Name: 表面移動に高速液体ジェット宿便の可視化 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-04-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 34 s
Description: 学ぶ高速回転ディスクとエアキャノンを用いた液体ジェットの表面衝撃挙動。動的表面への液体噴射の可視化と摩擦制御への応用を探索する。

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自然科学とカナダの工学研究評議会（NSERC）とLBフォスター·レール·テクノロジーズ、（株）が共同でNSERC共同研究開発助成プログラムを通じて、この研究を支持した。

1.スピニングディスクデバイス<ol><li>表中の所望の試験条件及び記録試験条件（ 例えば、周囲温度、流体特性、ジェット及び表面速度など ） を識別する。 </li><li>材料の調整<ol><li>衝突試験用のグリセリン - 水またはPEO-グリセリン水溶液を調製する。 <ol><li> PEO-グリセリンと水の試験の場合には、徐々に、24時間にわたって穏やかに磁気攪拌下で蒸留水1495.5グラムにPEO粉末（百万四百万、粘度平均分子量）4.5gを溶解する。過度の機械的劣化を防止するためにPEO試料を攪拌避ける。 </li><li>次第に0.15％のPEOの濃度および50％グリセリン濃度の水溶液に到達するために24時間にわたって水溶液PEO溶液に、USPグレードのグリセリン1.5kgのを追加。 </li></ol></li><li>ミニへの各テストの前と後のRT下の気密容器内に別々に試験液を保存するマイズ蒸発、周囲の空気と汚染から吸水。特徴づけ、準備の5日以内に液体を噴霧する。 </li></ol></li><li>実験のパフォーマンス<ol><li>ことを確認しスピニングディスクエアベアリングの空気供給バルブが開いており、圧力ゲージの読みは正しい動作範囲（60〜80）まで加圧している。ディスクとベアリングに問題をチェックするために5回転をディスクの動きを妨げ、両方の方向に手でディスクを回すかもしれないクリア何​​でも。 </li><li>クリーンで安全な圧縮ガスは、試験流体の加圧にアキュムレータを閉じた。 1ガロンアキュムレータの流体ポートに試験液の3キロを注ぐ。 </li><li>圧力調整器を経由して窒素タンクにアキュムレータのガスポートを接続します。ジェットスプレーノズルにアキュムレータの流体ポートに接続します。 </li></ol></li><li>制御システムは、高速イメージングシステムをセットアップする。 <ol><li>スピニングディスク制御ソフトウェア及びVFD制御ソフトウェアを起動する。位置2つの高速シネ35センチメートル離れ衝突点からカメラやつの角度からの衝突点をキャプチャするために高倍率レンズを調整する。 </li><li>最高の画質（ 図1）のために均等に点灯してバックグラウンドを達成するために、150 Wの光ファイバ光源を調整します。この時点で、制御システムの電源は、カメラ調整を容易にする。 </li><li>期待通りにシステムが機能していることを確認するために、制御ソフトウェアで「セルフチェック」ボタンをクリックすることにより、セルフチェックルーチンを実行します。 </li></ol></li><li>ジェット衝突テストを実行します<ol><li> VFD制御ソフトウェア（500〜3,000 RPM）で所望の値にディスク速度を設定します。 </li><li>テストを実行するには、「テストシーケンス」ボタンをクリックすることにより、制御ソフトウェアから自動化された実験的なシーケンスを起動します。ソフトウェアは、自動的に最適なパラメータを決定し、それに応じてテストを実行するためのシステムの各コンポーネントを調整する。 </li><li> （例えば、 図2のスクリーンショットを参照）、得られた衝突テスト映像を保存します。読み取りおよび記録面速度制御ソフトウェアからの圧力と温度をバックてノズル。 注：各試験の後、ディスククリーニングシーケンスは、ディスク表面をすすぎ、乾燥させるために自動的に実行されます。すべての試験流体残基が除去されるまで、必要に応じて洗浄サイクルを繰り返す。 