Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Визуализация Высокоскоростной струи жидкости столкновение на движущейся поверхности

doi: 10.3791/52603 Published: April 17, 2015

Abstract

Два аппараты для исследования жидкой струи покушение на высокой скорости движущейся поверхности описаны: воздух пушки устройство (для изучения скорости поверхности между 0 и 25 м / сек) и вращающийся диск устройства (для изучения скорости поверхности между 15 и 100 м / сек). Воздух пушки линейного перемещения является энергия питанием пневматическая система, которая предназначена для ускорения металла поверхности рельса, установленного на вершине деревянной снаряда. Под давлением баллона с электромагнитным клапаном быстро выпускает сжатый воздух в цилиндр, заставляя снаряд вниз ствол пушки. Снаряда проходит под распылительным соплом, которое падает струи жидкости на его верхней поверхности металла, а затем снаряд попадает в механизм останова. Камера записывает реактивный покушение, и датчик давления регистрирует противодавление форсунку. Вращающийся диск настройки состоит из стального диска, который достигает скорости 500 до 3000 оборотов в минуту с помощью частотно-регулируемого привода (VFD) двигателя. Система распыления сиMilar к тому, что из воздуха пушки генерирует струю жидкости, что посягает на вращающийся диск, и камеры, размещенные в нескольких точках оптического доступа записи реактивный покушение. Видеозаписи процессов струи с преградой записываются и исследован, чтобы определить является ли результат соударения всплеск, брызги, или осаждения. Аппараты сначала, что связаны с высокой скоростью соударения по недорогим числа Рейнольдса струи жидкости на высокой скорости движущихся поверхностей. В дополнение к его применения железнодорожной отрасли, описаны методика может быть использована для технических и промышленных целей, таких как выплавке стали и может иметь отношение к высокоскоростной 3D-печати.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Это исследование направлено на определение стратегии для применения LFM (жидкостного трения модификатор) в жидком виде струи на движущейся поверхности при достижении высоких степеней эффективности передачи и единых результатов осаждения. Достижение этой цели предполагает разработку полного понимания факторов, которые влияют на струю жидкости покушение на движущихся поверхностях.

Проект мотивируется необходимостью повышения эффективности методов нанесения смазки, используемых в железнодорожном секторе. В качестве средства снижения потребления топлива и локомотивов расходы на техническое обслуживание, тонкую пленку трения модификатором в настоящее время применяется к верхней поверхности рельса обычных железнодорожных путей. Недавние исследования показали, что применение одного типа МЛС на водной основе для головки рельса (ТЗ) от трения уменьшается уровень потребления энергии на 6% и железнодорожного и фланца колеса износу более 50% 1,2. Другие исследования показали, что применение ЛЧМ для железнодорожных путей сниженияс поперечная сила и уровень шума, а также, что более важно, отслеживать гофра и ущерб от качения усталости, которая является основной причиной схода с рельсов 3,4. Эти результаты были дополнительно подтверждены в полевых испытаний в системе 5 токийском метро.

НЧМ в настоящее время освобождены от Air Blast форсунок, прикрепленных к десяткам локомотивов по всей Канаде и Соединенных Штатах. В этой форме применения, ЛЧМ применяется к верхней части железной дороги с форсунок, установленных под перемещении железнодорожных вагонов. Этот способ применения ЛЧМ трудно реализовать на многих железнодорожных локомотивов, так как требует большого объема и уровень подачи воздуха под высоким давлением может быть достижимы. Распылительные форсунки с помощью воздушных Считается также, что для получения высокой неправильную освещение железнодорожных при работе с боковым ветром, а ветры вызывают мелкие капельки аэрозоля отклоняться от своей первоначальной траектории. Crosswinds также известно, вовлечены в сопла обрастания, вероятно, за то же самоепричина. Из-за проблем, связанных с Air Blast форсунок, железнодорожной отрасли в настоящее время ищет альтернативные подходы к ЛЧМ приложение на железнодорожных путях. Один жизнеспособным решением включает в себя выдачи LFM посредством непрерывного (не распыленного) струи жидкости, как струи жидкости менее восприимчивы к боковым ветром эффекты, связанные с их низким коэффициентом сопротивления-к-инерции. Кроме того, поскольку высокий уровень давления воздуха и объема, необходимые для распылителей не требуется в жидких технологий струя, последний акт как более рациональной и эффективных механизмов распыления, что обеспечить эффективный контроль за скоростью ЛЧМ применения.

