Abstract
Zwei Vorrichtungen zur Prüfung von flüssigem Strahlbeaufschlagungsplatte auf einem Hochgeschwindigkeits-Bewegungsfläche beschrieben: eine Luftkanonenvorrichtung (für die Prüfung Gleitgeschwindigkeiten zwischen 0 und 25 m / sec) und einer Spinnplattenvorrichtung (für die Prüfung Oberflächengeschwindigkeiten zwischen 15 und 100 m / sec). Die Luftkanone Linearbewegung ist ein pneumatischer Energie betriebene System, das ausgelegt ist, um eine Metallschiene Oberfläche auf einem Holz Projektils montiert beschleunigen. Druckbeaufschlagtes Zylinder mit einem Magnetventil ausgestattet schnell frei von Druckluft in den Zylinder und zwingt das Projektil auf der Kanonenrohr. Das Geschoß bewegt unter einer Sprühdüse, die einen Flüssigkeitsstrahl auf seinem oberen Metalloberfläche auftrifft, und das Projektil trifft dann auf einen Stoppmechanismus. Eine Kamera zeichnet die Strahlbeaufschlagungsplatte, und ein Druckwandler erfasst die Sprühdüse Gegendruck. Die sich drehende Scheibe Set-up besteht aus einer Stahlplatte, die Geschwindigkeiten von 500 bis 3000 Umdrehungen pro Minute über einen Frequenzumrichter (VFD) Motor erreicht. Ein Sprühsystem similar derjenigen der Luftkanone erzeugt einen Flüssigkeitsstrahl, der auf die sich drehende Scheibe auftrifft und Kameras an mehreren optischen Zugangspunkte gelegt aufzuzeichnen Strahlbeaufschlagungsplatte. Videoaufnahmen von Strahlaufprallverfahren werden aufgezeichnet und untersucht, um festzustellen, ob das Ergebnis der Aufprall ist Splash, Splatter, oder Ablagerung. Die Geräte sind die ersten, die die Hochgeschwindigkeits Auftreffen des Nieder Reynolds-Zahl Flüssigkeitsstrahlen mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Oberflächen beinhalten. Zusätzlich zu ihrer Bahnindustrie Anwendungen kann die beschriebene Technik für technische und industrielle Zwecke, wie etwa Stahl verwendet werden und können relevante Hochgeschwindigkeits-3D-Drucken.
Introduction
Diese Forschung zielt darauf ab, Strategien für die Anwendung LFM (Liquid Friction Modifier) in Flüssigkeitsstrahl-Form auf eine sich bewegende Oberfläche, während die Erreichung hoher Grad der Auftragswirkungsgrad und gleichmäßige Abscheidung Ergebnisse zu bestimmen. Die Verwirklichung dieses Ziels beinhaltet die Entwicklung eines umfassenden Verständnis der Faktoren, die Flüssigkeitsstrahl Auftreffen auf bewegten Oberflächen beeinflussen.
Das Projekt wird von der Notwendigkeit, die Effizienz der Schmierung Anwendungstechniken im Eisenbahnsektor verwendet verbessern motiviert. Als Mittel zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und des Bewegungswartungskosten, einen dünnen Film aus die Reibung modifizierenden Mittel wird nun auf der oberen Schienenfläche der herkömmlichen Eisenbahnschienen eingesetzt. Jüngste Studien haben gezeigt, dass die Anwendung einer Art von Wasserbasis LFM für Schienenoberkante (TOR) Friktion reduziert Energieverbrauch um 6% und Schiene und Spurkranz tragen von mehr als 50% 1,2. Andere Studien haben gezeigt, dass die Anwendung LFM auf Schienen reduzierens Querkraft und Geräuschentwicklung als auch, was noch wichtiger ist, zu verfolgen und Wellenschäden durch Rollkontaktermüdung, die eine der Hauptursachen von Entgleisungen 3,4 ist. Diese Ergebnisse wurden im Feldversuch an der Tokioter U-Bahn 5 bestätigt.
