Visualisatie van High Speed ​​Liquid Jet Impactie op een bewegend oppervlak

Abstract

Twee inrichtingen voor de behandeling vloeistofstraal botsen op een hoge snelheid bewegend oppervlak worden beschreven: een luchtkanon inrichting (voor de behandeling omtreksnelheden tussen 0 en 25 m / sec) en een draaiende schijf inrichting (voor het onderzoeken oppervlak snelheden tussen 15 en 100 m / sec). De lucht kanon lineaire traverse is een pneumatische energie aangedreven systeem dat is ontworpen om een ​​metalen rail oppervlak gemonteerd op de top van een houten projectiel versnellen. Een onder druk cilinder voorzien van een elektromagnetische klep snel vrijgeeft perslucht in het vat, waardoor het projectiel naar beneden het kanon vat. Het projectiel reist onder een sproeikop, die een vloeistof jet botst op zijn metalen bovenkant, en het projectiel dan raakt een stoppen-mechanisme. Een camera registreert de straal impingement en een drukomzetter registreert de sproeikop tegendruk. De draaiende schijf set-up bestaat uit een stalen schijf die met een snelheid van 500 tot 3000 tpm bereikt via een frequentieregelaar (VFD) motor. Een spray systeem siMilar die van de lucht kanon genereert een vloeistofstraal die botst op de draaiende schijf en camera geplaatst op verschillende optische toegangspunten noteer jet impingement. Video-opnames van jet impingement processen worden geregistreerd en onderzocht om te bepalen of de uitkomst van impingement is plons, ploeter, of afzetting. De apparaten zijn de eerste die de hoge snelheid botsing van lage Reynolds-getal vloeistofstralen op hoge snelheid bewegende oppervlakken te betrekken. Naast de spoorwegindustrie toepassingen kunnen de beschreven techniek worden gebruikt voor technische en industriële doeleinden, zoals staalproductie en kunnen met hoge snelheid 3D printing relevant zijn.

Introduction

Dit onderzoek heeft als doel om strategieën te bepalen voor de toepassing van LFM (Liquid frictiemodificator) in vloeibare vorm jet op een bewegend oppervlak, terwijl het bereiken van een hoge mate van overdracht efficiëntie en uniforme afzetting resultaten. Het bereiken van dit doel het ontwikkelen van een beter begrip van de factoren die van invloed vloeistof jet botsen op bewegende oppervlakken.

Het project is ingegeven door de noodzaak om de efficiëntie van de smering applicatie technieken die worden gebruikt in de spoorwegsector te verbeteren. Als een middel om het brandstofverbruik en de locomotief onderhoudskosten, een dunne film van wrijvingsmodificerend middel wordt nu toegepast op de bovenste rail oppervlak van conventionele spoorlijn. Recente studies hebben aangetoond dat de toepassing van één type waterbasis LFM voor de bovenkant van de spoorstaaf (TEM) wrijving controle verminderd energieverbruik met 6% en het spoor en wielflens dragen door meer dan 50% ^1,2. Andere studies hebben aangetoond dat het toepassen van LFM om sporen te verminderens laterale kracht en het geluidsniveau, alsmede, nog belangrijker, spoor golving en schade door rolcontact vermoeidheid, dat is een belangrijke oorzaak van de ontsporingen ^3,4. Deze resultaten werden verder bevestigd in veldproeven op de metro van Tokio ^5.

LFMs zijn momenteel vrijgesteld van luchtstroom verstuivers gehecht aan tientallen locomotieven in heel Canada en de Verenigde Staten. In deze vorm van de aanvraag, wordt LFM toegepast op de top van de spoorlijn door verstuivers onder bewegen treinwagons gemonteerd. Deze wijze van LFM applicatie is moeilijk uit te voeren op veel spoorweglocomotieven omdat de vereiste hoge volume en hoge druk luchttoevoer niveaus mogen niet haalbaar zijn. Luchtstraalapparatuur sproeiers worden ook verondersteld om zeer onregelmatige dekking spoor te produceren bij gebruik in een zijwind, zoals zijwind veroorzaken fijne nevel druppeltjes af te wijken van hun oorspronkelijke traject. Zijwind zijn ook bekend betrokken te zijn in mondstuk vervuiling, waarschijnlijk om dezelfdereden. Als gevolg van problemen in verband met lucht blast verstuivers, wordt de spoorwegsector momenteel op zoek naar alternatieve benaderingen van LFM toepassing op sporen. Een levensvatbare oplossing bestaat afgifte LFM via een continue (niet-verstoven) vloeistofstraal, vloeibare stralen zijn minder gevoelig voor effecten zijwind vanwege het lagere slepen naar traagheidsverhouding. Bovendien, omdat de hoge luchtdruk en volume nodig voor verstuivers niet nodig zijn in vloeibare waterstraal technologieën, de laatste daad als meer gestroomlijnde en robuuste spuiten mechanismen die effectieve controle over de snelheid van LFM applicatie te behouden.

