Visualisering af High Speed ​​Liquid Jet Impaction på en bevægende Surface

Abstract

To apparater til behandlingen væskestråle impingement på en high-speed bevægelige overflade er beskrevet: en luft kanon enhed (for behandlingen overfladehastigheder mellem 0 og 25 m / sek) og en roterende skive enhed (for behandlingen overfladehastigheder mellem 15 og 100 m / sek). Luftkanonen lineære traverse er en pneumatisk energi-drevne system, der er designet til at fremskynde en metalskinne overflade monteret på toppen af ​​et træ projektil. En tryksat cylinder forsynet med en magnetventil frigiver hurtigt trykluft ind i cylinderen, tvinger projektilet ned kanonen tønde. Projektilet bevæger under en sprøjtedyse, der indvirker en væskestråle på dens metal øvre overflade, og projektilet så rammer et stop mekanisme. Et kamera registrerer jet impingement, og en tryktransducer registrerer sprøjtedysen modtryk. Den roterende skive opsætning består af en stål disk, der når hastigheder på 500 til 3000 rpm via en variabel frekvens drev (VFD) motor. Et sprøjtesystem siMilar med den luft kanon genererer en flydende stråle, der indvirker på den roterende skive, og kameraer placeret på flere optiske adgangspunkter optage jet impingement. Videooptagelser af jet kollisionsvinkler processer registreres og undersøges for at afgøre, om resultatet af impingement er splash, splatter, eller aflejring. Apparaterne er de første, der involverer den høje hastighed Indfald af lavt Reynolds-tal flydende jetfly på høj hastighed bevægelige overflader. Ud over sin jernbane industri applikationer, kan den beskrevne teknik anvendes til tekniske og industrielle formål såsom stålproduktion og kan være relevante for høj hastighed 3D-print.

Introduction

Denne forskning har til formål at fastsætte strategier for anvendelse af LFM (Liquid Friction Modifier) ​​i flydende jet formular på en bevægende overflade, mens nå høj grad af transfer effektivitet og ensartede deposition resultater. At opnå dette mål indebærer at udvikle en bred forståelse af faktorer, der påvirker væskestråle impingement om at flytte overflader.

Projektet er motiveret af et behov for at forbedre effektiviteten af ​​smøring ansøgning teknikker, der anvendes i jernbanesektoren. Som et middel til at reducere brændstofforbruget og lokomotiv vedligeholdelsesomkostninger, en tynd film af friktion modificerende middel nu anvendes på den øverste skinne overflade af konventionelle jernbanespor. Nylige undersøgelser har vist, at anvendelsen af en type vandbaseret LFM til skinneoverkant (TOR) friktion kontrol reduceret energiforbruget med 6% og jernbane og hjul flange slid med over 50% ^1,2. Andre undersøgelser har vist, at anvendelsen af ​​LFM til jernbanespor reduceres tværgående kraft og støjniveau samt, endnu vigtigere, track korrugeringen og skader fra rullende kontakt træthed, hvilket er en væsentlig årsag til afsporinger ^3,4. Disse resultater blev yderligere bekræftet i markforsøg på Tokyo subway system ^5.

LFMs øjeblikket dispenseres fra luften blast forstøvere knyttet til snesevis af lokomotiver i hele Canada og USA. I denne form for anvendelse er LFM påføres til toppen af ​​jernbanespor ved forstøvere monteret under flytte jernbanevogne. Denne tilstand af LFM ansøgning er vanskelige at gennemføre på mange railroad lokomotiver, fordi det krævede store mængder og højtryks-lufttilførsel niveauer ikke kan være opnåelige. Air-blast sprøjtedyser menes også at producere meget uregelmæssig skinne dækning, når drevet i en sidevind, som sidevind forårsager fine spray dråber at afvige fra deres oprindelige bane. Sidevinde er også kendt for at være impliceret i dysen begroning, sandsynligvis for sammegrund. På grund af problemer i forbindelse med luft blast forstøvere er jernbanesektoren øjeblikket søger alternative tilgange til LFM ansøgning til jernbane spor. En holdbar løsning indebærer dispensering LFM ved hjælp af en kontinuerlig (ikke-forstøvet) flydende jet, som flydende jetfly er mindre modtagelige for sidevind effekter på grund af deres lavere træk-til-inerti-forhold. Desuden, fordi de høje lufttryk og lydstyrke er nødvendige for forstøverdyser ikke kræves i flydende jet spray teknologi, de er udpeget som mere strømlinede og robuste sprøjtning mekanismer, der opretholder en effektiv kontrol med antallet af LFM ansøgning.

