Visualizzazione di Liquid High Speed Jet Occlusione su una superficie mobile
17 aprile 2015
Vengono descritti due dispositivi sperimentali per esaminare l'impatto di getti di liquidi su una superficie mobile ad alta velocità: un dispositivo a cannone ad aria compressa e un dispositivo a disco rotante. Gli apparati vengono utilizzati per determinare gli approcci ottimali all'applicazione del modificatore di attrito liquido (LFM) sui binari ferroviari per il controllo dell'attrito della parte superiore della rotaia.
L'obiettivo generale del seguente esperimento è studiare l'impatto di un getto liquido a superficie libera su superfici in movimento ad alta velocità. Questo viene ottenuto utilizzando due apparecchiature diverse. La prima è un disco rotante con una velocità massima di 100 metri al secondo, su cui un ugello spruzza un getto di liquido.
Le telecamere registrano l'impatto del liquido sulla superficie per un'analisi successiva. Il secondo apparato è un cannone a rotaia azionato da aria compressa, in grado di sparare un proiettile fino a 25 metri al secondo. Il proiettile passa al di sotto di un'apertura da cui viene espulso un sottile getto di liquido.
Una telecamera acquisisce un video per l'analisi dell'impatto. Successivamente, il video viene analizzato e l'impatto sulla superficie del getto viene caratterizzato e quantificato. I risultati mostrano che esistono tre diversi tipi di comportamento all'impatto, e che le transizioni tra questi comportamenti dipendono da diverse variabili.
Questo metodo può aiutarci a rispondere ad alcune domande fondamentali nel campo della meccanica dei fluidi a superficie libera, in particolare riguardo alle caratteristiche di espansione di una perdita a superficie libera nell’impatto con una superficie in movimento. Può inoltre essere utilizzato per studiare la meccanica dei fluidi delle linee di contatto in movimento. Questo video inizia dall'apparecchiatura con disco rotante, dopo la preparazione del fluido di prova.
Questo schema fornisce una panoramica del sistema. Un disco è azionato da un motore elettrico con inverter a frequenza variabile. Un ugello è posizionato per inviare un getto di fluido di prova sulla superficie del disco. Telecamere.
Registra l'azione di interazione tra il fluido e la superficie. Inizia a verificare l'apparato assicurandoti innanzitutto che la valvola di alimentazione dell'aria per il cuscinetto pneumatico sia aperta. Il manometro dovrebbe indicare una pressione compresa tra 60 e 80 PSI di pressione relativa.
Successivamente, rimuovere qualsiasi ostacolo che possa impedire il movimento del disco e ruotare il disco. Eseguire diverse rotazioni in ciascuna direzione per verificare la presenza di eventuali problemi. Procedere quindi a lavorare con il sistema del fluido di prova.
Inclinare e fissare l'accumulatore di gas compresso utilizzato per la pressurizzazione del fluido di prova. Quando pronto, introdurre tre chilogrammi di liquido di prova o il liquido nel raccordo del fluido dell'accumulatore con il fluido in posizione. Procedere poi a effettuare per primi i collegamenti necessari.
Collegare il collegamento del gas dell'accumulatore a una bombola di azoto mediante un regolatore di pressione. Successivamente, collegare il collegamento del fluido dell'accumulatore all'ugello dello spruzzo a getto. Quindi, avviare il software di controllo del disco e del motore procedendo con la verifica delle due telecamere per filmati.
Ognuno è dotato di una lente ad alto ingrandimento e viene posizionato a 35 centimetri dal punto di impatto del getto; ciascuno cattura una vista diversa. Posizionare una sorgente luminosa a fibra ottica da 150 watt per ottenere uno sfondo uniformemente illuminato; il test può quindi iniziare. Una volta che tutti i componenti del sistema sono pronti.
Utilizzare il controller del variatore di frequenza per impostare la velocità del disco al valore desiderato. In questo caso, circa 1000 giri/min nel software di controllo. Fare clic sul pulsante della sequenza di prova per avviare il test automatizzato.
Durante il test, il software determina i parametri ottimali. Monitora la velocità superficiale, la pressione di retroazione dell'ugello e la temperatura, e attiva le telecamere al termine del test. Il video e gli altri dati possono essere salvati; inoltre, esperimenti possono essere condotti utilizzando un cannone ad aria.
Il cannone ad aria è composto da una canna in acciaio, pressurizzata da un serbatoio d'aria. Il proiettile è in legno con una superficie superiore in metallo sulla quale impatterà il getto di liquido. Un ugello posizionato sopra la canna fornisce il getto di fluido.
Ora procurarsi tre chilogrammi di fluido di prova preparato e versarli nel foro di ingresso del fluido nell'accumulatore. Al termine, collegare il foro del fluido dell'accumulatore all'ugello dello spruzzo a getto e collegare il tubo dal foro del gas dell'accumulatore a una bombola di azoto. Azionare un regolatore di pressione.