注意：水、グリセリン溶液試験流体は、クリーニングシーケンスを用いて洗浄することができるが、他のLFMsは、アセトンなどの有機溶媒で洗浄する必要がある。このような場合には、ディスクに直接噴霧するのではなく、布に洗​​浄剤を適用する。 </li></ol></li><li>データ分析<ol><li>各試験条件（ 例えば 、流体特性、周囲温度、表面粗さなど ）に関する情報を含むスプレッドシートを準備する。 </li><li>シネ閲覧ソフトで記録されたジェット衝突イメージを開き、正常な時にフルビデオ録画を再生スピードとジェット衝突挙動を観察する。 </li><li>レコードの衝突の行動特性、実験設備との合併症を示すことが異常な傾向を記録する、準備されたスプレッドシートの（スプラッシュ/スパッタリング/堆積は図3を参照）。 </li><li>スプレッドシートにテスト結果と条件を保存します。レコードの注目すべき所見およびテストログ（ 例えば、スプラッシュ/蒸着閾値点、スプラッシュ/堆積遷移など ） の中で珍しい出現。必要なときにスクリーンショットを保存します。 </li><li>画像分析測定および記録データを行う。 <ol><li>画面上のピクセルの測定ツールを起動します。オープン衝突画像は、画面上のピクセルの測定ツール（ 図4）を使用して画像におけるマイクロルーラーを測定することにより、画像スケールを較正する。 </li><li>関心の寸法測定（ 例えば 、ラメラ広がり幅W、およびラメラよどみ点半径Rを、 図5を参照）、画素測定tと共にジェットが準備されたスプレッドシートで、ビデオおよび記録データに最も安定であるように思われるポイントでOOL。次にジェットラメラの両方が安定していることを確認するために100フレームの測定の最初のグループの後の測定値の別のグループを取る。グラフ上のプロットのデータ点とフィッティングカーブを完了します。 </li></ol></li></ol></li></ol> 2.エアキャノンデバイス<ol><li>所望の試験条件を特定し、ステップ1.1およびステップ1.2のように材料を準備します。 </li><li>実験のパフォーマンス<ol><li>システム·制御ソフトウェアをパワーアップ。 </li><li>大砲バレルに発射を挿入します。適切にテストします（ 図6）の後に発射体をキャプチャするバレル出口に近いストップ機構を移動します。 </li><li>空気タンクに通じる加圧された建物のエアラインを開きます。希望発射速度に応じて、30 PSIと70 psiの間にタンクを加圧する。 30 PSIタンク圧力は約5の発射速度を提供します1m /秒、および70 PSIは周り25メートル/秒の速度を提供します。 </li><li>試験流体の加圧用の圧縮ガスクローズアキュムレータを準備します。 <ol><li>アキュムレータの流体ポートに試験液の3キロを注ぐ。液体ジェットスプレーノズルにアキュムレータガスバルブからチューブを接続し、最大300 PSIGにアキュムレータ圧を設定します。 </li></ol></li><li>シザーズジャッキにカメラを取り付けます。ジェットスプレーノズルの次に位置プラットフォームにシザーズジャッキを固定します。 </li><li>カメラから横切って拡散シートの背後に配置プラットフォームに高輝度の光源を固定する。ソフトウェア制御インターフェースのビデオカメラのビューイング機能を使用して照明とカメラの位置を確認し、必要に応じて位置（ 図7）を調整する。 </li><li>空気砲音爆風からの保護のためにイヤーマフを着用。 </li><li>信号を複数回大砲のコントロールパネルのロックを解除し、操作パネル上の警告ボタンを押す実験開始。 </li><li>空気砲バレルとの空気タンクを接続する電磁弁を開き、コントロールパネルのボタンを押してください。 </li><li>デバイスが発射と発射体が捕捉された後、流体および残留試験流体を除去するためのスポンジのクリーニングでそれを拭いてデバイスをクリーニング。最終的に、発射体の衝突面を乾燥させる。 </li></ol></li><li>固定（10cm）に距離を移動するための発射に必要な時間の量を測定することによって記録された高速ビデオに発射体の速度を測定する。ステップ1.5のようにデータを分析します。 </li></ol>

