Abstract
Due apparati per l'esame impingement getto di liquido su una superficie in movimento ad alta velocità sono descritti: un dispositivo cannone ad aria (per l'esame velocità superficiali tra 0 e 25 m / sec) e un dispositivo di disco rotante (per l'esame velocità superficiali fra 15 e 100 m / sec). La traslazione lineare cannone ad aria è un sistema alimentato a energia pneumatica che è progettato per accelerare una superficie guida metallica montata sulla parte superiore di un proiettile in legno. Un cilindro pressurizzato provvisto di elettrovalvola rilascia rapidamente l'aria in pressione nel cilindro, forzando il proiettile lungo la canna cannone. Il proiettile viaggia sotto un ugello di spruzzo, che incide un getto di liquido sulla sua superficie superiore di metallo, e il proiettile poi colpisce un meccanismo di arresto. Una telecamera registra il impingement jet, e un trasduttore di pressione registra la contropressione ugello. Il disco rotante set-up è costituito da un disco in acciaio che raggiunge una velocità di 500 a 3.000 rpm tramite un variatore di frequenza (VFD) del motore. Un si sistema a spruzzomilar a quella del cannone dell'aria genera un getto di liquido che incide sul disco rotante, e telecamere poste in diversi punti di accesso ottico registrare il impingement jet. Le registrazioni video dei processi urto jet vengono registrati ed esaminati per stabilire se l'esito del conflitto è spruzzi, splatter, o la deposizione. Gli apparati sono il primo che coinvolgono l'urto ad alta velocità di-Reynolds-basso numero getti di liquido su superfici in movimento ad alta velocità. Oltre alle sue applicazioni industriali ferroviario, la tecnica descritta può essere utilizzata per fini tecnici e industriali quali siderurgia e può essere rilevante per la stampa 3D ad alta velocità.
Introduction
Questa ricerca mira a determinare le strategie per l'applicazione LFM (Modifier attrito liquido) in forma getto liquido su una superficie in movimento mentre raggiungono un alto grado di efficienza di trasferimento e di risultati deposizione uniformi. Il raggiungimento di questo obiettivo comporta lo sviluppo di una comprensione globale dei fattori che influenzano impingement getto liquido sulle superfici in movimento.
Il progetto è motivata da una necessità di migliorare l'efficienza delle tecniche applicative lubrificazione utilizzati nel settore ferroviario. Come mezzo per ridurre il consumo di carburante e costi di manutenzione locomotive, una pellicola sottile di attrito agente modificante viene ora applicato alla superficie superiore della rotaia ferrovia convenzionali. Recenti studi hanno dimostrato che l'applicazione di un tipo di LFM all'acqua per piano del ferro (TOR) controllo dell'attrito ridotto i livelli di consumo di energia del 6% e la flangia rotaia e ruota l'usura da superiore al 50% 1,2. Altri studi hanno dimostrato che l'applicazione di LFM a binari ridurres forza laterale e livelli di rumore e, cosa ancora più importante, pista ondulazione e danni da rotolamento stanchezza contatto, che è una delle principali cause di deragliamenti 3,4. Questi risultati sono stati ulteriormente confermati da test sul campo del sistema di metropolitana di Tokyo 5.
LFMs sono attualmente dispensati da atomizzatori ad aria soffiata collegati a dozzine di locomotive in tutto il Canada e gli Stati Uniti. In questa forma di applicazione, LFM viene applicato all'inizio della ferrovia da atomizzatori montati sotto movimento vagoni ferroviari. Questa modalità di applicazione LFM è difficile da implementare su molte locomotive ferrovia perché l'alta volume richiesto e livelli di alimentazione d'aria ad alta pressione potrebbe non essere raggiungibile. Ugelli aria esplosione sono anche creduto di produrre la copertura ferroviario molto irregolare quando operato in un vento di traverso, come venti trasversali causano goccioline spruzzo fini di deviare dalla loro traiettoria originale. Crosswinds sono anche noti per essere implicati in ugello sottomarina, probabilmente per lo stessoragione. A causa di problemi connessi con atomizzatori ad aria soffiata, settore ferroviario è attualmente alla ricerca di approcci alternativi alla applicazione LFM sui binari. Una soluzione possibile consiste erogazione LFM mediante (non-atomizzata) getto liquido continuo, come getti di liquido sono meno suscettibili a vento di traverso effetti dovuti alla loro minore rapporto di trascinamento per inerzia. Inoltre, perché i livelli elevati di pressione dell'aria e di volume necessari per ugelli di polverizzazione non sono necessari in tecnologie getto liquido, queste ultime agiscono come meccanismi a spruzzo più snelle e robuste che mantengono il controllo efficace sul tasso di applicazione LFM.
