Visualisering av High Speed ​​Liquid Jet Impac på en rörlig yta

Abstract

Två anordningar för prövning av vätske strålträffande på en höghastighets rörliga ytan beskrivs: en luftkanon anordning (för att undersöka ythastigheter mellan 0 och 25 m / sek) och en roterande skiva anordning (för att undersöka ythastigheter mellan 15 och 100 m / sek). Luft kanon linjära travers är en pneumatisk energidrivna system som är utformat för att accelerera en metallskena yta monterad ovanpå en trä projektil. En tryckcylinder försedd med en magnetventil släpper snabbt tryckluft in i pipan, tvingar projektilen ner kanonen fat. Projektilen färdas under ett sprutmunstycke, som träffar en vätskestråle på dess metall övre yta, och projektilen träffar sedan en stoppmekanism. En kamera registrerar strålträffande, och en tryckomvandlare registrerar sprutmunstycket mottrycket. Den snurrande skiva set-up består av en skiva av stål som når hastigheter på 500 till 3000 rpm via en frekvensomformare (VFD) motor. Ett spraysystem siMilar den hos luftkanon genererar en vätskestråle som träffar på det snurrande skiva, och kameror placerade vid flera optiska accesspunkter registrera strålträffande. Videoinspelningar av strålträffande processer registreras och kontrolleras om utfallet av impingement är stänk, splatter, eller deponering. Apparaterna är den första som involverar hög hastighet impingement av lågprisflyg Reynolds-nummer vätskestrålar på höghastighets rörliga ytor. Utöver sin järnväg industriapplikationer, kan den beskrivna tekniken användas för tekniska och industriella ändamål, såsom ståltillverkning och kan vara relevant för höghastighets 3D-utskrifter.

Introduction

Forskningen syftar till att fastställa strategier för tillämpning LFM (Liquid Friction Modifier) ​​i vätskestråle formen på en rörlig yta samtidigt uppnå en hög grad av överföringseffektivitet och enhetliga deponeringsresultat. Att uppnå detta mål är att utveckla en övergripande förståelse av faktorer som påverkar vätske strålträffande på rörliga ytor.

Projektet motiveras av ett behov av att förbättra effektiviteten i smörjappliceringstekniker som används inom järnvägssektorn. Som ett sätt att minska bränsleförbrukningen och lokomotivunderhållskostnader, en tunn film av friktionsmodifieringsmedel tillämpas nu på den övre skenan yta konventionella järnvägsspår. Nyligen genomförda studier har visat att tillämpa en typ av vattenbaserade LFM för rälsöverkant (TOR) friktionskontroll Minskad energiförbrukning nivåer med 6% och järnväg och hjulflänsen slitage med över 50% ^1,2. Andra studier har visat att tillämpa LFM till räls minskars sidokraft och bullernivåer samt, ännu viktigare, spår korrugering och skador från rullkontaktutmattning, vilket är en viktig orsak till urspårningar ^3,4. Dessa resultat bekräftades ytterligare i fälttester på Tokyos tunnelbanesystem ^5.

LFMs närvarande ut från luftspräng atomizers knutna till dussintals lok hela Kanada och USA. I denna form av ansökan, LFM appliceras på toppen av järnvägsspår genom sprejanordningar monterade nedanför flytta järnvägsvagnar. Detta läge i LFM ansökan är svårt att genomföra på många järnvägs lok eftersom krävs stora volymer och luftförsörjningsnivåerna högtrycks kanske inte uppnås. Luftspräng dysor tros också producera mycket oregelbundna järnväg täckning när den drivs i en sidvind, som sidvind orsakar fina sprutdroppar att avvika från sin ursprungliga bana. Sidvindar är också kända för att vara inblandade i munstycket fouling, troligen för sammaanledning. På grund av problem i samband med luftspräng atomizers, är järnvägssektorn för närvarande söker alternativa metoder för LFM applicering på räls. En hållbar lösning involverar dispense LFM med hjälp av en kontinuerlig (icke finfördelade) vätskestråle, som sprutade vätskor är mindre känsliga för sidvind effekter på grund av deras lägre drag-till-tröghetsförhållande. Dessutom, eftersom de höga lufttryck och volymnivåer som behövs för atomiseringsmunstycken inte krävs i teknik flytande jet spray, den senare agerar som mer rationella och robusta sprut mekanismer som upprätthåller en effektiv kontroll över graden av LFM ansökan.

