Waiting
Login processing...

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

Engineering

ויזואליזציה של High Speed ​​Liquid Jet Impaction על משטח העברה

Published: April 17, 2015 doi: 10.3791/52603

Abstract

שני מנגנונים לבחינת פגיעה סילון נוזל על משטח נע במהירות גבוהה מתוארים: מכשיר תותח אוויר (לבחינת מהירויות פנים בין 0 ו -25 מ '/ שנייה) ומכשיר דיסק מסתובב (לבחינת מהירויות פנים בין 15 ל- 100 מ' / שניות). החוצה ליניארי תותח האוויר היא מערכת המונעת באנרגית פנאומטי שנועד להאיץ משטח מסילת מתכת רכוב על גבי טיל מעץ. גליל לחץ מצויד בשסתום סולנואיד במהירות משחרר אוויר דחוס לתוך החבית, ואילץ את הקליע לתוך קנה התותח. הקליע נוסע מתחת זרבובית תרסיס, אשר פוגעת סילון נוזל על פני השטח העליונים המתכת שלו, ולאחר מכן הקליע פוגע מנגנון עצירה. מצלמה מתעדת את הפגיעה המטוס, ומתמר לחץ מתעד את backpressure זרבובית תרסיס. הגדרת הדיסק מסתובב מורכבת מדיסק פלדה המגיע למהירות של 500 עד 3,000 סל"ד באמצעות מנוע כונן משתנה בתדירות (VFD). Si מערכת תרסיסמילר לזה של תותח האוויר יוצר סילון נוזל שפוגע על הדיסק מסתובב, ומצלמות הוצבו במספר נקודות גישה האופטית להקליט את הפגיעה המטוס. הקלטות וידאו של תהליכי פגיעה סילון נרשמות ובדקה כדי לקבוע אם התוצאה של פגיעה זו היא סנסציה, מתיז, או בתצהיר. המנגנונים הם הראשונים שכרוכים בפגיעה במהירות הגבוהה של מטוסים נוזלי ריינולדס-מספר הנמוך על משטחים נעים במהירות גבוהה. בנוסף ליישומים בתעשיית הרכבות שלה, הטכניקה המתוארת עשויה לשמש למטרות טכניות ותעשייתיות כגון ייצור פלדה ועשויה להיות רלוונטי להדפסת 3D במהירות גבוהה.

Introduction

מחקר זה נועד לקבוע אסטרטגיות ליישום LFM (המשתנה חיכוך נוזלי) בצורת סילון נוזל על משטח מרגש תוך השגת מעלות גבוהות של יעילות העברה ותוצאות בתצהיר אחידה. השגת מטרה זו כרוכה בפיתוח הבנה מקיפה של גורמים המשפיעים על פגיעה סילון נוזל על העברת משטחים.

הפרויקט מונע על ידי צורך לשפר את היעילות של טכניקות יישום שימון נהוגות בענף הרכבות. עכשיו כאמצעי להפחתת צריכת דלק ועלויות תחזוקת קטר, סרט דק סוכן שינוי חיכוך של מיושם על פני השטח העליונים של רכבת פסי רכבת קונבנציונליות. מחקרים שנעשה לאחרונה הראו כי החלת סוג אחד של LFM על בסיס מים לחלק עליון של מעקה (TOR) שליטת חיכוך מופחתת רמות צריכת אנרגיה בכ -6% ומקורבים רכבת וגלגל ללבוש על ידי העולה על 50% 1,2. מחקרים אחרים הראו כי LFM החלים על פסי רכבת להפחיתכוח לרוחב ורמות רעש, כמו גם, וחשוב יותר, קמטי מסלול ונזק מעייפות קשר מתגלגלת, שהוא גורם עיקרי לderailments 3,4 s. תוצאות אלו אושר גם בבדיקות שדה במערכת הרכבת התחתית של טוקיו 5.