Et område med lignende fysik, dråbe impingement, er blevet undersøgt intensivt. Det blev fundet af adskillige forskere, at for små dråber impingement på en bevægende tør glat overflade, sprøjt adfærd afhænger af mange parametre, herunder viskositet, densitet, overfladespænding og den normale bestanddel af anslagshastigheden ^14,15. Bird 16. Range et al. Og Crooks et al. Har vist, at for dråbe impingement på en stationær tør overflade, overfladeruhed nedsætter tærsklen splash signifikant (dvs. det gør dråben mere tilbøjelige til at plaske) ^17,18.

På trods af sin praktiske betydning, har jet impingement på bevægelige flader fået lidt opmærksomhed i den akademiske litteratur. Chiu-Webster og Lister udført en omfattende række forsøg, der undersøgte stabil og ustabil tyktflydende jet impingement på en bevægende overflade, og forfatterne udviklet en model for den stadige strøm sagen ^6. Hlod et al. Modelleret strømmen ved hjælp af en tredje ordens ODE på et domæne af ukendt længde under en yderligere integreret stand og sammenlignet forudsagte konfigurationer med eksperimentelle resultater ^7. Undersøges imidlertid Reynolds tali begge disse undersøgelser er meget lavere end ved typiske jernbanen LFM applikationer. Gradeck et al. Numerisk og eksperimentelt undersøgt strømningsfeltet vandstråle impingement på et bevægende substrat under forskellige jet hastighed, overflade hastighed og betingelser ⁸ dyse diameter. Fujimoto et al. Derudover undersøgte strømningskarakteristika en cirkulær vandstråle rammer på et bevægende substrat dækket af en tynd film af vand ^9. Dog brugte disse to projekter relativt store dyse diametre og nedre overflade og jet hastigheder sammenlignet med dem, der anvendes i det foreliggende arbejde. Desuden, selv om de tidligere eksperimentelle, numeriske og analytiske undersøgelser giver en stor mængde data, har de fleste fokuseret på varmeoverførsel parametre end på flydende flow processer såsom jet sprøjt adfærd. Den eksperimentelle metode, forudsat i den nuværende forskning bidrager således til flydende jet applikationsteknologier ved rebøder sådanne teknikker under vilkår, der indebærer mindre stråledyse diametre og med høj hastighed jet og overflade hastigheder. Den foreliggende fremgangsmåde også forædler viden om grundlæggende fluid mekanik problemer forbundet med at flytte kontaktlinjer.

De ovennævnte undersøgelser har generelt involveret interaktionen af ​​en lav hastighed jet med en lav hastighed bevægelig overflade. Der har været forholdsvis få undersøgelser af laminar højomdrejningsdysen impingement på højhastigheds-bevægelige overflader. Ved høj hastighed væskestråle impaction strålevæsken spreder sig radialt i nærheden af ​​impingement placering, danner en tynd lamel. Denne lamel derefter konvektionsvarme nedstrøms af den viskose tvinge pålagt af den bevægelige overflade, der producerer en karakteristisk U-formet lamel. Keshavarz et al. Har rapporteret om forsøg anvender newtonske og elastiske flydende jetfly der rammer på højhastighedsforbindelser overflader. De klassificerede kollisionsvinkler processer i to forskellige typer: "aflejring &# 8221; og "splash" ^10. For impingement at blive klassificeret som aflejring skal strålevæske klæbe til overfladen, mens splash er kendetegnet ved en flydende lamel, der adskiller sig fra overfladen, og derefter bryder op i dråber. En tredje impingement regime er også blevet beskrevet - "splatter". I dette forholdsvis sjældne, regime lamellen forbliver fastgjort til overfladen, som for "aflejring", men fine dråber udstødes fra nær forkanten af ​​lamellen. , Keshavarz et al. Konkluderede i en efterfølgende undersøgelse af ikke-newtonsk væske virkninger, som splash / deposition tærskel hovedsageligt bestemmes af Reynolds og Deborah numre, mens jet impingement vinkel og jet hastighed til overfladen hastighed nøgletal kun have en mindre effekt ¹¹ . I forsøg udført under variable omgivende lufttryk, Moulson et al opdaget. At splash / deposition tærskel Reynolds nummer dramatiskstiger med faldende omgivende lufttryk (dvs. højere omgivende tryk gør jetfly mere tilbøjelige til at plaske), men med færre omgivende lufttryk under en vis grænse undertrykker splash helt ^12. Dette fund antyder kraftigt, at aerodynamiske kræfter, der virker på lamellen spille en afgørende rolle i at forårsage lamel lift-off og efterfølgende stænk. I seneste arbejde på high-speed impingement på en high-speed-substrat, viste Sterling at for substrat hastighed og jet forhold tæt på grænsen splash, kan splash udløses af meget små lokaliseret overfladeruhed og mindre jet usikker. Han viste også, at under disse betingelser lamel lift-off og refiksation er en stokastisk proces ^13.

