Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

تصور عالية السرعة السائل جيت الانحشار على السطح المتحرك

Published: April 17, 2015 doi: 10.3791/52603
Automatic Translation
1, 1
1Department of Mechanical Engineering, University of British Columbia

Abstract

ووصف اثنان من الأجهزة لفحص السائل اصطدام طائرة على سطح تتحرك بسرعة عالية: جهاز مدفع الهواء (لفحص السرعات السطح بين 0 و 25 م / ثانية) وجهاز قرص الغزل (لفحص السرعات السطح بين 15 و 100 م / ثانية). اجتياز الخطي مدفع الهواء هو نظام يعمل بالطاقة الطاقة الهوائية التي تم تصميمها لتسريع سطح المعدن السكك الحديدية التي شنت على رأس قذيفة خشبية. ألف اسطوانة مضغوطة مزودة صمام الملف اللولبي بسرعة يطلق الهواء المضغوط في برميل، مما اضطر قذيفة أسفل برميل مدفع. قذيفة يسافر تحت فوهة الرذاذ، والذي يصطدم طائرة السائلة على سطح المعدن العلوي، وقذيفة ثم يضرب آلية وقف. تسجل الكاميرا في اصطدام طائرة، ومحول الضغط يسجل احداهما رذاذ فوهة. يتكون القرص الغزل انشاء قرص الصلب التي تصل بسرعة 500 إلى 3،000 دورة في الدقيقة عن طريق محرك التردد المتغير (VFD) المحرك. والاشتراكية نظام الرشMILAR إلى أن من مدفع الهواء يولد طائرة السائلة التي تمس على القرص الغزل، وكاميرات وضعت في عدة نقاط وصول البصرية تسجل اصطدام طائرة. وتسجل تسجيلات فيديو لعمليات اصطدام طائرة وفحصها لتحديد ما إذا كانت نتائج اصطدام هي البداية، بقع، أو الترسيب. الأجهزة هي الأولى التي تنطوي على اصطدام سرعة عالية من الاسعار المنخفضة للرينولدز-عدد طائرات السائلة على الأسطح المتحركة عالية السرعة. بالإضافة إلى تطبيقات صناعة السكك الحديدية لها، ويمكن استخدام تقنية الموضحة لأغراض الفنية والصناعية مثل صناعة الصلب ويمكن أن تكون ذات صلة عالية السرعة 3D الطباعة.

Introduction

يهدف هذا البحث إلى تحديد استراتيجيات لتطبيق LFM (الاحتكاك معدل السائل) في شكل طائرة السائل على سطح تتحرك حين تحقيق درجة عالية من الكفاءة نقل والنتائج ترسب موحدة. تحقيق هذا الهدف ينطوي على تطوير فهم شامل للعوامل التي تؤثر على السائل اصطدام طائرة على التحرك السطوح.

والدافع وراء هذا المشروع من قبل حاجة إلى تحسين كفاءة تقنيات تطبيق التشحيم المستخدمة في قطاع السكك الحديدية. كوسيلة للحد من استهلاك الوقود وتكاليف الصيانة قاطرة، طبقة رقيقة من الاحتكاك وكيل تعديل يجري الآن تطبيقها على سطح السكك الحديدية العلوي من خطوط السكك الحديدية التقليدية. وقد أظهرت الدراسات الحديثة أن تطبيق نوع واحد من LFM المياه القائمة لأعلى السكك الحديدية (TOR) التحكم في الاحتكاك خفض مستويات استهلاك الطاقة بنسبة 6٪ والسكك الحديدية وعجلة شفة ارتداء قبل ما يزيد على 50٪ 1،2. وأظهرت دراسات أخرى أن تطبيق LFM لخطوط السكك الحديدية يقللالصورة الجانبية القوة ومستويات الضوضاء وكذلك، وهو الأهم، تمويج المسار والأضرار الناجمة عن التعب الاتصال المتداول، والذي هو السبب الرئيسي لالخروج عن القضبان 3،4. وتأكدت هذه النتائج زيادة في الاختبارات الميدانية على نظام مترو طوكيو 5.