LFMs כיום הם ויתרו מפיצוץ באוויר מרססים המצורפים לעשרות קטרים ​​ברחבי קנדה ובארצות הברית. בצורה זו של יישום, LFM מוחל על החלק העליון של פסי רכבת על ידי מרססים רכובים מתחת נע קרונות. מצב זה של יישום LFM הוא קשה ליישום בקטרי רכבת רבים משום שהנפח גבוה הנדרש ורמות אספקת אוויר בלחץ גבוה לא יכולים להיות בר-השגה. חרירי תרסיס אוויר-פיצוץ גם הם האמינו לייצר כיסוי רכבת סדיר מאוד כאשר פעלו ברוח צולבת, כרוחות צולבות לגרום טיפות תרסיס עדינות לסטות מהמסלול המקורי שלהם. Crosswinds ידוע גם להיות מעורבים בעכירות זרבובית, סביר להניח לאותוסיבה שהיא. בשל בעיות הקשורות למרססי פיצוץ באוויר, מגזר הרכבת מבקש כיום גישות חלופיות ליישום LFM על פסי רכבת. פתרון בר קיימא אחת כרוך מחלק LFM באמצעות סילון נוזלי (לא לאטומים-) רציף, כמו מטוסים נוזליים הם פחות רגישים להשפעות צולבות בשל יחסם הנמוך גרור לאינרציה. בנוסף, מאחר שרמות לחץ אוויר והנפח הגבוהים הנדרשות לחרירי תרסיסים אינן נדרשות בטכנולוגיות תרסיס סילון נוזל, המעשה האחרון כמנגנוני ריסוס יותר יעילים וחזקים ששומרים על שליטה אפקטיבית בשיעור של יישום LFM.

אזור של פיסיקה דומה, פגיעה אגל, נחקר באינטנסיביות. נמצא על ידי מספר חוקרים שלפגיעת טיפה על משטח חלק יבש נע, מתיז התנהגות תלויה בפרמטרים רבים, כולל צמיגות, צפיפות, מתח פנים והמרכיב הנורמלי של מהירות השפעת 14,15. ציפור 16. טווח et al. ונוכלי et al. הראו כי לפגיעת טיפה על משטח יבש נייח, חספוס פני השטח מקטין את סף סנסציה באופן משמעותי (כלומר, זה עושה הטיפה יותר נוטה להתיז) 17,18.

למרות חשיבותה המעשית, פגיעה מטוס על משטחים נעים זכתה לתשומת לב מועטת בספרות האקדמית. צ'יו-ובסטר ויסטר ביצעו סדרה מקיפה של ניסויים שבחנו פגיעה סילון צמיג יציבה ולא יציבה על משטח מרגש, והמחברים פיתחו מודל לזרימת המקרה היציב 6. Hlod et al. מודל הזרימה באמצעות יודה סדר שלישי בתחום של אורך ידוע תחת מצב נפרד נוסף והשוואת תצורות חזו עם תוצאות ניסוי 7. עם זאת, מספרי ריינולדס בדקובשני המחקרים הללו הם נמוכים בהרבה מאלה הקשורים ליישומי LFM רכבת טיפוסיים. Gradeck et al. מבחינה מספרית וניסיוני חקר את שדה הזרימה של פגיעה סילון מים על מצע נע תחת מהירות שונות סילון, משטח מהירות, ותנאי קוטר נחיר 8. פוג'ימוטו et al. מאפייני זרימה חקרו בנוסף של סילון מים מעגלי לפגוע על מצע נע מכוסה על ידי השכבה דקה של מים 9. עם זאת, שני פרויקטים אלה משמשים בקטרים ​​גדולים יחסית זרבובית ומשטח תחתון ומהירויות סילון בהשוואה לאלו שהועסקו בעבודה הנוכחית. יתר על כן, למרות שמחקרי ניסויים, מספריים, ואנליטיות קודמים לספק לגוף גדול של נתונים, רוב התמקדו בפרמטרי העברת חום ולא על זרימת תהליכים נוזליים כגון מתיז סילון התנהגות. השיטה הניסיונית שנקבעה במחקר הנוכחי ובכך תורמת לטכנולוגיות יישום סילון נוזל על ידי מחדשקנס כגון טכניקות בתנאים מעורבים קטרי נחיר סילון קטן ומהירויות סילון ומשטח במהירות גבוהה. השיטה הנוכחית מזקקת גם ידע על בעיות מכניקת נוזלים בסיסיות הקשורים בהעברת קווים ליצירת קשר.