Площадь аналогичным физики, капли, ударам, интенсивно изучался. Было установлено, несколькими исследователями, что для капель покушение на движущийся сухой гладкой поверхности, разбрызгивая поведение зависит от многих параметров, включая вязкости, плотности, поверхностного натяжения и нормальной составляющей скорости удара 14,15. Птица 16. Диапазон др. И Крукс и др. Показали, что для капель покушение на стационарном сухой поверхности, шероховатость поверхности существенно снижает порог заставки (то есть, он делает капли более склонны к брызгам) 17,18.

Несмотря на практическое значение, водные покушение на движущихся поверхностях уделяется мало внимания в научной литературе. Чиу-Webster и Листер провели обширную серию экспериментов, которые рассмотрев стационарных и нестационарных вязких реактивный покушение на движущейся поверхности, и авторы разработали модель для случая установившегося течения 6. Hlod др. Моделировали поток с помощью третьего порядка ОДУ на домене неизвестной длины по дополнительному интегральным условием и по сравнению предсказанные конфигурации с экспериментальными результатами 7. Тем не менее, рассматривается числа РейнольдсаВ обоих этих исследований значительно ниже, чем те, которые связаны с типичными приложениями железнодорожных ЛЧМ. Gradeck др. Численно и экспериментально исследованы поле потока струи воды, ударам на движущуюся подложку под различной скорости струи, скорость поверхности, а также условий диаметр сопла 8. Fujimoto и др. Кроме того, исследуемые характеристики потока круговой струи воды, падающей на движущуюся подложку, покрытую тонкой пленкой воды 9. Тем не менее, эти два проекта используются относительно большие диаметры сопел и нижнюю поверхность и скоростей струи по сравнению с занятых в данной работе. Кроме того, хотя предыдущие экспериментальные, численные и аналитические исследования дают большой объем данных, большинство из них сосредоточено на параметры теплопередачи, а не на процессах потока жидкости, такие как поведение струи брызг. Экспериментальный метод, представленная в настоящем исследовании, таким образом, способствует жидких технологий струйной приложений путем повторногоштрафовать таких методов в условиях, связанных с меньшим реактивных патрубков диаметром и высокоскоростные струи и поверхностные скорости. Данный способ также уточняет знания об основных задачах механики жидкости, связанные с перемещением контактной сети.

Исследования, упомянутые выше, как правило, участвуют взаимодействие жиклер низких оборотов с поверхности с низким коэффициентом скорости движения. Там были сравнительно мало исследований ламинарного высокоскоростной струи покушение на высокой скорости движения поверхностей. Во высокоскоростной струи жидкости столкновение струи жидкости распространяется в радиальном направлении в непосредственной близости от места соударения, образуя тонкую пластинку. Это пластинка затем convected вниз по течению вязкой воздействие, введенные движущейся поверхности, производя характерный U-образную пластинку. Кешаварз и др. Сообщили об экспериментах, использующих Ньютона и упругие струй жидкости, падающих на высокоскоростных поверхностей. Они классифицировали Покушение процессы в двух различных типов: "осаждения и# 8221; и "всплеск" 10. Для соударения должны быть классифицированы как осаждение, струя жидкости должна прилипать к поверхности, в то время как заставка характеризуется жидкой пластинки, которая отделяет от поверхности, а затем распадается на капли. Третий режим соударения также была описана - "брызги". В этом, сравнительно редких, режима ламелями остается прикрепленной к поверхности, как и для "осаждение", но мелкие капельки вылетают из-под передней кромки пластинки. В последующем исследовании неньютоновских жидкостей эффектов, Кешаварз и др. Пришли к выводу, что всплеск / порог осаждения в основном определяется числами Рейнольдса и Дебора, в то время как угол струи покушение и скорость струи на поверхность соотношения скоростей есть только незначительный эффект 11 , В экспериментах, проведенных при переменных давлениях окружающего воздуха, Moulson и др. Обнаружили, что всплеск / осаждения пороговое число Рейнольдса резкоувеличивается с уменьшением давления окружающего воздуха (то есть, более высокое давление окружающей среды делают струи более склонны к всплеск), при снижении давления окружающего воздуха ниже определенного порога подавляет всплеск полностью 12. Этот вывод наводит на мысль, что аэродинамические силы, действующие на ламели играют решающую роль в возникновении ламелями отрыва и последующее всплеск. В недавней работе по высокоскоростной покушение на высокой скорости подложки, Стерлинг показал, что для скорости основы и реактивных условиях, близких к порогу заставки, заставки могут быть вызваны очень малым локализованным шероховатости поверхности и внутренний реактивного неустойчивости. Он также показал, что в этих условиях ламелей отрыва и присоединения является стохастический процесс 13.