Den eksperimentelle protokol er beskrevet her, kan anvendes til at studere andre fysiske situationer, hvor interaktionen af ​​en væske med et bevægeligt højhastigheds overflade. For eksempel kunne den samme fremgangsmåde anvendes til at studere helikopter blade-vortex interaktion (forudsat at vortex væske blev farvet med tracer partikler) og robot sprøjtning af overflader.

Protocol

1. Spinning Disk Device

1. Identificer ønskede testbetingelser og optage testbetingelser i en tabel (f.eks omgivelsestemperatur fluidegenskaber, jet og overflade hastighed, etc.).
2. Fremstilling af materialer
   1. Forbered glycerin-vand eller PEO-glycerin-vand-løsninger til kollisionsvinkler tests.
      1. I tilfælde af PEO-glycerin-vand prøver gradvis opløses 4,5 g PEO pulver (viskositet-gennemsnitlige molekylvægte på én million og fire millioner) i 1495,5 g destilleret vand under forsigtig magnetisk omrøring i løbet af en 24 timers periode. Undgå alt omrøring PEO prøve at forhindre mekanisk nedbrydning.
      2. Gradvist tilføje 1,5 kg USP-grade glycerin til den vandige PEO opløsning over en 24 timers periode for at opnå en vandig opløsning af 0,15% PEO koncentration og 50% glycerol koncentration.
   2. Opbevar test væsker separat i lufttætte beholdere under RT før og efter hver prøve til miniMize fordampning, vand absorption fra omgivende luft og forurening. Karakterisere og spray væsker inden for fem dages forberedelse.
3. Udførelse af forsøg
   1. Sørg for, at roterende skive luft lejets lufttilførsel ventilen er åben, og trykmåleren læsning er i det korrekte arbejdsområde (60-80 psig). Klart noget, der kan hindre disken bevægelse og drej skiven med hånden i begge retninger 5 rotationer at kontrollere for eventuelle problemer med disken og lejer.
   2. Ren og sikker den komprimerede gas lukket akkumulator til testfluidum overtryk. Hæld 3 kg test væske i væsken porten på 1-gallon akkumulator.
   3. Tilslut gas port akkumulatoren til nitrogen tanken via en trykregulator. Slut fluidport af akkumulatoren til jet sprøjtedysen.
4. Opsætning kontrolsystem og høj hastighed imaging system.
   1. Start roterende skive kontrol software og VFD kontrol software.Position to high-speed cine kameraer 35 cm væk fra kollisionspunktet og justere høj forstørrelse linser til at fange kollisionspunktet fra to vinkler.
   2. Juster 150 W fiberoptisk lyskilde for at opnå en jævnt belyst baggrund for bedste billedkvalitet (figur 1). Tænd for styresystemet på dette tidspunkt for at lette tilpasningen kamera.
   3. Udfør selvtest rutine ved at klikke på 'Self-check "knappen i styresoftware for at sikre, at systemet fungerer som forventet.
5. Udfør en jet impingement test
   1. Sæt disken hastighed til den ønskede værdi med VFD kontrol software (500-3.000 rpm).
   2. For at udføre en test, starte automatiserede eksperimentelle sekvens fra styresoftware ved at klikke på knappen 'Test sekvens ". Softwaren vil bestemme de optimale parametre automatisk og koordinere hver komponent af systemet for at udføre testen i overensstemmelse hermed.
   3. Gem den resulterende impingement test video (se for eksempel, skærmbilledet i figur 2). Læs og pladens overflade hastighed dyse modtryk og temperatur fra styresoftware.
      Bemærk: Efter hver test, kører en disk rensesekvens automatisk at skylle og tørre disken overflade. Gentag rensningscyklussen efter behov, indtil alle testfluidum rester er fjernet.