والاستغناء LFMs حاليا من محاقن الانفجار الهواء تعلق على عشرات القاطرات في جميع أنحاء كندا والولايات المتحدة. في هذا النوع من التطبيق، يتم تطبيق LFM إلى الأعلى خطوط السكك الحديدية التي شنت محاقن تحت تتحرك عربات السكك الحديدية. هذا النمط من تطبيق LFM من الصعب تنفيذ على العديد من قاطرات السكك الحديدية لأن المطلوبة ارتفاع حجم ومستويات العرض الجوي الضغط العالي قد لا تكون قابلة للتحقيق. ويعتقد أن فوهات الرش الجوي الانفجار أيضا لإنتاج تغطية السكك الحديدية غير النظامية للغاية عندما كانت تعمل في المتقاطعة، كما الاحوال الجوية تسبب قطرات الرذاذ غرامة لتحيد عن مسارها الأصلي. ومن المعروف أن الرياح المتعامدة أيضا أن المتورطين في فوهة قاذورات، على الأرجح لنفسهسبب. بسبب المشاكل المرتبطة محاقن الانفجار الهواء، وقطاع السكك الحديدية تسعى حاليا أساليب بديلة لتطبيق LFM على خطوط السكك الحديدية. واحد حل ناجع يشمل الاستغناء LFM عن طريق متواصلة (وليس صغار) طائرة السائل، وطائرات السائلة هي أقل عرضة للمقابله الآثار الناجمة عن نسبتهم أقل السحب إلى الجمود. بالإضافة إلى ذلك، لأن مستويات عالية الضغط الجوي وحجم اللازمة لفوهات التفتيت ليست مطلوبة في تقنيات الرش طائرة السائلة، والعمل الأخير عن آليات الرش أكثر انسيابية وقوية التي تحافظ على سيطرة فعالة على معدل الطلب LFM.

مساحة الفيزياء مماثل، قطرة اصطدام، وقد درست بشكل مكثف. وقد وجد عدد من الباحثين أن للاصطدام القطيرات على التحرك سطح أملس الجاف، والرش السلوك تعتمد على الكثير من العوامل بما في ذلك اللزوجة والكثافة والتوتر السطحي والمكون الطبيعي للسرعة تأثير 14،15. عصفور 16. مجموعة وآخرون. والمحتالون وآخرون قد أظهرت أن للقطيرة اصطدام على سطح جاف ثابتة، خشونة السطح تنخفض عتبة البداية بشكل ملحوظ (أي أنه يجعل الحبرية أكثر عرضة لطخة) 17،18.

وعلى الرغم من أهميتها العملية، تلقت اصطدام طائرة على الأسطح المتحركة القليل من الاهتمام في الأدبيات الأكاديمية. يقوم تشيو وبستر ويستر سلسلة واسعة من التجارب التي درست ثابت ومتقلب اصطدام طائرة لزجة على سطح متحرك، وضعت الكتاب نموذجا لحالة التدفق المطرد 6. Hlod آخرون على غرار تدفق عن طريق ODE ثالث ترتيب على مجال من طول مجهولة تحت شرط يتجزأ إضافية وتكوينات توقع بالمقارنة مع النتائج التجريبية 7. ومع ذلك، فإن أرقام رينولدز فحصتفي كل من هذه الدراسات هي أقل بكثير من تلك المرتبطة نموذجية تطبيقات السكك الحديدية LFM. Gradeck وآخرون. عدديا وتجريبيا حققت في مجال تدفق من اصطدام طائرة المياه على ركيزة تتحرك تحت مختلف سرعة الطائرة، سرعة السطح، والظروف فوهة قطرها 8. فوجيموتو وآخرون. خصائص التدفقات التحقيق بالإضافة لطائرة المياه الدائرية التي تؤثر على ركيزة الانتقال من طبقة رقيقة من الماء 9 تغطيتها. ومع ذلك، استخدمت هذين المشروعين أقطار فوهة كبيرة نسبيا وانخفاض السطحية والسرعات طائرة مقارنة مع تلك المستخدمة في العمل الحالي. وعلاوة على ذلك، على الرغم من الدراسات التجريبية والرقمية، والتحليلية السابقة وتوفر مجموعة كبيرة من البيانات، وركزت غالبية المعلمات على نقل الحرارة بدلا من التركيز على عمليات تدفق السائل مثل السلوك الرش طائرة. المنهج التجريبي المقدمة في هذا البحث وبالتالي يساهم في تطبيق التقنيات طائرة السائلة بنسبة اعادةتغريم هذه التقنيات في ظل ظروف تنطوي على أقطار فوهة نفاثة صغيرة وعالية السرعة النفاثة والسطحية السرعات. هذا الأسلوب أيضا تهذب المعرفة على المشاكل الأساسية ميكانيكا الموائع المرتبطة تتحرك خطوط التماس.