Un'area di fisica simile, gocciolina conflitto, è stato studiato intensamente. È stato trovato da diversi ricercatori che per impingement gocciolina su una superficie liscia asciutta movimento, spruzzi comportamento dipende da molti parametri tra cui viscosità, densità, tensione superficiale e la componente normale della velocità d'impatto 14,15. Uccello
Nonostante la sua importanza pratica, jet impingement su superfici in movimento ha ricevuto scarsa attenzione nella letteratura accademica. Chiu-Webster e Lister eseguito una vasta serie di esperimenti che ha esaminato costante e instabile jet viscoso urto su una superficie in movimento, e gli autori hanno sviluppato un modello per il caso flusso costante 6. Hlod et al. Modellare il flusso mediante una ODE terzo ordine su un dominio di lunghezza sconosciuta sotto una condizione integrante aggiuntiva e configurazioni previsti rispetto ai risultati sperimentali 7. Tuttavia, i numeri di Reynolds esaminatiin entrambi questi studi sono molto inferiori a quelli associati con le applicazioni tipiche ferrovia LFM. Gradeck et al. Numericamente e sperimentalmente studiato il campo di moto del getto d'acqua conflitto su un substrato in movimento sotto varie velocità del getto, la velocità di superficie e le condizioni di diametro ugello 8. Fujimoto et al. Caratteristiche di flusso inoltre esaminati un getto d'acqua circolare che incide su un substrato in movimento ricoperta da un film sottile di acqua 9. Tuttavia, questi due progetti utilizzati relativamente grandi diametri degli ugelli e superficie inferiore e velocità del getto rispetto a quelli impiegati nel presente lavoro. Inoltre, anche se precedenti studi sperimentali, numerici e di analisi forniscono una grande quantità di dati, la maggior parte sono concentrati su parametri di trasferimento di calore piuttosto che sui processi di flusso di liquidi come il comportamento jet spruzzi. Il metodo sperimentale previsto nella presente ricerca contribuisce pertanto a liquidi tecnologie applicative jet da reaffinamento tali tecniche in condizioni che comportano diametri ugelli a getto più piccolo e ad alta velocità a getto e di superficie velocità. Il presente metodo affina anche la conoscenza su problemi fondamentali della meccanica dei fluidi associati al movimento linee di contatto.
Gli studi di cui sopra hanno generalmente coinvolto l'interazione di un jet a bassa velocità con una superficie a bassa velocità in movimento. Ci sono stati relativamente pochi studi di laminare ad alta velocità jet impingement su superfici in movimento ad alta velocità. Durante l'alta velocità impaction getto liquido liquido jet diffonde radialmente in prossimità della posizione impingement, formando una lamella sottile. Questo lamelle viene poi convected valle dal viscoso forcing imposto dalla superficie in movimento, producendo un caratteristico lamelle a forma di U. Keshavarz et al. Hanno riportato su esperimenti che impiegano getti liquidi newtoniani ed elastiche che influiscono sulle superfici ad alta velocità. Sono classificati processi urto in due tipi distinti: "deposizione &# 8221; e "splash" 10. Per impingement essere classificato come la deposizione, il liquido jet deve aderire alla superficie, mentre spruzzata è caratterizzata da una lamella liquido che separa dalla superficie, e successivamente rompe in goccioline. Un terzo regime conflitto è stato anche descritto - "splatter". In questo, relativamente rare, regime lamella rimane attaccato alla superficie, come per "deposizione", ma goccioline vengono espulse dalla prossimità del bordo anteriore della lamella. In un successivo studio di effetti fluidi non newtoniani, Keshavarz et al. Ha concluso che la spruzzata / soglia deposizione è determinata principalmente dai numeri di Reynolds e Deborah, mentre l'angolo di jet impingement e velocità del getto ad emergere rapporti di velocità hanno solo un effetto secondario 11 . In esperimenti condotti sotto pressione dell'aria ambiente variabili, Moulson et al. Scoperto che il / la deposizione soglia numero di Reynolds spruzzata drammaticamenteaumenta al diminuire della pressione dell'aria ambiente (cioè, pressioni ambiente elevate rendono getti più inclini a splash), diminuendo la pressione dell'aria ambiente sotto di una certa soglia sopprime completamente spruzzata 12. Questa scoperta suggerisce che le forze aerodinamiche che agiscono sul lamelle giocano un ruolo fondamentale nel causare lamelle lift-off e successiva spruzzi. Nel recente lavoro sul conflitto ad alta velocità su un substrato ad alta velocità, Sterling ha dimostrato che per la velocità del substrato e le condizioni jet vicino alla soglia di schizzi, spruzzi può essere innescato da molto piccola rugosità superficiale localizzato e minore instabilità jet. Egli ha anche mostrato che in queste condizioni lamella lift-off e riattacco è un processo stocastico 13.