LFMs werden derzeit von Luftstoß Zerstäuber, um Dutzende von Lokomotiven in Kanada und den Vereinigten Staaten angebracht verzichtet. Bei dieser Form der Anwendung wird LFM an die Spitze der Eisenbahnschienen durch Düsen unterhalb bewegten Schienenfahrzeugen montiert angewendet. Diese Art der LFM Anwendung ist schwierig, auf vielen Eisenbahnlokomotiven zu implementieren, weil die erforderliche hochvolumigen und Hochdruck-Luftzufuhrniveaus nicht erreicht werden können. Luftstoßdüsen sind vermutlich auch sehr unregelmäßig Schienenabdeckung zu erzeugen, wenn bei Seitenwind betrieben wird, wie Seitenwind verursachen feinen Sprühtröpfchen von ihrer ursprünglichen Flugbahn abweichen. Seitenwind sind auch bekannt, in Düsen Fouling gebracht werden, dürfte für den gleichenGrund. Aufgrund von Problemen mit Luftstoß Zerstäuber verbunden ist, wird die Eisenbahnsektor derzeit nach Alternativen zu LFM Anwendung auf Eisenbahnschienen. Eine praktikable Lösung beinhaltet Abgabe LFM mittels einer kontinuierlichen (nicht-atomisierte) Flüssigkeitsstrahl, wie Flüssigkeitsstrahlen sind weniger anfällig für Seitenwind Wirkungen aufgrund ihrer geringeren Drag-to-Trägheitsverhältnis. Darüber hinaus, weil die hohen Luftdruck und Lautstärke, die über Sprühdüsen benötigt werden nicht in Flüssigkeit im Sprühstrahl Technologien erforderlich, letztere dienen als schlanker und robuster Spritzen Mechanismen, die eine wirksame Kontrolle über die Geschwindigkeit der LFM-Anwendung zu erhalten.
Eine Fläche von ähnlichen Physik, Tropfenschlag, ist intensiv untersucht. Es wurde von mehreren Forschern festgestellt, dass zur Tropfenaufprall auf einem sich bewegenden trockenen glatten Oberfläche spritzt Verhalten ist abhängig von vielen Parametern, einschließlich Viskosität, Dichte, Oberflächenspannung und der Normalkomponente der Aufprallgeschwindigkeit 14,15. Vogel
Trotz seiner praktischen Bedeutung hat Strahlaufprall auf bewegten Oberflächen wenig Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Literatur erhielt. Chiu-Webster und Lister führte eine umfangreiche Reihe von Experimenten, die stationären und instationären viskose Strahlaufprall auf eine sich bewegende Oberfläche untersucht, und die Autoren ein Modell entwickelt, für den stetigen Fall 6. Hlod et al. Modelliert die Strömung mittels einer dritter Ordnung ODE in einer Domäne unbekannter Länge unter einer zusätzlichen integralen Zustand verglichen vorhergesagten Konfigurationen mit experimentellen Ergebnissen 7. Jedoch, untersuchten die Reynoldszahlenin beiden Studien sind viel niedriger als die mit typischen Eisen LFM Anwendungen verbunden. Gradeck et al. Numerisch und experimentell untersucht das Strömungsfeld Wasserstrahlaufprall auf ein sich bewegendes Substrat unter verschiedenen Strahlgeschwindigkeit, Oberflächengeschwindigkeit und Bedingungen Düsendurchmesser 8. Fujimoto et al. Zusätzlich suchten Strömungseigenschaften eines kreisförmigen Wasserstrahl auftrifft, auf ein sich bewegendes Substrat mit einem dünnen Wasserfilm 9 bedeckt. Jedoch verwendet diese beiden Projekte relativ großen Düsendurchmesser und einer unteren Fläche und Strahlgeschwindigkeiten gegenüber den in der vorliegenden Arbeit eingesetzt. Darüber hinaus, obwohl früheren experimentellen, numerische und analytische Studien bieten eine große Menge an Daten, die meisten haben sich auf Wärmeübertragungsparameter nicht auf Flüssigkeitsstrom Prozessen wie Jet Spritzwasser Verhalten konzentriert. Der in der vorliegenden Forschung vorgesehen experimentelle Methode trägt so zur Flüssigkeitsstrahl Anwendungstechnologien durch WiederSchönung solche Techniken unter Bedingungen mit geringer Strahldüsendurchmesser und Hochgeschwindigkeitsstrahl und Oberflächengeschwindigkeiten. Das vorliegende Verfahren verfeinert auch das Wissen über die Grundprobleme der Strömungsmechanik mit beweglichen Kontaktlinien verbunden.