המחקרים שהוזכרו לעיל יש בדרך כלל מעורבים האינטראקציה של סילון מהירות נמוך עם משטח מרגש במהירות נמוך. היו מעט יחסית מחקרים של פגיעה מטוס במהירות גבוהה למינרית על משטחים נעים במהירות גבוהה. במהלך נעיץ סילון נוזל במהירות גבוהה נוזלי הסילון מתפשט רדיאלית בקרבת מקום הפגיעה, ויצר lamella דק. lamella זה אז convected במורד הזרם על ידי צמיג מכריח שהוטל על ידי המשטח המרגש, ייצור lamella בצורת U אופייני. Keshavarz et al. דיווח על ניסויי העסקת מטוסי נוזל הניוטונית ואלסטי לפגוע על גבי משטחים במהירות גבוהה. הם מסווגים תהליכי פגיעה בשני סוגים שונים: "בתצהיר ו# 8221; ו" להתיז "10. לפגיעה לסיווג כתצהיר, נוזל הסילון חייב לדבוק פני השטח, ואילו פתיחה מאופיינת בlamella נוזל שמפריד מפני השטח, ולאחר מכן שובר את טיפות לתוך. משטר פגיעה שלישי גם תואר - "מתיז". בזה, יחסית נדיר, משטר lamella נשאר מחובר אל פני השטח, כמו ל" תצהיר ", אבל טיפות בסדר נפלטות מן ליד הקצה המוביל של lamella. במחקר הבא של השפעות נוזל שאינו הניוטונית, Keshavarz סיכם et al., כי הפתיחה / הסף בתצהיר נקבע בעיקר על ידי מספרי ריינולדס ודבורה, ואילו זווית הפגיעה מטוס ומהירות סילון לעלות על פני השטח יחסי מהירות יש השפעה מועטת בלבד 11 . בניסויים שנערכו תחת לחצים אוויר סביבה משתנים, Moulson et al. גילה שפתיחה / מספר ריינולדס סף בתצהיר באופן דרמטיעולה עם ירידה בלחץ אוויר בסביבה (כלומר, לחצים סביבתיים גבוהים יותר להפוך את המטוסים נוטים יותר להתיז), תוך הפחתת לחץ אוויר סביבה מתחת לסף מסוים מדכא סנסציה לחלוטין 12. ממצא זה מצביע על כך כוחות אווירודינמיים הפועלים על lamella לשחק תפקיד מכריע בגרימת lamella המראה וסנסציה שלאחר מכן. בשנים האחרונה עבודה על פגיעה במהירות גבוהה על מצע במהירות גבוהה, סטרלינג הראה כי למהירות מצע ותנאי סילון קרובים לסף סנסציה, התז עשויה להיות מופעל על ידי חספוס פני השטח קטן מאוד מקומי וחוסר יציבות מטוס קל. הוא גם הראה שתחת אלה lamella תנאי ההמראה וחיבור מחדש הוא תהליך סטוכסטיים 13.

פרוטוקול הניסוי המתואר כאן ניתן להשתמש כדי ללמוד מצבים פיזיים אחרים המערבים את האינטראקציה של נוזלים עם משטח נע במהירות גבוהה. לדוגמא, באותה הגישה יכולה לשמש כדי ללמוד blad מסוקאינטראקציה דואר מערבולת (ובלבד שנוזל המערבולת היה צבעוני עם חלקיקים נותב) וריסוס רובוטית של משטחים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