      ADVARSEL: Selvom vand og glycerin opløsning test væsker kan rengøres med rensesekvensen, skal renses med organiske opløsningsmidler som acetone andre LFMs. I sådanne tilfælde gælder rengøring materiale til en klud snarere end sprøjtning disken direkte.
6. Dataanalyse
   1. Forbered et regneark med oplysninger om hver test tilstand (f.eks fluidegenskaber, omgivelsestemperatur, overfladeruhed, etc.).
   2. Åbn de optagede stråleanslagsspor billeder med cine visning software, spille fuld videooptagelser ved normalhastighed og observere stråleanslagsspor adfærd.
   3. Optag impingement adfærd egenskaber (splash / sprøjtning / deposition, se figur 3) i den forberedte regneark, logge usædvanlige tendenser, der kan indikere komplikationer med den eksperimentelle opsætning.
   4. Spar testresultater og betingelser i et regneark. Optag bemærkelsesværdige resultater og usædvanlige hændelser i test log (f.eks splash / deposition tærskelværdien, splash / deposition overgange etc.). Gem screenshots når det er nødvendigt.
   5. Udføre billedanalyse målinger og registrere data.
      1. Start pixel måleværktøj på skærmen. Åbne kollisionsvinkler billeder, og kalibrere billedet skalaen ved at måle en mikro-hersker i billederne med pixel måleværktøj på skærmen (figur 4).
      2. Mål dimensioner af interesse (fx lamel spredebredde, W, og lamel stagnation punkt radius, R, se figur 5) med pixel måling tOOL på et punkt, hvor strålen synes at være mest stabile i video og registrerer data i den forberedte regneark. Så tage en anden gruppe af målinger 100 rammer efter den første gruppe af målinger for at bekræfte, at både strålen og lamellen er stabile. Plot datapunkter på en graf og fuldføre kurvetilpasning.

2. Air Cannon Device

1. Identificer ønskede testbetingelser og forberede materialer som i trin 1.1 og trin 1.2.
2. Udførelse af forsøg
   1. Tænd for systemet kontrol software.
   2. Sæt projektilet i kanonen tønde. Flyt stopmekanisme tæt til cylinderen udgang til korrekt fange projektilet efter en test (figur 6).
   3. Åbn tryk bygning luftledning, der fører til luft tank. Tryksætte beholderen til mellem 30 psi og 70 psi, afhængig af den ønskede projektil hastighed. 30 psi beholdertryk giver et projektil hastighed på omkring 5m / sek, og 70 psi giver en hastighed på ca. 25 m / sek.
   4. Forbered den komprimerede gas lukket akkumulator for testfluidum overtryk.
      1. Hæld 3 kg test væske i væsken havn akkumulatoren. Tilslut slangen fra akkumulatoren gasventil til væskestråle sprøjtedyse og indstille akkumulator tryk op til 300 psig.
   5. Fastgør kameraet til saksedonkraft. Fastgør saksedonkraft til platformen placeret ved siden af ​​jet spray dyse.
   6. Fastgør højintensive lyskilde til platformen placeret på tværs fra kameraet og bag diffusion ark. Kontroller belysning og kamera positionering ved hjælp af videokamera visning funktion af software kontrol interface, og justere positionering nødvendigt (figur 7).
   7. Sæt på høreværn til beskyttelse fra luften kanon lyd blast.
   8. Lås kanonen kontrolpanelet, og tryk på knappen advarsel på betjeningspanelet flere gange at signalerestarten af ​​et eksperiment.
   9. Hit panelet kontrolknappen, der åbner magnetventilen forbinder luften tank med luft kanon tønde.
   10. Efter at enheden er blevet fyret, og projektilet fanget, rengøre enheden ved at tørre den med rensevæske og en svamp til at fjerne resterende testfluidum. Endelig tør sammenstødsflade af projektilet.
3. Mål hastighed af projektilet i det optagede high-speed video ved at måle mængden af ​​tid, der kræves for projektilet til at rejse en fast (10 cm) afstand. Analyser af data som i trin 1.5.