Экспериментальный протокол, описанный здесь, может быть использован для изучения других физических ситуаций, связанных с взаимодействием жидкости с движущейся высокой поверхностной скорости. Например, тот же подход может быть использован для изучения вертолет BLADе-взаимодействия вихрей (при условии, что вихрь жидкость окрашена трассирующих частиц) и роботизированной распыление поверхностей.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. вращающийся диск устройства

  1. Определить необходимые условия испытаний и условия записи теста в таблице (например, температура окружающей среды, свойства жидкости, водные и наземные скорость и т.д.).
  2. Подготовка материалов
    1. Подготовка глицерина с водой или ПЭО-глицерин-водные растворы для отбойных испытаний.
      1. В случае испытаний ПЭО-глицерин-вода, постепенно растворяется 4,5 г ПЭО порошка (вязкости средней молекулярной массой один миллион и четыре миллиона) в 1495,5 г дистиллированной воды при легком перемешивании магнитной мешалкой в ​​течение периода 24 ч. Избегайте чрезмерно перемешивания ПЭО образца для предотвращения механических деградации.
      2. Постепенно добавить 1,5 кг USP класса глицерина в водном ПЭО раствор в течение 24 ч, чтобы достичь водный раствор 0,15% -ной концентрации ПЭО и 50% концентрации глицерина.
    2. Храните тест-жидкости отдельно в герметичных контейнерах при комнатной температуре до и после каждого испытания на мини-Mize испарения, поглощения воды из окружающего воздуха и загрязнений. Охарактеризуйте и попадания жидкостей в течение пяти дней после приготовления.
  3. Проведения экспериментов
    1. Убедитесь, что подача воздуха клапан воздушного подшипника вращающийся диск является открытым и чтение манометр в правильном рабочем диапазоне (60-80 фунтов на квадратный дюйм). Ясно все, что может препятствовать движению диска и повернуть диск вручную в обоих направлениях 5 оборотов, чтобы проверить наличие проблем с диском и подшипниками.
    2. Чистое и безопасное сжатый газ закрыта аккумулятор для давления испытуемой жидкости. Залить 3 кг испытательной жидкости в жидкостный порт аккумулятора в 1-литровый.
    3. Подключение газового порта аккумулятора в резервуар азота с помощью регулятора давления. Подключите порт жидкости аккумулятора в сопло струйного распыления.
  4. Настройка системы управления и системы визуализации высокой скоростью печати.
    1. Запустите программу управления вращающимся диском и программное обеспечение управления частотно-регулируемого привода.Должность два высокоскоростных киносъемочная 35 см от точки соударения и настройка уровня линзы Увеличительные линзы, чтобы захватить точку соударения с двух сторон.
    2. Отрегулируйте 150 Вт волоконно-оптический источник света для достижения равномерно освещен фон для лучшего качества изображения (рисунок 1). Включение системы управления в этой точке, чтобы облегчить регулировку камеры.
    3. Выполните процедуру самодиагностики, нажав на кнопку "Самоконтроль" в программном обеспечении управления, чтобы убедиться, что система функционирует, как ожидалось.
  5. Выполните проверку струи соударения
    1. Установите скорость диска до требуемого значения с программным обеспечением управления VFD (500-3000 оборотов в минуту).
    2. Чтобы выполнить тест, запустить автоматизированную экспериментальную последовательность с помощью программного обеспечения управления, нажав на кнопку "тестовую последовательность». Программное обеспечение будет определить оптимальные параметры автоматически и координат каждого компонента системы, чтобы соответствующим образом выполнить тест.
    3. Сохраните полученную тестовую покушение видео (см, например, снимок экрана на рисунке 2). Скорость чтения и записи поверхность сопла, обратное давление и температуру с помощью программного обеспечения управления.
      Примечание: После каждого испытания, последовательность очистки диска запускается автоматически, чтобы ополоснуть и высушить поверхность диска. Повторите цикл очистки по мере необходимости, пока все остатки испытательной жидкости была удалена.
      ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Во время испытаний вода и глицерин решение жидкости могут быть очищены с последовательностью очистки, другие НЧМ должны быть очищены с помощью органических растворителей, таких как ацетон. В таких случаях, применяются для очистки материала с тканью, а не распыления диск непосредственно.
  6. Анализ Данных
    1. Подготовка информации таблицу, содержащую на каждом условии испытания (например, свойств жидкости, температуры окружающей среды, шероховатости поверхности и т.д.).
    2. Откройте записанные струи Покушение изображения с просмотром кино программного обеспечения, играть полные видеозаписи при нормальномускорить и наблюдать струя Покушение поведения.
    3. Запись поведения покушение характеристики (всплеск / разбрызгивание / осаждения, см рисунок 3) в готовой таблицы, войдя какие-либо необычные тенденции, которые могут указывать на осложнения с экспериментальной установки.
    4. Сохранение результатов испытаний и условия, в электронную таблицу. Запись заметные результаты и необычные явления в лог (например, всплеск / осаждения пороговой точки, переходы всплеск / осаждения и т.д.). Сохранение скриншотов в случае необходимости.
    5. Проведение измерений анализа изображений и записать данные.
      1. Запустите измерения пикселей инструмента на экране. Открытые Покушение изображений и откалибровать шкалу изображения с помощью измерения микро-правителя на изображениях с измерительным пикселей инструмента на экране (рисунок 4).
      2. Мера размеры интереса (например, ширины распространения ламель, W, и ламели радиус точки торможения, R, см рис 5) с измерительного пикселей Тоол в точке, где стру по-видимому, наиболее стабильна в видео и запись данных в подготовленную таблицу. Затем возьмите другую группу измерений 100 кадров после первой группе измерений для подтверждения, что оба струи и ламели являются стабильными. Точки данных Участок на графике и завершить подгонки кривой.