Een gebied van soortgelijke natuurkunde, druppel impingement, is intensief bestudeerd. Het werd gevonden door diverse onderzoekers dat druppel botsing op een bewegend droge glad oppervlak, spatten gedrag is afhankelijk van vele parameters zoals viscositeit, dichtheid, oppervlaktespanning en de normale component van de botssnelheid ^14,15. Vogel 16. Range et al. En Crooks et al. Hebben aangetoond dat voor druppel botsing op een stationaire droge ondergrond, ruwheid van het oppervlak vermindert de splash drempel aanzienlijk (dat wil zeggen, het maakt de druppel meer vatbaar voor spatten) ^17,18.

Ondanks zijn praktisch belang, heeft jet botsen op bewegende oppervlakken weinig aandacht gekregen in de wetenschappelijke literatuur. Chiu-Webster en Lister voerde een uitgebreide reeks experimenten die permanente en niet viskeuze jet botsing onderzocht op een bewegend oppervlak, en de auteurs ontwikkelde een model voor de gestage stroom geval ^6. Hlod et al. Gemodelleerd de stroom via een derde-orde ODE op een domein van onbekende lengte kleiner dan een extra integraal toestand en vergeleken voorspelde configuraties met experimentele resultaten ^7. De Reynoldsgetallen onderzochtIn beide studies zijn veel lager dan in geval van typische spoorweg LFM toepassingen. Gradeck et al., Numeriek en experimenteel onderzoek op het gebied stroming van het water jet botsen op een bewegende ondergrond onder verschillende straalsnelheid, oppervlakte snelheid en voorwaarden nozzle diameter ^8. Fujimoto et al. Onderzochten bovendien stroomeigenschappen van een cirkelvormige waterstraal botst op een bewegend substraat bedekt met een dunne waterfilm ^9. Echter, deze twee projecten gebruikt relatief grote nozzle diameters en onderkant en jet snelheden in vergelijking met degenen die in het huidige werk. Bovendien, hoewel eerdere experimenten, numerieke en analytische studies een grote hoeveelheid gegevens, de meeste zijn gericht op warmteoverdracht parameters in plaats van vloeistofstroom processen zoals jet spatten gedrag. De experimentele methode die in het huidige onderzoek draagt ​​zo bij aan vloeibare jet toepassing technologieën door rebeboeten dergelijke technieken onder omstandigheden waarbij kleinere jet nozzle diameters en high-speed jet en het oppervlak snelheden. De huidige methode verfijnt ook kennis over fundamentele stromingsleer problemen in verband met bewegende contact lijnen.