Representative Results

Som omtalt i indledningen, de tre vigtigste adfærd er forbundet med flydende jet impingement er aflejring, splatter og stænk. Disse stråleanslagsspor adfærd observeres ved hjælp af video, der er optaget af high-speed cine kameraer placeret på forskellige optiske punkter. Eksempler på stillbilleder, opnået fra videooptagelser, der skildrer de tre flydende jet resultater er vist i figur 3A afbilder flydende jet aflejring, hvor strålen strømmer i en helt lige og stadig strøm mod sammenstødsflade 3.. Strålen klæber til overfladen og forbliver på overfladen for resten af eksperimentet. 3B og 3C viser mindre optimale resultater, hvor væskestrålen kun delvis klæber til impingement overflade, idet resten af strålen enten sprøjt (figur 3B ) eller sprøjt (figur 3C) ved anslaget.

jove_content "> I betragtning af den forholdsvis ligetil indholdet af de anførte videodata, tvetydige resultater er ikke almindelige og reproducerbare resultater er opnået fra både eksperimentelle enheder. Men i meget sjældne tilfælde, der typisk involverer meget glat overflade ruhed betingelser, lamellen af ​​en flydende stråle strøm kan interagere med dråber eller ruhed på overfladen på en sådan måde, der får den til at løfte fra sammenstødsflade (figur 8). I lige så usædvanlige forhold, kan en lille forstyrrelse i strømmen producere uregelmæssigheder i strålen, som ved overfladen impaction blive forstærket, hvilket får strålen til at adskille fra overfladen i længere tid (figur 9). Disse sjældne fænomener opstår typisk kun til høje overfladehastigheder og for mellemliggende jet flydende viskositeter (Re = 100 ~ 2.500). Konsistensen af Resultaterne er i vid udstrækning krediteres anvendelse af en trykakkumulator for kørsel testvæsken, som i modsætning til en pumpe, driver væske ved en konstant hastighed, der producerer en meget jævn bevægelse og dermed en meget konsistent, ensartet og jævn væskestrøm.

Med hensyn til sprøjt / deposition egenskaber, viser resultaterne, at for metaloverflader gennemsnitlig ruhed højder på mellem 0,01 um og 1 um, faldende overfladeruhed gør rammende stråle mere modtagelige for stænk. For eksempel figur 3A og 3C viser impingement under tilsvarende hastighed, jet og overflade. I fig forekommer 3A jet deposition på overfladen, som har en gennemsnitlig ruhed højde på 0,51 um, men forekommer jet splash når den gennemsnitlige ruhed højde er 0,016 um (figur 3C). Denne afhængighed af ruhed er modsat den, der observeres ved Keshavarz et al. ^10,11, der studerede impingement på langt grovere overflader, hvor overfladeruhed er betydeligt større end lamel tykkelse.

_content "> Tærsklen af ​​stænk er en kompleks funktion af det flydende strålehastighed; væskestråle diameter flydende viskositet, tæthed og overfladespænding, overfladehastigheden og ruhed;. og de omgivende luft egenskaber Selv om nogle enkle teorier splash er blevet foreslået ^10-12, er der i øjeblikket ingen omfattende forklaring af fænomenet. Lamella liftoff, som sædvanligvis er en forløber for splash ^12, menes at være en funktion af lamel geometri. Som det ses i figur 10, lamellen geometri selv er en kompleks funktion af mange variabler, herunder jet og overfladehastigheder og flydende fysiske egenskaber.

Figur 1. Skematisk af optiske konfiguration af spinning disk enhed. Klik her to se en større udgave af dette tal.

