Wizualizacja zaparcia strumienia cieczy o dużej prędkości na ruchomej powierzchni
17 kwietnia 2015
Opisano dwa eksperymentalne urządzenia do badania uderzenia strumienia cieczy w poruszającą się powierzchnię o dużej prędkości: urządzenie z armatą powietrzną i urządzenie z wirującym dyskiem. Aparatura służy do określania optymalnych podejść do stosowania płynnego modyfikatora tarcia (LFM) na torach kolejowych w celu kontroli tarcia na szczycie szyny.
Ogólnym celem następnego eksperymentu jest zbadanie uderzenia strumienia cieczy z wolnej powierzchni o powierzchnie poruszające się z dużą prędkością. Zostaje to zrealizowane przy użyciu dwóch różnych zestawów aparatury. Pierwszym z nich jest obracająca się tarcza o prędkości maksymalnej 100 metrów na sekundę, na którą dysza rozpyla strumień cieczy.
Kamery wideo rejestrują uderzenie cieczy o powierzchnię do późniejszej analizy. Drugim urządzeniem jest działo szynowe zasilane sprężonym powietrzem, zdolne do wystrzeliwania pocisku z prędkością do 25 metrów na sekundę. Pocisk przelatuje pod otworem, z którego wytłaczany jest cienki strumień cieczy.
Kamera rejestruje wideo do analizy uderzenia. Następnie analiza nagrania pozwala na charakterystykę i ilościowe określenie uderzenia powierzchni strumienia. Wyniki wykazują istnienie trzech różnych typów zachowania podczas uderzenia, a przejścia między tymi zachowaniami zależą od kilku zmiennych.
Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu mechaniki płynów z wolną powierzchnią, w szczególności w odniesieniu do charakterystyki rozprzestrzeniania się wycieku z wolnej powierzchni podczas uderzenia w ruchomą powierzchnię. Może być również wykorzystana do badania mechaniki płynów w obszarze ruchomych linii kontaktu. Niniejsze nagranie rozpoczyna się od prezentacji aparatury z wirującym dyskiem po przygotowaniu cieczy testowej.
Ten schemat przedstawia ogólny widok systemu. Tarcza jest napędzana silnikiem elektrycznym z falownikiem. Dysza jest ustawiona tak, aby kierować strumień cieczy testowej na powierzchnię tarczy. Kamery.
Należy zarejestrować interakcję powierzchni cieczy. Rozpocznij sprawdzanie aparatury, upewniając się najpierw, że zawór dopływu powietrza do łożyska powietrznego jest otwarty. Manometr powinien wskazywać ciśnienie w zakresie od 60 do 80 PSI.
Następnie należy usunąć wszelkie elementy, które mogłyby utrudniać ruch tarczy, a następnie obrócić tarczę. Wykonaj kilka obrotów w każdym kierunku, aby sprawdzić, czy nie występują żadne problemy. Przejdź do pracy z systemem cieczy testowej.
Przymocuj i zabezpiecz akumulator gazu sprężonego używany do utrymania ciśnienia cieczy testowej. Po przygotowaniu, wprowadź trzy kilogramy cieczy testowej lub odpowiedni płyn do otworu wlotowego akumulatora. W pierwszej kolejności wykonaj wszystkie niezbędne połączenia.
Podłącz port gazowy akumulatora do butli z azotem za pomocą regulatora ciśnienia. Następnie podłącz port cieczowy akumulatora do dyszy natryskowej. W dalszej kolejności uruchom oprogramowanie sterujące tarczą i napędem, a następnie sprawdź obie kamery wideo.
Każda z nich posiada obiektyw o dużym powiększeniu i jest umieszczona w odległości 35 centymetrów od punktu uderzenia strumienia, co pozwala na rejestrację różnych widoków. Ustaw źródło światła światłowodowego o mocy 150 watów, aby uzyskać równomiernie oświetlone tło, po czym można rozpocząć testy, gdy wszystkie komponenty systemu są gotowe.