Die oben erwähnten Studien haben allgemein die Wechselwirkung eines Niedrigdrehzahldüse involviert mit einer niedrigen Geschwindigkeit bewegenden Oberfläche. Es gibt relativ wenige Studien laminarer Hochgeschwindigkeitsstrahlaufprall auf High-Speed-bewegenden Oberflächen. Während des Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitsstrahl Impaktion der Strahlflüssigkeit radial ausbreitet in der Nähe der Auftreffstelle, Bilden einer dünnen Lamelle. Diese Lamelle wird dann stromabwärts von der sich bewegenden Oberfläche der viskose Zwingen auferlegt, wodurch eine charakteristische U-förmigen Lamellen Konvektion. Keshavarz et al. Haben sich auf Experimente mit der Newtonschen und elastische Flüssigkeitsstrahlen Auftreffen auf High-Speed-Flächen ausgewiesen. Sie klassifiziert Auftreffen Prozesse in zwei verschiedene Arten: "Ablagerung &# 8221; und "Splash" 10. Zur Prall als Abscheidungs klassifiziert werden, muss der Flüssigkeitsstrahl auf der Oberfläche haften, wobei Spritzer durch eine Flüssigkeitslamelle, die von der Oberfläche trennt, und anschließend in Tröpfchen aufbricht, dadurch gekennzeichnet. Eine dritte Prall Regime wurde beschrieben - "Splatter". Bei dieser vergleichsweise selten, Regime die Lamelle bleibt an der Oberfläche angebracht, wie für "deposition", aber feine Tröpfchen von nahe der Vorderkante der Lamelle ausgeworfen. In einer Folgestudie von nicht-Newtonsches Fluid Effekte Keshavarz et al. Festgestellt, dass der Splash / Ablagerung Schwelle wird hauptsächlich durch die Reynolds und Deborah Zahlen bestimmt, während die Strahlaufprallwinkel und Strahlgeschwindigkeit der Oberflächengeschwindigkeitsverhältnisse nur einen geringen Einfluss haben 11 . In Experimenten unter variablen Umgebungsluft Drücken durchgeführt, Moulson et al. Entdeckten, dass die Spritz / Ablagerung Schwelle Reynoldszahl drastischmit abnehmender Umgebungsluftdruck (dh, stellen höhere Umgebungsdrücken Jets anfälliger für Spritzen), bei gleichzeitiger Verringerung Umgebungsluftdruck unter einen bestimmten Schwellenwert unterdrückt Spritz komplett 12. Dieser Befund legt nahe, dass auf der Lamelle wirkenden aerodynamischen Kräfte spielen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Lamellen Abheben und anschließende Spritzen. In den letzten Arbeiten an Hochgeschwindigkeits-Aufprall auf einem High-Speed-Substrat zeigten, dass Sterling für Substratgeschwindigkeit und Jet-Bedingungen in der Nähe der Spritz Schwelle kann Spritzwasser durch sehr kleine lokalisierte Oberflächenrauheit und Nebenstrahl Unruhe ausgelöst. Er zeigte auch, dass unter diesen Bedingungen Lamellen Abheben und Wiederbefestigung ist ein stochastischer Prozess 13.
Die hier beschriebenen experimentellen Protokoll kann verwendet werden, um andere physikalische Situationen mit der Wechselwirkung einer Flüssigkeit mit einer hohen Geschwindigkeit bewegenden Oberfläche zu untersuchen. Beispielsweise könnte der gleiche Ansatz verwendet, um Hubschrauber blad studierenE-Wirbel-Wechselwirkung (vorausgesetzt, daß der Wirbel-Flüssigkeit wurde mit Markierungspartikeln gefärbt) und automatisierten Spritz von Oberflächen.
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Protocol
1. Spinning Plattengeräte
- Identifizieren gewünschten Testbedingungen und Rekordtestbedingungen in einer Tabelle (zB Umgebungstemperatur, Fluideigenschaften, Jet und Oberflächengeschwindigkeit, etc.).
- Herstellung von Materialien
- Bereiten Glycerin-Wasser- oder PEO-Glycerin-Wasser-Lösungen für die Aufpralltests.
- Im Fall von PEO-Glycerin-Wassertests, nach auflösen 4,5 g PEO-Pulver (viskositätsmittleres Molekulargewicht von einer Million und vier Millionen) in 1495,5 g destilliertem Wasser unter sanfter Magnetrührstab über einen 24 Stunden-Zeitraum. Vermeiden Sie zu Rühren der PEO Probe mechanischen Abbau zu verhindern.
- 1,5 kg USP-grade Glycerin Nach und nach zu der wässrigen PEO-Lösung über einen Zeitraum von 24 h zu einer wässrigen Lösung von 0,15% PEO-Konzentration und 50% Glycerin-Konzentration zu erreichen.
- Bewahren Sie die Testflüssigkeiten getrennt in luftdichten Behältern unter RT vor und nach jedem Test zu minimieren Verdunstung, der Wasseraufnahme aus der Umgebungsluft und Verschmutzung. Charakterisieren und Spray Flüssigkeiten innerhalb von fünf Tagen der Vorbereitung.
- Bereiten Glycerin-Wasser- oder PEO-Glycerin-Wasser-Lösungen für die Aufpralltests.
