Визуализация Высокоскоростной струи жидкости столкновение на движущейся поверхности

Общая цель следующего эксперимента заключается в изучении удара струи жидкости со свободной поверхностью по быстродвижущимся поверхностям. Это реализуется с использованием двух различных установок. Первая представляет собой вращающийся диск с максимальной скоростью 100 метров в секунду, на который из сопла распыляется струя жидкости.

Видеокамеры фиксируют удар жидкости о поверхность для последующего анализа. Второй аппарат представляет собой пневматическую рельсовую пушку, способную выстреливать снарядом со скоростью до 25 meters per second. Снаряд проходит под отверстием, из которого под давлением вылетает тонкая струя жидкости.

С помощью камеры записывается видео для анализа удара. Затем проводится анализ видеозаписи, в ходе которого характеризуется и количественно оценивается удар поверхности струи. Результаты показывают наличие трех различных типов поведения при ударе, при этом переходы между этими типами зависят от нескольких переменных.

Этот метод может помочь ответить на некоторые ключевые вопросы в области механики жидкостей со свободной поверхностью, в частности, касающиеся характеристик растекания утечки со свободной поверхностью при попадании на движущуюся поверхность. Он также может быть использован для изучения гидродинамики движущихся линий контакта. Данное видео начинается с демонстрации установки с вращающимся диском после подготовки испытуемой жидкости.

На данной схеме представлен общий вид системы. Диск приводится в движение электродвигателем с частотно-регулируемым приводом. Форсунка расположена таким образом, чтобы направлять струю исследуемой жидкости на поверхность диска. Камеры.

Запишите процесс взаимодействия поверхностей жидкостей. Начните проверку аппаратуры, прежде всего убедившись, что клапан подачи воздуха для воздушного подшипника открыт. Показания манометра должны находиться в диапазоне от 60 до 80 PSI избыточного давления.

Затем удалите все, что может препятствовать движению диска, и поверните диск. Совершите несколько оборотов в каждом направлении, чтобы убедиться в отсутствии проблем. Переходите к работе с системой тестовой жидкости.

Наклоните и закрепите аккумулятор сжатого газа, используемый для создания давления в тестовой жидкости. После подготовки залейте 3 kg тестовой жидкости или соответствующей жидкости в порт для подачи жидкости аккумулятора. Сначала завершите выполнение всех необходимых соединений.

Подсоедините газовый порт аккумулятора к баллону с азотом через регулятор давления. Затем подсоедините жидкостный порт аккумулятора к форсунке струйного распыления. После этого запустите программное обеспечение для управления диском и приводом, проверив работу двух видеокамер.

Каждый объектив обладает большим увеличением и расположен на расстоянии 35 сантиметров от точки соударения струи; каждый из них фиксирует отдельный ракурс. Разместите волоконно-оптический источник света мощностью 150 ватт для обеспечения равномерного освещения фона. После того как все компоненты системы будут готовы, можно начинать тестирование.

Используйте контроллер частотно-регулируемого привода, чтобы установить скорость вращения диска на нужное значение. В данном случае в программном обеспечении управления установите примерно 1000 RPM. Нажмите кнопку последовательности тестирования (test sequence), чтобы запустить автоматический тест.

В ходе испытания программное обеспечение определяет оптимальные параметры. Оно контролирует скорость поверхности, противодавление в сопле и температуру, а по завершении теста активирует камеры. Видеозапись и другие данные сохраняются; эксперименты также могут быть проведены с использованием пневматической пушки.

Воздушная пушка состоит из стального ствола, который приводится в давление с помощью воздушного бака. Снаряд изготовлен из дерева с металлической верхней поверхностью, на которую будет воздействовать струя жидкости. Сопло, расположенное над стволом, обеспечивает подачу струи жидкости.

Теперь возьмите три килограмма подготовленной тестовой жидкости и залейте ее в жидкостный порт аккумулятора. По завершении соедините жидкостный порт аккумулятора с форсункой струйного распыления, а трубку от газового порта аккумулятора — с баллоном с азотом. Откройте регулятор давления.

Завершите подготовку жидкости, установив давление в аккумуляторе примерно на 40 PSI. Для данного видео запустите программное обеспечение контроллера. Затем возьмите снаряд и вставьте его в ствол пушки.

Переместите стопорный механизм к выходу из ствола. Затем откройте напорную воздушную линию, ведущую к воздушному резервуару. Создайте в резервуаре давление в диапазоне от 30 до 70 PSI для достижения требуемой скорости снаряда.

На данном этапе проверьте настройки видеозахвата. Разместите высокоскоростную камеру рядом с соплом струйного распылителя, а перед стволом пневмопистолета со стороны камеры установите диффузионный лист. Закрепите высокоинтенсивный волоконно-оптический источник света так, чтобы свет проходил через диффузор и освещал место соударения струи с поверхностью.

Когда всё будет готово, наденьте защитную маску для защиты от удара воздушной пушки. Перейдите к панели управления пушкой и нажмите кнопку предупреждения, чтобы сигнализировать о начале эксперимента. Нажмите кнопку на панели управления воздушным ружьем, чтобы произвести выстрел снарядом, задействовать автоматизированную систему управления воздушной пушкой и скоординировать работу всех компонентов аппарата.

Для завершения теста по анализу данных используйте компьютер с установленным программным обеспечением для просмотра высокоскоростных записей для заданного условия теста. Воспроизведите видео удара струи с нормальной скоростью, чтобы пронаблюдать и зафиксировать поведение струи. После калибровки масштаба изображения определите интервал на видео.

Когда струя станет максимально стабильной, начните измерять и записывать интересующие параметры в точке удара. В данном случае программное обеспечение используется для определения радиуса точки стагнации ламели. Завершите измерение всех параметров, прежде чем продолжить.

Затем прокрутите изображения вперед на 100 кадров. Повторите измерения, чтобы подтвердить стабильность струи и ламели. Существует три основных типа поведения при соударении жидкой струи с движущейся поверхностью: осаждение, разбрызгивание и всплеск.

Данные примеры статических изображений были получены из видеозаписей экспериментов, в которых струя текла прямолинейным устойчивым потоком по направлению к поверхности. При осаждении струя прилипает к поверхности и остается на ней. В остальных случаях эксперимента разбрызгивание и всплеск происходят, когда жидкая струя лишь частично прилипает к поверхности соударения.

Переход от режима осаждения к разбрызгиванию или всплеску зависит от многих переменных, включая диаметр струи, скорость струи и поверхности, вязкость струи, давление окружающего воздуха и даже шероховатость поверхности. Например, в данном видео наблюдается осаждение струи при ее ударе о первую поверхность с шероховатостью 510 nanometers и вторую поверхность с шероховатостью 160 nanometers. Напротив, всплеск происходит при ударе струи о третью поверхность с шероховатостью 16 nanometers.

Столкновение струи жидкости с движущейся подложкой представляет собой сложный с физической точки зрения процесс. Установка, показанная в данном видео, позволяет изучать удар струи контролируемым научным методом.