Użyj sterownika falownika, aby ustawić prędkość tarczy na pożądaną wartość. W tym przypadku jest to około 1000 RPM w oprogramowaniu sterującym. Kliknij przycisk sekwencji testowej, aby rozpocząć zautomatyzowany test.
Podczas testu oprogramowanie określa optymalne parametry. Monitoruje prędkość powierzchniową, ciśnienie wsteczne dyszy oraz temperaturę i uruchamia kamery po zakończeniu testu. Zapisuje wideo i inne dane; eksperymenty można również przeprowadzać przy użyciu armaty pneumatycznej.
Armata pneumatyczna składa się ze stalowej lufy, która jest poddawana ciśnieniu przez zbiornik powietrza. Pocisk wykonany jest z drewna z metalową powierzchnią górną, w którą uderzy strumień cieczy. Dysza znajdująca się nad lufą wytwarza strumień cieczy.
Następnie należy przygotować trzy kilogramy cieczy testowej i wlać ją do otworu wlotowego cieczy w akumulatorze. Po zakończeniu tej czynności należy połączyć otwór wlotowy cieczy w akumulatorze z dyszą natryskową, a rurkę z otworu gazowego akumulatora podłączyć do butli z azotem. Następnie należy uruchomić regulator ciśnienia.
Zakończ przygotowanie cieczy, ustawiając ciśnienie w akumulatorze na około 40 PSI. Następnie uruchom oprogramowanie sterujące. Po tym pobierz pocisk i wprowadź go do lufy armaty.
Przesuń mechanizm stopujący do wylotu lufy. Następnie otwórz ciśnieniowy przewód doprowadzający powietrze do zbiornika. Napompuj zbiornik do ciśnienia w zakresie od 30 do 70 PSI, aby uzyskać pożądaną prędkość pocisku.
W tym momencie należy sprawdzić konfigurację do rejestracji obrazu. Kamerę wysokiej prędkości należy ustawić obok dyszy strumienia, a lufę pistoletu pneumatycznego osłonić arkuszem dyfuzyjnym znajdującym się naprzeciwko kamery. Następnie należy zamocować światłowodowe źródło światła o wysokiej intensywności, aby świeciło przez dyfuzor i oświetlało miejsce uderzenia strumienia.
Po przygotowaniu wszystkich elementów załóż maskę ochronną, aby zabezpieczyć się przed podmuchem armaty pneumatycznej. Przejdź do panelu sterowania armatą i naciśnij przycisk ostrzegawczy, aby zasygnalizować rozpoczęcie eksperymentu. Naciśnij przycisk na panelu sterowania pistoletem pneumatycznym, aby wystrzelić pocisk; zautomatyzowany system sterowania armatą pneumatyczną skoordynuje wówczas pracę każdego elementu aparatury.
Aby ukończyć test w celu analizy danych, należy użyć komputera wyposażonego w oprogramowanie do przeglądania nagrań o wysokiej prędkości dla danego warunku testowego. Odtwórz wideo z uderzenia strumienia z normalną prędkością, aby zaobserwować i zarejestrować zachowanie dyszy. Po skalibrowaniu skali obrazu wyznacz odpowiedni przedział czasowy w filmie.
Gdy strumień wyda się najbardziej stabilny, należy rozpocząć pomiar i zapisywanie interesujących wymiarów w punkcie uderzenia. W tym przypadku oprogramowanie służy do wyznaczenia promienia punktu stagnacji lameli. Przed kontynuacją należy zakończyć pomiar wszystkich wymiarów.
Następnie przejdź przez 100 klatek obrazów. Powtórz pomiary, aby potwierdzić, że strumień i lamela są stabilne. Wyróżnia się trzy główne zjawiska związane z uderzeniem strumienia cieczy o ruchome powierzchnie: osadzanie, rozprysk kropelkowy oraz rozbryzg.
