Visualisierung von High-Speed-Flüssigkeitsstrahl-Impaction auf einer sich bewegenden Oberfläche

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, die Auftreffwirkung eines Freistrahls auf hochgeschwindigkeitsbewegte Oberflächen zu untersuchen. Dies wird mithilfe zweier unterschiedlicher Apparaturen erreicht. Die erste ist eine rotierende Scheibe mit einer Höchstgeschwindigkeit von 100 Metern pro Sekunde, auf die mittels einer Düse ein Flüssigkeitsstrahl gespritzt wird.

Videokameras erfassen den Flüssigkeitsaufprall auf der Oberfläche zur späteren Analyse. Die zweite Apparatur ist eine Schienenkanone, die mit Druckluft betrieben wird und ein Projektil mit bis zu 25 Metern pro Sekunde abschießen kann. Das Projektil passiert unterhalb einer Öffnung, aus der ein dünner Flüssigkeitsstrahl ausgestoßen wird.

Eine Kamera erfasst ein Video zur Analyse des Aufpralls. Anschließend wird das Video ausgewertet und der Aufprall auf der Oberfläche des Strahls charakterisiert und quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass es drei verschiedene Arten von Aufprallverhalten gibt und dass die Übergänge zwischen diesen Verhaltensweisen von mehreren Variablen abhängen.

Diese Methode kann uns dabei helfen, zentrale Fragen im Bereich der Strömungsmechanik freier Oberflächen zu beantworten, insbesondere bezüglich der Ausbreitungsmerkmale eines austretenden freien Strahls beim Auftreffen auf eine bewegte Oberfläche. Sie kann auch zur Untersuchung der Strömungsmechanik bewegter Benetzungslinien eingesetzt werden. Das Video beginnt an der rotierenden Scheibe nach der Vorbereitung der Prüfflüssigkeit.

Dieses Schema bietet einen Überblick über das System. Eine Scheibe wird von einem elektrischen Motor mit variabler Frequenzsteuerung angetrieben. Eine Düse ist so positioniert, dass ein Strahl der Prüfflüssigkeit auf die Oberfläche der Scheibe geleitet wird. Kameras.

Notieren Sie die Wechselwirkung zwischen Fluid und Oberfläche. Überprüfen Sie die Apparatur, indem Sie zunächst sicherstellen, dass das Luftzufuhrventil für das Luftlager geöffnet ist. Das Manometer sollte einen Bereich von 60 bis 80 PSI Anzeigedruck anzeigen.

Als Nächstes entfernen Sie alle Hindernisse, die die Bewegung der Scheibe behindern könnten, und drehen die Scheibe. Führen Sie mehrere Umdrehungen in jede Richtung durch, um auf eventuelle Probleme zu prüfen. Fahren Sie anschließend mit dem Testflüssigkeitssystem fort.

Stellen Sie den Druckgasbehälter, der zur Druckbeaufschlagung der Prüfflüssigkeit verwendet wird, sicher und entleeren Sie ihn. Wenn bereit, füllen Sie drei Kilogramm Prüfflüssigkeit oder die Flüssigkeit in den Fluidanschluss des Behälters ein, während sich die Flüssigkeit bereits an Ort und Stelle befindet. Stellen Sie danach zunächst alle erforderlichen Anschlüsse her.

Verbinden Sie den Gasanschluss des Speichers mit einem Stickstofftank über einen Druckregler. Anschließend verbinden Sie den Flüssigkeitsanschluss des Speichers mit der Strahldüse. Starten Sie danach die Steuerungssoftware für die Scheibe und den Antrieb, und prüfen Sie die beiden Videokameras.

Jede verfügt über ein Objektiv mit hoher Vergrößerung und ist 35 Zentimeter vom Auftreffpunkt des Strahls entfernt positioniert, wobei jede eine andere Ansicht erfasst. Positionieren Sie eine 150-Watt-Glaskalibierlichtquelle, um einen gleichmäßig beleuchteten Hintergrund zu erzielen; der Test kann beginnen, sobald alle Systemkomponenten bereit sind.

Stellen Sie mithilfe des Frequenzumrichters die Scheibendrehzahl auf den gewünschten Wert ein. Hier etwa 1000 U/min in der Steuersoftware. Klicken Sie auf die Schaltfläche „Testsequenz“, um den automatisierten Test zu starten.

Während des Tests ermittelt die Software die optimalen Parameter. Überwacht die Oberflächengeschwindigkeit, den Düsenrückdruck und die Temperatur und löst nach Abschluss des Tests die Kameras aus. Das Video und andere Datenaufzeichnungen können ebenfalls mithilfe einer Luftkanone durchgeführte Experimente gespeichert werden.