<ol><li>Cotter, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Top+of+Rail+Friction+Control%3A+Reductions+in+Fuel+and+Greenhouse+Gas+Emissions%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Of+the+2005+Conference+of+the+International+Heavy+Haul+Association+%28Rio+de+Janeiro%29%22%5BJournal%5D)">Top of Rail Friction Control: Reductions in Fuel and Greenhouse Gas Emissions.</a> Proc. Of the 2005 Conference of the International Heavy Haul Association (Rio de Janeiro). , 327-334 (2005).</li>
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<li>Bird, J. C., Tsai, S. S., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inclined+to+splash%3A+triggering+and+inhibiting+a+splash+with+tangential+velocity%5BTitle%5D)+AND+%22New+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">Inclined to splash: triggering and inhibiting a splash with tangential velocity.</a> New Journal of Physics. 11 (6), 063017(2009).</li>
<li>Range, K., Feuillebois, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+surface+roughness+on+liquid+drop+impact%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Colloid+and+Interface+science%22%5BJournal%5D)">Influence of surface roughness on liquid drop impact.</a> Journal of Colloid and Interface science. 203 (1), 16-30 (1998).</li>
<li>Crooks, R., Boger, D. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+fluid+elasticity+on+drops+impacting+on+dry+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">Influence of fluid elasticity on drops impacting on dry surfaces.</a> Journal of Rheology. 44 (4), 973-996 (2000).</li>
</ol>

著者らは、開示することは何もない。

空気砲のセットアップに使用される発射体は、軽量、木製ベースで構成されている。わずかに多数の試験後の木材チップが​​、それはより効果的に停止機構に影響を与える際に粉々にする傾向があり、プラスチックまたは金属などの材料からなる発射、より運動エネルギーを吸収することが見出されている。木製の発射体の寸法は、空気の漏れを制限する、密接にスチールバレル内部に適合するように設計されている。合板の2つの層の間に固定さ1/8 &quot;厚のゴムシートは、さらに、バレルの内側の周りにシールを強化する発射体の後ろに取り付けられている。液体ジェットは最小の干渉を有する1つの試験において3つのすべての面に衝突することができるように、発射体の上部に取り付けられた金属衝突面が異なる粗さの高さの3つの別々の金属板として固定され、2.5センチメートル離れて位置している。発射体の前面には、目の上のバーブとの空気力学的な鼻に成形されている鼻のE底内部のラッチ機構を持つ重いアルミボディを持つ停止機構は、インパクトの際に発射体に安全に接続するように。むしろ、所定の位置に固定されているよりも、停止機構は、発射をキャッチすると約60 CMによって後方にスライドさせる。この関数は、...