De bovengenoemde studies hebben doorgaans betrekking op de interactie van een lage snelheid straal met een lage snelheid bewegend oppervlak. Er zijn relatief weinig studies van laminaire hoge snelheid jet botsing geweest op hoge snelheid bewegende oppervlakken. Bij hoge snelheid vloeistofstraal impactie verspreidt de straal vloeistof radiaal in de nabijheid van de botsing plaats, vormen van een dunne lamel. Deze lamel wordt vervolgens stroomafwaarts convectie door de viskeuze forceren opgelegd door het bewegend oppervlak, waardoor een karakteristiek U-vormige lamellen. Keshavarz et al. Hebben gerapporteerd over experimenten in dienst Newtoniaanse en elastisch vloeistofstralen botst op hoge snelheid oppervlakken. Ze geclassificeerd impingement processen in twee verschillende types: "depositie &# 8221; en "splash" ^10. Voor impingement worden ingedeeld als depositie moet de straal vloeistof hechten aan het oppervlak, terwijl splash gekenmerkt door een vloeistof lamel die scheidt van het oppervlak, en vervolgens breekt in druppels. Een derde regime impingement is ook beschreven - "splatter". Hierin betrekkelijk zeldzaam, regime de lamellen bevestigd blijft aan het oppervlak, als voor "depositie", maar fijne druppeltjes worden uitgestoten bij bovenrand van de lamel. In een volgende studie van niet-Newtoniaanse vloeistof effecten, Keshavarz et al. Concludeerden dat de splash / depositie drempel voornamelijk wordt bepaald door de Reynolds en Deborah nummers, terwijl de jet impingement hoek en straalsnelheid om velocity ratio oppervlakte hebben slechts een gering effect ¹¹ . In experimenten uitgevoerd onder variabele druk van de omgeving lucht, Moulson et al. Ontdekten dat de splash / depositie drempel Reynoldsgetal dramatischtoeneemt bij afnemende omgevingsluchtdruk (dwz hogere druk ambient maken jets meer kans op spatten) met minder lucht druk beneden een bepaalde drempel onderdrukt splash volledig ^12. Deze bevinding suggereert sterk dat de aërodynamische krachten die op de lamel een cruciale rol spelen bij het ontstaan ​​van lamellen lift-off en de daaropvolgende splash. In recent werk op hoge snelheid botsen op een high-speed substraat, Sterling bleek dat voor substraat snelheid en jet voorwaarden dicht bij de splash drempel, splash kan worden veroorzaakt door een zeer kleine lokale ruwheid van het oppervlak en kleine jet wankel. Hij toonde ook aan dat onder deze omstandigheden lamellen lift-off en herbevestiging is een stochastisch proces ^13.

Het experimentele protocol beschreven kunnen worden gebruikt om andere fysische situaties van interactie van een fluïdum met een hoge snelheid bewegend oppervlak te bestuderen. Zo kan dezelfde benadering worden gebruikt om de helikopter blad studerene-vortex interactie (mits de vortex vloeistof werd gekleurd met tracer deeltjes) en robotica spuiten van oppervlakken.