התקן דיסק 1. ספינינג

  1. לזהות תנאי בדיקה רצויים ותנאי בדיקת שיא בטבלה (למשל, מהירות טמפרטורת הסביבה, תכונות נוזלים, סילון ופני שטח, וכו ').
  2. הכנה של חומרים
    1. הכן פתרונות גליצרין-מים או PEO-גליצרין-מים לבדיקות הפגיעה.
      1. במקרה של בדיקות PEO-גליצרין-מים, מתמוסס בהדרגה, 4.5 גרם של אבקת PEO (משקולות מולקולריות צמיגות-הממוצעת של מיליון וארבעה מ') ל1,495.5 גרם של מים מזוקקים תחת בחישה מגנטית עדינה פני תקופה של 24 שעות. הימנע מוגזם התססה מדגם PEO כדי למנוע השפלה מכאנית.
      2. מוסיף בהדרגה 1.5 קילוגרם של גליצרין כיתה USP לפתרון PEO המימי פני תקופה של 24 שעות כדי להגיע לפתרון המימי של 0.15% ריכוז PEO ו -50% ריכוז גליצרין.
    2. אחסן את נוזלי בדיקה בנפרד במיכלים אטומים תחת RT לפני ואחרי כל בדיקה למיניאידוי מייז, ספיגת מים מאוויר וזיהום סביבה. לאפיין ותרססו נוזלים בתוך חמישה ימים של הכנה.
  3. ביצועים של ניסויים
    1. ודא שסתום אספקת האוויר של נושאות אוויר הדיסק מסתובב פתוח וקריאת מד לחץ היא בטווח הנכון העבודה (60-80 psig). דבר ברור שעלולים להפריע לתנועת הדיסק ולהפוך את הדיסק ביד בשני הכיוונים 5 סיבובים כדי לבדוק בעיות עם הדיסק ומסבים.
    2. הגז הדחוס הנקי ובטוח סגור מצברים לשמירת לחץ בדיקת נוזל. יוצקים 3 קילוגרם של נוזל בדיקה ליציאת נוזלים ממצברי 1 ליטר.
    3. חבר את יציאת הגז של מצברים למכל החנקן באמצעות ווסת לחץ. חבר את יציאת נוזלים של מצברים לזרבובית תרסיס סילון.
  4. מערכת הדמיה במהירות גבוהה מערכת בקרה שהוקמה ו.
    1. הפעל את תוכנת שליטת הדיסק מסתובב ותוכנת שליטת VFD.עמדת שתי מצלמות מהירות גבוהה cine 35 סנטימטרים מנקודת הפגיעה ולהתאים את העדשות בהגדלה גבוהות כדי ללכוד את נקודת הפגיעה משתי זוויות.
    2. התאם את מקור אור 150 W סיבים האופטיים כדי להשיג רקע מואר באופן שווה לאיכות תמונה הטובה ביותר (איור 1). הפעל את מערכת השליטה בשלב זה כדי להקל על התאמת מצלמה.
    3. בצע את שגרת בדיקה העצמית על ידי לחיצה על כפתור "עצמי לבדוק" בתוכנת הבקרה כדי לוודא שהמערכת פועלת כצפוי.
  5. לבצע בדיקת פגיעה מטוס
    1. קבע את מהירות הדיסק לערך הרצוי עם תוכנת שליטת VFD (500-3,000 סל"ד).
    2. כדי לבצע בדיקה, להפעיל את הרצף הניסיוני האוטומטי מהתוכנה השליטה על ידי לחיצה על הכפתור "רצף מבחן". התוכנה תקבע את הפרמטרים אופטימליים באופן אוטומטי ולתאם כל רכיב של המערכת לבצע את הבדיקה בהתאם.
    3. שמור את וידאו מבחן פגיעה כתוצאה (ראה, למשל, צילום המסך באיור 2). קראו ומהירות משטח שיא, זרבובית בחזרה לחץ וטמפרטורה מהתוכנה השליטה.
      הערה: לאחר כל בדיקה, רצף ניקוי דיסק פועל באופן אוטומטי כדי לשטוף ולייבש את פני השטח הדיסק. חזור על פעולת הניקוי צריך, עד שכל שאריות בדיקת הנוזל הוסרו.
      זהירות: בעוד נוזלי מבחן פתרון מים וגליצרין ניתן לנקות עם רצף הניקוי, LFMs אחר צריכה לנקות עם ממסים אורגניים כגון אצטון. במקרים כאלה, להחיל את חומר הניקוי לבד ולא ריסוס הדיסק ישירות.
  6. ניתוח נתונים
    1. הכן גיליון אלקטרוני המכיל מידע על כל תנאי מבחן (לדוגמא, מאפייני נוזל, טמפרטורת הסביבה, חספוס פני השטח, וכו ').
    2. פתח את תמונות פגיעה מטוס נרשמו עם תוכנת הצפייה cine, לשחק הקלטות וידאו מלאים בנורמלילהאיץ ולבחון התנהגויות פגיעה מטוס.
    3. מאפייני פגיעה התנהגות שיא (פתיחה / ניתזים / בתצהיר; ראו איור 3) בגיליון האלקטרוני מוכן, כניסה כל מגמות חריגות שעשוי להצביע על סיבוכים עם הסט-אפ ניסיוני.
    4. שמירת תוצאות בדיקה ותנאים בגיליון אלקטרוני. ממצאי שיא בולטים וחריג ביומן בדיקה (לדוגמא, נקודת סף סנסציה / בתצהיר, מעברי פתיחה / בתצהיר, וכו '). לשמור צילומי מסך בעת צורך.
    5. לנהל מדידות ניתוח תמונה ונתונים שיא.
      1. הפעל את כלי מדידת פיקסל על המסך. תמונות פגיעה פתוחות, ולכייל את קנה המידה של תמונה על ידי מדידת מיקרו-שליט בתמונות עם כלי המדידה על מסך פיקסל (איור 4).
      2. ממדי מידה של עניין (למשל, רוחב lamella התפשטות, W, ורדיוס lamella נקודת קיפאון, R; ראה איור 5) עם t מדידת פיקסלOOL בנקודה שבה המטוס נראה יציב ביותר בנתוני וידאו ולהקליט בגיליון האלקטרוני מוכן. אז קח עוד קבוצה של מדידות 100 פריימים אחרי הקבוצה הראשונה של מדידות כדי לוודא ששני הסילון וlamella יציבים. נקודות נתונים עלילה על גרף ולהשלים את העקומה הולמת.