- Durchführung von Experimenten
- Stellen Sie sicher, Luftzufuhrventil der sich drehenden Scheibe Luftlager ist offen und die Manometeranzeige in der richtigen Arbeitsbereich (60 bis 80 psig). Klar alles, was die Plattenbewegung behindern könnten und schalten Sie die Festplatte mit der Hand in beide Richtungen 5 Umdrehungen um für Probleme mit der Festplatte und Lager überprüfen.
- Geschlossen sauber und sicher die Druckgasspeicher für die Testflüssigkeit unter Druck. Pour 3 kg der Testflüssigkeit in die Fluidöffnung des 1-Liter-Akkumulator.
- Schließen Sie den Gasanschluss des Akkumulators mit dem Stickstofftank über einen Druckregler. Schließen Sie den Fluidanschluss des Akkumulators zur Strahl Sprühdüse.
- Richten Sie Steuerung und High-Speed-Imaging-System.
- Starten Sie die sich drehende Scheibe Steuerungssoftware und VFD-Steuerungssoftware.Position zwei Hochgeschwindigkeits-Filmkameras 35 cm entfernt von der Aufprallpunkt und stellen Sie die hohen Vergrößerungslinsen, um den Auftreffpunkt aus zwei Blickwinkeln zu erfassen.
- Stellen Sie die 150 W Faseroptik-Lichtquelle, um einen gleichmäßig ausgeleuchteten Hintergrund für beste Bildqualität (Abbildung 1) zu erzielen. Schalten Sie die Steuerung an diesem Punkt Kameraeinstellung zu erleichtern.
- Führen Sie den Selbsttest-Routine, indem Sie auf "Self-check 'Schaltfläche in der Steuerungs-Software, um sicherzustellen, das System funktioniert wie erwartet.
- Führen Sie eine Strahlaufprall-Test
- Stellen Sie die Plattengeschwindigkeit auf den gewünschten Wert mit dem VFD Steuersoftware (500-3000 rpm).
- Um einen Test durchzuführen, starten Sie die automatische Versuchssequenz von der Steuerungs-Software, indem Sie auf die "Test-Sequenz 'Button. Die Software wird die optimalen Parameter automatisch zu ermitteln und zu koordinieren, jede Komponente des Systems, um den Test entsprechend zu führen.
- Speichern Sie die resultierende Aufpralltestvideo (siehe zum Beispiel den Screenshot in Abbildung 2). Lesen und beschreiben Oberflächengeschwindigkeit, die Düse wieder Druck und Temperatur aus der Steuerungssoftware.
Hinweis: Nach jedem Test läuft ein Plattenreinigungssequenz automatisch zu spülen und trocknen Sie die Plattenoberfläche. Wiederholen Sie den Reinigungsvorgang so oft, bis alle Testflüssigkeit Rückstände entfernt worden ist.
ACHTUNG: Während Wasser und Glycerin-Lösung Testflüssigkeiten kann mit dem Reinigungsvorgang gereinigt werden, müssen andere LFMs mit organischen Lösungsmitteln wie Aceton gereinigt werden. In solchen Fällen die Anwendung des Reinigungsmediums auf einen Stoff anstatt direkt Besprühen der Scheibe.
- Datenanalyse
- Bereiten Sie eine Tabelle mit Informationen zu den einzelnen Testbedingung (zB Fluideigenschaften, Umgebungstemperatur, Oberflächenrauigkeit, etc.).
- Öffnen Sie die aufgezeichneten Bilder mit Strahlaufprall cine Betrachtungssoftware, spielen voll Videoaufnahmen bei normalerGeschwindigkeit und beobachten Strahlaufprallverhalten.
- Nehmen Auftreffen Verhaltensmerkmale (Spritz / Verspritzen / Ablagerung; siehe Abbildung 3) in der vorbereiteten Tabellenkalkulation, Anmeldung ungewöhnliche Trends, die Komplikationen mit dem Versuchsaufbau hinweisen.
- Sparen Testergebnisse und Bedingungen in einer Tabellenkalkulation. Nehmen bemerkenswerte Erkenntnisse und besondere Vorkommnisse in Testprotokoll (zB Spritz / Ablagerung Schwellenpunkt, Splash / Ablagerung Übergänge, etc.). Speichern von Screenshots, wenn notwendig.
- Führen Sie die Bildanalyse-Messungen und Datensatzdaten.
- Starten Sie das On-Screen-Pixel-Messwerkzeug. Öffnen Auftreffen Bilder und Kalibrierung des Abbildungsmaßstabes durch Messen einer Mikro-Herrscher in den Bildern mit der On-Screen-Pixel-Messwerkzeug (Abbildung 4).