2. Воздух Кэннон устройства

  1. Определить необходимые условия испытаний и подготовки материалов, как в шаге 1.1 и шагу 1.2.
  2. Проведения экспериментов
    1. Мощность до программного обеспечения системы управления.
    2. Вставьте снаряд в ствол пушки. Перемещение механизм остановки, расположенной рядом с выходом баррель правильно захватить снаряд после испытания (рисунок 6).
    3. Откройте линии под давлением воздуха в здание, ведущую к резервуара воздуха. Давление в резервуар в пределах от 30 фунтов на квадратный дюйм и 70 фунтов на квадратный дюйм, в зависимости от желаемой скорости снаряда. 30 Давление PSI бак дает скорость снаряда около 5м / сек и 70 фунтов на квадратный дюйм дает скорость около 25 м / сек.
    4. Подготовка сжатого газа закрытым аккумулятор для давления испытуемой жидкости.
      1. Налейте 3 кг исследуемой жидкости в жидкостный порт аккумулятора. Подключите трубку от аккумулятора газовый клапан сопла струи жидкости распыления и установите давление в аккумуляторе до 300 фунтов на квадратный дюйм.
    5. Прикрепите камеру к гнезду ножницами. Закрепите разъем ножниц для платформы, расположенной рядом с соплом струйного распыления.
    6. Закрепите интенсивный источник света с платформы, расположенной через дорогу от камеры и за диффузии листа. Проверьте освещение и положение камеры, используя функцию просмотра видео камеры интерфейса управления программное обеспечение и настроить расположение по мере необходимости (рисунок 7).
    7. Положите на наушники для защиты от воздушного пушечного звука взрыва.
    8. Разблокировать панель управления пушка, а затем нажмите кнопку предупреждения, на панели управления несколько раз, чтобы сигнализироватьНачало эксперимента.
    9. Нажмите кнопку на панели управления, открывается электромагнитный клапан, соединяющий бак воздуха с воздухом ствол пушки.
    10. После того, как устройство было выпущено и снаряд в плен, чистки устройства, протерев его чистящей жидкости и губку для удаления остаточных испытательной жидкости. И, наконец, сушат в соударения поверхности снаряда.
  3. Измерение скорости снаряда в записанном высокоскоростной видео путем измерения количества времени, необходимого для снаряда для поездки фиксированное (10 см) расстояние. Анализ данных, как на этапе 1.5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Как уже говорилось в вводной части, три основные модели поведения, связанные с жидкой струи соударения являются отложения, брызги и всплеск. Эти струи Покушение поведения наблюдаются с помощью видео файлы, записанные на высокоскоростных киношных камер, расположенных в различных оптических очков. Примеры неподвижных изображений, полученных из видеозаписей, на которых изображены три жидких результаты реактивные показаны на рисунке 3. Рисунок 3A изображает отложение струи жидкости, в которой струйных течений в совершенно прямой и устойчивый поток к поверхности соприкосновения. Струя прилипает к поверхности и остается на поверхности в течение оставшейся части эксперимента. Фиг.3В и показать меньше оптимальных результатов, в котором струя жидкости лишь частично прилипает к поверхности соприкосновения с остальной частью струи либо разбрызгивания (фиг.3В ) или брызг (3С) при ударе.

