقال بين سلوك الترسيب والطرطشة أو الرذاذ دالةً للعديد من المتغيرات، بما في ذلك قطر النفاثة، وسرعة النفاثة والسطح، ولزوجة النفاثة، وضغط الهواء المحيط، وحتى خشونة السطح. على سبيل المثال، في هذا الفيديو، يُلاحظ حدوث ترسيب للنفاثة عندما تصطدم السطح الأول بـخشونة قدرها 510 nanometers وسطح ثانٍ بـخشونة قدرها 160 nanometers. وفي المقابل، تحدث الطرطشة عندما تصطدم النفاثة بسطح ثالث بـخشونة قدرها 16 nanometers.

يعد ارتطام نفث سائل على ركيزة متحركة عملية معقدة للغاية من الناحية الفيزيائية. يتيح الجهاز الموضح في هذا الفيديو دراسة ارتطام النفث بطريقة علمية مضبوطة.