本研究では、転写効率及び均一な堆積結果の高度を実現しつつ移動する表面に液体ジェットの形でLFM（液体摩擦調整剤）を塗布するための戦略を決定することを目的とする。この目的を達成するには、表面を移動する上で液体ジェット衝突に影響を与える要因の包括的な理解を開発することを含む。 プロジェクトは、鉄道部門で使用される潤滑適用技術の効率を改善する必要性によって動機付けされる。燃料消費量と機関車メンテナンスコスト、摩擦改質剤の薄膜を低減する手段として、現在、従来の鉄道の線路の上レール表面に適用されている。最近の研究では、6％のエネルギー消費量が減少し、レールと車輪フランジレール上面用水性LFMの一種（TOR）摩擦制御を適用することは、50％ の1,2-超えてによる着用することを示した。他の研究では、レールトラックにLFMを適用することが減らすことが示されているの横力とノイズレベルも、より重要なこととして、トラックコルゲーションと脱線3,4の主な原因である転動疲労による損傷。これらの結果はさらに、東京地下鉄システム5上のフィールドテストで確認された。 LFMsは現在、カナダと米国全体で機関車の数十に装着エアーブラスト噴霧器から分配されている。この応用形態では、LFMは鉄道車両を移動させるの下に取り付けられた噴霧器により、線路の上部に適用される。必要な大容量高圧空気供給レベルが達成できない場合があるため、LFMアプリケーションのこのモードは、多くの鉄道機関車に実装するのは困難である。横風が元の軌道から逸脱する微細な噴霧液滴を生じさせるようにエア·ブラスト噴霧ノズルはまた、横風で操作された場合、高度に不規則なレールカバレッジを生成すると考えられている。横風も同じ可能性が高いため、ノズルファウリングに関与することが知られている理由。エアーブラスト噴霧器に関連する問題に起因して、鉄道部門は、現在、レールトラックにLFMアプリケーションへの代替アプローチを求めている。液体ジェットは、それらの低ドラッグ対慣性比にエフェクトを横風の影響を受けにくいですように、1つ実行可能な解決策は、（ - 霧状ではない）連続液体ジェットを用いてLFMを分配することを含む。さらに、噴霧ノズルに必要な高い空気圧と音量レベルが液体ジェット噴霧技術で必要とされないため、LFMアプリケーションの速度に対する効果的な制御を維持し、より合理的で堅牢な噴霧機構は、後者の行為。 類似の物理学、液滴衝突の面積は、集中的に研究されている。これは、移動乾燥滑らかな表面上の液滴の衝突のために、動作を飛散する粘度、密度、表面張力および衝突速度​​14,15の通常の成分を含む多くのパラメータに依存していることをいくつかの研究者によって発見された。バード<emは&gt;ら両方正常および接線速度は非常に重要で16であったことを実証した。範囲らおよびクルックスらは 17,18（ すなわち 、それが飛散する液滴やすくなる）定常乾燥表面上の液滴の衝突のために、表面粗さが著しくスプラッシュ閾値を低下させることが示されている。 その実用的な重要性にもかかわらず、移動表面のジェット衝突は、学術文献ではほとんど注目されている。チウ·ウェブスターとリスターは、移動する表面に安定的かつ非定常粘性ジェット衝突を調べた実験の大規模な一連を行った、と著者は定常流ケース6のためのモデルを開発しました。 HLOD らは、追加の整数条件で未知の長さのドメイン上の三次ODEによって流れをモデル化し、実験結果7と予測構成を比較した。しかし、レイノルズ数を調べこれらの研究の双方に典型的な鉄道LFMアプリケーションに関連付けられたものよりもはるかに低い。 Gradeck らは、数値的及び実験的に各種の噴射速度、表面速度、及びノズル径条件8の下で移動する基板上にウォータージェット衝突の流れ場を調べた。藤本らは、さらに水9の薄膜で覆われて移動する基板に衝突する円形の水ジェットの流動特性を調べた。しかし、これら二つのプロジェクトは、本研究で用いたものに比べて比較的大きなノズル径と下面とジェット速度を使用。以前の実験数値、および分析研究は大量のデータを提供してもまた、大部分は、熱伝達パラメータではなく、ジェット飛散挙動液流プロセスに焦点を当てている。本研究で提供実験方法は、このように再液体ジェット応用技術に寄与する小さいジェットノズル直径および高速噴流および表面速度を含む条件下で、そのような技術を清澄。本発明の方法はまた、可動接触線に関連付けられた基本的な流体力学の問題についての知識を洗練する。 上記の研究は、一般的に、低速移動面と低速ジェットの相互作用が関与している。高速移動表面に層状の高速ジェット衝突の比較的少数の研究がなされている。高速液体ジェット衝突時に噴射液が薄いラメラを形成し、入射位置の近傍で半径方向に広がる。このラメラは、その後、粘性は、特性U字状薄板の製造、表面移動によって課される強制力により下流対流れる。 Keshavarz ら高速表面に衝突ニュートン弾性液体ジェットを用いた実験で報告されている。 「堆積＆：彼らは、2つの異なるタイプに衝突プロセスを分類した＃8221;そして「スプラッシュ」10。衝突が堆積として分類されるためには、スプラッシュが液滴に分裂する、その後、表面から分離し、液体ラメラことを特徴としているのに対し、ジェット液は、表面に付着している必要があります。第三の衝突政権も記載されている - 「スプラッタ」。これでは、ラメラが残る比較的まれ、レジームは「堆積」に関しては、表面に付着するが、微細な液滴は、薄板の前縁付近から吐出される。非ニュートン流体の効果のその後の研究では、Keshavarz らは、表面速度比が噴流衝突角とジェット速度はわずかな効果11を有しているのに対して、スプラッシュ/堆積閾値は、主に、レイノルズおよびデボラ数で決定されると結論。可変周囲圧力下で実施された実験では、Moulson らは発見したスプラッシュ/堆積閾値レイノルズ数は劇的にその周囲の空気の圧力の減少に伴って増加する（ すなわち 、より高い周囲圧力が飛散するジェットやすくする）、一定の閾値を下回る周囲圧力を減少させると完全に12スプラッシュを抑制している。この知見は、強くラメラに作用する空気力をラメラリフトオフおよびその後のスプラッシュの原因に重要な役割を果たしていることを示唆している。高速基板上に高速衝突に関する最近の研究では、スターリングスプラッシュ閾値に近い基板の速度及び噴射条件に対して、スプラッシュが非常に小さい局所的な表面粗さとマイナージェット不安定によってトリガされることを示した。彼はまた、これらの条件下でラメラリフトオフ及び再付着が確率過程13であることを示した。 ここに記載の実験プロトコルは、高速移動表面と流体との相互作用に関与する他の物理的な状況を研究するために使用することができる。例えば、同じアプローチは、ヘリコプターの宣伝ちらしを研究するために使用することができる電子ボルテックス（渦流体がトレーサ粒子で着色している​​場合）との相互作用表面のロボットのスプレー。