Il protocollo sperimentale qui descritto può essere usato per studiare altre situazioni fisiche che coinvolgono l'interazione di un fluido con una superficie ad alta velocità in movimento. Ad esempio, lo stesso approccio potrebbe essere utilizzato per studiare elicottero fogliainterazione e-vortice (a condizione che il fluido è stato colorato con vortex particelle traccianti) e spruzzatura robotizzata di superfici.
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Protocol
1. Spinning dispositivo Disk
- Identificare le condizioni di prova desiderati e le condizioni di prova record di una tabella (ad esempio, la temperatura ambiente, proprietà dei fluidi, jet e la superficie di velocità, etc.).
- Preparazione dei materiali
- Preparare soluzioni glicerina acqua o PEO-glicerina-acqua per le prove di urto.
- Nel caso delle prove PEO-glicerina-acqua, dissolverà gradualmente 4,5 g di polvere (PEO pesi molecolari viscosità media di un milione e quattro milioni) in 1495,5 g di acqua distillata sotto leggera agitazione magnetica per un periodo di 24 ore. Evitare eccessivamente agitando il campione PEO per prevenire il degrado meccanico.
- Aggiungere gradualmente 1,5 kg di USP-grade glicerina alla soluzione acquosa PEO nelle 24 ore per raggiungere una soluzione acquosa del 0,15% concentrazione di PEO e concentrazione di glicerina 50%.
- Conservare i liquidi di prova separatamente in contenitori ermetici sotto RT prima e dopo ogni test per miniMize evaporazione, assorbimento d'acqua da aria ambiente e la contaminazione. Caratterizzare e spruzzare liquidi entro cinque giorni di preparazione.
- Preparare soluzioni glicerina acqua o PEO-glicerina-acqua per le prove di urto.
- Prestazioni di esperimenti
- Assicurarsi che la valvola di alimentazione dell'aria del cuscinetto d'aria disco rotante è aperto e la lettura del manometro è nel campo di lavoro corretta (60-80 psig). Chiaro tutto ciò che potrebbe impedire il movimento del disco e girare il disco a mano in entrambe le direzioni 5 rotazioni per verificare eventuali problemi con il disco e cuscinetti.
- Pulire e fissare il gas compresso accumulatore chiuso per il fluido di prova pressurizzazione. Versare 3 kg di prova liquido nella valvola liquido dell'accumulatore 1-gallone.
- Collegare la porta gas dell'accumulatore al serbatoio di azoto tramite un regolatore di pressione. Collegare la porta fluido dell'accumulatore all'ugello getto.
- Impostare sistema di controllo e sistema di imaging ad alta velocità.
- Avviare il software di controllo disco rotante e il software di controllo VFD.Posizione due cineprese ad alta velocità 35 centimetri di distanza dal punto di urto e regolare le lenti ad alto ingrandimento per catturare il punto di urto da due angolazioni.
- Regolare la sorgente luminosa 150 W fibra ottica per ottenere uno sfondo illuminato uniformemente per una migliore qualità dell'immagine (Figura 1). Accendere il sistema di controllo a questo punto per facilitare la regolazione della fotocamera.
- Eseguire la routine di controllo facendo clic sul pulsante 'Self-check' nel software di controllo per assicurarsi che il sistema funzioni come previsto.
- Eseguire un test jet impingement
- Impostare la velocità del disco sul valore desiderato con il software di controllo VFD (500-3.000 rpm).