Completare la preparazione del fluido impostando la pressione dell'accumulatore a circa 40 PSI. Per questo video, accendere il software del controller. Quindi prendere il proiettile e inserirlo nel cannello del cannone.
Spostare il meccanismo di arresto all'uscita del cilindro. Successivamente, aprire la linea d'aria pressurizzata che porta al serbatoio dell'aria. Portare il serbatoio alla pressione compresa tra 30 e 70 PSI per ottenere la velocità del proiettile desiderata.
A questo punto, verificare l'allestimento per la ripresa video. Posizionare una telecamera ad alta velocità accanto all'ugello dello spruzzo a getto e un foglio diffusore sul lato opposto della canna della pistola ad aria rispetto alla telecamera. Fissare una luce ad alta intensità a fibra ottica in modo che illumini il sito di impatto attraverso il diffusore.
Una volta che tutto è in posizione, indossare la protezione in air moss per difendersi dall'esplosione del cannone ad aria. Accedere al pannello di controllo del cannone e premere il pulsante di avvertimento per segnalare l'inizio di un esperimento. Premere il pulsante sul pannello di controllo della pistola ad aria per sparare il proiettile e attivare il sistema di controllo automatico del cannone ad aria, coordinando ogni componente dell'apparato.
Per completare il test per l'analisi dei dati, utilizzare un computer dotato di software per la visualizzazione delle registrazioni ad alta velocità per una determinata condizione di prova. Riprodurre il video dell'impatto a velocità normale per osservare e registrare il comportamento del getto. Dopo aver calibrato la scala dell'immagine, identificare un intervallo nel video.
Quando il getto appare più stabile, iniziare a misurare e registrare le dimensioni di interesse derivanti dall'impatto. In questo caso, il software viene utilizzato per determinare il raggio del punto di ristagno della lamella. Completare la misurazione di tutte le dimensioni prima di procedere.
Successivamente, avanzare di 100 fotogrammi nelle immagini. Ripetere le misurazioni per confermare che il getto e la lamella siano stabili. Esistono tre comportamenti principali associati all'impatto di un getto liquido su superfici in movimento: deposizione, schizzo e schiumatura.
Queste immagini fisse sono state ottenute da registrazioni video durante esperimenti in cui il getto fluiva in un flusso rettilineo e costante verso la superficie. Nella deposizione, il getto aderisce alla superficie e vi permane. Per il resto dell'esperimento, si verificano schizzi e spruzzi quando il getto liquido aderisce solo parzialmente alla superficie d'impatto.
La transizione tra comportamento di deposizione e schizzo o spruzzo dipende da molte variabili, tra cui il diametro del getto, la velocità del getto e della superficie, la viscosità del getto, la pressione dell'aria circostante e persino la rugosità della superficie. Ad esempio, in questo video si osserva la deposizione del getto quando questo colpisce una prima superficie con una rugosità di 510 nanometri e una seconda superficie con una rugosità di 160 nanometri. Al contrario, lo spruzzo si verifica quando il getto impatta una terza superficie con una rugosità di 16 nanometri.
L'impatto di un getto liquido su un substrato in movimento è fisicamente molto complesso. L'apparato mostrato in questo video permette di studiare l'impatto del getto in modo scientifico controllato.
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Panoramica
Questo studio analizza l'impatto di getti liquidi su superfici in movimento ad alta velocità, utilizzando due dispositivi sperimentali: un disco rotante e un cannone ad aria. L'obiettivo è ottimizzare l'applicazione di additivi liquidi per la modifica dell'attrito sui binari ferroviari, al fine di migliorare il controllo dell'attrito.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Dinamica dei fluidi
- Interazioni superficiali
- Controllo dell'attrito
Sfondo
- L'urto di un getto liquido è fondamentale per numerose applicazioni industriali.
- Comprendere la dinamica dell'impatto del liquido può migliorare i metodi di trattamento superficiale.
- Il controllo dell'attrito sui binari ferroviari è essenziale per la sicurezza e l'efficienza.
- Due apparati distinti forniscono informazioni diverse sul comportamento del liquido su superfici in movimento.
Scopo dello studio
- Analizzare gli effetti dell'urto di un getto liquido su superfici ad alta velocità.
- Determinare i metodi ottimali per l'applicazione di additivi modificatori dell'attrito liquido.
- Migliorare la comprensione della dinamica dei liquidi in applicazioni pratiche.
Metodi Utilizzati
- Un disco rotante che ruota a 100 metri al secondo con un ugello a getto liquido.
- Un cannoncino elettromagnetico che spara un proiettile a 25 metri al secondo, rilasciando un flusso di liquido.