<table><tbody><tr><td colspan="4">エアキャノンセットアップ用機器</td></tr><tr><td>30ガロンエアタンク</td><td>スチールファブ</td><td>A10028</td><td></td></tr><tr><td>ソレノイド作動ポペットバルブ</td><td>パーカー・ハネフィン・コーポレーション</td><td></td><td></td>#16F24C2164A3F4C80</tr><tr><td>1.5インチNPTゴムホース</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>長方形スチールチューブ</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>停止機構</td><td>カスタマイズされた</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ステンレス鋼板</td><td>カスタマイズされた</td><td></td><td></td></tr><tr><td>木製発射体</td><td>カスタマイズされた</td><td></td><td></td></tr><tr><td>1kWの高強度白熱灯</td><td>フォトグラフィック・アナリシス(株)</td><td></td><td></td>T986851</tr><tr><td>ライトディフューザーシート</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>光センサー</td><td>BANNER</td><td>SM312LV</td><td></td></tr><tr><td colspan="4"> 回転ディスクセットアップ</td></tr><tr><td>モーター</td>用機器 <td>WEG</td><td>TEFC-W22</td><td></td></tr><tr><td>ベアリング</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ディスク</td><td>カスタマイズ</td><td></td><td></td></tr><tr><td>光ファイバー</td>光源 光ファイバー <td>テクノロジーインコーポレイテッド</td><td>MO150AC</td><td></td></tr><tr><td>高輝度LEDアレイ</td><td>Torshare Ltd.</td><td>TF10CA</td><td></td></tr><tr><td>バキューム</td><td>リッジツール社</td><td>WD09450</td><td></td></tr><tr><td>インタラプタ</td><td>カスタマイズ</td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">両デバイス共用機器</td></tr><tr><td>Phantom v611 高速シネカメラ</td><td>ビジョンリサーチ</td><td>V611</td><td></td></tr><tr><td>Phantom v12 ハイスピードシネカメラ</td><td>ビジョンリサーチ</td><td>V12</td><td></td></tr><tr><td>Zoom 7000レンズ</td><td>Navitar Inc.</td><td>ズーム7000</td><td></td></tr><tr><td>ズーム6000レンズ</td><td>Navitar Inc.</td><td>Zoom 6000</td><td></td></tr><tr><td>圧縮窒素タンク</td><td>Praxair Technology, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>圧力調整器</td><td>Praxair Technology, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PRS20124351CGA 圧縮窒素用ホース</td><td>スウェージロック社</td><td>SS-CT8SL8SL8-12</td><td></td></tr><tr><td>液体用ホース</td><td>スウェージロック社</td><td>SS-7R8TA8TA8</td><td></td></tr><tr><td>アキュム</td><td>レータ アキュムレータ</td><td></td><td></td>A131003XS</tr><tr><td>ソレノイド</td><td>バルブ ソレノイドソリューションズ株式会社</td><td>2223X-A440-00</td><td></td></tr><tr><td>圧力トランスデューサ</td><td>WIKAインスツルメンツ株式会社</td><td>#50398083</td><td></td></tr><tr><td>ノズルアセンブリ</td><td>カスタマイズされた</td><td></td><td></td></tr><tr><td>グリセリン</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ポリ(エチレンオキシド)</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