Ett område med liknande fysik, dropp impingement, har studerats intensivt. Det konstaterades av flera forskare som för dropp impingement på en rörlig torr slät yta, beror på många parametrar inklusive viskositet, densitet, ytspänning och den normala komponenten på islagshastighetens ^14,15 stänk beteende. Fågel 16. Intervall et al., Och Crooks et al. Har visat att för dropp impingement på en stationär torr yta, ytjämnhet minskar tröskel stänk signifikant (dvs., det gör droppen mer benägna att plaska) ^17,18.

Trots sin praktiska betydelse, har strålträffande på rörliga ytor fått lite uppmärksamhet i den akademiska litteraturen. Chiu-Webster och Lister utförde en omfattande serie experiment som undersökte stadig och ostadig viskösa strålträffande på en rörlig yta, och författarna utvecklat en modell för jämn ström fallet ^6. Hlod et al., Modelle flödet med hjälp av en tredje ordningens ODE på en domän av okänd längd vid en kompletterande integrerad tillstånd och jämfört förutsedda konfigurationer med experimentella resultat ^7. Men de Reynoldstal granskadei båda dessa studier är mycket lägre än de som förknippas med typiska järnvägen LFM applikationer. Gradeck et al., Numeriskt och experimentellt undersökt området vattenflödet strålträffande på ett rörligt underlag enligt olika strålhastighet, ythastighet, och villkor ⁸ munstycksdiameter. Fujimoto et al., Dessutom undersökta flödesegenskaper hos en cirkulär vattenstråle som träffar på ett rörligt underlag täckt av en tunn film av vatten ^9. Men dessa två projekt som används relativt stora munstycksdiametrar och undre yta och strålhastigheter jämfört med dem som används i detta arbete. Dessutom, även om tidigare experimentella, numeriska och analytiska studier ger en stor mängd data, har majoriteten fokuserat på värmeöverföringsparametrarna snarare än på vätskeflödesprocesser såsom jet stänk beteende. Den experimentella metod som i det aktuella forskningen bidrar därmed till teknik flytande jet ansökan genom rebötfälla sådana tekniker under förhållanden som innebär mindre jet munstycksdiametrar och höghastighets jet och ythastigheter. Föreliggande metod förädlar också kunskap om grundläggande strömningsmekaniska problem förknippade med rörliga kontaktledningar.

Studierna ovan nämnda har i allmänhet involverat interaktionen av en lågvarvsmunstycket med en låg hastighet rörlig yta. Det har varit förhållandevis få studier av laminär höghastighets strålträffande på höghastighets rörliga ytor. Under höghastighetsvätskestråle impac jet vätskan sprids radiellt i närheten av anslags plats, bildar en tunn lamell. Denna lamell sedan konvekteras nedströms genom den viskösa forcering ut av rörliga ytan, vilket skapar ett typiskt U-formade lameller. Keshavarz et al., Har rapporterat om experiment använder newtonska och elastiska sprutade vätskor som träffar på höghastighets ytor. De klassificeras anslagsprocesser i två distinkta typer: "nedfall &# 8221; och "splash" ^10. För impingement ska klassificeras som deponering, måste strålen vätskan vidhäfta till ytan, medan stänk kännetecknas av en vätske lamell som separerar från ytan, och därefter bryts upp i små droppar. En tredje impingement regimen har också beskrivits - "splatter". I denna, relativt sällsynt, regim lamellen förblir fäst till ytan, som för "avsättning", men fina droppar utstöts från nära den främre kanten av lamellen. I en senare studie av icke-newtonska vätskor effekter, Keshavarz et al. Slutsatsen att splash / nedfall tröskeln bestäms huvudsakligen av Reynolds och Deborah siffror, medan strålträffande vinkel och strålhastighet till ytan hastighetsförhållanden endast ha en mindre effekt ¹¹ . I försök utförda under variabla omgivande lufttryck, Moulson et al. Upptäckte att splash / depositionströskel Reynolds tal dramatisktökar med minskande omgivande lufttryck (dvs högre omgivningstryck gör jetplan mer benägna att plaska), samtidigt som man minskar omgivande lufttryck under en viss nivå trycker stänk helt ^12. Detta fynd tyder starkt på att aerodynamiska krafter som verkar på lamellen spelar en avgörande roll i att orsaka lameller lift-off och efterföljande stänk. I senaste arbetet om höghastighets impingement på en höghastighets substrat, Sterling visade att för substrathastighet och jet förhållanden nära tröskeln splash, kan plaska utlösas av mycket små lokaliserade grovhet yta och mindre jet ostadighet. Han visade också att det under dessa förhållanden lameller lift-off och återfastsättning är en stokastisk process ^13.