Protocol

1. Spinning Disk Device

1. Identificeren gewenste testomstandigheden en opnemen testomstandigheden in een tabel (bijvoorbeeld, omgevingstemperatuur, vloeistof eigenschappen, jet en oppervlakte snelheid, enz.).
2. Voorbereiding van Materialen
   1. Bereid glycerine-water of PEO-glycerine-water-oplossingen voor de botsing testen.
      1. Bij PEO-glycerine-watertesten geleidelijk los 4,5 g PEO poeder (viscositeit-gemiddeld molecuulgewicht van een miljoen en vier miljoen) in 1495,5 g gedestilleerd water onder zachtjes magnetisch roeren gedurende een periode van 24 uur. Voorkom extreem roeren van het PEO monster mechanische degradatie voorkomen.
      2. Voeg geleidelijk 1,5 kg USP-kwaliteit glycerine aan de waterige PEO oplossing over een periode van 24 uur aan een waterige oplossing van 0,15% PEO concentratie en 50% glycerine concentratie bereikt.
   2. Bewaar de test vloeistoffen apart in luchtdichte containers onder RT voor en na elke test om minimize verdamping, wateropname uit omgevingslucht en vervuiling. Karakteriseren en spuiten vloeistoffen binnen vijf dagen van voorbereiding.
3. Uittesten van
   1. Zorg ervoor dat de draaiende schijf luchtlager's luchttoevoer open staat en de drukmeter in de juiste werkbereik (60-80 psig). Duidelijk iets dat de schijf beweging zouden kunnen belemmeren en draai de schijf met de hand in beide richtingen 5 rotaties om te controleren op eventuele problemen met de schijf en lagers.
   2. Schoon en veilig het samengeperste gas gesloten accumulator voor testvloeistof onder druk. Giet 3 kg testvloeistof in de vloeistof poort van de 1-gallon accumulator.
   3. Sluit het gas poort van de accu aan de stikstof tank via een drukregelaar. Sluit de vloeistof haven van de accu naar de jet sproeikop.
4. Opgezet controlesysteem en high-speed imaging systeem.
   1. Start de draaiende schijf besturingssoftware en VFD besturingssoftware.Positie twee high-speed cine camera's 35 cm afstand van het inslagpunt en het aanpassen van de hoge vergroting lenzen om het inslagpunt vast te leggen vanuit twee invalshoeken.
   2. Pas de 150 W glasvezel-lichtbron om een gelijkmatig verlichte achtergrond voor de beste beeldkwaliteit (figuur 1) te bereiken. Zet de besturing op dit punt aan de camera aanpassing te vergemakkelijken.
   3. Voer de self-check routine door te klikken op 'Self-check' knop in de control software om te controleren of het systeem werkt zoals verwacht.
5. Voer een jet impingement-test
   1. Stel de schijfsnelheid op de gewenste waarde met VFD besturingssoftware (500-3000 tpm).
   2. Om een ​​test uit te voeren, start de geautomatiseerde experimentele sequentie uit de besturingssoftware door te klikken op de 'Test sequence' knop. De software zal de optimale parameters automatisch bepalen en coördineren elke component van het systeem de dienovereenkomstig uitvoeren.
   3. Sla de resulterende impingement testvideo (zie bijvoorbeeld het scherm schot in figuur 2). Lees en opnemen snijsnelheid, pistool weer druk en temperatuur van de besturingssoftware.
      NB: Na elke test, een schijf schoonmaken sequentiereeksen automatisch te spoelen en droog het schijfoppervlak. Herhaal de reinigingscyclus nodig totdat alle resten testvloeistof is verwijderd.
      WAARSCHUWING: Terwijl water en glycerine oplossing testvloeistoffen worden gereinigd met de reiniging sequentie, moeten andere LFMs worden gereinigd met organische oplosmiddelen zoals aceton. In dergelijke gevallen, de schoonmaak materiaal een doek in plaats van direct sproeien van de schijf.
6. Data-Analyse
   1. Bereid een spreadsheet met informatie over elke testomstandigheid (bijv vloeistofeigenschappen, omgevingstemperatuur, oppervlakteruwheid, etc.).
   2. Open de opgenomen jet impingement beelden met cine viewing software, spelen volledige video-opnamen bij normaleversnellen en te observeren jet impingement gedrag.
   3. Record impingement gedragskenmerken (splash / spatten / depositie; zie figuur 3) in de voorbereide spreadsheet, inloggen ongebruikelijke trends die complicaties met de experimentele set-up kunnen wijzen.
   4. Spaar testresultaten en omstandigheden in een spreadsheet. Record opmerkelijke bevindingen en ongewone voorvallen in testlogboek (bijv splash / depositie drempel punt, splash / depositie overgangen, enz.). Opslaan screenshots wanneer dat nodig is.
   5. Gedrag beeldanalyse metingen en gegevens registreren.
      1. Start de pixel meetinstrument op het scherm. Open impingement afbeeldingen en kalibreren de schaal van de door het meten van een micro-heerser in de beelden met de pixel meetinstrument op het scherm (Figuur 4).
      2. Maatregel dimensies van belang (bijvoorbeeld, lamellen spread breedte, W, en lamellen stuwpunt straal, R; zie Figuur 5) met de pixel meet tool op een punt waar de straal lijkt het meest stabiel in de video en registratiegegevens de gevulde spreadsheet zijn. Neem vervolgens een andere groep van metingen 100 beelden na de eerste groep metingen bevestigen dat zowel de straal en de lamel stabiel. Plotgegevens punten op een grafiek en vul de curve fitting.