表面移動に高速液体ジェット宿便の可視化

Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface

高速移動する表面に液体ジェット衝突を調べるための2つの装置が記載されている：（0および25メートル/秒の間の表面速度を調べるための）空気砲装置及びスピニングディスク装置（15と100メートルの間の表面速度を調べるための/秒）。空気砲線形トラバース木製発射体の上部に取り付けられた金属レール面を加速するために設計された空気圧式エネルギー給電システムである。ソレノイドバルブを備えた加圧シリンダが急速に大砲バレルダウン発射を強制的に、バレルに加圧された空気を放出する。発射体は、金属上部表面上に液体ジェットを衝突スプレーノズルの下に移動し、発射体は、その後停止機構に当たる。カメラは、ジェット衝突を記録し、圧力変換器は、噴霧ノズルの背圧を記録する。スピニングディスクセットアップは、可変周波数ドライブ（VFD）を介して、モータ500回転〜3000の速度に達するスチールディスクから成る。スプレーシステムシ空気砲とmilarは、回転するディスク上に衝突する液体ジェットを生成し、いくつかの光学アクセスポイントに配置されたカメラは、ジェット衝突を記録する。ジェット衝突過程のビデオ記録を記録し、衝突の結果は、スプラッシュ、スプラッター、または堆積であるかどうかを決定するために調べられる。装置は、高速移動表面上の低レイノルズ数液体ジェットの高速衝突を伴うことが最初である。その鉄道産業用途に加えて、記載された技術は、製鋼のような技術的および工業目的に使用することができ、高速な3Dプリンティングに関連し得る。

<html>導入部分で説明したように、液体ジェット衝突に関連する3つの主要な行動は、蒸着、スプラッタスプラッシュある。これらのジェット衝突挙動は、種々の光の点に位置する高速シネカメラによって記録された映像データを用いて観察される。 3枚の噴射の結果を図3に示す描写ビデオ記録から得られた静止画の例としては、 図3（a）は、ジェットが衝突面に向かって完全に直線状で安定した流れで流れる液体ジェット堆積を示している。ジェットは、表面に付着し、残りの実験のために表面上に残る。ジェットどちら飛散（ 図3Bの残りは、液体ジェットが部分的にしか衝突面に付着した図3B及び図3Cは少ない最適な結果を図 ）または衝突時（ 図3C）をはね。 jove_content &quot;&gt;与えられた映像データのかなり簡単な性質を考えると、あいまいな結果は珍しくかつ再現性のある結果は、実験装置の両方から得られた。しかし、通...

高速移動面への液体ジェットの衝突を調べるための2つの実験装置、すなわちエアキャノン装置と回転ディスク装置が説明されています。これらの装置は、トップオブレール摩擦制御のために、液体摩擦調整剤(LFM)を線路に適用するための最適なアプローチを決定するために使用されます。

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds ...

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。

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Research

JoVE Journal

Engineering

工学

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表面移動に高速液体ジェット宿便の可視化

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