2. מיזוג קנון התקן

  1. לזהות תנאי בדיקה רצויים ולהכין חומרים כמו בשלב 1.1 ושלב 1.2.
  2. ביצועים של ניסויים
    1. שלטון את תוכנת מערכת בקרה.
    2. הכנס את הקליע לקנה התותח. הזז את מנגנון התחנה קרוב ליציאת החבית כדי ללכוד את הקליע כראוי לאחר בדיקה (איור 6).
    3. פתח את קו אוויר בניין בלחץ מוביל למכל האוויר. חצים על הטנק בין 30 psi ו -70 psi, תלוי במהירות הקליע הרצויה. לחץ טנק psi 30 נותן מהירות קליע של כ 5מ '/ שנייה, ו -70 psi נותן מהירות של כ -25 מ' / שנייה.
    4. הכן את מצברים סגורים גז הדחוס לשמירת לחץ בדיקת נוזל.
      1. יוצקים 3 קילוגרם של נוזל בדיקה ליציאת נוזלים מהמצברים. חיבור צינורות משסתום גז מצברים לזרבובית תרסיס סילון הנוזל, ולהגדיר את לחץ מצברים לעד 300 psig.
    5. צרף את המצלמה לשקע מספריים. אבטח את שקע המספריים לפלטפורמה ממוקמת ליד זרבובית תרסיס סילון.
    6. לאבטח את מקור האור בעוצמה הגבוהה לפלטפורמה ממוקמת מול המצלמה ומאחורי גיליון דיפוזיה. בדוק מיקום תאורה ומצלמה באמצעות פונקציית הצפייה מצלמת וידאו של ממשק שליטת תוכנה, ולהתאים את המיקום לפי צורך (איור 7).
    7. לשים על אטמי אוזניים להגנה מפני פיצוץ קול תותח האוויר.
    8. לפתוח את לוח בקרת תותח, ולחץ על כפתור האזהרה בלוח הבקרה מספר פעמים כדי לאותתתחילת ניסוי.
    9. הכה אותן בלוח הבקרה שפותח את שסתום סולנואיד חיבור מיכל האוויר עם קנה תותח האוויר.
    10. לאחר שהמכשיר כבר ירה והקליע שנתפס, לנקות את המכשיר על ידי ניגובו עם נוזל ניקוי וספוג כדי להסיר נוזל מבחן השיורי. לבסוף, לייבש את פני השטח הפגיעה של הקליע.
  3. למדוד את המהירות של הקליע בוידאו במהירות גבוהה שנרשם על ידי מדידת משך זמן הנדרש לקליע לנסוע מרחק קבוע (10 סנטימטרים). לנתח נתונים כמו בשלב 1.5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

כפי שנאמר בפרק המבוא, שלוש ההתנהגויות עיקריות הקשורים לפגיעת סילון נוזל הן בתצהיר, מתיז וסנסציה. התנהגויות פגיעה סילון אלה נצפו באמצעות נתוני וידאו שהוקלטו על ידי מצלמות cine במהירות גבוהה מוצבות בנקודות אופטיות שונות. דוגמאות לתמונות סטילס, המתקבלות מקלטות וידאו, המתארות שלוש תוצאות סילון נוזל מוצגות באיור 3. איור 3 א מתאר בתצהיר סילון נוזל, שבו הסילון זורם בנחל לגמרי ישר ויציב לעבר פני השטח הפגיעה. המטוס שומר על פני השטח ונשאר על פני השטח לשארית הניסוי. איורים 3B ותכנית 3C תוצאות אופטימליות פחות שבסילון הנוזל באופן חלקי בלבד שומר על פני השטח הפגיעה, עם שארית התזת הסילון או (איור 3 ) או מתיז (איור 3 ג) בעת הפגיעה.