- Per eseguire un test, avviare la sequenza sperimentale automatizzato dal software di controllo facendo clic sul pulsante 'Sequenza di prova'. Il software determina automaticamente i parametri ottimali e coordinare ciascun componente del sistema per eseguire il test di conseguenza.
- Salvare il video di prova impingement risultante (vedi, per esempio, la schermata della Figura 2). Leggere e velocità superficie del disco, dell'ugello pressione e la temperatura dal software di controllo.
Nota: Dopo ogni prova, una sequenza di pulizia del disco viene eseguito automaticamente per sciacquare e asciugare la superficie del disco. Ripetere il ciclo di pulizia necessaria fino a quando tutti i residui del liquido di prova è stato rimosso.
ATTENZIONE: Mentre i fluidi di prova soluzione di acqua e glicerina possono essere puliti con la sequenza di pulizia, altri LFMs devono essere puliti con solventi organici come acetone. In tali casi, applicare il materiale di pulizia per un panno, non spruzzare direttamente il disco.
- Analisi Dei Dati
- Preparare un foglio contenente informazioni su ogni condizione di test (ad esempio, proprietà del fluido, temperatura ambiente, rugosità superficiale, ecc).
- Aprire le immagini jet impingement registrate con il software di visualizzazione cine, riprodurre le registrazioni complete di video alla normaleaccelerare e osservare i comportamenti jet urto.
- Registra caratteristiche di comportamento impingement (schizzi / spruzzi / deposizione; vedi figura 3) nel foglio preparato, registrando qualsiasi tendenze insoliti che potrebbero indicare complicazioni con il set-up sperimentale.
- Salvare i risultati e le condizioni di prova in un foglio di calcolo. Record risultati notevoli ed eventi insoliti resoconto della prova (ad esempio, spruzzata / deposizione punto di soglia, transizioni spruzzi / deposizione, etc.). Salvare screenshot quando necessario.
- Condurre misure di analisi delle immagini e registrare i dati.
- Avviare lo strumento su schermo di misura pixel. Aperto immagini urto, e calibrare la scala dell'immagine misurando un micro-sovrano nelle immagini con lo strumento su schermo di misura pixel (Figura 4).
- Dimensioni Misura di interesse (ad esempio, larghezza diffusione lamelle, W, e lamelle radio punto di stagnazione, R; vedi figura 5) con la misura di pixel tool in un punto dove il getto sembra essere più stabile nei dati video e registrare nel foglio preparato. Poi prendere un altro gruppo di misurazioni 100 fotogrammi dopo il primo gruppo di misure per confermare che sia il getto e le lamelle sono stabili. Punti dati Plot su un grafico e completano la curva raccordo.
2. Air Cannon dispositivo
- Identificare le condizioni di prova desiderate e preparare i materiali, come al punto 1.1 e punto 1.2.
- Prestazioni di esperimenti
- Accendere il software del sistema di controllo.
- Inserire il proiettile in canna cannone. Spostare il meccanismo di arresto vicino all'uscita canna per catturare correttamente il proiettile dopo un test (Figura 6).
- Aprire la linea dell'aria pressurizzata costruzione conduce al serbatoio dell'aria. Pressurizzare il serbatoio compreso tra 30 e 70 psi psi, a seconda della velocità del proiettile desiderato. 30 psi pressione del serbatoio offre una velocità di un proiettile di circa 5m / sec, e 70 psi dà una velocità di circa 25 m / sec.
- Preparare il gas accumulatore chiuso compresso per il fluido di prova pressurizzazione.
- Versare 3 kg di prova liquido nella valvola liquido dell'accumulatore. Collegare tubo dalla valvola gas dell'accumulatore all'ugello getto di liquido, e impostare la pressione dell'accumulatore fino a 300 psig.
- Collegare la fotocamera alla presa a forbice. Fissare la presa forbice alla piattaforma posizionata accanto al ugello getto.
- Fissare la sorgente di luce ad alta intensità per la piattaforma posizionata di fronte alla telecamera e dietro il foglio di diffusione. Controllare illuminazione e telecamera posizionamento utilizzando la funzione di visualizzazione videocamera dell'interfaccia controllo software, e regolare la posizione come necessario (Figura 7).
- Indossare cuffie per la protezione dal cannone ad aria esplosione sonora.
- Sbloccare il pannello di controllo di cannone, e premere il pulsante di allarme sul pannello di controllo più volte per segnalarel'inizio di un esperimento.