Te przykładowe obrazy zostały uzyskane z nagrań wideo podczas eksperymentów, w których strumień cieczy płynął prosto i stabilnie w kierunku powierzchni. W przypadku depozycji strumień przylega do powierzchni i pozostaje na niej. W pozostałej części eksperymentu zjawiska rozprysku i rozbryzgu występują wtedy, gdy strumień cieczy przylega do powierzchni uderzenia tylko częściowo.
Przejście między zachowaniem osadzania a rozpryskiem jest funkcją wielu zmiennych, w tym średnicy strumienia, prędkości strumienia i powierzchni, lepkości strumienia, ciśnienia powietrza w otoczeniu, a nawet chropowatości powierzchni. Na przykład w tym filmie osadzanie strumieniowe obserwuje się, gdy strumień uderza w pierwszą powierzchnię o chropowatości 510 nanometrów oraz w drugą powierzchnię o chropowatości 160 nanometrów. W przeciwieństwie do tego, rozprysk występuje, gdy strumień uderza w trzecią powierzchnię o chropowatości 16 nanometrów.
Uderzenie strumienia cieczy w ruchomy podłoże jest zjawiskiem niezwykle złożonym pod względem fizycznym. Aparatura przedstawiona w tym filmie pozwala na badanie uderzeń strumienia w kontrolowany sposób naukowy.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje wpływ strumieni cieczy na powierzchnie poruszające się z dużą prędkością przy użyciu dwóch urządzeń eksperymentalnych: wirującego dysku oraz armaty pneumatycznej. Celem jest optymalizacja aplikacji modyfikatorów tarcia w formie cieczy na torowiska w celu usprawnienia kontroli tarcia.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Dynamika płynów
- Oddziaływania powierzchniowe
- Kontrola tarcia
Wstęp
- Uderzenie strumienia cieczy jest kluczowe dla wielu zastosowań przemysłowych.
- Zrozumienie dynamiki uderzenia cieczy może usprawnić metody obróbki powierzchni.
- Kontrola tarcia na torach kolejowych jest niezbędna dla zapewnienia bezpieczeństwa i wydajności.
- Dwa odrębne urządzenia dostarczają różnych informacji na temat zachowania cieczy na ruchomych powierzchniach.
Cel badania
- Analiza wpływu uderzenia strumienia cieczy na powierzchnie poruszające się z dużą prędkością.
- Określenie optymalnych metod aplikacji modyfikatorów tarcia w fazie ciekłej.
- Pogłębienie zrozumienia dynamiki cieczy w zastosowaniach praktycznych.
Zastosowane metody
- Tarcza wirująca z prędkością 100 m/s z dyszą strumienia cieczy.
- Działo szynowe wystrzeliwujące pocisk z prędkością 25 m/s, uwalniające strumień cieczy.
- Analiza wideo uderzenia cieczy o powierzchnie w celu gromadzenia danych.
- Analiza porównawcza obu urządzeń w celu oceny wydajności.
Główne wyniki
- Oba urządzenia skutecznie demonstrują zachowanie strumienia cieczy na ruchomych powierzchniach.
- Dane wskazują na optymalne warunki aplikacji cieczy na torowiska kolejowe.
- Analiza wideo dostarcza cennych informacji na temat dynamiki uderzenia cieczy.
- Wyniki przyczyniają się do udoskonalenia strategii kontroli tarcia.
Wnioski
- Badanie pomyślnie charakteryzuje uderzenie strumienia cieczy w powierzchnie poruszające się z wysoką prędkością.