jove_content "> בהתחשב באופי פשוט למדי של נתוני וידאו נתון, תוצאות מעורפלות הם תוצאות נדירות ודיר התקבלו משני מכשירים ניסיוניים. עם זאת, במקרים נדירים מאוד, כי בדרך כלל כרוך בתנאי חספוס פני השטח חלקים מאוד, lamella של סילון נוזל זרם עלול ליצור אינטראקציה עם טיפות או חספוס על פני השטח בצורה כזו שגורמת לו להרים את ממשטח הפגיעה (איור 8). בנסיבות יוצאות דופן באותה מידה, הפרעות קטנות בזרימה יכולות לייצר אי סדרים במטוס, שעל פני השטח נעיץ להיות מוגבר, שגרם למטוס להיפרד מהמשטח לתקופה ארוכה של זמן (איור 9). תופעות נדירות אלו מתרחשות בדרך כלל רק למהירויות גבוהות משטח ולצמיגויות סילון נוזל ביניים (Re = 100 ~ 2500). העקביות של תוצאות היא זוכה במידה רבה לשימוש במצברי לחץ לנהיגת נוזל הבדיקה, אשר, בניגוד משאבה, דוחף את נוזל ב קצב קבוע, הפקת פעולה חלקה מאוד וכך זרימת נוזל עקבית מאוד, אחידה ויציבה.

עם כל כבוד ללהתיז / מאפייני תצהיר, התוצאות מראות כי למשטחי מתכת גבהים חספוס ממוצע נעים בין 0.01 מיקרומטר ו1 מיקרומטר, ומקטינים את חספוס פני השטח הופכת את הסילון לפגוע רגיש יותר להתיז. לדוגמא, איור 3 א ואיור 3 ג להראות פגיעה בתנאי מהירות סילון ומשטח דומים. באיור בתצהיר סילון 3A מתרחש על פני השטח, שבו יש גובה חספוס ממוצע של 0.51 מיקרומטר, אבל סנסציה סילון מתרחשת כאשר גובה החספוס הממוצע הוא 0.016 מיקרומטר (איור 3 ג). תלות זו בחספוס היא הפוכה לזה שנצפה על ידי Keshavarz et al. 10,11, שלמד פגיעה במשטחים מחוספסים בהרבה, שבו חספוס פני השטח הוא גדול באופן משמעותי יותר בעובי lamella.

_content "> סף סנסציה הוא פונקציה מורכבת של מהירות סילון הנוזל; קוטר סילון נוזל; צמיגות נוזל, צפיפות ומתח פנים, את מהירות המשטח וחספוס;. ומאפייני אוויר שמסביב למרות כמה תאוריות פשוטות של סנסציה הוצעו 10-12, אין כיום הסבר מקיף של תופעה. המראה למלה, שהיא בדרך כלל מבשר להתיז 12, הוא האמין להיות פונקציה של הגיאומטריה lamella. כפי שניתן לראות באיור 10, הגיאומטריה lamella הוא עצמו פונקציה מורכבת של משתנים רבים, כוללים מהירויות סילון ופני שטח ותכונות פיזיות נוזליים.

איור 1
איור 1. סכמטי של תצורה האופטית של ספינינג מכשיר דיסק. אנא לחץ כאן to להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. צילום מסך של הקלטת וידאו טיפוסית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. שלוש זרימה אופיינית משטרים. מתיז בתצהיר (), (ב), פתיחה (C). בכל המקרים מהלכי המצע מימין לשמאל וקוטר הסילון הוא 564 מיקרומטר. תנאי הסילון ומצע הרלוונטיים הם: (א) מטוס V = 18.3 מ '/ שנייה, מצע V = 7.50 מ' / שנייה, סילון μ = .0194 N · שניות / m 2, ρ סילון = 1,180קילוגרם / מ 3, סילון σ = .0656 N / m, סילון Re = 629, אנו סילון = 3,400; מטוס V (B) = 9.5 מ '/ שנייה, מצע V = 7.63 מ' / שנייה, סילון μ = .0097 N · שניות / m 2, ρ סילון = 998 קילוגרם / מ 3, σ סילון = .0717 N / m, סילון Re = 552, אנו סילון = 709; מטוס V (C) = 17.3 מ '/ שנייה, מצע V = 7.71 מ' / שנייה, סילון μ = .0194 N · שניות / m 2, ρ סילון = 1,180 קילוגרם / מ 3, σ סילון = .0656 N / m, סילון Re = 594, אנו סילון = 3,040. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
מדידת איור 4. קוטר של סילון וגיא lamella metry עם תוכנת עיבוד תמונה. לוחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
סכמטי השקפת 5. כנף איור של פגיעה מטוס מראה ממדי lamella אופייניים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6. מיזוג תותח תצורה מכאנית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