- Analisi video dell'impatto del liquido sulle superfici ai fini della raccolta di dati.
- Analisi comparativa di entrambi gli apparati per valutarne le prestazioni.
Risultati principali
- Entrambi i dispositivi dimostrano efficacemente il comportamento del getto liquido su superfici in movimento.
- I dati indicano le condizioni ottimali per l'applicazione del liquido sui binari ferroviari.
- L'analisi video fornisce informazioni preziose sulle dinamiche dell'impatto del liquido.
- I risultati contribuiscono a strategie migliorate di controllo dell'attrito.
Conclusioni
- Lo studio caratterizza con successo l'impatto di getti liquidi su superfici ad alta velocità.
- I risultati supportano lo sviluppo di applicazioni efficaci di additivi modificatori dell'attrito liquido.
- La ricerca futura potrà basarsi su questi metodi per applicazioni industriali più ampie.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La visualizzazione quantitativa dell'impatto di un getto liquido ad alta velocità su superfici in movimento consente una caratterizzazione precisa dei regimi di deposizione, schizzatura e spruzzo, fondamentali per l'ingegneria dei processi. Questa capacità supporta la fiducia predittiva nelle interazioni tra superficie e liquido rilevanti per la produzione avanzata e la lavorazione dei materiali. La riproducibilità del metodo e il controllo sulle variabili chiave lo posizionano come strumento fondamentale per ridurre i rischi nei flussi di lavoro industriali nelle fasi iniziali.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette l'analisi meccanicistica delle interazioni fluido-superficie in condizioni controllate ad alta velocità.
- Consente la riduzione del rischio associato alle variabili di processo isolando gli effetti della velocità del getto, della rugosità della superficie e delle proprietà del fluido.
- Facilita studi basati su ipotesi sui risultati di deposizione rispetto a schizzi, per l'ottimizzazione dell'interfaccia del materiale.
Sviluppo di screening e saggi
- Fornisce piattaforme standardizzate e riproducibili per la valutazione del deposito di liquidi su superfici ingegnerizzate.
- Genera dati quantitativi video e di pressione per lo sviluppo di saggi affidabili e il confronto tra diverse condizioni.
- Consente lo screening su scala ampliabile di trattamenti o formulazioni superficiali per ottenere un comportamento ottimale del deposito.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea i risultati sperimentali ai requisiti dei processi industriali per rivestimenti superficiali e produzione additiva.
- Garantisce continuità dalle studi meccanicistici nella fase di scoperta alla validazione del processo preclinico in sistemi pertinenti.
- Riduce i rischi di scala aumentando fornendo dati predittivi sul comportamento dei fluidi a diverse velocità e texture superficiali.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo metodo si integra nel percorso dalla scoperta alla fase preclinica consentendo test ipotetici controllati sulle interazioni tra liquidi e superfici, sostenendo sia studi meccanicistici iniziali sia l'ottimizzazione dei processi successivi.
- Biologia della scoperta: Quantifica l'impatto di variabili indipendenti come la velocità del getto e la rugosità della superficie sui risultati del deposito.
- Screening: Fornisce output quantitativi e riproducibili (ad esempio, raggio della lamella, soglia di schizzo) per l'analisi comparativa tra diverse condizioni.
- Analisi: Fornisce video ad alta velocità e dati di pressione per supportare il confronto statistico dei regimi d'impatto.
- Ricerca traslazionale: Collega i risultati di laboratorio a velocità e condizioni superficiali rilevanti per l'industria.
- Riutilizzo aziendale: Offre una piattaforma modulare e adattabile per studi meccanicistici e di processo ripetuti tra diversi team di ricerca e sviluppo.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nei risultati delle interazioni fluido-superficie e riduce l'ambiguità meccanicistica.
- Valore operativo: Standardizza le condizioni sperimentali per garantire riproducibilità e scalabilità tra diversi progetti.
- Valore strategico: Fornisce indicazioni per decisioni di avanzamento o interruzione nello sviluppo di processi e nella selezione dei materiali, riducendo i rischi nelle fasi avanzate.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione corretta in base al rischio delle tecnologie di trattamento superficiale e di deposizione.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nell'imaging ad alta velocità, nella meccanica dei fluidi e nell'analisi quantitativa dei video.
- Richiede l'accesso a dispositivi ad alta precisione e a sistemi sincronizzati di acquisizione dati.
- Necessita di una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro per i protocolli di misura e l'interpretazione dei dati.
- È adattabile a diverse tipologie di materiali superficiali e formulazioni di fluidi, previa calibrazione adeguata.
- I limiti pratici includono i valori massimi di velocità superficiale e di stabilità del getto, definiti dalla progettazione dell'apparato sperimentale.