jove_content "> Учитывая довольно проста характер данных видеоданных, неоднозначные результаты необычные и повторяемые результаты были получены с обеих экспериментальных устройств. Тем не менее, в очень редких случаях, что, как правило, связаны с очень мягких условиях шероховатости поверхности, на ламель струи жидкости Поток может взаимодействовать с каплями или шероховатости на поверхности таким образом, что заставляет его стартовать с поверхности соприкосновения (рис 8). В равной степени необычных обстоятельствах, малое возмущение в потоке может производить неровности в струе, которые при поверхностью столкновение стать усиливается, в результате чего самолет, чтобы отделить от поверхности в течение длительного периода времени (фиг.9). Эти редкие явления, как правило, происходит только для высоких скоростей поверхностных и промежуточных вязкости струи жидкости (Re = 100 ~ 2500). консистенцию Результаты в основном приписывают использованию аккумулятора давления для приведения в действие исследуемой жидкостью, которая, в отличие от насоса, толкает жидкость при константа скорости, создавая очень плавное и, таким образом, весьма последовательной, однородной и устойчивой поток жидкости.

Что касается характеристик всплеск / осаждения, результаты показывают, что для металлических поверхностей средняя шероховатость высоты в диапазоне от 0,01 мкм до 1 мкм, уменьшение шероховатости поверхности делает падающий струи более восприимчивы к всплеск. Например, на рисунке 3А и показывают покушение в аналогичных условиях реактивной скоростью и поверхностных. На фиг осаждение 3A струи происходит на поверхности, которая имеет среднюю высоту шероховатости 0,51 мкм, но струи брызг имеет место, когда средняя высота шероховатости составляет 0,016 мкм (фиг.3С). Эта зависимость от шероховатости находится напротив той, которая наблюдается в Кешаварз и др. 10,11, который учился покушение на гораздо более грубых поверхностей, где шероховатость поверхности значительно больше, чем толщина пластинки.

_content "> порог всплеск является сложной функцией скорости струи жидкости, диаметр струи жидкости; вязкость жидкости, плотность и поверхностное натяжение; скорость резания и шероховатость;. и прилегающих характеристики воздушных Хотя некоторые простые теории всплеск были предложены 10-12, не существует в настоящее время нет всеобъемлющего объяснения этого явления. Lamella старта, который, как правило, предшественник всплеск 12, считается функцией геометрии ламелей. Как видно на рисунке 10, геометрия ламелей сама сложная функция от многих переменных, в том числе реактивных и поверхностных скоростей и жидких физических свойств.

Фигура 1
Рисунок 1. Схема оптической конфигурации вращающийся диск устройства. Пожалуйста, нажмите здесь тО просмотреть большую версию этой фигуры.

Фиг.2
Рисунок 2. Скриншот типичного записи видео. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3
Рисунок 3. Три режима типичный поток. (А) осаждение, (В) брызги, (С) брызг. Во всех случаях подложка движется справа налево и диаметр струи 564 мкм. Соответствующие струйные и подложки условия: () V струи = 18,3 м / сек, V субстрат = 7,50 м / сек, μ струи = 0,0194 Н · сек / м 2, ρ струи = 1180кг / м 3, σ струи = 0,0656 Н / м, Re струи = 629, мы струя = 3400; (B) V струи = 9,5 м / сек, V субстрат = 7,63 м / сек, μ струи = 0,0097 Н · сек / м 2, ρ струи = 998 кг / м 3, σ струи = 0,0717 Н / м, Re струи = 552, мы струя = 709; (C) V струи = 17,3 м / сек, V субстрат = 7,71 м / сек, μ струи = 0,0194 Н · сек / м 2, ρ струи = 1180 кг / м 3, σ струи = 0,0656 Н / м, Re струи = 594, мы струя = 3040. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4
Рисунок 4. Измерение диаметра струи и ламели геометрия с программным обеспечением для обработки изображений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 5
Рисунок 5. формы в плане схематический вид реактивного соударения с указанием характерных размеров пластинки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 6
Рисунок 6. Воздушный пушки механическая конфигурация. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.