- Premi il pulsante del pannello di controllo che apre la valvola solenoide che collega il serbatoio d'aria con la canna cannone ad aria.
- Dopo che il dispositivo è stato sparato e il proiettile catturato, pulire il dispositivo passandolo con fluido ed una spugna per rimuovere il liquido in esame residua pulizia. Infine, asciugare la superficie urto del proiettile.
- Misurare la velocità del proiettile nel video ad alta velocità registrata misurando la quantità di tempo richiesto per il proiettile di viaggiare (10 cm) distanza fissa. Analizzare i dati come al punto 1.5.
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Representative Results
Come discusso nella sezione introduttiva, i tre comportamenti principali associati impingement getto liquido sono deposizione, splatter e schizzi. Questi comportamenti jet impingement sono osservate utilizzando dati video registrati dalle cineprese ad alta velocità posizionati in vari punti ottici. Esempi di immagini fisse, ottenuti dalle registrazioni video, che raffigurano tre risultati getto liquido sono mostrati in Figura 3. Figura 3A illustra la deposizione a getto di liquido, in cui il getto fluisce in una corrente completamente diritta e costante verso la superficie impingement. Il getto aderisce alla superficie e rimane sulla superficie per il resto dell'esperimento. Figure 3B e 3C mostrano risultati meno ottimali in cui il getto di liquido aderisce solo parzialmente alla superficie impingement, con il resto del splattering jet o (Figura 3B ) o spruzzi (Figura 3C) al momento dell'impatto.
jove_content "> Data la natura abbastanza semplice dei dati video forniti, risultati ambigui sono risultati non comuni e ripetibili sono stati ottenuti da entrambi i dispositivi sperimentali. Tuttavia, in casi molto rari che in genere comportano condizioni di rugosità superficiale molto lisce, le lamelle di un getto di liquido flusso può interagire con le goccioline o rugosità sulla superficie in modo tale che la fa sollevare dalla superficie impingement (Figura 8). In circostanze altrettanto insolite, un piccolo disturbo nel flusso può produrre irregolarità nel getto, che sulla superficie impaction diventare amplificato, causando il getto di separare dalla superficie per un lungo periodo di tempo (Figura 9). Questi fenomeni rari tipicamente si verificano solo per velocità superficiali elevate e per intermedi viscosità fluido jet (Re = 100 ~ 2500). La consistenza risultati sono ampiamente accreditati l'uso di un accumulatore di pressione per l'azionamento del liquido di prova, che, a differenza di una pompa, spinge liquido ad una tasso costante, producendo un'azione molto liscia e quindi un flusso di liquido altamente costante, uniforme e costante.Rispetto a splash / caratteristiche deposizione, i risultati mostrano che per superfici metalliche di altezze rugosità media compresa tra 0,01 micron e 1 micron, diminuendo la rugosità superficiale rende il getto d'urto più suscettibili a spruzzi. Ad esempio, la Figura 3A e la Figura 3C mostrano impingement sotto simili jet e del supporto di velocità. Nella Figura 3A jet deposizione avviene sulla superficie, che ha un'altezza media rugosità di 0,51 micron, ma jet spruzzata verifica quando l'altezza media rugosità è 0,016 micron (Figura 3C). Questa dipendenza rugosità è opposta a quella osservata da Keshavarz et al. 10,11, che ha studiato impingement su superfici molto ruvide, in cui la rugosità superficiale è significativamente maggiore dello spessore delle lamelle.
_content "> La soglia di spruzzata è una funzione complessa della velocità del getto di liquido; diametro getto liquido, viscosità del liquido, la densità e la tensione superficiale, la velocità superficiale e rugosità,. e le caratteristiche dell'aria circostante Nonostante siano state proposte alcune semplici teorie spruzzata 10-12, non vi è attualmente alcuna spiegazione esauriente del fenomeno. decollo lamella, che di solito è un precursore di spruzzi 12, si crede che sia una funzione della geometria della lamella. Come si vede in Figura 10, la geometria della lamella è esso stesso una funzione complessa di molte variabili, tra cui la velocità del getto e di superficie e le proprietà fisiche di liquidi.