الدراسات المذكورة أعلاه وقد انطوت عموما تفاعل سرعة طائرة منخفضة مع انخفاض سطح سرعة الحركة. كان هناك عدد قليل نسبيا من الدراسات صفائحي سرعة عالية طائرة اصطدام على السطوح المتحركة عالية السرعة. خلال السرعة العالية السائل الانحشار طائرة السائل طائرة ينتشر شعاعيا في محيط موقع الإصطدام، وتشكيل الصفيحة رقيقة. ثم يتم convected هذه الصفيحة المصب من قبل لزج إجبار التي تفرضها على سطح متحرك، مما ينتج عنه الصفيحة مميزة على شكل حرف U. كيشافارز وآخرون. وقد ذكرت في التجارب التي تستخدم طائرات نيوتن ومرنة السائلة التي تؤثر على السطوح العالية السرعة. أنها تصنف عمليات اصطدام إلى نوعين مختلفين: "ترسب &# 8221؛ و "لطخة" 10. لاصطدام لتصنيفها الترسيب، ويجب على السائل طائرة التمسك السطح، في حين يتميز دفقة من قبل الصفيحة السائل الذي يفصل من السطح، وتتكسر إلى قطرات في وقت لاحق. كما تم وصف النظام اصطدام الثالث - "بقع". في هذا، نادر نسبيا، النظام لا يزال تعلق الصفيحة إلى السطح، ول "ترسب"، ولكن يتم طرد قطرات دقيقة من قرب حافة الرائدة في الصفيحة. في دراسة لاحقة من آثار السوائل غير النيوتونية، كيشافارز وآخرون خلصت إلى أن دفقة / عتبة ترسب يتحدد أساسا من أرقام رينولدز وديبورا، في حين أن زاوية اصطدام طائرة وسرعة طائرة تطفو على السطح نسب سرعة يكون لها سوى تأثير بسيط 11 . في التجارب التي أجريت تحت ضغوط الهواء المحيط المتغير، Moulson وآخرون اكتشف أن دفقة / ترسب عتبة رقم رينولدز بشكل كبيرالزيادات مع تناقص ضغط الهواء المحيط (أي ضغوط المحيطة أعلى تجعل طائرات أكثر عرضة لطخة)، بينما تتناقص ضغط الهواء المحيط اقل من عتبة معينة يقمع البداية تماما (12). هذه النتيجة تشير بقوة إلى أن القوات الهوائية المؤثرة على الصفيحة تلعب دورا حاسما في التسبب في الصفيحة انطلاقه ودفقة اللاحقة. في العمل الأخير على سرعة عالية في اصطدام على ركيزة عالية السرعة، وأظهرت أن الجنيه الاسترليني لسرعة الركيزة والشروط طائرة قريبة من عتبة البداية، قد يكون أثار النبأ من قبل صغيرة جدا خشونة السطح محلية وطفيفة عدم الثبات طائرة. وقال انه تبين أيضا أنه في ظل هذه الظروف الصفيحة انطلاقه وإعادة المرتكز هو عملية مؤشر ستوكاستيك 13.

بروتوكول تجريبي الموصوفة هنا يمكن أن تستخدم لدراسة الأوضاع المادية الأخرى التي تنطوي على تفاعل السائل مع تحريك سطح ارتفاع سرعة. على سبيل المثال، يمكن استخدام نفس النهج لدراسة هليكوبتر BLADالتفاعل دوامة ه (شريطة أن السائل كان دوامة الملونة مع جزيئات التتبع) والرش الآلي من السطوح.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. غزل القرص الأجهزة