Рисунок 7. Воздушный пушки оптической конфигурации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 8
Рисунок 8. Время последовательность показывает переход от реактивного осаждения на реактивных всплеск. В этой последовательности переход обусловлен очень мелких капель, придерживающихся иного сухой субстрат. Подложка движется справа налево со скоростью V подложки = 7,52 м / сек. Условия струйные: D струи = 564 мкм; V струи = 17,5 м / сек, μ струи = 0,0194 Н · сек / м 2, ρ струи = 1180 кг / м 3, σ струи = 0,0656 Н / м, Re струи = 600, мы струя= 3110. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 9
9. временной последовательности, показывающий переход от реактивного осаждения в реактивного всплеск. В этой последовательности переход обусловлен небольшой пузырек воздуха в струе, что к возмущению потока. Подложка движется справа налево со скоростью V подложки = 7,43 м / сек. Условия струйные: D струи = 564 мкм; V струи = 15,8 м / сек, μ струи = 0,0194 Н · сек / м 2, ρ струи = 1180 кг / м 3, σ струи = 0,0656 Н / м, Re струи = 542, мы струя = 2530. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версиюиз этой фигуры.

Рисунок 10
10. Пластинка ширина разброс по диаметру струи, в зависимости от числа Рейнольдса подложки. Подложка скорости V подложки варьируется от 15 м / с до 60 м / сек, что дает число Рейнольдса Re х 75 до 300. струи условия: D струи = 281 мкм; V струи = 14,6 м / сек, μ струи = 0,0701 Н · сек / м 2, ρ струи = 1220 кг / м 3, σ струи = 0,0640 Н / м, Re струи = 71,4, мы струя = 1140.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Снаряд для воздушной пушки настройке состоит из легкого, но деревянной основе. Хотя деревянных материалов чипов слабо после многочисленных испытаний, было обнаружено, чтобы поглотить кинетическую энергию более эффективно, чем снарядов, состоящих из материалов, таких как пластмассы или металла, которые имеют тенденцию разрушать при влияя на механизм останова. Размеры деревянного снаряда предназначены для точного поддержания межкомнатные стальные бочки, тем самым ограничивая утечку воздуха. 1/8 "толщиной резиновый лист закреплен между двумя слоями фанеры крепится к задней части снаряда для дальнейшего затянуть уплотнение вокруг внутренней части ствола. Металлические поверхности соударения, установленные на верхней части снаряда закреплены в трех отдельных металлических пластин различных высот шероховатости, расположенный 2,5 см друг от друга, таким образом, чтобы струя жидкости может затрагивают все три поверхности в одном испытании с минимальным вмешательством. Передняя часть снаряда имеет форму аэродинамического носа с колючкой на гое нижней части носа так, чтобы остановка механизма, который имеет тяжелое тело алюминия с механизм защелки внутри, надежно соединяется снаряда при ударе. Вместо того, чтобы фиксируется на месте, механизм остановки затормозится примерно на 60 см от ловли снаряд. Эта функция рассеивает кинетическую энергию от снаряда и предотвращает материальный ущерб.

Кино камера высокоскоростной прикреплены к воздушным пушечного устройства визуализирует реактивный столкновение на поверхности снаряда. Датчик широкий экран CMOS камеры позволяет вести съемку очень высокой частотой кадров и разрешением. 1 кВт, высокоинтенсивного источника накаливания свет используется для освещения поля зрения, и свет диффузор лист помещается между источником света и точкой соприкосновения для достижения равномерно освещен фон. Две камеры и источники света установлены на вращающемся диске устройства для захвата видеозаписи из более чем одного угла. Одна камера расположена надсоударения точки записывает вид спереди струйного ударам, в то время как вторая камера фиксирует вид сбоку. Камера линзы покрыты листом ацетата пленку, чтобы предотвратить контакт с тестовыми жидкостями и обеспечить прозрачное окно просмотра после каждого теста. Камера бокового обзора освещается высокой интенсивности, волоконно-оптических источников света, что локально освещает соударения сайт без блокировки оси. Камера вид спереди, освещается высокой интенсивности, 100 Вт, 6700 Люмен белый массива LED оснащен коллимирующей линзы.