- Messen Sie die Maße von Interesse (zB Lamellenstreubreite, W und Lamellenstaupunkt Radius R; siehe Abbildung 5) mit dem Pixel-Mess tool an einem Punkt, wo der Strahl zu sein scheint, in den Video- und Aufzeichnungsdaten in den vorbereiteten Tabellen stabilsten. Dann nehmen Sie eine weitere Gruppe von Messungen 100 Bilder nach der ersten Gruppe von Messungen, um zu bestätigen, dass sowohl der Strahl und die Lamelle stabil sind. Plot Datenpunkte in einem Diagramm und füllen Sie die Kurvenanpassung.
2. Luftkanone Geräte
- Identifizieren gewünschten Testbedingungen und Materialien vorbereiten, wie in Schritt 1.1 und Schritt 1.2.
- Durchführung von Experimenten
- Schalten Sie das System-Steuersoftware.
- Legen Sie das Projektil in das Kanonenrohr. Bewegen der Anschlagmechanismus nahe dem Lauf Ausgang, um das Projektil richtig erfasst werden, nachdem eine Prüfung (Abbildung 6).
- Öffnen Sie den Druck Gebäude Luftleitung, die zu dem Luftbehälter. Den Druck im Tank zwischen 30 psi und 70 psi, abhängig von der gewünschten Projektilgeschwindigkeit. 30 psi Tankdruck gibt einen Projektilgeschwindigkeit von etwa 5m / sec, und 70 psi ergibt eine Geschwindigkeit von rund 25 m / sec.
- Bereiten Sie den Druckgasspeicher für geschlossene Testflüssigkeit unter Druck.
- Gießen Sie 3 kg der Testflüssigkeit in den Flüssigkeitsöffnung des Speichers. Die Leitungen von dem Gasventil in die Flüssigkeitsstrahl Sprühdüse, und setzen Sie die Speicherdruck bis zu 300 psig.
- Befestigen Sie die Kamera an den Scherenheber. Sichern Sie den Scherenheber an der Plattform positioniert neben dem Jet-Sprühdüse.
- Sichern die hochintensive Lichtquelle, um die Plattform gegenüber der Kamera und hinter der Diffusionsschicht angeordnet ist. Überprüfen Sie Beleuchtung und Kamerapositionierung mit Hilfe der Videokamera Betrachtungsfunktion der Software-Steuerschnittstelle, und stellen Sie die Positionierung nach Bedarf (Abbildung 7).
- Setzen Sie auf Ohrenschützer zum Schutz vor der Luftkanone Sound Explosion.
- Entsperren Sie die Kanone Bedienfeld, und drücken Sie die Warntaste auf dem Bedienfeld mehrmals, um zu signalisierender Beginn eines Experiments.
- Drücken Sie die Taste auf dem Bedienfeld, die das Magnetventil Anschluss der Druckluftbehälter mit dem Luftkanonenrohr öffnet.
- Nachdem das Gerät ist gefallen und das Projektil eingefangen, Reinigen Sie das Gerät von einem mit Reinigungsflüssigkeit und einem Schwamm, um restliche Testflüssigkeit zu entfernen abwischen. Zum Schluß wird der Prallfläche des Projektils.
- Messen Geschwindigkeit des Projektils im aufgenommenen Hochgeschwindigkeits-Video durch Messen der Zeitdauer für das Projektil, um eine feste (10 cm) Entfernung zurück erforderlich. Analyse von Daten, wie in Schritt 1.5.
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Representative Results
Wie in der Einleitung erwähnt, die drei wichtigsten Verhaltensweisen mit flüssigen Strahlaufprall verbunden sind Abscheidung, Splatter und Spritzwasser. Diese Strahlaufprallverhalten werden mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsfilmkameras mit verschiedenen optischen Punkten positioniert zeichneten Videodaten beobachtet. Beispiele von Einzelbildern aus den Videoaufnahmen, die die drei Flüssigkeitsstrahl Ergebnisse zeigen erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 3 gezeigten Abbildung 3A zeigt Flüssigkeitsstrahlabscheidung, in dem der Strahl in einer völlig gerade und ständigen Strom in Richtung der Aufprallfläche fließt. Der Strahl auf der Oberfläche haftet und verbleibt auf der Oberfläche für den Rest des Experiments. 3B und 3C zeigen weniger optimale Ergebnisse bei dem der Flüssigkeitsstrahl nur teilweise zu der Aufpralloberfläche haftet, während der Rest des Strahls entweder splattering (3B ) oder Spritzwasser (3C) beim Aufprall.