  1. تحديد ظروف الاختبار المطلوب وظروف الاختبار سجل في الجدول (على سبيل المثال، والسرعة درجة الحرارة المحيطة، خصائص السوائل النفاثة والسطح، وما إلى ذلك).
  2. إعداد المواد
    1. إعداد حلول المياه الجلسرين أو PEO-الجلسرين من المياه اللازمة للاختبارات اصطدام.
      1. في حالة الاختبارات PEO-الجلسرين في الماء، تذوب تدريجيا 4.5 غرام من مسحوق PEO (الأوزان الجزيئية اللزوجة متوسط ​​قدره مليون وأربعة ملايين) إلى 1495.5 غرام من الماء المقطر مع التحريك المغناطيسي لطيف على مدى فترة 24 ساعة. تجنب تهييج مفرط العينة بيو لمنع تدهور الميكانيكية.
      2. تدريجيا إضافة 1.5 كجم من USP الصف الجلسرين إلى حل PEO مائي على مدى فترة 24 ساعة للوصول إلى محلول مائي من 0.15٪ تركيز PEO و 50٪ تركيز الغليسيرين.
    2. تخزين السوائل اختبار على حدة في حاويات محكمة الإغلاق تحت RT قبل وبعد كل اختبار لالمصغرةتقليل ما أمكن من التبخر، وامتصاص الماء من الهواء المحيط والتلوث. تميز ورذاذ السوائل خلال خمسة أيام من التحضير.
  3. أداء التجارب
    1. تأكد من صمام إمدادات الهواء تحمل الهواء القرص الغزل مفتوح والقراءة قياس الضغط في نطاق العمل الصحيح (60-80 رطل لكل بوصة مربعة). أي شيء واضحا التي قد تعيق حركة القرص وتحويل القرص باليد في كلا الاتجاهين 5 دورات للتحقق من أي مشاكل مع القرص والمحامل.
    2. أغلق نظيفة وتأمين الغاز المضغوط تراكم للسوائل اختبار الضغط. صب 3 كلغ من سائل الاختبار في منفذ السوائل من تراكم 1 غالون.
    3. ربط ميناء الغاز من المجمع إلى خزان النيتروجين عن طريق منظم الضغط. ربط ميناء السوائل من المجمع إلى فوهة رذاذ طائرة.
  4. إعداد نظام التحكم ونظام التصوير فائق السرعة.
    1. بدء برنامج حاسوبي لمراقبة القرص الغزل وبرامج التحكم VFD.موقف اثنين عالية السرعة كاميرات سينمائية 35 سم بعيدا عن نقطة اصطدام وضبط عدسات التكبير عالية لالتقاط نقطة اصطدام من زاويتين.
    2. ضبط مصدر الضوء 150 W الألياف الضوئية لتحقيق خلفية مضاءة بشكل متساو حصول على أفضل جودة الصورة (الشكل 1). الطاقة على نظام التحكم في هذه المرحلة لتسهيل التكيف الكاميرا.
    3. أداء روتين الاختيار الذاتي عن طريق النقر على زر "الاختيار الذاتي" في برنامج حاسوبي لمراقبة للتأكد من أن النظام يعمل كما هو متوقع.
  5. إجراء اختبار اصطدام طائرة
    1. ضبط سرعة القرص إلى القيمة المطلوبة مع برنامج حاسوبي لمراقبة VFD (500-3،000 دورة في الدقيقة).
    2. لإجراء اختبار، وإطلاق تسلسل التجريبي الآلي من برامج التحكم عن طريق النقر على زر 'تسلسل اختبار'. يقوم البرنامج بتحديد المعايير المثلى تلقائيا وتنسيق كل عنصر من عناصر النظام لأداء الاختبار وفقا لذلك.
    3. حفظ الناتجة فيديو اختبار اصطدام (انظر، على سبيل المثال، لقطة الشاشة في الشكل 2). القراءة وسرعة سطح قياسية، فوهة يعود الضغط ودرجة الحرارة من برامج التحكم.
      ملاحظة: بعد كل اختبار، سلسلة التنظيف القرص يعمل تلقائيا لشطف وتجفيف سطح القرص. كرر دورة التنظيف عند الضرورة حتى تمت إزالة جميع بقايا سائل الاختبار.
      تنبيه: على الرغم من السوائل اختبار حل الماء والجلسرين يمكن تنظيفها مع تسلسل التنظيف، والحاجة LFMs البعض لتنظيفها مع المذيبات العضوية مثل الأسيتون. في مثل هذه الحالات، وتطبيق مواد التنظيف إلى قطعة من القماش بدلا من الرش القرص مباشرة.
  6. تحليل البيانات
    1. إعداد جدول يحتوي على معلومات على كل حالة اختبار (على سبيل المثال، خصائص السوائل، ودرجة الحرارة المحيطة، وخشونة السطح، وما إلى ذلك).
    2. فتح الصور اصطدام طائرة مسجلة مع برنامج عرض سينمائية، وتلعب تسجيلات الفيديو الكاملة في وضعها الطبيعيتسريع ومراقبة السلوكيات اصطدام طائرة.
    3. سجل خصائص السلوك اصطدام (البداية / يتناثر / الترسيب، وانظر الشكل 3) في جدول البيانات استعداد، تسجيل أي اتجاهات غير عادية التي قد تشير إلى مضاعفات مع التجريبية مجموعة المتابعة.
    4. حفظ نتائج الاختبار، والأوضاع في جدول بيانات. سجل النتائج البارزة والأحداث غير عادية في سجل اختبار (على سبيل المثال، دفقة / ترسب نقطة عتبة، والتحولات دفقة / الترسيب، وما إلى ذلك). حفظ لقطات عند الضرورة.
    5. إجراء قياسات تحليل الصور وتسجيل البيانات.
      1. إطلاق أداة قياس بكسل على الشاشة. صور اصطدام مفتوحة، ومعايرة مقياس الصورة عن طريق قياس حاكم الصغير في الصور مع أداة قياس بكسل على الشاشة (الشكل 4).
      2. أبعاد مقياس الفائدة (على سبيل المثال، عرض انتشار الصفيحة، W، والصفيحة دائرة نصف قطرها نقطة الركود، R؛ انظر الشكل 5) مع ر قياس بكسلمونغوشيفيتش في نقطة حيث تظهر طائرة لتكون الأكثر استقرارا في بيانات الفيديو وسجل في جدول البيانات المعدة. ثم أخذ مجموعة أخرى من القياسات 100 لقطة بعد المجموعة الأولى من قياسات للتأكد من أن كل من الطائرة والصفيحة مستقرة. نقاط البيانات مؤامرة على الرسم البياني وتكمل منحنى المناسب.

