表面移動に高速液体ジェット宿便の可視化

本実験の全体的な目的は、高速で移動する表面への自由表面液体ジェットの衝突について研究することです。これは2種類の異なる装置を用いて行われます。1つ目は、最高速度100 meters per secondで回転するディスクであり、ノズルからこのディスク上に液体ジェットを噴射します。

ビデオカメラを用いて、後の解析のために液体が表面に衝突する様子を撮影します。2つ目の装置は、圧縮空気で駆動し、最大25 meters per secondの速度で物体を射出できるレールガンです。この物体は、薄い液流が強制的に噴出されるオリフィスの下を通過します。

カメラで衝撃分析用のビデオを撮影します。次に、ビデオを解析して、ジェット表面の衝撃を特徴付け、定量化します。その結果、衝撃挙動には3つの異なるタイプがあり、これらの挙動間の移行はいくつかの変数に依存することが示されました。

この手法は、自由表面流体力学の領域におけるいくつかの重要な疑問、特に移動する表面に衝突した際の自由表面漏洩の広がり特性に関する疑問を解決するのに役立ちます。また、移動接触線の流体力学の研究にも利用可能です。このビデオは、テスト液の調製を終えた後の回転ディスク装置から始まります。

この図式はシステムの概要を示しています。ディスクは可変周波数ドライブ電動モーターによって駆動されます。ノズルは、試験流体のジェットをディスク表面に強制的に噴射するように配置されています。カメラ。

流体表面の相互作用動作を記録します。まず、エアベアリングの空気供給バルブが開いていることを確認し、装置の点検を開始してください。圧力計は60から80 PSIのゲージ圧の範囲にある必要があります。

次に、ディスクの回転を妨げる可能性のあるものをすべて取り除き、ディスクを回転させます。各方向に数回転させ、問題がないか確認してください。続いて、テスト流体システムでの作業に移ります。

試験流体の加圧に使用する圧縮ガスアキュムレータを設置し、固定します。準備が整ったら、3 kgの試験液体を用意するか、液体を充填した状態でアキュムレータの流体ポートに導入します。まず、必要な接続を順次完了させてください。

アキュムレーターのガスポートを、圧力レギュレーターを介して窒素タンクに接続します。次に、アキュムレーターの流体ポートをジェットスプレーノズルに接続します。続いて、ディスクおよび駆動装置の制御ソフトウェアを起動し、2台のムービーカメラを確認してください。

それぞれに高倍率レンズが備わっており、ジェット衝突点から35 centimeters離れた位置に配置され、それぞれ異なる視点を撮影します。150 wattの光ファイバー光源を配置し、背景が均一に照らされていることを確認した後、システムのすべての構成部品の準備が整えば、試験を開始できます。

可変周波数ドライブコントローラーを使用して、ディスク速度を希望の値に設定します。ここでは、制御ソフトウェアで約1000 RPMに設定します。テストシーケンスボタンをクリックして、自動テストを開始します。

テスト中、ソフトウェアが最適なパラメータを決定します。表面速度、ノズルの背圧、および温度をモニターし、テスト完了時にカメラを起動します。ビデオおよびその他のデータを保存します。また、エアキャノンを用いた実験を行うことも可能です。

エアキャノンは、エアタンクによって加圧されるスチール製バレルで構成されています。発射体は木製で、上部表面には液体ジェットが衝突するための金属面が設けられています。バレルの上部に配置されたノズルから、流体ジェットが供給されます。

次に、調製済みのテスト液を3 kg用意し、アキュムレーターの液ポートに注ぎます。完了後、アキュムレーターの液ポートをジェットスプレーノズルに接続し、アキュムレーターのガスポートから窒素シリンダーへチューブを接続します。圧力レギュレーターを作動させてください。

アキュムレーター圧を約40 PSIに設定し、流体の準備を完了させます。このビデオでは、コントローラーソフトウェアを起動します。次に、発射体を準備し、キャノンバレルに挿入します。

ストップ機構をバレル出口まで移動させます。次に、エアタンクに通じる加圧エアラインを開きます。目的の射出速度を得るために、タンクを30から70 PSIの範囲で加圧します。

この時点で、ビデオキャプチャのセットアップを確認します。高速カメラをジェットスプレーノズルの横に配置し、カメラからエアガンのバレルにかけて拡散シートを設置します。高輝度ファイバー optic ライトを固定し、ディフューザーを通して照射して、衝突部位を照らします。

すべての準備が整ったら、エアキャノンの噴射から身を守るためにエアモスを着用してください。キャノンコントロールパネルにアクセスし、警告ボタンを押して実験の開始を知らせます。エアガンコントロールパネルのボタンを押し、発射体を射出させ、エアキャノンの自動制御システムを作動させて装置の各構成要素を連携させます。

データ解析のためのテストを完了させるには、特定の試験条件における高速記録映像を閲覧するためのソフトウェアを搭載したコンピュータを使用します。衝突ビデオを等倍速で再生し、ジェットの挙動を観察して記録してください。画像スケールの校正後、ビデオ内の一つの区間を特定します。

ジェットが最も安定した状態で、衝撃点からの関心のある寸法を測定・記録し始めてください。本手順では、ソフトウェアを用いてラメラの停滞点半径を決定します。次へ進む前に、すべての寸法の測定を完了させてください。

次に、画像を100フレーム分進めます。測定を繰り返し、ジェットとラメラが安定していることを確認してください。移動する表面への液体ジェットの衝突に関連する主な挙動には、堆積飛散（deposition splatter）と飛沫（splash）の3種類があります。

これらの例示的な静止画は、ジェットが表面に向かって直線的かつ安定した流れで流れた際の実験ビデオ録画から取得したものです。デポジション（堆積）では、ジェットが表面に付着し、そのまま表面に留まります。実験のその他の条件下では、液体ジェットが衝突表面に部分的にしか付着しない場合に、スプラッター（飛散）やスプラッシュ（飛沫）が発生します。

堆積挙動と飛散（スプラッターまたはスプラッシュ）の間の転移は、ジェット径、ジェットおよび表面の速度、ジェットの粘度、周囲の空気圧、さらには表面の粗さを含む多くの変数に依存します。例えば、このビデオでは、粗さが510 nanometersである第1の表面および粗さが160 nanometersである第2の表面にジェットが衝突した際に、ジェット堆積が観察されます。対照的に、粗さが16 nanometersである第3の表面にジェットが衝突すると、スプラッシュが発生します。

移動する基板への液滴ジェットの衝突は、物理的に非常に複雑です。このビデオで紹介する装置を使用することで、制御された科学的な手法でジェットの衝突を研究することが可能になります。