er.within-page = "תמיד"> איור 7
איור 7. מיזוג תותח תצורה אופטית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 8
איור 8. רצף הזמן מראה את המעבר מתצהיר סילון לסנסצית סילון. ברצף הזה המעבר נגרמים על ידי טיפות יפות מאוד הקפדה על המצע אחר היבש. המצע הוא נע מימין לשמאל במצע V מהירות = 7.52 מ '/ שנייה. תנאי הסילון הם: סילון D = 564 מיקרומטר; מטוס V = 17.5 מ '/ שנייה, סילון μ = .0194 N · שניות / m 2, ρ סילון = 1,180 קילוגרם / מ 3, .0656 N / m, סילון Re = 600, אנו סילון σ סילון == 3110. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 9
איור 9. רצף הזמן מראה את המעבר מתצהיר סילון לסנסצית סילון. ברצף הזה המעבר נגרמים על ידי בועות אוויר קטנות במטוס שמדאיג את הזרימה. המצע הוא נע מימין לשמאל במצע V מהירות = 7.43 מ '/ שנייה. תנאי הסילון הם: סילון D = 564 מיקרומטר; מטוס V = 15.8 מ '/ שנייה, סילון μ = .0194 N · שניות / m 2, ρ סילון = 1,180 קילוגרם / מ 3, σ סילון = .0656 N / m, סילון Re = 542, אנו סילון = 2,530. אנא לחץ כאן ל להציג גרסה גדולה יותרשל נתון זה.

איור 10
איור רוחב 10. למלת התפשטות יחס קוטר סילון, כפונקציה של מספר ריינולדס של מצע. מצע V מהירות תשתית מגוון מ -15 מ '/ שנייה 60 מ' / שנייה, נותן מספר ריינולדס Re S של 75 עד 300. המטוס תנאים הם: סילון D = 281 מיקרומטר; מטוס V = 14.6 מ '/ שנייה, סילון μ = .0701 N · שניות / m 2, ρ סילון = 1,220 קילוגרם / מ 3, σ סילון = .0640 N / m, סילון Re = 71.4, אנחנו סילון = 1,140.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הקליע המשמש להגדרת תותח האוויר מורכב מבסיס קל, עץ. למרות שבבי חומר העץ מעט לאחר בדיקות רבות, זה כבר נמצא לספוג אנרגיה קינטית בצורה יעילה יותר מאשר קליעים מורכבים מחומרים כמו פלסטיק או מתכת, אשר נוטים לנפץ על השפעת מנגנון העצירה. הממדים של קליע העץ נועדו להתאים את הפנים חבית פלדה מקרוב, ובכך להגביל את דליפת אוויר. גיליון 1/8 "עבה גומי מאובטח בין שתי שכבות של דיקט מחובר לחלק האחורי של הקליע להדק את החותם סביב החלק הפנימי של החבית נוספת. משטחי מתכת הפגיעה רכובים על גבי הקליע מהודקים כשלושה לוחות מתכת נפרדים גבהים חספוס שונים, ממוקם בנפרד 2.5 סנטימטר, כך שסילון הנוזל יכול לפגוע בכל שלושת המשטחים במבחן אחד עם התערבות מינימאלית. מול הקליע מעוצב לאף אווירודינמי עם עקיצה על התחתון דואר של האף, כך שמנגנון העצירה, שבו יש גוף אלומיניום כבד עם מנגנון תפס בפנים, מתחבר היטב לקליע בעת הפגיעה. במקום להיות קבוע במקום, מנגנון העצירה מחליק לאחור בכ 60 סנטימטרים על לתפוס את הקליע. פונקציה זו מתפוגגת אנרגיה הקינטית מהקליע ומונעת נזק חומרי.

מצלמת הקולנוע במהירות הגבוהה שצורפה למכשיר תותח האוויר מדמיינת נעיצה סילון על פני השטח הקליע. חיישן CMOS מסך הרחב של המצלמה מאפשר ללכוד תמונות במסגרת שיעורים גבוהים מאוד ובהחלטות. 1 קילוואט, מקור ליבון קל בעוצמה גבוהה משמש כדי להאיר את שדה הראייה, וגיליון diffusor אור ממוקם בין מקור האור ונקודת הפגיעה להשיג רקע מואר באופן שווה. שתי מצלמות ומקורות אור מותקנים במכשיר הדיסק מסתובב כדי ללכוד הקלטות וידאו מזווית יותר מאחד. מצלמה אחת ממוקמת מעלנקודת פגיעה מתעדת את הנוף מול הפגיעה המטוס, ואילו המצלמה השנייה מתעדת מבט מצד. עדשות המצלמה מכוסות בסדין של סרט אצטט כדי למנוע מגע עם נוזלי בדיקה ולספק חלון צפייה ברור אחרי כל בדיקה. המצלמה צד להציג מוארת בעצמה גבוהה, מקור אור סיבים אופטיים שאופן מקומי מאיר את אתר הפגיעה ללא חסימת הציר. המצלמה הקדמי-הנוף מוארת בעצמה גבוהה, 100 W, מצויד בעדשת collimating 6,700 מערך LED לבן לומן.

שני הסט-אפ ניסיוני נשלטים חשמלי על ידי שתי קופסות בקרה שהותקן. תוכנת השליטה בנויה המותאמת אישית מאפשרת למשתמש ליצור ולאסוף אותות דיגיטליים ואנלוגיים באמצעות מערכת DAQ USB בתוך קופסא השליטה. בקר אז מנצל אותות אלה כדי לשלוט בכל מרכיב של הגדרת הניסוי (מצלמה במהירות גבוהה, אור, זרבובית, וכו ').

לשעבר תארהגדרת perimental מוגבלת שבשתי מכונות נפרדות נבנו כדי לבחון מגוון רחב של מהירויות פני השטח. מכשיר תותח האוויר יכול להיות מופעל רק במהירויות איטיות יותר משום שקשה מאוד לעצור הלא הרסני קליע נע במהירויות גבוהות מ -25 מ '/ שנייה, בתוך המרחב המוגבל של מעבדה. עם הדיסק מסתובב, היה חשש שהתנועה סיבובית של הדיסק תגרום כוחות הקשורים הצנטריפטלי בנוזל, אשר בתורו משפיעים על מכניקת הזורמים. חשש זה הוכיח את עצמו כמוצדק בדיקה עם אותם תנאי הסילון ואותה מהירות משטח על תותח האוויר (מהירות משטח ליניארי) והדיסק מסתובב הניב מאפיינים נעיצים כמעט זהים. מספר ריינולדס המרבי מוותר הוא מוגבל על ידי התפרקות סילון נוזל. בניסויים שנערכו על הסט-אפ אלה, הגיע מספר ריינולדס של 1500 בקלות. (כלומר, ריקבון מרבי מהירות מצע על הגדרת מהירות הגבוהה היא מוגבלת על ידי היכולת של מנוע VFDמהירות ational והספק מרבי להתגבר גרירה, אינרציה, וכו '), ובלבד שהדיסק והפיר מאוזנים היטב.

המנגנונים שתוארו שונים מטכניקות קיימות הבוחנות פגיעה סילון נוזל בכך שהם יתאימו למחקר של פגיעה סילון נוזל במהירות גבוהה על תנאים במהירות גבוה משטח (25-100 מ '/ sec) באמצעות קטרי נחיר סילון נוזל קטנים. בגלל תהליכי פגיעה סילון נוזל המתרחשים על משטחים הנעים במהירות הנמוכה נייחת ושונים במידה ניכרת מאלה הקשורים במהירות גבוהה נעה משטחים ביחס לדפוסי הצטברות נוזלים והתפשטות, הטכניקה המתוארת נוספת יכולה ידע קיימת על התנהגויות פגיעה סילון נוזל תחת מגוון רחב יותר של תנאים. המיקוד של הטכניקה בתהליכי פתיחה, מתיז ותצהיר הקשורים לפגיעת סילון נוזל מטפל גם פער ידע בתחום זה, אשר בעבר הייתי עסוק בדפוסי העברת חום. כנוזלפגיעה מטוס על מצע היא בעיה מורכבת מאוד רבה-נוזל מכניקה שמציבה רבים אפיקים אפשריים למחקר עתידי, הטכניקה המתוארת יכולה לשמש למספר יישומים טכניים ותעשייתיים כגון ייצור פלדה והזרקת דיו להדפסה, קירור, חימום ומשטח ציפוי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

יש לי המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

מדעי הטבע והנדסת מועצת המחקר של קנדה (NSERC) וLB פוסטר Rail טכנולוגיות, חברה במשותף תמכו במחקר הזה באמצעות תכנית NSERC שיתופי המחקר ופיתוח גרנט.

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).

Tags

הנדסה גיליון 98 פגיעה סילון נוזלית משטח מהיר מרגש זרבובית תרסיס משנה חיכוך נוזלי (LFM) תותח אוויר דיסק מסתובב שימון מסילה מכניקת זורמים
ויזואליזציה של High Speed ​​Liquid Jet Impaction על משטח העברה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Guo, Y., Green, S. Visualization ofMore

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