2. الهواء المدفع جهاز

  1. تحديد ظروف الاختبار المطلوب وإعداد المواد كما في الخطوة 1.1 و 1.2 خطوة.
  2. أداء التجارب
    1. السلطة حتى برنامج للسيطرة على النظام.
    2. أدخل قذيفة في برميل مدفع. تحريك آلية وقف قريبة من الخروج برميل لالتقاط قذيفة بشكل صحيح بعد اختبار (الشكل 6).
    3. فتح خط مبنى الهواء المضغوط المؤدية إلى خزان الهواء. ضغط خزان الى ما بين 30 و 70 رطل رطل، وهذا يتوقف على سرعة المقذوف المطلوب. 30 ضغط خزان رطل يعطي سرعة المقذوف من حوالي 5م / ثانية، و 70 رطل يعطي سرعة حوالي 25 م / ثانية.
    4. تحضير غاز المجمع مغلق مضغوط للسوائل اختبار الضغط.
      1. صب 3 كلغ من سائل الاختبار في منفذ السوائل من المجمع. قم بتوصيل أنابيب من صمام الغاز تراكم السائل إلى فوهة رذاذ طائرة، وتعيين ضغط تراكم ليصل إلى 300 رطل لكل بوصة مربعة.
    5. نعلق الكاميرا إلى جاك مقص. تأمين جاك مقص لمنصة وضعه بجانب فوهة رذاذ طائرة.
    6. تأمين مصدر ضوء عالي الكثافة إلى منصة وضعه على الجانب الآخر من الكاميرا وراء ورقة نشرها. تحقق الإضاءة والكاميرا تحديد المواقع باستخدام وظيفة عرض كاميرا فيديو للمراقبة واجهة البرنامج، وضبط وتحديد المواقع حسب الضرورة (الشكل 7).
    7. وضعت على غطاء للأذنين للحماية من الانفجار الصوت مدفع الهواء.
    8. فتح لوحة التحكم مدفع، ثم اضغط على زر التحذير على لوحة التحكم عدة مرات للإشارة إلىبدء التجربة.
    9. اضغط على زر لوحة التحكم التي يفتح صمام الملف اللولبي الذي يربط بين خزان الهواء مع برميل مدفع الهواء.
    10. بعد أن أطلقت الجهاز واستولت على قذيفة، وتنظيف الجهاز عن طريق مسحه مع سائل تنظيف والإسفنج لإزالة بقايا السائل الاختبار. وأخيرا، تجف على سطح اصطدام من قذيفة.
  3. قياس سرعة المقذوف في تسجيل الفيديو عالية السرعة عن طريق قياس مقدار الوقت اللازم لقذيفة على السفر (10 سم) المسافة ثابتة. تحليل البيانات كما في الخطوة 1.5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