2. Air Cannon Device

1. Identificeren gewenste testomstandigheden en materialen te bereiden zoals in stap 1.1 en stap 1.2.
2. Uittesten van
   1. De macht van het systeem-besturingssoftware.
   2. Steek het projectiel in het kanon. Beweeg de stop-mechanisme dicht bij de afslag vat om het projectiel correct vast te leggen na een test (Figuur 6).
   3. Open de onder druk staande gebouw luchtleiding die leidt tot de luchttank. Breng het reservoir tussen 30 psi en 70 psi, afhankelijk van de gewenste snelheid projectiel. 30 psi tankdruk geeft een projectiel snelheid van ongeveer 5m / sec, en 70 psi geeft een snelheid van ongeveer 25 m / sec.
   4. Bereid de samengeperst gas gesloten accumulator voor testvloeistof onder druk.
      1. Giet 3 kg testvloeistof in de vloeistof poort van de accumulator. Sluit slang van de accumulator gasklep aan de vloeistof jet sproeikop, en stel de accumulator druk om tot 300 psig.
   5. Bevestig de camera naar de schaar aansluiting. Zet de schaar aansluiting om het platform gepositioneerd naast de jet sproeikop.
   6. Bevestig de hoge intensiteit lichtbron naar het platform gepositioneerd tegenover de camera en achter de verspreiding vel. Controleer verlichting en camerapositioneringscommando met de videocamera bekijken functie van de software control interface en pas positionering nodig (figuur 7).
   7. Zet op oorbeschermers voor de bescherming van de lucht kanon geluid ontploffing.
   8. Ontgrendelen van het kanon bedieningspaneel en druk op de knop waarschuwing op het bedieningspaneel meerdere keren aan te gevenhet begin van een experiment.
   9. Hit het bedieningspaneel knop die de elektromagnetische klep aansluiten van de luchttank met de lucht kanon vat geopend.
   10. Nadat het apparaat is ontslagen en het projectiel veroverde, reinig het apparaat schoon met reinigingsvloeistof en een spons om resterende testvloeistof te verwijderen. Tenslotte wordt het botsoppervlak van het projectiel.
3. Meet snelheid van het projectiel in de opgenomen high-speed video door meting van de hoeveelheid tijd die het projectiel een vast (10 cm) afstand af. Gegevens analyseren in stap 1.5.

Representative Results

Zoals besproken in de inleiding, de drie belangrijkste gedragingen in verband met vloeibare jet impingement zijn afzetting, ploeteren en splash. Deze jet impingement gedragingen worden waargenomen met behulp van video-gegevens opgenomen met hoge snelheid cine camera's geplaatst op verschillende optische punten. Voorbeelden van stilstaande beelden, verkregen uit de video-opnamen, waarin de drie vloeistofstraal resultaten afgebeeld zijn in figuur 3. Figuur 3A toont vloeistofstraal afzetting, waarbij de straal stroomt in een volledig rechte en constante stroom naar het botsoppervlak. De straal aan het oppervlak en blijft op het oppervlak van de rest van het experiment. Figuren 3B en 3C tonen minder optimaal resultaat waarbij de vloeistofstraal slechts gedeeltelijk hecht aan het botsoppervlak, waarbij de rest van de straal of spatten (Figuur 3B ) of spatten (Figuur 3C) bij een botsing.

jove_content "> Gezien de vrij eenvoudig aard van de gegeven videogegevens, dubbelzinnige resultaten zijn ongewoon en herhaalbare resultaten zijn verkregen van zowel experimentele apparaten. Echter, in zeer zeldzame gevallen dat gewoonlijk uit het zeer glad oppervlak ruwheid voorwaarden, de lamellen van een vloeistof jet stroom kan interageren met druppeltjes of ruwheid op het oppervlak op zodanige wijze dat veroorzaakt het opstijgen van het botsoppervlak (figuur 8). In volstrekt ongebruikelijke omstandigheden kan een kleine verstoring in de stroming onregelmatigheden veroorzaken in de straal, die bij het ​​oppervlak impactie worden versterkt, waardoor de straal te scheiden van het oppervlak gedurende een lange periode (figuur 9). Deze zeldzame verschijnselen treden meestal alleen voor hoge omtreksnelheden en intermediaire jet vloeistofviscositeiten (Re = 100 ~ 2500). De consistentie van resultaten is grotendeels toegeschreven aan het gebruik van een druk accumulator voor aandrijving van de testvloeistof, die, in tegenstelling een pomp stuwt vloeistof bij een constante snelheid, het produceren van een zeer soepele actie en dus een zeer consistente, uniforme en constante vloeistofstroom.

Voor spetteren / depositie kenmerken, de resultaten blijkt dat metaaloppervlakken van gemiddelde ruwheid hoogte varieert tussen 0,01 urn en 1 urn, verminderen de oppervlakteruwheid maakt de invallende straal gevoeliger te spetteren. Bijvoorbeeld, Figuur 3A en Figuur 3C impingement onder vergelijkbare jet en oppervlakte snelheid. In figuur 3A treedt jet afzetting op het oppervlak, dat een gemiddelde ruwheid hoogte van 0,51 urn heeft, maar jet splash optreedt wanneer de gemiddelde ruwheid hoogte 0.016 urn (figuur 3C). Deze afhankelijkheid ruwheid tegengesteld is aan die waargenomen bij Keshavarz et al. ^10,11, die botsen bestudeerd veel ruwere oppervlakken, waarbij de oppervlakteruwheid is aanzienlijk groter dan de lameldikte.