Два экспериментальные установки управляются электрически двух заказных блоков управления. Программное обеспечение управления изготовленный на заказ позволяет пользователю создавать и собирать цифровые и аналоговые сигналы с помощью системы сбора данных USB внутри блока управления. То контроллер использует эти сигналы для управления каждым компонентом экспериментальной установки (высокоскоростная камера, свет, сопла и т.д.).

Описано эксэкспериментальное настройка ограничивается тем, что два отдельных машин были построены, чтобы проверить широкий диапазон скоростей на поверхности. Воздух пушки Устройство может работать только на низких скоростях, потому что это очень трудно остановить неразрушающим снаряд движется со скоростью, более высокой, чем 25 м / сек, в пределах ограниченного пространства лаборатории. С вращающемся диске есть опасения, что вращательное движение диска должна была бы вызвать соответствующие центростремительные силы на жидкость, которая, в свою очередь влияют на механике жидкости. Эта проблема оказалась необоснованной, как тестирование при тех же условиях струи и той же скоростью, поверхность, на воздушном пушки (линейной скорости поверхности) и вращающийся диск дали практически идентичные характеристики столкновение. Максимально допустимое количество Рейнольдс ограничивается струи жидкости разрыва. В экспериментах, проведенных на этих наборах, число Рейнольдса 1500 был легко добраться. Скорость подложки на высокой скорости набора параметров ограничивается пропускной способности VFD двигателя (т.е., максимальный гнильАЦИОНАЛЬНЫЙ скорость и максимальная выходная мощность для преодоления сопротивления, инерции и т.д.), при условии, что диск и вал хорошо сбалансированы.

Описанные аппараты отличаются от существующих методов, которые исследуют струи жидкости покушение в том, что они вместить в себя изучение высокоскоростной струи жидкости, ударам за условиями высокая скорость поверхности (25-100 м / сек) с помощью небольших диаметров струи жидкости из сопла. Потому что жидкие процессы струи Покушение, которые происходят на стационарные и низкой скорости движения поверхностей значительно отличаются от тех, которые связаны с высокой скоростью движения поверхности по отношению к жидким наращивание и распространение моделей, описаны методика может также существующие знания о жидкостного поведения струи отбойных под широкий диапазон условий. Внимание технике на всплеск, брызги и процессов осаждения, связанных с жидкой струи соударения также рассматриваются пробел в знаниях в этой области, который ранее был озабоченным с узорами теплопередачи. Как жидкостиструи удар на подложку является очень сложной проблемой многофазного механики жидкости, что создает много возможных путей для дальнейшего исследования, Описанная методика может быть использована для ряда технических и промышленных применений, таких как сталеплавильного и струйной печати, охлаждения, нагрева и поверхности Покрытие.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgments

Естественных наук и инженерным исследованиям Совета Канады (NSERC) и LB Foster железнодорожных технологий, Corp. совместной поддержке этих исследований в рамках программы NSERC совместных исследований и разработок Грант.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Equipment for Air Cannon Set-Up
30-gallon air tank Steel Fab A10028
Solenoid actuated poppet valve Parker Hannifin Corp. #16F24C2164A3F4C80
1.5" NPT rubber hose
Rectangular steel tubing
Stop mechanism Customized
Stainless steel plates Customized
Wooden projectile Customized
1 kW high-intensity incandescent light Photographic Analysis Ltd. T986851
Light diffuser sheet
Optic sensor BANNER SM312LV
Equipment for Spinning Disc Set-Up
Motor WEG TEFC-W22
Bearings
Disk Customized
Fiber optic light source Fiberoptics Technology Incorporated MO150AC
High intensity LED array Torshare Ltd. TF10CA
Vacuum Ridge Tool Company WD09450
Interrupter Customized
Shared Equipment for Both Devices
Phantom v611 high-speed cine camera Vision Research Inc. V611
Phantom v12 high-speed cine camera Vision Research Inc. V12
Zoom 7000 lens Navitar Inc. Zoom 7000
Zoom 6000 lens Navitar Inc. Zoom 6000
Compressed nitrogen tank Praxair Technology, Inc.
Pressure regulator Praxair Technology, Inc. PRS20124351CGA
Hose for compressed nitrogen Swagelok Company SS-CT8SL8SL8-12
Hose for liquid Swagelok Company SS-7R8TA8TA8
Accumulator Accumulators, Inc. A131003XS
Solenoid Valve Solenoid Solutions Inc. 2223X-A440-00
Pressure transducer WIKA Instruments Ltd #50398083
Nozzle assembly Customized
Glycerin
Poly(ethylene oxide)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Cotter, J., et al. Top of Rail Friction Control: Reductions in Fuel and Greenhouse Gas Emissions. Proc. Of the 2005 Conference of the International Heavy Haul Association (Rio de Janeiro). 327-334 (2005).
  2. Eadie, D. T., Bovey, E., Kalousek, J. The role of friction control in effective management of the wheel/rail interface). Railway Technical Conference. (2002).
  3. Stock, R., Eadie, D. T., Elvidge, D., Oldknow, K. Influencing rolling contact fatigue through top of rail friction modifier application–A full scale wheel–rail test rig study. Wear. 271, (1), 134-142 (2011).
  4. Eadie, D. T., Santoro, M. Top-of-rail friction control for curve noise mitigation and corrugation rate reduction. Journal of Sound and Vibration. 293, (3), 747-757 (2006).
  5. Tomeoka, M., Kabe, N., Tanimoto, M., Miyauchi, E., Nakata, M. Friction control between wheel and rail by means of on-board lubrication. Wear. 253, (1), 124-129 (2002).
  6. Chiu-Webster, S., Lister, J. R. The fall of a viscous thread onto a moving surface: a ‘fluid-mechanical sewing machine. Journal of Fluid Mechanics. 569, (1), 124-129 (2006).
  7. Hlod, A., Aarts, A. C. T., Van De Ven, A. A. F., Peletier, M. A. Mathematical model of falling of a viscous jet onto a moving surface. European Journal of Applied Mathematics. 18, (06), 659-677 (2007).
  8. Gradeck, M., Kouachi, A., Dani, A., Arnoult, D., Borean, J. L. Experimental and numerical study of the hydraulic jump of an impinging jet on a moving surface. Experimental Thermal and Fluid Science. 30, (3), 193-201 (2006).
  9. Fujimoto, H., Suzuki, Y., Hama, T., Takuda, H. Flow Characteristics of Circular Liquid Jet Impinging on a Moving Surface Covered with a Water Film. ISIJ international. 51, (9), 1497-1505 (2011).
  10. Keshavarz, B., Green, S. I., Davy, M. H., Eadie, D. T. Newtonian liquid jet impaction on a high-speed moving surface. International Journal of Heat and Fluid Flow. 32, (6), 1216-1225 (2011).
  11. Keshavarz, B., Green, S. I., Eadie, D. T. Elastic liquid jet impaction on a high speed moving surface. AIChE Journal. 58, (11), 3568-3577 (2012).
  12. Moulson, J. B. T., Green, S. I. Effect of ambient air on liquid jet impingement on a moving substrate. Physics of Fluids. 25, (10), 102106 (2013).
  13. Sterling, G. E. G. An experimental study on jet impingement on a very high speed moving surface. UBC M.A.Sc. Thesis. (2012).
  14. Povarov, O. A., Nazarov, O. I., Ignat'evskaya, L. A., Nikol'skii, A. I. Interaction of drops with boundary layer on rotating surfaces. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 31, (6), 1453-1456 (1976).
  15. Fathi, S., Dickens, P., Fouchal, F. Regimes of droplet train impact on a moving surface in an additive manufacturing process. Journal of Materials Processing Technology. 210, (3), 550-559 (2010).
  16. Bird, J. C., Tsai, S. S., Stone, H. A. Inclined to splash: triggering and inhibiting a splash with tangential velocity. New Journal of Physics. 11, (6), 063017 (2009).
  17. Range, K., Feuillebois, F. Influence of surface roughness on liquid drop impact. Journal of Colloid and Interface science. 203, (1), 16-30 (1998).
  18. Crooks, R., Boger, D. V. Influence of fluid elasticity on drops impacting on dry surfaces. Journal of Rheology. 44, (4), 973-996 (2000).
Визуализация Высокоскоростной струи жидкости столкновение на движущейся поверхности
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Guo, Y., Green, S. Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface. J. Vis. Exp. (98), e52603, doi:10.3791/52603 (2015).More

Guo, Y., Green, S. Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface. J. Vis. Exp. (98), e52603, doi:10.3791/52603 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter