이동 표면에 고속 액체 제트 매복의 시각화

다음 실험의 전반적인 목표는 고속으로 이동하는 표면에 자유 표면 액체 제트가 충돌하는 영향을 연구하는 것입니다. 이는 두 가지 서로 다른 장치를 사용하여 수행됩니다. 첫 번째는 최대 속도가 100 meters per second인 회전 원판으로, 노즐이 이 원판 위에 액체 제트를 분사합니다.

비디오 카메라를 사용하여 표면에 가해지는 액체 충격을 캡처하여 추후 분석에 활용합니다. 두 번째 장치는 압축 공기로 작동하며 초당 최대 25m의 속도로 발사체를 발사할 수 있는 레일건입니다. 발사체는 얇은 액체 줄기가 강제로 분출되는 오리피스 아래를 통과합니다.

카메라를 통해 충격 분석을 위한 영상을 캡처합니다. 다음으로, 영상을 분석하여 제트 표면 충격의 특성을 정의하고 정량화합니다. 분석 결과, 세 가지 서로 다른 유형의 충격 거동이 나타나며, 이러한 거동 간의 전이는 여러 변수에 따라 달라지는 것으로 나타났습니다.

이 방법은 자유 표면 유체 역학 분야의 몇 가지 핵심 질문, 특히 이동하는 표면에 충돌할 때 발생하는 자유 표면 누출의 확산 특성과 관련된 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 이동 접촉선(moving contact lines)의 유체 역학을 연구하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이 영상은 테스트 유체의 준비가 완료된 후의 회전 원판 장치부터 시작됩니다.

이 도식은 시스템의 개요를 제공합니다. 디스크는 가변 주파수 드라이브 전동기에 의해 구동됩니다. 노즐은 테스트 유체의 제트를 디스크 표면에 강제로 분사하도록 배치됩니다.카메라.

유체 표면 상호작용 동작을 기록하십시오. 먼저 공기 베어링의 공기 공급 밸브가 열려 있는지 확인하여 장치를 점검하기 시작합니다. 압력계는 60에서 80 PSI 게이지 압력 범위 내에 있어야 합니다.

다음으로, 디스크의 움직임을 방해할 수 있는 모든 요소를 제거하고 디스크를 회전시킵니다. 양방향으로 여러 번 회전시켜 문제가 없는지 확인합니다. 테스트 유체 시스템 작업 단계로 이동합니다.

시험 유체 가압에 사용되는 압축 가스 축압기를 기울여 고정하십시오. 준비가 되면, 시험 액체 3kg을 준비하거나 액체가 채워진 상태에서 축압기의 유체 포트로 액체를 주입하십시오. 먼저 필요한 연결 작업을 계속 진행하십시오.

어큐뮬레이터의 가스 포트를 압력 조절기를 통해 질소 탱크에 연결합니다. 그런 다음 어큐뮬레이터의 유체 포트를 제트 스프레이 노즐에 연결합니다. 이어서 디스크와 드라이브를 위한 제어 소프트웨어를 실행하고, 두 대의 무비 카메라를 확인하여 진행합니다.

각 카메라에는 고배율 렌즈가 장착되어 있으며 제트 충돌 지점에서 35 centimeters 떨어진 곳에 배치되어 각각 서로 다른 뷰를 캡처합니다. 배경이 균일하게 조명될 수 있도록 150 watt 광섬유 광원을 배치하면 테스트를 시작할 수 있습니다. 모든 시스템 구성 요소가 준비되면 시작하십시오.

가변 주파수 드라이브 컨트롤러를 사용하여 디스크 속도를 원하는 값으로 설정하십시오. 여기서는 제어 소프트웨어에서 약 1000 RPM으로 설정합니다. 테스트 시퀀스 버튼을 클릭하여 자동 테스트를 시작하십시오.

테스트 중에 소프트웨어가 최적의 파라미터를 결정합니다. 표면 속도, 노즐 배압 및 온도를 모니터링하며, 테스트가 완료되면 카메라를 작동시킵니다. 비디오와 기타 데이터를 저장하며, 공기포(air cannon)를 사용하여 다른 데이터 실험을 수행할 수도 있습니다.

에어 캐논은 공기 탱크에 의해 가압되는 강철 배럴로 구성됩니다. 발사체는 나무로 제작되었으며, 상단 표면은 액체 제트가 충돌하게 될 금속으로 이루어져 있습니다. 배럴 상단의 노즐은 유체 제트를 공급합니다.

이제 준비된 시험액 3 kg을 어큐뮬레이터의 유체 포트에 붓습니다. 완료되면 어큐뮬레이터의 유체 포트를 제트 스프레이 노즐에 연결하고, 어큐뮬레이터 가스 포트의 튜브를 질소 실린더에 연결합니다. 압력 조절기를 작동시키십시오.

어큐뮬레이터 압력을 약 40 PSI로 설정하여 유체 준비를 완료합니다. 본 영상에서는 컨트롤러 소프트웨어를 실행하십시오. 그런 다음 발사체를 가져와 캐논 배럴에 삽입합니다.

정지 장치를 배럴 출구로 이동시킵니다. 다음으로, 공기 탱크로 연결되는 가압 공기 라인을 엽니다. 원하는 발사체 속도를 생성하기 위해 탱크를 30에서 70 PSI 범위로 가압합니다.

이 시점에서 비디오 캡처 설정을 확인하십시오. 고속 카메라를 제트 스프레이 노즐 옆에 배치하고, 카메라에서 에어건 배럴 방향으로 확산 시트를 설치하십시오. 고강도 광섬유 조명을 고정하여 확산기를 통해 빛을 비춤으로써 충돌 지점을 조명하십시오.

모든 준비가 완료되면, 공기포 발사 충격으로부터 보호하기 위해 에어 모스를 착용하십시오. 캐논 제어 패널에 접속하여 경고 버튼을 눌러 실험 시작을 알립니다. 에어 건 제어 패널 버튼을 눌러 발사체를 발사하며, 공기포 자동 제어 시스템이 장치의 각 구성 요소를 조정하도록 합니다.

데이터 분석을 위한 테스트를 완료하려면, 주어진 테스트 조건에 따른 고속 녹화 영상을 확인할 수 있는 소프트웨어가 설치된 컴퓨터를 사용하십시오. 제트의 거동을 관찰하고 기록하기 위해 충돌 영상을 일반 속도로 재생하십시오. 이미지 스케일을 보정한 후, 영상 내에서 분석 구간을 설정하십시오.

제트가 가장 안정적으로 보일 때, 충돌 지점으로부터 관심 있는 치수의 측정 및 기록을 시작하십시오. 이 경우에는 소프트웨어를 사용하여 라멜라 정체점 반지름을 결정합니다. 다음 단계로 넘어가기 전에 모든 치수의 측정을 완료하십시오.

다음으로, 이미지의 100프레임을 진행합니다. 제트와 라멜라가 안정적인지 확인하기 위해 측정을 반복합니다. 이동하는 표면에 액체 제트가 충돌할 때 나타나는 주요 현상으로는 증착 스플래터(deposition splatter)와 스플래시(splash)의 세 가지 동작이 있습니다.

이 예시 정지 영상들은 제트가 표면을 향해 직선으로 일정하게 흐르는 실험 중 비디오 녹화를 통해 얻은 것입니다. 증착(deposition)의 경우, 제트가 표면에 부착되어 표면에 머무르게 됩니다. 실험의 나머지 부분에서, 액체 제트가 충돌 표면에 부분적으로만 부착될 때 스플래터(splatter)와 스플래시(splash) 현상이 발생합니다.

증착 거동과 스플래터(splatter) 또는 스플래시(splash) 사이의 전이는 제트 직경, 제트 및 표면 속도, 제트 점도, 주변 공기압, 그리고 표면 거칠기를 포함한 많은 변수의 함수입니다. 예를 들어, 본 영상에서는 제트가 거칠기가 510 nanometers인 첫 번째 표면과 거칠기가 160 nanometers인 두 번째 표면에 충돌할 때 제트 증착이 관찰됩니다. 이와 대조적으로, 제트가 거칠기가 16 nanometers인 세 번째 표면에 충돌하면 스플래시가 발생합니다.

이동하는 기판에 액체 제트가 충돌하는 현상은 물리적으로 매우 복잡합니다. 본 영상에서 보여주는 장치는 제어된 과학적 방식으로 제트 충돌을 연구할 수 있게 해줍니다.