jove_content "> Angesichts der relativ einfach Art der angegebenen Videodaten, mehrdeutige Ergebnisse sind ungewöhnlich und wiederholbare Ergebnisse wurden sowohl experimentelle Geräte erhalten. In sehr seltenen Fällen, die typischerweise sehr glatte Oberflächenrauheit Bedingungen, die Lamelle eines Flüssigkeitsstrahls Strom kann mit Tröpfchen oder Rauhigkeit auf der Oberfläche in einer Weise, die es von der Prallfläche abheben verursacht (Abbildung 8) zu interagieren. In ebenso ungewöhnlichen Umständen kann eine kleine Störung in der Strömung Unregelmäßigkeiten in der Strahl erzeugen, die auf Oberflächen Impaktion werden verstärkt, wodurch der Strahl von der Oberfläche für eine lange Zeitdauer zu trennen (Figur 9). Diese seltenen Phänomene treten typischerweise nur bei hohen Gleitgeschwindigkeiten und mittleren Strahlflüssigkeitsviskositäten (Re = 100 ~ 2500). Die Konsistenz Ergebnisse weitgehend auf die Verwendung eines Druckspeichers zum Antreiben der Testflüssigkeit, die im Gegensatz zu einer Pumpe treibt Flüssigkeit bei einer fiktiven mit konstanter Geschwindigkeit, wodurch ein sehr glatt Aktion und damit eine sehr konsistent, einheitliche und konstante Flüssigkeitsstrom.Im Hinblick auf Spritzwasser / Ablagerungscharakteristik zeigen die Ergebnisse, dass für die Metalloberflächen der Mittenrauh Höhen zwischen 0,01 um und 1 um, die Verringerung der Oberflächenrauhigkeit macht die Prallstrahl anfälliger für spritzen. Zum Beispiel 3A und 3C zeigen Aufprall unter ähnlichen Strahl und Oberflächengeschwindigkeitsbedingungen. In Abbildung 3A tritt Strahlabscheidung auf der Oberfläche, die eine mittlere Rauhigkeit von 0,51 & mgr; m hat, aber Strahl abspritzen tritt auf, wenn die durchschnittliche Rauhtiefe ist 0,016 & mgr; m (3C). Diese Abhängigkeit von der Rauhigkeit ist entgegen der durch Keshavarz et al. 10,11, die dem Auftreffen auf viel rauhere Oberflächen, wo die Oberflächenrauhigkeit deutlich größer als die Lamellendicke untersucht beobachtet.
_content "> Die Schwelle von Splash ist eine komplexe Funktion des Flüssigkeitsstrahlgeschwindigkeit, Flüssigkeitsstrahldurchmesser; Flüssigkeit Viskosität, Dichte und Oberflächenspannung, die Oberflächengeschwindigkeit und Rauheit,. und die umgebende Luft Merkmale Obwohl einige einfache Theorien der Spritz wurden vorgeschlagen 10-12, gibt es derzeit keine umfassende Erklärung des Phänomens. Lamelle Abhebemedium, das normalerweise eine Vorstufe zum Spritzen 12, wird angenommen, dass eine Funktion des Lamellengeometrie sein. Wie in Figur 10 zu sehen ist, ist selbst der Lamellengeometrie eine komplexe Funktion von vielen Variablen, einschließlich der Jet und Oberflächengeschwindigkeiten und flüssigen physikalischen Eigenschaften.
Abbildung 1. Schematische Darstellung der optischen Konfiguration der Spinning-Disk-Gerät. Bitte klicken Sie hier to Anzeigen einer größeren Version dieser Figur.