Die Luftkanone besteht aus einem Stahlrohr, das von einem Drucklufttank unter Druck gesetzt wird. Das Projektil besteht aus Holz und weist eine metallische Oberseite auf, auf die der Flüssigkeitsstrahl auftreffen wird. Eine Düse oberhalb des Rohrs erzeugt den Fluidstrahl.

Nehmen Sie nun drei Kilogramm der vorbereiteten Prüfflüssigkeit und gießen Sie diese in die Flüssigkeitsöffnung des Speichers. Danach verbinden Sie die Flüssigkeitsöffnung des Speichers mit der Sprühdüse und schließen Sie den Schlauch von der Gasöffnung des Speichers an eine Stickstoffflasche an. Schalten Sie einen Druckregler ein.

Vervollständigen Sie die Flüssigkeitsvorbereitung, indem Sie den Akkumulatordruck auf etwa 40 PSI einstellen. Schalten Sie für dieses Video die Steuerungssoftware ein. Nehmen Sie dann das Projektil und führen Sie es in den Kanonenlauf ein.

Bewegen Sie den Stoppmechanismus zum Ausgang des Laufs. Öffnen Sie anschließend die Druckluftleitung, die zum Lufttank führt. Drücken Sie den Tank im Bereich von 30 bis 70 PSI, um die gewünschte Projektilgeschwindigkeit zu erzielen.

Zu diesem Zeitpunkt die Videokameraeinstellung zur Videoaufnahme überprüfen. Eine Hochgeschwindigkeitskamera neben der Düse der Sprühpistole positionieren und ein Diffusionsblatt gegenüber dem Luftkanonenrohr von der Kamera aus platzieren. Eine Hochleistungs-Faseroptiklampe befestigen, die durch den Diffusor leuchtet, um die Aufprallstelle zu beleuchten.

Wenn alles korrekt positioniert ist, bringen Sie zur Schutz vor dem Luftkanonenschuss Moos auf dem Luftstrom an. Rufen Sie das Kanonensteuerungsfeld auf und drücken Sie den Warnknopf, um den Beginn des Experiments anzukündigen. Drücken Sie die Taste am Luftgewehr-Steuerungsfeld, um das Projektil abzufeuern, und aktivieren Sie das automatisierte Steuersystem der Luftkanone, um alle Komponenten der Apparatur zu koordinieren.

Um den Test für die Datenanalyse abzuschließen, verwenden Sie einen Computer, der mit einer Software ausgestattet ist, um die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen für eine gegebene Testbedingung anzusehen. Spielen Sie das Aufprallvideo mit normaler Geschwindigkeit ab, um das Verhalten des Strahls zu beobachten und zu dokumentieren. Nachdem Sie die Bildskala kalibriert haben, identifizieren Sie ein Intervall im Video.

Wenn der Strahl am stabilsten erscheint, beginnen Sie mit der Messung und Aufzeichnung der gewünschten Abmessungen ab dem Auftreffpunkt. In diesem Fall wird die Software verwendet, um den Staupunktradius der Lamelle zu bestimmen. Schließen Sie die Messung aller Abmessungen ab, bevor Sie fortfahren.

Als Nächstes schalten Sie 100 Bilder weiter. Wiederholen Sie die Messungen, um zu bestätigen, dass der Strahl und die Lamelle stabil sind. Es gibt drei Hauptverhaltensweisen, die mit dem Auftreffen eines Flüssigkeitsstrahls auf bewegte Oberflächen assoziiert sind: Abscheidung, Spritzen und Zerstäubung.

Diese Beispielbilder wurden aus Videomitschnitten während Experimente gewonnen, bei denen der Strahl in einem geraden, gleichmäßigen Strom in Richtung Oberfläche floss. Bei der Abscheidung haftet der Strahl an der Oberfläche und bleibt dort. Für den Rest des Experiments treten Spritzer und Spritzen auf, wenn der Flüssigkeitsstrahl nur teilweise an der Auftreffoberfläche haftet.

Der Übergang zwischen Abscheideverhalten und Spritzen oder Sprühen hängt von vielen Variablen ab, einschließlich des Strahldurchmessers, der Geschwindigkeiten von Strahl und Oberfläche, der Viskosität des Strahls, des umgebenden Luftdrucks und sogar der Oberflächenrauheit. Beispielsweise wird in diesem Video die Strahlablagerung beobachtet, wenn der Strahl auf eine erste Oberfläche mit einer Rauheit von 510 Nanometern und eine zweite Oberfläche mit einer Rauheit von 160 Nanometern trifft. Im Gegensatz dazu tritt Spritzen auf, wenn der Strahl auf eine dritte Oberfläche mit einer Rauheit von 16 Nanometern auftrifft.

Die Aufprallwirkung eines Flüssigkeitsstrahls auf ein bewegtes Substrat ist physikalisch äußerst komplex. Die Vorrichtung, die in diesem Video gezeigt wird, ermöglicht es, den Strahlaufprall auf wissenschaftlich kontrollierte Weise zu untersuchen.