كما نوقش في القسم التمهيدي، والسلوكيات الثلاثة الرئيسية المرتبطة السائل اصطدام طائرة هي الترسيب، وبقع البداية. ويلاحظ هذه السلوكيات اصطدام طائرة باستخدام بيانات الفيديو التي سجلتها كاميرات سينمائية عالية السرعة المتمركزة على مختلف النقاط الضوئية. وتظهر أمثلة من الصور الثابتة، التي تم الحصول عليها من تسجيلات الفيديو التي تصور النتائج الثلاث طائرة السائلة في الشكل (3). ويوضح الشكل 3A ترسب طائرة السائل، التي تتدفق الطائرة في تيار مباشرة تماما وثابت نحو السطح اصطدام. تلتزم الطائرة إلى السطح وتبقى على السطح للفترة المتبقية من التجربة. أرقام 3B و 3C عرض نتائج أقل المثلى التي الطائرة السائلة تلتزم جزئيا فقط إلى السطح اصطدام، مع ما تبقى من الطائرة إما الرش (الشكل 3B ) أو الرش (الشكل 3C) على التأثير.

jove_content "> ونظرا لطبيعة اضحة إلى حد ما من بيانات الفيديو معين، ولقد تم الحصول على نتائج غامضة النتائج شائعة ومتكررة من كلا الجهازين التجريبية. ومع ذلك، في بعض الحالات النادرة جدا التي تنطوي عادة على نحو سلس جدا شروط خشونة السطح، والصفيحة من طائرة السائلة تيار قد تتفاعل مع قطرات أو خشونة على السطح في مثل هذه الطريقة التي يؤدي إلى رفع الخروج من سطح اصطدام (الشكل 8). وفي ظروف غير عادية على قدم المساواة، يمكن للاضطراب صغير في تدفق إنتاج مخالفات في الطائرة، والتي على السطح الانحشار تصبح تضخيم، مما تسبب في طائرة لفصل من السطح لفترة طويلة من الزمن (الشكل 9). تحدث هذه الظواهر النادرة عادة إلا لسرعات عالية وسطح لوسيطة اللزوجة السائل طائرة (إعادة = 100 ~ 2،500). اتساق وينسب النتائج إلى حد كبير إلى استخدام تراكم الضغط للقيادة سائل الاختبار، والتي، على عكس مضخة، يدفع السائل في معدل ثابت، مما ينتج عنه العمل على نحو سلس جدا، وبالتالي تدفق السائل متسقة للغاية، موحد وثابت.

مع الاحترام لطخة / خصائص الترسيب، وأظهرت النتائج أن للأسطح المعادن من متوسط ​​ارتفاعات خشونة تتراوح ما بين 0.01 ميكرومتر و 1 ميكرومتر، والحد من خشونة السطح يجعل الطائرة التي تؤثر أكثر عرضة لطخة. على سبيل المثال، 3A الشكل والشكل 3C تبين اصطدام طائرة مماثلة تحت سطح الظروف والسرعة. في الشكل يحدث ترسب 3A طائرة على السطح، والتي لديها ارتفاع متوسط ​​خشونة من 0.51 ميكرون، ولكن يحدث دفقة طائرة عند ارتفاع متوسط ​​خشونة هو 0.016 ميكرون (الشكل 3C). هذا الاعتماد على خشونة هو المعاكس لتلك التي لوحظت من قبل كيشافارز وآخرون 10،11، الذي درس اصطدام على الأسطح عورة بكثير، حيث خشونة السطح هي أكبر بكثير من سمك الصفيحة.

_content "> عتبة البداية هي وظيفة معقدة من سرعة طائرة السائلة؛ قطر طائرة السائل، اللزوجة السائل، والكثافة والتوتر السطحي، وسرعة السطحية وخشونة؛ وخصائص الهواء المحيط على الرغم من أن بعض النظريات بسيطة من البداية وقد اقترحت 10-12، لا يوجد حاليا أي تفسير شامل لهذه الظاهرة. الاقلاع الرقيقة، التي عادة ما تكون مقدمة لطخة 12، ويعتقد أن تكون وظيفة للهندسة الصفيحة. كما رأينا في الشكل 10، هندسة الصفيحة هي نفسها وظيفة معقدة العديد من المتغيرات، بما في ذلك الطائرة والسطح بسرعة والخصائص الفيزيائية السائلة.

الشكل (1)
الشكل 1. تخطيطي لتكوين بصري من الغزل جهاز القرص. يرجى النقر هنا رس عرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. لقطة من تسجيل الفيديو نموذجي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. ثلاثة نظم التدفق نموذجي. (A) ترسب، (B) بقع، (C) البداية. في جميع الحالات التحركات الركيزة من اليمين إلى اليسار وقطر طائرة هو 564 ميكرون. شروط طائرة والركيزة ذات الصلة هي: (A) V طائرة = 18.3 متر / ثانية، V = الركيزة 7.50 م / ثانية، طائرة μ = 0.0194 N · ثانية / م 2، ρ طائرة = 1،180كجم / م 3، طائرة σ = 0.0656 N / م، إعادة طائرة = 629، ونحن طائرة = 3،400. (B) V طائرة = 9.5 م / ثانية، V = الركيزة 7.63 م / ثانية، طائرة μ = 0.0097 N · ثانية / م 2، ρ طائرة = 998 كجم / م 3، σ طائرة = 0.0717 N / م، إعادة طائرة = 552، ونحن طائرة = 709؛ (C) V طائرة = 17.3 متر / ثانية، V = الركيزة 7.71 م / ثانية، طائرة μ = 0.0194 N · ثانية / م 2، ρ طائرة = 1،180 كجم / م 3، σ طائرة = 0.0656 N / م، إعادة طائرة = 594، ونحن طائرة = 3،040. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4. قياس قطرها طائرة والصفيحة الجيولوجية متري مع برامج معالجة الصور. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الشكل 5. Planform رأي التخطيطي من اصطدام طائرة تظهر أبعاد الصفيحة مميزة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الشكل 6. الهواء مدفع التكوين الميكانيكية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

er.within صفحة = "دائما"> الرقم 7
الرقم 7. الهواء مدفع التكوين البصري. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 8
الرقم 8. تسلسل الوقت تبين الانتقال من ترسب طائرة إلى طائرة البداية. وفي هذا التسلسل هو سبب الانتقال من قطرات دقيقة جدا التمسك الركيزة الجافة خلاف ذلك. الركيزة تتحرك من اليمين إلى اليسار في سرعة الركيزة V = 7.52 م / ثانية. شروط طائرة هي: D = 564 طائرة ميكرون. V طائرة = 17.5 متر / ثانية، طائرة μ = 0.0194 N · ثانية / م 2، ρ طائرة = 1،180 كجم / م 3، σ طائرة = 0.0656 N / م، إعادة طائرة = 600، ونحن طائرة= 3،110. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 9
الرقم 9. تسلسل الوقت تبين الانتقال من ترسب طائرة إلى طائرة البداية. وفي هذا التسلسل هو سبب الانتقال من فقاعة الهواء الصغيرة في الطائرة أن يشوش التدفق. الركيزة تتحرك من اليمين إلى اليسار في سرعة الركيزة V = 7.43 م / ثانية. شروط طائرة هي: D = 564 طائرة ميكرون. V طائرة = 15.8 متر / ثانية، طائرة μ = 0.0194 N · ثانية / م 2، ρ طائرة = 1،180 كجم / م 3، σ طائرة = 0.0656 N / م، إعادة طائرة = 542، ونحن طائرة = 2،530. الرجاء النقر هنا ل عرض نسخة أكبرمن هذا الرقم.