Abbildung 2: Screenshot von typischen Videoaufzeichnung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 3: Drei typische Strömungsformen. (A) Ablagerung, (B) Splatter, (C) Splash. In allen Fällen wird das Substrat bewegt sich von rechts nach links und der Strahldurchmesser 564 & mgr; m. Die entsprechenden Düse und Substrat Bedingungen sind: (A) V Jet = 18,3 m / sec, V Substrat = 7.50 m / sec, μ-Jet = 0,0194 N · s / m 2, ρ Jet = 1180kg / m 3, σ Jet = 0,0656 N / m, Re-Jet = 629, wir Jet = 3400; (B) V Jet = 9,5 m / s, V Substrat = 7.63 m / sec, μ-Jet = 0,0097 N · s / m 2, ρ Jet = 998 kg / m 3, σ Jet = 0,0717 N / m, Re-Jet = 552 Wir Jet = 709; (C) V Jet = 17,3 m / sec, V Substrat = 7.71 m / sec, μ-Jet = 0,0194 N · s / m 2, ρ Jet = 1180 kg / m 3, σ Jet = 0,0656 N / m, Re-Jet = 594, wir Jet = 3040. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 4. Messung der Strahldurchmesser und Lamellen geoMetrie mit Bildverarbeitungs-Software. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 5. Planform-Ansicht Schema des Strahlaufprall zeigt charakteristische Lamellenabmessungen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 6. Luftkanone mechanische Konfiguration. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 7. Luftkanone optische Konfiguration. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 8. Zeitfolge, die den Übergang von der Jet-Abscheidung Jet splash. In dieser Sequenz wird der Übergang von sehr feinen Tröpfchen auf den ansonsten trockenen Substrat haften verursacht. Das Substrat wird von rechts bewegen sich mit einer Geschwindigkeit V Substrat links = 7,52 m / sec. Die Strahlbedingungen sind: D-Jet = 564 & mgr; m; V-Jet = 17,5 m / sec, μ-Jet = 0,0194 N · s / m 2, ρ Jet = 1180 kg / m 3, σ Jet = 0,0656 N / m, Re-Jet = 600, wir jet= 3110. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 9. Zeitfolge, die den Übergang von der Jet-Abscheidung Jet splash. In dieser Sequenz wird der Übergang von einer kleinen Luftblase in der Jet, der den Fluss stört verursacht. Das Substrat wird von rechts bewegen sich mit einer Geschwindigkeit V Substrat links = 7,43 m / sec. Die Strahlbedingungen sind: D-Jet = 564 & mgr; m; V-Jet = 15,8 m / sec, μ-Jet = 0,0194 N · s / m 2, ρ Jet = 1180 kg / m 3, σ Jet = 0,0656 N / m, Re-Jet = 542, wir Jet = 2530. Bitte klicken Sie hier, um sehen eine größere Versiondieser Zahl.
Abbildung 10. Lamellenstreubreite zu Strahldurchmesser-Verhältnis, als eine Funktion der Reynoldszahl des Substrats. Substratgeschwindigkeit V Substrat variierte von 15 m / sec bis 60 m / sec, was einer Reynolds-Zahl Re S von 75 bis 300. Die Strahl Bedingungen sind: D-Jet = 281 & mgr; m; V-Jet = 14,6 m / sec, μ-Jet = 0,0701 N · s / m 2, ρ Jet = 1220 kg / m 3, σ Jet = 0,0640 N / m, Re-Jet = 71,4, Wir Jet = 1140.
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Discussion
Die für die Luftkanone Set-up verwendet Geschoss besteht aus einem leichten, Holzsockel zusammen. Obwohl das Holzmaterial Späne leicht nach zahlreichen Versuchen hat sich herausgestellt, um kinetische Energie wirksam zu absorbieren, als Projektile von Materialien wie Kunststoff oder Metall, die beim Auftreffen auf die Stoppmechanismus bruch neigen zusammensetzt. Die Abmessungen des Holz Geschosses sollen den Stahllauf Innenraum eng übereinstimmen, wodurch die Beschränkung Luftleckage. Eine 1/8 "dicke Kautschukfolie zwischen zwei Schichten aus Sperrholz befestigt ist an der Rückseite des Geschosses angebracht, um die Abdichtung um die Innenseite des Zylinders weiter festzuziehen. Die auf der Oberseite des Projektils angebracht Metallprallflächen als drei getrennte Metallplatten unterschiedlicher Rauhtiefen befestigt positioniert 2,5 cm voneinander entfernt, so dass der Flüssigkeitsstrahl kann auf allen drei Flächen in einem Test mit einer minimalen Interferenz auftreffen. Die Vorderseite des Projektils in einer aerodynamischen Nase mit einem Widerhaken an th förmigene Unterseite der Nase, so daß sich der Stoppmechanismus, der eine schwere Aluminiumkörper mit einem Verriegelungsmechanismus nach innen hat, eine sichere Verbindung zu dem Projektil beim Aufprall. Anstatt fixiert, gleitet der Anschlagmechanismus nach hinten um etwa 60 cm auf den Fang der Projektil. Diese Funktion leitet kinetische Energie des Geschosses und verhindert Materialschäden.