Det experimentella protokoll som beskrivs här kan användas för att studera andra fysikaliska situationer omfattar interaktion av en fluid med en rörlig höghastighets yta. Till exempel kan samma tillvägagångssätt användas för att studera helikopter blade-virvel interaktion (förutsatt att virvelvätskan färgades med spårpartiklar) och robot sprutning av ytor.

Protocol

1. Spinning Disk Device

1. Identifiera önskade testvillkor och spela testförhållanden i en tabell (t.ex. omgivningstemperatur, vätske egenskaper, jet och skärhastighet, etc.).
2. Beredning av material
   1. Förbered glycerin-vatten eller PEO-glycerin-vattenlösningar för stöttester.
      1. I fallet med PEO-glycerol-vattentest, gradvis upplösa 4,5 g av PEO-pulver (viskositetsmedelmolekylvikter av miljoner och fyra miljoner) i 1495,5 g destillerat vatten under försiktig magnetisk omröring under en 24 h period. Undvik alltför agitera PEO prov för att förhindra mekanisk nedbrytning.
      2. Till 1,5 kg USP-grade glycerin till den vattenhaltiga PEO lösningen under en 24 h period för att nå en vattenlösning av 0,15% PEO-koncentration och 50% glycerin koncentration.
   2. Förvara testvätskor separat i lufttäta behållare enligt RT före och efter varje test för att miniMize avdunstning, absorption av vatten från omgivande luft och föroreningar. Karakterisera och spraya vätskor inom fem dagar av förberedelser.
3. Utförande av experiment
   1. Kontrollera i spinnskivan luftlagret lufttillförselventilen är öppen och tryckmätaren läget är i rätt arbetsintervall (60-80 psig). Rensa allt som kan hindra disken rörelsen och vrid disken för hand i båda riktningarna 5 rotationer för att upptäcka eventuella problem med disken och lager.
   2. Ren och säkra den komprimerade gasen stängdes ackumulator för testvätska trycksättning. Häll 3 kg av testvätska i vätskeporten på en gallon ackumulator.
   3. Anslut gasporten ackumulatorns till kvävetanken via en tryckregulator. Anslut vätskeport av ackumulatorn med strålen sprutmunstycket.
4. Inrätta systemkontroll och höghastighetsbildsystem.
   1. Starta snurrskiva styrprogram och VFD styrprogram.Position två höghastighetskameror cine 35 cm från träffpunkten och justera höga förstoringslinser för att fånga träffpunkten ur två synvinklar.
   2. Justera 150 W fiberoptiska ljuskälla för att uppnå en jämnt upplyst bakgrund för bästa bildkvalitet (Figur 1). Slå på styrsystemet i detta skede för att underlätta kamerajustering.
   3. Utför självkontroll rutin genom att klicka "Själv checka" knappen i kontroll programvaran för att se till att systemet fungerar som förväntat.
5. Utför en strålträffande prov
   1. Ställ skivhastigheten till det önskade värdet med VFD styrprogram (500-3,000 rpm).
   2. För att utföra ett test, starta den automatiserade experimentella sekvensen från kontroll programvaran genom att klicka på "Test sekvensen" -knappen. Programvaran kommer att avgöra de optimala parametrarna automatiskt och samordna varje komponent i systemet för att utföra testet i enlighet därmed.
   3. Spara den resulte impingement test video (se till exempel, skärmbilden i Figur 2). Läs och spela yta hastighet, munstycket mottryck och temperatur från styrprogram.
      Obs: Efter varje test, driver en skivrengöringssekvens automatiskt att skölja och torka disken ytan. Upprepa rengöringscykeln så behövs tills alla testfluidum rester har avlägsnats.
      Viktigt Även vatten och glycerin lösning testvätskor kan rengöras med rengöringssekvensen, andra LFMs måste rengöras med organiska lösningsmedel såsom aceton. I sådana fall tillämpas rengöringsmaterialet till en duk snarare än sprutning skivan direkt.
6. Dataanalys
   1. Förbered ett kalkylark med information om varje testbetingelse (t.ex. fluidegenskaper, omgivningstemperatur, ytråhet etc).
   2. Öppna inspelade strålträffande bilder cine visning programvara, spela fulla videoinspelningar vid normalhastighet och observera strålträffande beteenden.
   3. Rekord impingement beteende egenskaper (stänk / stänk / nedfall, se figur 3) i den förberedda kalkylblad, logga alla ovanliga trender som kan tyda komplikationer med försöksuppställningen.
   4. Spara testresultat och villkor i ett kalkylblad. Rekordnoter fynd och onormala händelser i testlogg (t.ex. stänk / nedfall tröskelpunkt, stänk / nedfall övergångar, etc.). Spara skärm vid behov.
   5. Utföra mätningar bildanalys och registrera data.
      1. Starta verktyget på skärmen pixelmätning. Öppna träffbilder och kalibrera bildskalan genom att mäta en mikro linjal i bilderna med verktyget pixelmätning på skärmen (Figur 4).
      2. Mät mått av intresse (t.ex. lameller spred bredd, W, och lameller stagnationspunkten radie, R, se figur 5) med pixelmätning tool vid en punkt där strålen verkar vara mest stabila i videodata och spela in i den förberedda kalkylblad. Så en annan grupp av mätningar 100 ramar efter den första gruppen av mätningar för att bekräfta att både strålen och lamellen är stabila. Plot datapunkter på en graf och slutföra kurvan montering.

2. Luft Cannon Device

1. Identifiera önskade testförhållanden och förbereda material som i steg 1.1 och steg 1.2.
2. Utförande av experiment
   1. Driva upp systemstyrprogram.
   2. Sätt projektilen i kanonen fat. För stoppmekanismen nära pipan utgång till korrekt fånga projektilen efter ett test (figur 6).
   3. Öppna tryck byggnaden luftledningen som leder till lufttanken. Trycksätt tanken till mellan 30 psi och 70 psi, beroende på den önskade projektilhastighet. 30 psi tanktrycket ger en projektil hastighet av omkring 5m / sek, och 70 psi ger en hastighet av ca 25 m / sek.
   4. Förbered komprimerad gas slutna ackumulator för testvätska trycksättning.
      1. Häll 3 kg testvätska i vätske port ackumulatorn. Anslut slangen från ackumulatorn gasventilen till vätskestråle sprutmunstycket, och ställ in ackumulatortrycket till upp till 300 psi.
   5. Fäst kameran på sax-uttaget. Säkra sax uttaget till plattformen placerad bredvid jet sprutmunstycket.
   6. Säkra högintensiva ljuskällan till plattformen positionerat över från kameran och bakom diffusionen arket. Kontrollera belysning och kamerapositionering med hjälp av visningsfunktionen av programvaran kontroll gränssnitt videokamera, och justera positionering vid behov (Figur 7).
   7. Sätt på hörselkåpor som skydd mot luftkanon ljud blast.
   8. Lås upp kanonen kontrollpanelen och tryck på knappen varningen på kontrollpanelen flera gånger för att signalerastarten av ett experiment.
   9. Tryck på knappen på kontrollpanelen som öppnar magnetventilen ansluter lufttanken med luftkanon fat.
   10. När enheten har avfyrats och projektilen fångas, rengöra enheten genom att torka den med rengöringsvätska och en svamp för att avlägsna rester testfluidum. Torka slutligen konvektionsytan av projektilen.
3. Mät hastighet av projektilen på den inspelade höghastighetsvideo genom att mäta den tid som krävs för projektilen att färdas en fast (10 cm) avstånd. Analysera data som i steg 1.5.

Representative Results

Som diskuterats i det inledande avsnittet, de tre viktigaste beteenden som är förknippade med flytande strålträffande är nedfall, splatter och stänk. Dessa strålträffande beteenden observeras med hjälp av videodata som spelats in med höghastighets cine kameror placerade på olika optiska punkter. Exempel på stillbilder, som utvinns ur videoinspelningar, som skildrar de tre vätskestrålen resultat visas i Figur 3. Figur 3A visar vätskestråle avsättning, där strålen strömmar i en helt rak och jämn ström mot konvektionsytan. Strålen vidhäftar till ytan och förblir på ytan under återstoden av experimentet. Figurerna 3B och 3C visar mindre optimala resultat i vilken vätskestrålen vidhäftar endast delvis till konvektionsytan, med återstoden av strålen antingen stänk (Figur 3B ) eller stänk (Figur 3C) vid nedslaget.

jove_content "> Med tanke på den ganska enkel karaktär givna videodata, tvetydiga resultat ovanliga och repeterbara resultat har erhållits från både experimentella enheter. Men i mycket sällsynta fall som normalt är förenade väldigt smidig ytjämnhet förhållanden, lamellen av en vätskestråle ström kan interagera med droppar eller råhet på ytan på ett sätt som gör att den lyft från konvektionsytan (Figur 8). I lika ovanliga omständigheter, kan en liten störning i flödet producera oegentligheter i strålen, som vid ytan impaktion blir förstärks, vilket gör strålen att separera från ytan under en längre tid (Figur 9). Dessa sällsynta fenomen uppkommer vanligen endast för höga glidhastigheter och för mellanliggande jet viskositeter (Re = 100 ~ 2.500). Konsistensen på resultat är till stor del krediteras till användning av en tryckackumulator för drivning av testvätska, som till skillnad från en pump, driver vätska vid ett konstant hastighet, vilket ger en mycket smidig åtgärd och därmed en mycket konsekvent, enhetlig och jämn vätskeflöde.

Med avseende på splash / avsättningsegenskaper, visar resultaten att för metallytor hos medelytråhet höjder på mellan 0,01 | im och ett im, minskar ytråheten gör den infallande strålen mer mottagliga att plaska. Till exempel, figur 3A och figur 3C visar impingement under liknande jet och yta hastighetsförhållanden. I figur 3A jet avsättning sker på ytan, som har en medelytråhet höjd av 0,51 ^ m, men jet stänk uppstår när den genomsnittliga ojämnheten höjden är 0,016 ^ m (fig 3C). Detta beroende av grovhet är motsatt den observerats av et al. Keshavarz ^10,11, som studerade impingement på betydligt grövre ytor, där ytjämnhet är betydligt större än lamellens tjocklek.

_content "> Tröskeln av stänk är en komplex funktion av vätskestrålens hastighet; vätskestråle diameter; flytande viskositet, densitet och ytspänning; ythastigheten och råhet;. och de omgivande luftegenskaper Även om vissa enkla teorier för stänk har föreslagits ^10-12, finns det för närvarande ingen övergripande förklaring till fenomenet. Lamell liftoff, som vanligtvis är en föregångare till plaska ^12, tros vara en funktion av lameller geometri. Som framgår av figur 10, är i sig lamellerna geometrin en komplex funktion av många variabler, inklusive jet och glidhastigheter och flytande fysikaliska egenskaper.