Figur 2. Skærmbillede af typiske videooptagelse. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 3. Tre typiske flow regimer. (A) aflejring, (B) splatter, (C) stænk. I alle tilfælde substratet bevæger sig fra højre til venstre og jet diameter er 564 um. De relevante jet og substrat betingelser er: (A) V _jet = 18,3 m / sek, V _substrat = 7,50 m / sek, μ _jet = 0,0194 N · sek / m ^2, ρ _jet = 1.180kg / m ^3, σ _jet = 0,0656 N / m, Re _jet = 629, vi _jet = 3.400; (B) V _jet = 9,5 m / sek, V _substrat = 7,63 m / sek, μ _jet = 0,0097 N · sek / m ^2, ρ _jet = 998 kg / m ^3, σ _jet = 0,0717 N / m, Re _jet = 552, Vi _jet = 709; (C) V _jet = 17,3 m / sek, V _substrat = 7,71 m / sek, μ _jet = 0,0194 N · sek / m ^2, ρ _jet = 1180 kg / ^m3, σ _jet = 0,0656 N / m, Re _jet = 594, Vi _jet = 3.040. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 4. Måling af jet diameter og lamel geoMetry med billedbehandling software. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 5. Planform vis skematisk jet impingement viser karakteristiske lamella dimensioner. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 6. Luft kanon mekanisk konfiguration. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 7. Luft kanon optisk konfiguration. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 8. Time sekvens viser overgangen fra jet deposition til jet splash. I denne sekvens overgangen skyldes meget fine dråber klæber til den ellers tørre underlag. Substratet bevæger sig fra højre til venstre med en hastighed V _substrat = 7,52 m / sek. De jet betingelser er: D _jet = 564 um; V _jet = 17,5 m / sek, μ _jet = 0,0194 N · sek / m ^2, ρ _jet = 1180 kg / ^m3, σ _jet = 0,0656 N / m, Re _jet = 600 Vi _jet= 3.110. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 9. Tidssekvens viser overgangen fra jet deposition jet splash. I denne sekvens overgangen er forårsaget af en lille luftboble i den stråle, der forstyrrer strømmen. Substratet bevæger sig fra højre til venstre med en hastighed V _substrat = 7,43 m / sek. De jet betingelser er: D _jet = 564 um; V _jet = 15,8 m / sek, μ _jet = 0,0194 N-sek / m ^2, ρ _jet = 1180 kg / ^m3, σ _jet = 0,0656 N / m, Re _jet = 542, vi _jet = 2.530. Klik her for at se en større versionaf dette tal.

Figur 10. Lamella spread bredde jet diameter, som en funktion af Reynolds tal af substrat. Substrathastighed V _substratet er varierede fra 15 m / sek til 60 m / sek, hvilket giver et Reynolds tal Re _S 75 til 300. jet betingelser er: D _jet = 281 um; V _jet = 14,6 m / sek, μ _jet = 0,0701 N-sek / m ^2, ρ _jet = 1220 kg / m ^3, σ _jet = 0,0640 N / m, Re _jet = 71,4, vi _jet = 1.140.

Discussion

Projektilet anvendes til luftkanonen opsætning er sammensat af en let, træ base. Selvom træmaterialet chips lidt efter talrige forsøg har det vist sig at absorbere kinetisk energi mere effektivt end projektiler består af materialer, såsom plast eller metal, som har en tendens til at splintre ved påvirker stop-mekanisme. Dimensionerne af træ projektil er designet til nøje matche stål tønde interiør, hvilket begrænser luft lækage. En 1/8 "tyk gummiplade fastgjort mellem to lag af krydsfiner er fastgjort til bagsiden af ​​projektilet yderligere at stramme tætning omkring indersiden af ​​cylinderen. De metal kollisionsoverflader monteret på toppen af ​​projektilet er fastgjort som tre separate metalplader af forskellige ruhed højder, der er anbragt 2,5 cm fra hinanden, således at væskestrålen kan indvirke på alle tre overflader i en test med minimal interferens. Den forreste af projektilet formes til en aerodynamisk næse med en modhage på the bunden af ​​næsen, således at stop-mekanismen, som har en tung aluminium med en låsemekanisme inde forbinder sikkert til projektilet ved anslag. Snarere end at blive fastgjort på plads, stopmekanisme glider bagud med omkring 60 cm ved fangst projektilet. Denne funktion afleder kinetisk energi fra projektilet og forhindrer materielle skader.