Figura 1. Schema di configurazione ottica di filatura periferica disco. Cliccate qui to visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Schermata di registrazione video tipico. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Tre regimi di flusso tipico. (A) di deposizione, (B) splatter, (C) spruzzo. In tutti i casi i substrati si sposta da destra a sinistra e il diametro del getto è 564 micron. Le relative condizioni getto e substrato sono: (A) V jet = 18,3 m / sec, substrato V = 7,50 m / sec, jet μ = 0,0194 N · sec / m 2, ρ jet = 1.180kg / m 3, jet σ = 0,0656 N / m, jet Re = 629, abbiamo jet = 3.400; (B) V jet = 9,5 m / sec, substrato V = 7.63 m / sec, jet μ = 0,0097 N · sec / m 2, ρ jet = 998 kg / m 3, σ jet = 0,0717 N / m, jet Re = 552, abbiamo jet = 709; (C) V jet = 17,3 m / sec, substrato V = 7.71 m / sec, jet μ = 0,0194 N · sec / m 2, ρ jet = 1.180 kg / m 3, σ jet = 0,0656 N / m, jet Re = 594, abbiamo jet = 3.040. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. Misurazione del diametro del getto e lamelle geometria con il software di elaborazione delle immagini. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5. vista in pianta schematica di jet impingement mostrando caratteristici dimensioni lamelle. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6. cannone Air configurazione meccanica. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 7. cannone Air configurazione ottica. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 8. Sequenza temporale che mostra la transizione dal jet deposizione jet spruzzata. In questa sequenza la transizione è causato da goccioline finissime aderenti al substrato altrimenti secca. Il substrato si muove da destra a sinistra in un substrato velocità V = 7,52 m / sec. Le condizioni di getto sono: jet D = 564 micron; V jet = 17,5 m / sec, jet μ = 0,0194 N · sec / m 2, ρ jet = 1.180 kg / m 3, σ jet = 0,0656 N / m, jet Re = 600, abbiamo jet= 3.110. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 9. Sequenza temporale che mostra la transizione dal jet deposizione a getto spruzzata. In questa sequenza la transizione è causato da una piccola bolla d'aria nel getto che perturba il flusso. Il substrato si muove da destra a sinistra in un substrato velocità V = 7,43 m / sec. Le condizioni di getto sono: jet D = 564 micron; V jet = 15,8 m / sec, jet μ = 0,0194 N · sec / m 2, ρ jet = 1.180 kg / m 3, σ jet = 0,0656 N / m, jet Re = 542, abbiamo jet = 2.530. Clicca qui per vedere una versione più grandedi questa figura.
Figura 10. lamelle larghezza spread rapporto diametro del getto, in funzione del numero di Reynolds di substrato. Substrato Substrate velocità V è variata da 15 m / sec a 60 m / sec, fornendo un numero di Reynolds Re S di 75 a 300. Il getto condizioni sono: jet D = 281 micron; V jet = 14,6 m / sec, jet μ = 0,0701 N · sec / m 2, ρ jet = 1.220 kg / m 3, σ jet = 0,0640 N / m, jet Re = 71.4, abbiamo jet = 1.140.
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Discussion
Il proiettile utilizzato per il cannone ad aria set-up è composto da una base in legno leggero. Sebbene i trucioli di legno materiali leggermente dopo numerose prove, è stato trovato per assorbire l'energia cinetica più efficacemente di proiettili composti di materiali come plastica o metallo, che tendono a frantumarsi sul impattare il meccanismo di arresto. Le dimensioni del proiettile di legno sono progettati per corrispondere al meglio l'interno canna in acciaio, limitando così le perdite d'aria. Un foglio di 1/8 "gomma spessa fissato tra due strati di compensato è collegato alla parte posteriore del proiettile per stringere ulteriormente la tenuta intorno alla parte interna della canna. Le superfici urto metallico montato sulla parte superiore del proiettile sono fissati come tre piastre di metallo separati di diverse altezze rugosità, posizionate 2,5 centimetri a parte, in modo che il getto di liquido possa ricadere su tutti e tre superfici in una prova con interferenza minima. La parte anteriore del proiettile è modellato in un naso aerodinamico con una sbavatura su the inferiore del naso in modo che il meccanismo di arresto, che ha un corpo in alluminio pesante con un meccanismo di bloccaggio all'interno, collega saldamente al proiettile al momento dell'impatto. Piuttosto che essere fissato in posizione, il meccanismo di arresto scorre all'indietro di circa 60 centimetri sulla cattura il proiettile. Questa funzione dissipa energia cinetica del proiettile e previene danni materiali.
La cinepresa alta velocità attaccato al dispositivo cannone ad aria visualizza jet impaction sulla superficie proiettile. Sensore CMOS wide-screen della fotocamera permette di catturare immagini ad altissima frame rate e risoluzioni. A 1 kW, alta intensità lampada a incandescenza è utilizzato per illuminare il campo visivo, e un foglio diffusore di luce è posta tra la sorgente luminosa e il punto di urto per ottenere uno sfondo illuminato uniformemente. Due telecamere e sorgenti luminose sono installati sul dispositivo disco rotante per catturare registrazioni video da più di un angolo. Una telecamera posizionata sopra lapunto impingement registra la vista frontale del impingement jet, mentre la seconda telecamera registra una vista laterale. Le lenti della fotocamera sono coperti con un foglio di pellicola di acetato per evitare il contatto con i fluidi di prova e per fornire una chiara finestra di visualizzazione dopo ogni prova. La telecamera vista laterale è illuminato da una alta intensità, sorgente di luce a fibre ottiche che illumina localmente il sito impingement senza bloccare l'assale. La fotocamera anteriore-view è illuminato da una ad alta intensità, 100 W, 6.700 matrice LED bianco Lumen dotato di una lente di collimazione.
I due apparati sperimentali sono controllati elettricamente da due scatole di comando custom-built. Il software di controllo su misura permette all'utente di generare e raccogliere segnali digitali e analogici tramite un sistema DAQ USB all'interno della scatola di controllo. Un controller poi utilizza questi segnali per controllare ciascun componente del set-up sperimentale (telecamera ad alta velocità, la luce, ugello, ecc).
L'ex descrittosperimentale set-up è limitato dal fatto che due macchine separate sono state costruite per testare una vasta gamma di velocità superficiali. Il dispositivo cannone ad aria può essere azionato solo a velocità inferiori, perché è molto difficile da fermare non distruttivo un proiettile in movimento a velocità superiori a 25 m / sec, nello spazio limitato di un laboratorio. Con il disco rotante si temeva che il movimento rotatorio del disco causerebbe associati forze centripete sul fluido, che a sua volta influenzare le fluidodinamica. Questa preoccupazione dimostrata ingiustificata come test con le stesse condizioni di reazione e stesse velocità superficiali del cannone ad aria (velocità superficiale lineare) e il disco rotante prodotto caratteristiche occlusione quasi identici. Il numero massimo consentito di Reynolds è limitata dalla rottura getto liquido. Negli esperimenti condotti su questi set-up, un numero di Reynolds di 1.500 era facilmente raggiungibile. Velocità substrato sul alta velocità set-up è limitata dalla capacità del motore VFD (cioè, rot massimavelocità azionale e potenza massima di superare la resistenza, l'inerzia, ecc), a condizione che il disco e l'albero sono ben bilanciati.
Gli apparecchi descritti differiscono dalle tecniche esistenti che esaminano impingement getto liquido in che ospitano lo studio di alta velocità del getto liquido impingement sulle condizioni di velocità superficiali elevate (25-100 m / sec) con piccoli diametri ugelli a getto liquido. Perché i processi jet impingement liquidi che si verificano su superfici in movimento fermo e bassa velocità differiscono notevolmente da quelle associate con alta velocità di movimento di superfici rispetto alla build-up e diffusione modelli liquidi, la tecnica descritta può ulteriormente esistente conoscenze sui comportamenti jet urto liquidi sotto una più ampia gamma di condizioni. L'attenzione del tecnica sui processi spruzzata, splatter e deposizione associati impingement getto liquido affronta anche un gap di conoscenza in questo campo, che è stato in precedenza preoccupata con i modelli di trasferimento di calore. Come liquidojet impingement su un substrato è un problema meccanica estremamente complessa multifase fluido che pone molte vie possibili per la ricerca futura, la tecnica descritta può essere usata per un numero di applicazioni tecniche e industriali quali siderurgia ed a getto di stampa, raffreddamento, riscaldamento e di superficie rivestimento.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Le scienze naturali e ingegneria Research Council del Canada (NSERC) e LB Foster tecnologie ferroviarie, Corp. sostenuto congiuntamente questa ricerca attraverso il programma NSERC Collaborative Research e Development Grant.
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) | |||
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