Visualización de alta velocidad Liquid Jet impactación sobre una superficie móvil

El objetivo general del siguiente experimento es estudiar el impacto de un chorro líquido de superficie libre sobre superficies en movimiento a alta velocidad. Esto se logra utilizando dos aparatos diferentes. El primero es un disco giratorio con una velocidad máxima de 100 metros por segundo, sobre el cual una boquilla pulveriza un chorro de líquido.

Las cámaras de video capturan el impacto del líquido sobre la superficie para su análisis posterior. El segundo aparato es un cañón de riel impulsado por aire comprimido, capaz de disparar un proyectil a una velocidad de hasta 25 metros por segundo. El proyectil pasa por debajo de un orificio del cual se fuerza un flujo delgado de líquido.

Una cámara captura el video para el análisis del impacto. A continuación, se analiza el video y se caracteriza y cuantifica el impacto sobre la superficie del chorro. Los resultados muestran que existen tres tipos diferentes de comportamiento de impacto, y que las transiciones entre estos comportamientos dependen de varias variables.

Este método puede ayudarnos a responder algunas preguntas clave en el área de la mecánica de fluidos de superficie libre, específicamente relacionadas con las características de propagación de una fuga de superficie libre al impactar sobre una superficie en movimiento. También puede utilizarse para estudiar la mecánica de fluidos de líneas de contacto móviles. Este video comienza en el aparato de disco giratorio tras la preparación del fluido de prueba.

Este esquema proporciona una visión general del sistema. Un disco es accionado por un motor eléctrico con control de frecuencia variable. Una boquilla está posicionada para forzar un chorro de fluido de prueba sobre la superficie del disco. Cámaras.

Registre la acción de interacción entre la superficie y el fluido. Comience a verificar el aparato asegurándose primero de que la válvula de suministro de aire para el cojinete de aire esté abierta. El manómetro debe indicar una presión manométrica en el rango de 60 a 80 PSI.

A continuación, retire cualquier cosa que pueda impedir el movimiento del disco y gire el disco. Realice varias rotaciones en cada dirección para verificar posibles problemas. Pase a trabajar con el sistema de fluido de prueba.

Incline y asegure el acumulador de gas comprimido utilizado para la presurización del fluido de prueba. Cuando esté listo, introduzca tres kilogramos de líquido de prueba o el líquido en el puerto de fluido del acumulador con el fluido en su lugar. A continuación, realice las conexiones necesarias primero.

Conecte el puerto de gas del acumulador a un tanque de nitrógeno mediante un regulador de presión. Luego, conecte el puerto de fluido del acumulador a la boquilla de pulverización. A continuación, inicie el software de control del disco y del accionamiento, y proceda verificando las dos cámaras de video.

Cada uno tiene una lente de alta magnificación y está colocado a 35 centímetros del punto de impacto del chorro; cada uno capta una vista diferente. Coloque una fuente de luz de 150 vatios con fibra óptica para lograr un fondo uniformemente iluminado; la prueba puede comenzar. Una vez que todos los componentes del sistema estén listos.

Utilice el controlador de frecuencia variable para ajustar la velocidad del disco al valor deseado. Aquí, aproximadamente 1000 RPM en el software de control. Haga clic en el botón de secuencia de prueba para iniciar la prueba automatizada.

Durante la prueba, el software determina los parámetros óptimos. Monitorea la velocidad de la superficie, la presión posterior del inyector y la temperatura, y activa las cámaras al finalizar la prueba. Guarde el video y otros datos; también se pueden realizar experimentos utilizando un cañón de aire.

El cañón de aire consta de un cañón de acero, que se presuriza mediante un tanque de aire. El proyectil está hecho de madera con una superficie superior metálica sobre la cual impactará el chorro de líquido. Una boquilla situada encima del cañón proporciona el chorro de fluido.

Ahora obtenga tres kilogramos de fluido de prueba preparado y viértalos en el puerto de fluido del acumulador. Una vez hecho esto, conecte el puerto de fluido del acumulador a la boquilla de pulverización y conecte el tubo desde el puerto de gas del acumulador hasta un cilindro de nitrógeno. Active un regulador de presión.

Complete la preparación del fluido ajustando la presión del acumulador a aproximadamente 40 PSI. Para este video, encienda el software del controlador. Luego, tome el proyectil e insértelo en el cañón del barril.

Mueva el mecanismo de parada hasta la salida del cilindro. A continuación, abra la línea de aire presurizado que conduce al tanque de aire. Presurice el tanque en un rango de 30 a 70 PSI para producir la velocidad deseada del proyectil.

En este momento, verifique la configuración de captura de video para la grabación. Coloque una cámara de alta velocidad junto a la boquilla del chorro de pulverización y una lámina difusora al otro lado del cañón del soplador de aire con respecto a la cámara. Fije una luz de fibra óptica de alta intensidad para que ilumine a través del difusor y así resaltar el punto de impacto.

Una vez que todo esté en su lugar, coloque el aire en musgo para protegerse del disparo del cañón de aire. Acceda al panel de control del cañón y presione el botón de advertencia para señalar el inicio de un experimento. Presione el botón del panel de control del arma de aire para disparar el proyectil y el sistema de control automatizado del cañón de aire, y coordinar cada componente del aparato.

Para completar la prueba para el análisis de datos, utilice una computadora equipada con software para ver las grabaciones de alta velocidad correspondientes a una condición de prueba determinada. Reproduzca el video del impacto a velocidad normal para observar y registrar el comportamiento del chorro. Después de calibrar la escala de la imagen, identifique un intervalo en el video.

Cuando el chorro parezca más estable, comience a medir y registrar las dimensiones de interés a partir del impacto. En este caso, se utiliza el software para determinar el radio del punto de estancamiento de la lámina. Finalice la medición de todas las dimensiones antes de continuar.

A continuación, avance 100 cuadros a través de las imágenes. Repita las mediciones para confirmar que el chorro y la lámina son estables. Existen tres comportamientos principales asociados al impacto de chorros líquidos sobre superficies en movimiento: depósito, salpicadura y dispersión.

Estas imágenes fijas se obtuvieron de grabaciones de video durante experimentos en los que el chorro fluía en una corriente recta y constante hacia la superficie. En la deposición, el chorro se adhiere a la superficie y permanece sobre ella. Durante el resto del experimento, se producen salpicaduras y dispersión cuando el chorro líquido solo se adhiere parcialmente a la superficie de impacto.

La transición entre el comportamiento de deposición y el salpicado o proyección es una función de muchas variables, incluyendo el diámetro del chorro, las velocidades del chorro y de la superficie, la viscosidad del chorro, la presión del aire circundante e incluso la rugosidad de la superficie. Por ejemplo, en este video, se observa la deposición del chorro cuando este impacta una primera superficie con una rugosidad de 510 nanómetros y una segunda superficie con una rugosidad de 160 nanómetros. En contraste, el salpicado ocurre cuando el chorro impacta una tercera superficie con una rugosidad de 16 nanómetros.

El impacto de un chorro líquido sobre un sustrato en movimiento es físicamente muy complejo. El aparato que se muestra en este video permite estudiar el impacto del chorro de manera científica controlada.