- Wyniki wspierają opracowanie skutecznych zastosowań modyfikatorów tarcia w fazie ciekłej.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tych metodach w celu szerszego zastosowania przemysłowego.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ilościowa wizualizacja uderzania szybkich strumieni cieczy o ruchome powierzchnie umożliwia precyzyjną charakterystykę reżimów osadzania, rozpryskiwania i rozchlapywania, które są kluczowe dla inżynierii procesowej. Możliwość ta zwiększa pewność przewidywań dotyczących oddziaływań powierzchnia-ciecz, istotnych w zaawansowanej produkcji i przetwarzaniu materiałów. Powtarzalność tej metody oraz kontrola nad kluczowymi zmiennymi sprawiają, że stanowi ona fundamentalne narzędzie służące do minimalizowania ryzyka we wczesnych etapach procesów przemysłowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia mechanistyczną analizę oddziaływań ciecz-powierzchnia w kontrolowanych warunkach wysokich prędkości.
- Wspiera ograniczanie ryzyka związanego ze zmiennymi procesowymi poprzez izolację wpływu prędkości strumienia, chropowatości powierzchni oraz właściwości cieczy.
- Ułatwia prowadzenie badań opartych na hipotezach dotyczących osadzania w przeciwieństwie do rozbryzgu w celu optymalizacji interfejsu materiałowego.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Zapewnia zestandaryzowane, powtarzalne platformy do oceny osadzania cieczy na powierzchniach inżynieryjnych.
- Generuje ilościowe dane wideo oraz pomiary ciśnienia w celu rzetelnego opracowania testów i porównania różnych warunków.
- Umożliwia skalowalne przesiewanie metod obróbki powierzchni lub formulacji w celu uzyskania optymalnego zachowania podczas osadzania.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Dostosowuje wyniki eksperymentalne do wymagań procesów przemysłowych w zakresie powłok powierzchniowych i wytwarzania przyrostowego.
- Zapewnia ciągłość przejścia od mechanistycznych badań w fazie odkryć do przedklinicznej walidacji procesu w odpowiednich systemach.
- Minimalizuje ryzyko skalowania poprzez dostarczenie danych prognostycznych na temat zachowania płynów przy zmiennych prędkościach powierzchni i teksturach.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z kontinuum od odkrycia do badań przedklinicznych, umożliwiając kontrolowane testowanie hipotez dotyczących oddziaływań ciecz-powierzchnia, co wspiera zarówno wczesne badania mechanistyczne, jak i późniejszą optymalizację procesów.
- Biologia odkrywcza: Ilościowe określenie wpływu zmiennych niezależnych, takich jak prędkość strumienia i chropowatość powierzchni, na wyniki osadzania.
- Przesiewanie: Dostarczanie powtarzalnych, ilościowych wyników (np. promień lameli, próg rozbryzgu) do analizy porównawczej różnych warunków.
- Analityka: Zapewnienie danych z wideo wysokiej prędkości oraz pomiarów ciśnienia w celu wsparcia statystycznego porównania reżimów uderzenia.
- Badania translacyjne: Przeniesienie wyników laboratoryjnych na prędkości powierzchniowe i warunki istotne w zastosowaniach przemysłowych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferowanie modułowej, adaptowalnej platformy do powtarzalnych badań mechanistycznych i procesowych w ramach zespołów badawczo-rozwojowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną wyników oddziaływań ciecz-powierzchnia i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje warunki eksperymentalne w celu zapewnienia powtarzalności i skalowalności w obrębie projektów.
- Wartość strategiczna: Dostarcza informacji dla decyzji typu go/no-go w zakresie rozwoju procesów i doboru materiałów, redukując ryzyko na późnych etapach.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację technologii modyfikacji powierzchni i osadzania z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie obrazowania szybkotokowego, mechaniki płynów oraz ilościowej analizy wideo.
- Wymaga dostępu do aparatury o precyzyjnej kontroli oraz zsynchronizowanych systemów akwizycji danych.
- Konieczna jest międzyzespołowa standaryzacja protokołów pomiarowych i interpretacji danych.
- Metoda jest dostosowywalna do różnych materiałów powierzchniowych i składów płynów przy zastosowaniu odpowiedniej kalibracji.
- Ograniczenia praktyczne obejmują górne granice prędkości powierzchni i stabilności strumienia, wynikające z konstrukcji aparatury.