Figur 1. Schematisk av optisk konfiguration av spinning diskenhet. Klicka här to visa en större version av denna siffra.

Figur 2. Skärmdump av typiska videoinspelning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3. Tre typiska flödesregimer. (A) avsättning, (B) splatter, (C) plask. I samtliga fall substratet rör sig från höger till vänster och stråldiametern är 564 | im. De relevanta jet och substratförhållanden är: (A) V _jet = 18,3 m / sek, V _substrat = 7,50 m / sek, μ _jet = 0,0194 N · s / 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 Nm 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 Nm sek / m ^2, ρ _jet = 1180 kg / m ^3, σ _jet = 0,0656 N / m, Re _jet = 594, Vi _jet = 3.040. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4. Mätning av jet diameter och lameller geoMetry med bildbehandlingsprogram. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5. planform schematisk av strålträffande visar karakteristiska lamell dimensioner. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6. Luft kanon mekanisk konfiguration. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 7. Luft kanon optisk konfiguration. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8. Tids sekvens visar övergången från jet nedfall till jet stänk. I denna sekvens övergången orsakas av mycket fina droppar som ansluter sig till den annars torra underlaget. Substratet rör sig från höger till vänster med en hastighet _V-substrat = 7,52 m / sek. De jet villkor är: D _jet = 564 nm; V _jet = 17,5 m / sek, μ _jet = 0,0194 Nm sek / m ^2, ρ _jet = 1180 kg / m ^3, σ _jet = 0,0656 N / m, Re _jet = 600, Vi _jet= 3110. klicka gärna här för att se en större version av denna siffra.

Figur 9. Tids sekvens visar övergången från jet nedfall till jet stänk. I denna sekvens övergången orsakas av en liten luftbubbla i strålen som stör flödet. Substratet rör sig från höger till vänster med en hastighet _V-substrat = 7,43 m / sek. De jet villkor är: D _jet = 564 nm; V _jet = 15,8 m / sek, μ _jet = 0,0194 Nm sek / m ^2, ρ _jet = 1180 kg / m ^3, σ _jet = 0,0656 N / m, Re _jet = 542, Vi _jet = 2530. klicka god här för att en större versionav denna siffra.

Figur 10. Lamell spridningsbreddförhållande stråldiametern till, som en funktion av Reynolds tal av Substrathastighet V _{substratsubstrat.} Varieras från 15 m / s till 60 m / s, vilket ger ett Reynolds tal Re _S från 75 till 300. Strålen villkor är: D _jet = 281 nm; V _jet = 14,6 m / sek, μ _jet = 0,0701 Nm sek / m ^2, ρ _jet = 1220 kg / m ^3, σ _stråle = 0,0640 N / m, Re _jet = 71,4, Vi _jet = 1140.

Discussion

Projektilen som används för luftkanonen set-up består av en lätt, trä bas. Även de trämaterial chips något efter många tester, har det visat sig att absorbera rörelseenergi mer effektivt än projektiler sammansatta av material som plast eller metall, som tenderar att splittras när den slår i stoppmekanismen. Dimensionerna på trä projektil är utformade för att bättre matcha stål fat interiör, vilket begränsar luftläckage. En 8/1 "tjockt gummiark fäst mellan två skikt av plywood är fäst på baksidan av projektilen för att ytterligare dra åt tätningen runt insidan av pipan. De metall impingement ytor monterade på toppen av projektilen är fästa som tre separata metallplattor med olika ojämnhet höjder, positione 2,5 cm från varandra, så att vätskestrålen kan inkräkta på alla tre ytor i en test med minimal störning. Den främre delen av projektilen är formad till en aerodynamisk näsa med en hulling på the botten av näsan så att stoppmekanism, som har en tung aluminium med en låsmekanism inuti, ansluter ordentligt till projektilen efter stöt. Snarare än att vara fast på plats, glider stoppmekanism bakåt med cirka 60 cm vid fånga projektilen. Denna funktion förlorar rörelseenergi från projektilen och förhindrar materiella skador.

Den höghastighets cine kamera ansluten till luftkanon anordningen visualiserar jet impaktion på projektilen ytan. Kamerans bredbilds CMOS-sensor gör att man kan ta bilder på extremt hög bildhastighet och resolutioner. A 1 kW, högintensiva glödande ljuskälla används för att belysa synfältet, och en lätt diffusor ark placeras mellan ljuskällan och träffpunkten för att uppnå en jämnt upplyst bakgrund. Två kameror och ljuskällor är installerade på den snurrande skivan enheten för att fånga videoinspelningar från mer än en vinkel. En kamera placerad ovanförträffpunkten registrerar frontvy av strålträffande, medan den andra kameran registrerar en sidovy. Kameralinserna är täckta med ett ark av acetat film för att förhindra kontakt med testvätskor och för att ge en klar siktfönster efter varje test. Sidokameran är upplyst av en hög intensitet, fiberoptisk ljuskälla som lokalt belyser impingement platsen utan att blockera axeln. Frontkameran är upplyst av en hög intensitet, 100 W, 6.700 Lumen vita LED array utrustad med en kollimeringslins.

De två experimentella uppställningar styrs elektriskt av två specialbyggda styrboxar. Den specialbyggda styrprogram tillåter användaren att skapa och samla digitala och analoga signaler via en USB DAQ-system inuti kontrollboxen. En styrenhet använder sedan dessa signaler för att styra varje komponent i försöksuppställningen (höghastighetskamera, ljus, munstycke, etc.).

Den beskrivna experimental set-up är begränsad i att två separata maskiner byggdes för att testa ett brett sortiment av ythastigheter. Den luftkanon anordningen endast kan drivas vid lägre hastigheter, eftersom det är mycket svårt att sluta icke-förstörande en projektil som rör sig med hastigheter som är högre än 25 m / sek, inom det begränsade utrymmet i ett laboratorium. Med spinnskivan fanns oro för att den roterande rörelsen av skivan skulle orsaka tillhörande centripetalkrafter på vätskan, vilket i sin tur skulle påverka strömningsmekanik. Denna oro visade sig vara obefogad eftersom testning med samma jet villkor och samma glidhastigheter på luftkanon (linjär ythastighet) och spinning disken gav nästan identiska impaktion egenskaper. Den högsta tillåtna Reynolds tal begränsas av vätskestråle uppbrott. I experiment som utförts på dessa uppställningar, var ett Reynolds antal 1.500 lätt nås. Substrathastighet på höghastighetståg set-up begränsas av kapaciteten hos VFD motorn (dvs max rötaationell hastighet och maximal uteffekt för att övervinna friktion, tröghet, etc), förutsatt att skivan och axeln är välbalanserade.

De beskrivna apparaterna skiljer sig från befintliga tekniker som undersöker flytande strålträffande eftersom de rymmer studier av höghastighetståg flytande strålträffande över hög yta hastighetsförhållanden (25-100 m / sek) med hjälp av små vätskestråle munstycksdiametrar. Eftersom flytande strålträffande processer som sker på stationära och lågvarviga rörliga ytor skiljer sig avsevärt från de som förknippas med hög hastighet rörliga ytor med avseende på vätskeuppbyggnad och spridningsmönster, kan den beskrivna tekniken ytterligare befintlig kunskap på likvida strålträffande beteenden inom ett bredare spektrum av förhållanden. Tekniken fokus på stänk, splatter och nedfall processer i samband med vätske strålträffande tar också en kunskapslucka inom detta område, som tidigare har varit upptagna med värmeöverföringsmönster. Som vätskastrålträffande på ett substrat är en mycket komplex multifas vätskemekanik problem som innebär många möjliga vägar för framtida forskning, kan den beskrivna tekniken användas för ett antal tekniska och industriella applikationer såsom ståltillverkning och bläckstråleutskrift, kyla, värme och yta beläggning.

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)