Den høje hastighed cine kamera fastgjort til luft kanon enheden visualiserer jet impaction på projektilet overflade. Kameraets bredformat CMOS-sensor gør det muligt at tage billeder ved ekstremt høje frame rates og resolutioner. A 1 kW, høj intensitet glødelampe lyskilde til at belyse synsfelt, og en let diffusor ark er placeret mellem lyskilden og kollisionspunktet at opnå en jævnt belyst baggrund. To kameraer og lyskilder er installeret på den roterende skive anordning til at opsamle videooptagelser fra mere end en vinkel. Et kamera er placeret overkollisionspunktet registrerer forfra jet impingement, mens det andet kamera optager et sidebillede. De kameralinser er dækket med et ark acetat film for at forhindre kontakt med test væske og at give en klar visning vindue efter hver test. Den side-view kamera er belyst af en høj intensitet, fiberoptisk lyskilde, der lokalt belyser impingement stedet uden at blokere akslen. Front-view kamera er belyst af en høj intensitet, 100 W, 6.700 Lumen hvid LED-array monteret med en kollimatorlinse.

De to eksperimentelle opstillinger styres elektrisk ved to specialbyggede kontrolbokse. Den specialbyggede styresoftware giver brugeren mulighed for at generere og indsamle digitale og analoge signaler via en USB DAQ-system inde i kontrolboksen. En controller derefter udnytter disse signaler til at styre hver komponent i den eksperimentelle opstilling (high-speed kamera, lys, dyse, etc.).

Den beskrevne exeksperimenterende opsætning er begrænset ved, at to separate maskiner blev bygget for at teste en bred vifte af overflade hastigheder. Luften kanon Enheden kan kun drives ved lavere hastigheder, fordi det er meget svært at stoppe ikke-destruktivt et projektil bevæger ved hastigheder højere end 25 m / sek, inden for den begrænsede plads på et laboratorium. Med roterende skive der var bekymring for, at den roterende bevægelse af disken vil medføre tilknyttede centripetale kræfter på væsken, hvilket igen vil påvirke fluid mekanik. Denne bekymring viste sig at være uberettiget, da test med de samme jet betingelser og samme overflade hastigheder på luft kanon (lineær overflade hastighed) og roterende skive gav næsten identiske impaction egenskaber. Det maksimalt tilladte Reynolds tal er begrænset af flydende jet bruddet. I forsøgene udført på disse modeller blev en Reynolds antal 1.500 let nås. Substrat hastighed på high-speed opsætning er begrænset af kapaciteten af VFD motor (dvs. maksimal rotational hastighed og maksimal effekt til at overvinde træk, inerti, etc.), forudsat at skiven og akslen er velafbalanceret.

De beskrevne apparater adskiller sig fra de eksisterende teknikker, der undersøger væskestråle impingement, at de rumme studiet af højhastigheds-væskestråle impingement ved høj overfladehastighed forhold (25-100 m / sek) ved hjælp af små flydende dyse diametre. Fordi flydende stråleanslagsspor processer, der foregår på stationære og lav hastighed bevægelige overflader meget forskellige fra dem, der er forbundet med høj hastighed bevæger overflader med hensyn til flydende oprustning og spredebilleder kan den beskrevne teknik yderligere eksisterende viden om flydende stråleanslagsspor adfærd under en bredere vifte af forhold. Teknikken fokus på splash, splatter og udfældningsprocesser forbundet med flydende jet impingement behandler også en mangel på viden på dette område, som tidligere har været optaget af varmeoverførsel mønstre. Som væskejet impingement på et substrat er en meget kompleks multifasefluidum mekanik problem, der udgør mange mulige veje til fremtidig forskning, kan den beskrevne teknik anvendes til en række tekniske og industrielle applikationer såsom stålproduktion og inkjet-print, køling, opvarmning og overflade belægning.

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)