Die Hochgeschwindigkeits-Filmkamera mit dem Luftkanonenvorrichtung befestigt visualisiert Strahl Impaktion an der Wurfoberfläche. Breitbild-CMOS-Sensor der Kamera erlaubt es, Bilder mit extrem hoher Bildraten und Auflösungen zu erfassen. A 1 kW, mit hoher Intensität Glühlampenlichtquelle verwendet, um das Sichtfeld zu beleuchten, und einen Lichtdiffusor Blatt zwischen der Lichtquelle und dem Aufprallpunkt, einen gleichmäßig beleuchteten Hintergrund erreicht platziert. Zwei Kameras und Lichtquellen auf der sich drehenden Scheibe Gerät installiert, um Videoaufnahmen von mehr als einem Winkel zu erfassen. Eine Kamera über dem aufgeAufprallpunkt erfasst die Vorderansicht des Strahlaufprall, während die zweite Kamera eine Seitenansicht. Die Kameralinsen werden mit einer Folie aus Acetatfilm, um Kontakt mit den Testflüssigkeiten zu verhindern und um ein klares Sichtfenster nach jedem Test bereitzustellen bedeckt. Die Seitenansicht der Kamera wird durch eine hochintensive, faseroptische Lichtquelle, die lokal beleuchtet die Auftreffstelle ohne Blockierung der Achse beleuchtet. Die Frontkamera wird durch eine hochintensive, 100 W, 6700 Lumen LED-Array mit einer Kollimatorlinse versehen beleuchtet.
Die beiden Versuchsanordnungen sind durch zwei speziell angefertigten Steuerkästen gesteuert. Die kundenspezifische Steuerungssoftware ermöglicht es dem Benutzer zu erzeugen und zu sammeln, digitale und analoge Signale über ein USB-Datenerfassungssystem in der Steuereinheit. Eine Steuerung nutzt dann diese Signale, um jede Komponente des Versuchsaufbau (High-Speed-Kamera, Licht, Düse, etc.) steuern.
Die beschriebene exVersuchsaufbau ist dadurch begrenzt, dass zwei getrennte Maschinen wurden gebaut, um eine breite Palette von Oberflächengeschwindigkeiten zu testen. Die Luftkanone Vorrichtung nur bei niedrigeren Geschwindigkeiten betrieben werden, da es sehr schwierig ist, zerstörungsfrei zu stoppen, ein Projektil sich mit Geschwindigkeiten höher als 25 m / s, in den begrenzten Raum eines Labors. Mit der sich drehenden Scheibe gab es Bedenken, dass die Drehbewegung der Scheibe würde verbundenen Fliehkräfte auf die Flüssigkeit, was wiederum Auswirkungen würde die Strömungsmechanik führen. Diese Sorge erwies sich als unberechtigt, wie Tests mit den gleichen Strahlbedingungen und gleichen Oberflächengeschwindigkeiten auf der Luftkanone (lineare Oberflächengeschwindigkeit) und die sich drehende Scheibe zu sein, ergab fast identisch impaction Eigenschaften. Die maximal zulässige Reynoldszahl wird durch Flüssigkeitsstrahlzerfalls begrenzt. In den Experimenten auf diesen Aufbauten durchgeführt wurde, wurde eine Reynolds-Zahl von 1500 leicht zu erreichen. Substratgeschwindigkeit auf der High-Speed-Set-up wird von der Kapazität des VFD-Motor beschränkt (dh maximale rotationale Geschwindigkeit und maximale Leistung zu ziehen, Trägheit usw.) zu überwinden, sofern die Festplatte und die Welle sind gut ausbalanciert.
Die beschriebenen Vorrichtungen unterscheiden sich von bestehenden Techniken, die Flüssigkeitsstrahlaufprall daß sie beherbergen das Studium der Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlaufprall über eine hohe Oberflächengeschwindigkeitsbedingungen (25-100 m / s) unter Verwendung von kleinen Flüssigkeitsstrahldüsendurchmessern zu prüfen. Da flüssige Strahlaufprall Prozesse, die auf stationäre und Low-Speed bewegenden Oberflächen auftreten, unterscheiden sich deutlich von denen mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Oberflächen in Bezug auf Flüssigkeitsstau und Streubilder, die beschriebene Technik kann weiter bestehenden Wissens über die Flüssigkeitsstrahlaufprallverhalten unter assoziiert ein breiteres Spektrum von Bedingungen. Die Technik im Fokus von Splash, Splatter und Abscheidungsprozesse mit flüssigen Strahlaufprall verbunden befasst sich auch eine Wissenslücke in diesem Bereich, die vorher mit Wärmeübertragungsmuster in Anspruch genommen wurde. Als flüssigeStrahlbeaufschlagungsplatte auf ein Substrat ist eine hochkomplexe mehrphasigen Fluidmechanik Problem, das viele mögliche Wege für die zukünftige Forschung unbedenklich ist, kann die beschriebene Technik für eine Reihe von technischen und industriellen Anwendungen, wie Stahl- und Tintenstrahldruck, Kühlung, Heizung und Oberfläche verwendet werden Beschichtung.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Die Natur- und Ingenieurwissenschaften Research Council of Canada (NSERC) und LB Foster Schienen Technologies, Corp. gemeinsam diese Forschung durch das NSERC Collaborative Research and Development Grant-Programm unterstützt.
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) | |||
References
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