_content "> De drempel van splash is een complexe functie van de vloeistof straalsnelheid; straaldiameter vloeistof; vloeibare viscositeit, dichtheid en de oppervlaktespanning; de oppervlakte snelheid en ruwheid,. en de omringende lucht kenmerken Hoewel sommige eenvoudige theorieën van splash zijn voorgesteld ^10-12, is er nog geen uitvoerige uitleg van het fenomeen. Lamellen lancering, die meestal een voorloper splash ^12, wordt beschouwd als een functie van lamel geometrie. Zoals getoond in figuur 10, de lamel geometrie zelf een complexe functie van vele variabelen, waaronder de jet en de oppervlakte snelheden en vloeibare fysische eigenschappen.

Figuur 1. Schematische voorstelling van optische configuratie van de draaiende schijf apparaat. Klik hier to bekijk een grotere versie van deze figuur.

Figuur 2. Screenshot van typische video-opname. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 3. Drie typische stromingsregimes. (A) depositie, (B) splatter, (C) splash. In alle gevallen het substraat beweegt van rechts naar links en de straal diameter 564 urn. De relevante jet en substraat voorwaarden zijn: (A) V _jet = 18,3 m / sec, V _substraat = 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, We _jet = 3,400; (B) V _jet = 9,5 m / sec, V _substraat = 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, We _jet = 709; (C) V _jet = 17,3 m / sec, V _substraat = 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, We _jet = 3.040. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 4. Meting van jet diameter en lamellen geometrie met beeldbewerkingssoftware. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 5. planform uitzicht schema van jet impingement tonen karakteristieke lamellen afmetingen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 6. Air kanon mechanische configuratie. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 7. Air kanon optische configuratie. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 8. Tijd volgorde waarin de overgang van jet depositie op jet splash. In deze volgorde de transitie wordt veroorzaakt door zeer fijne druppeltjes die vastzit aan de anders droge ondergrond. Het substraat beweegt van rechts naar links met een snelheid V _substraat = 7.52 m / sec. De jet voorwaarden zijn: D _jet = 564 micrometer; 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, We _jet= 3.110. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 9. Time sequentie die de overgang van jet depositie jet splash. In deze sequentie de overgang wordt veroorzaakt door een kleine luchtbel in de straal die de stroom verstoort. Het substraat beweegt van rechts naar links met een snelheid V _substraat = 7.43 m / sec. De jet voorwaarden zijn: D _jet = 564 micrometer; 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, We _jet = 2530. Klik hier om te bekijk een grotere versievan dit cijfer.

Figuur 10. Lamellen strooibreedte verhouding straaldiameter, als functie van Reynoldsgetal substraat. Substraatsnelheid V _substraat varieerde van 15 m / sec tot 60 m / sec, waardoor een Reynoldsgetal Re _Z van 75 tot 300. De straal voorwaarden zijn: D _jet = 281 micrometer; 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, We _jet = 1.140.

Discussion

Het projectiel voor het luchtkanon set-up bestaat uit een lichtgewicht, houten basis. Hoewel het houten materiaal chips iets na talrijke tests is gebleken kinetische energie effectiever te absorberen dan projectielen samengesteld uit materialen zoals kunststof of metaal, die meestal breken bij impact het stopmechanisme. De afmetingen van de houten projectiel zijn ontworpen om nauw aan het stalen vat interieur, waardoor luchtlekkage beperkt. Een 1/8 "dik rubber bevestigd tussen twee lagen multiplex is aan de achterkant van het projectiel gehecht aan verdere draai de afdichting rond de binnenkant van het vat. De metalen impingement oppervlakken boven op het projectiel wordt vastgezet dat drie afzonderlijke metalen platen van verschillende ruwheid hoogte, gepositioneerd 2,5 cm van elkaar, zodat de vloeistofstraal kunnen aantasten drie oppervlakken in één test met minimale interferentie. De voorzijde van het projectiel is gevormd tot een aërodynamische neus met een weerhaak op the onderzijde van de neus en de aanslag mechanisme, dat een zwaar aluminium met een grendelmechanisme binnenkant verbindt stevig aan het projectiel bij een botsing. In plaats van te worden vastgezet, de stop-mechanisme schuift achteruit met ongeveer 60 cm op het projectiel te vangen. Deze functie verdwijnt kinetische energie van het projectiel en voorkomt materiële schade.

De high-speed cine camera bevestigd aan de lucht kanon apparaat visualiseert jet impactie op het projectiel oppervlak. Breedbeeld-CMOS-sensor van de camera maakt het mogelijk om foto's te maken bij extreem hoge frame rates en resoluties. A 1 kW hoge intensiteit gloeilamp wordt gebruikt om het gezichtsveld te verlichten, en licht diffusor sheet is geplaatst tussen de lichtbron en het inslagpunt om een ​​gelijkmatig verlichte achtergrond bereiken. Twee camera en lichtbronnen zijn geïnstalleerd op de draaiende schijf apparaat om video opnames van meer dan één hoek vangen. Een camera boven hetinslagpunt registreert het vooraanzicht van de jet impingement, terwijl de tweede camera een zijaanzicht. De cameralenzen zijn bedekt met een vel acetaat film contact met testvloeistoffen voorkomen en een duidelijke kijkvenster na elke test verschaffen. De side-view camera wordt verlicht door een hoge intensiteit, glasvezel-lichtbron die lokaal verlicht de impingement site zonder het blokkeren van de as. De front-camera wordt verlicht door een hoge intensiteit, 100 W, 6700 Lumen witte LED-array voorzien van een collimatorlens.

De twee experimentele opstellingen worden elektrisch bediend door twee custom-built schakelkasten. De klantspecifieke besturingssoftware kan de gebruiker genereren en verzamelen van digitale en analoge signalen via een USB DAQ systeem in de regelkast. Een controller maakt gebruik vervolgens deze signalen op elk onderdeel van de experimentele set-up (high-speed camera, licht, pijp, enz.) Te controleren.

De beschreven experimental set-up is beperkt in die twee afzonderlijke machines werden gebouwd om een ​​breed scala van oppervlakte-snelheden te testen. Het luchtkanon apparaat kan alleen worden gebruikt bij lagere snelheden omdat het zeer moeilijk voor niet-destructief stop een projectiel beweegt met snelheden groter dan 25 m / sec, binnen de beperkte ruimte van een laboratorium. Met de draaiende schijf was er bezorgdheid dat de rotatiebeweging van de schijf zou veroorzaken geassocieerde middelpuntzoekende krachten op de vloeistof, die zou treffen de stromingsmechanica. Deze zorg bleek onterecht als test met dezelfde straal voorwaarden en hetzelfde oppervlak snelheden op de lucht kanon (lineaire oppervlak snelheid) en de draaiende schijf te zijn opgeleverd bijna identiek impactie kenmerken. De maximum toegestane Reynoldsgetal wordt beperkt door vloeistofstraal uiteenvallen. In de experimenten uitgevoerd in de volgende set-ups, werd een Reynolds getal van 1500 gemakkelijk te bereiken. Substraat snelheid op de snelle opstelling wordt beperkt door de capaciteit van de VFD motor (dwz maximum rotnele snelheid en maximaal vermogen te slepen, traagheid, enz.) te overwinnen, op voorwaarde dat de schijf en as zijn goed uitgebalanceerd.

De beschreven apparaten verschillen van de bestaande technieken die vloeistof jet botsing in dat zij bieden aan de studie van de high-speed vloeibare jet impingement over hoge snijsnelheid voorwaarden (25-100 m / sec) met behulp van kleine vloeibare jet nozzle diameters onderzoeken. Omdat vloeistof jet impingement processen die zich op stationaire en lage snelheid bewegende oppervlakken verschillen aanzienlijk van die in verband met hoge snelheid bewegende oppervlakken met betrekking tot vloeibare opbouw en verspreiding patronen, de beschreven techniek kan verder bestaande kennis over vloeibare jet botsing gedrag onder een breder scala van omstandigheden. De focus van de techniek op splash, splatter en depositie processen die verband houden met vloeibare jet impingement lost ook een kenniskloof op dit gebied, die vooraf is bezig met warmteoverdracht patronen. Als vloeibarejet botsen op een substraat een complex meerfasige vloeistofmechanica probleem dat vele mogelijke wegen voor toekomstig onderzoek vormt, kan de beschreven techniek worden gebruikt voor een aantal technische en industriële toepassingen zoals de staalproductie en inkjetdruk, koelen, verwarmen en oppervlakte coating.

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)