الرقم 10
الشكل 10. الرقيقة انتشار عرض نسبة قطرها طائرة ل، بوصفها وظيفة من رقم رينولدز من الركيزة. الركيزة الركيزة السرعة V هي متنوعة من 15 م / ثانية إلى 60 م / ثانية، وإعطاء رقم رينولدز إعادة S من 75 إلى 300. الطائرة الشروط هي: D = 281 طائرة ميكرون. V طائرة = 14.6 متر / ثانية، طائرة μ = 0.0701 N · ثانية / م 2، ρ طائرة = 1،220 كجم / م 3، σ طائرة = 0.0640 N / م، إعادة طائرة = 71.4، نحن طائرة = 1،140.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وتتكون القذيفة المستخدمة لمدفع الهواء انشاء وخفيفة الوزن، قاعدة خشبية. على الرغم من أن رقائق المواد الخشبية قليلا بعد العديد من الاختبارات، فقد وجد لاستيعاب الطاقة الحركية أكثر فعالية من مقذوفات تتألف من مواد مثل البلاستيك أو المعدن، والتي تميل لتحطيم على التأثير على آلية توقف. تم تصميم أبعاد قذيفة خشبية لتتناسب بشكل وثيق الداخلية الصلب برميل، وبالتالي تقييد تسرب الهواء. ومرفق "ورقة المطاط سميكة 1/8 المضمون بين طبقتين من الخشب الرقائقي إلى الجزء الخلفي من قذيفة لتشديد الختم حول الداخل للبرميل. يتم تثبيتها على أسطح اصطدام المعدنية التي شنت على رأس قذيفة من ثلاث لوحات معدنية منفصلة من المرتفعات خشونة مختلفة المتمركزة 2.5 سم عن بعضها البعض، بحيث طائرة السائلة يمكن أن يمس على جميع الأسطح الثلاثة في اختبار واحد مع الحد الأدنى من التدخل. يتشكل الجزء الأمامي من قذيفة إلى الأنف الهوائية مع تعليق لاذع على الالبريد السفلي من الأنف بحيث تكون آلية التوقف، والتي لديها الجسم الألومنيوم الثقيلة مع آلية قفل الداخل، ويربط بإحكام قذيفة على التأثير. بدلا من أن تكون ثابتة في مكانها، والشرائح آلية وقف الى الوراء من خلال ما يقرب من 60 سم على اصطياد قذيفة. هذه الوظيفة تبدد الطاقة الحركية من قذيفة ويمنع أضرار مادية.

الكاميرا سينمائية عالية السرعة التي تعلق على جهاز مدفع الهواء يتصور الانحشار طائرة على سطح قذيفة. الكاميرا CMOS شاشة واسعة استشعار يسمح احد لالتقاط الصور عالية للغاية في معدلات الإطار والقرارات. ويستخدم A 1 كيلو واط، وارتفاع الكثافة مصدر ضوء ساطع لإلقاء الضوء على مجال الرؤية، ويتم وضع ورقة موزع موجات الصوت بالتساوي الخفيفة بين مصدر الضوء ونقطة اصطدام لتحقيق خلفية مضاءة بشكل متساو. يتم تثبيت اثنين من الكاميرات ومصادر الضوء على جهاز القرص الغزل لالتقاط تسجيلات الفيديو من أكثر من زاوية واحدة. كاميرا واحدة وضعه فوقنقطة اصطدام يسجل المشهد الأمامي للاصطدام طائرة، في حين تسجل الكاميرا الثانية جانبيا. وتغطي عدسات الكاميرا مع ورقة من فيلم خلات لمنع اتصال مع سوائل الاختبار وتوفير نافذة عرض واضح بعد كل اختبار. مضاءة الكاميرا الجانبية الرأي من قبل عالية الكثافة، الألياف البصرية مصدر الضوء الذي ينير محليا الموقع اصطدام دون عرقلة المحور. يضيء الكاميرا المشهد الأمامي من كثافة عالية، 100 W، 6700 التجويف البيضاء مجموعة LED مزودة عدسة الموازاة.

يتم التحكم في اثنين التجريبية مجموعة عمليات كهربائيا من قبل اثنين من صناديق التحكم مبنية خصيصا. برنامج التحكم مبنية خصيصا يسمح للمستخدم لتوليد وجمع الإشارات الرقمية والتناظرية من خلال نظام دق USB داخل منطقة الجزاء السيطرة. وحدة تحكم ثم يستخدم هذه الإشارات للسيطرة على كل مكون من مكونات التجريبية مجموعة المتابعة (كاميرا عالية السرعة، والخفيفة، فوهة، وما إلى ذلك).

في السابق وصفهperimental مجموعة المتابعة يقتصر في بنيت أن اثنين من آلات منفصلة لاختبار مجموعة واسعة من سرعات السطح. لا يمكن تشغيل الجهاز مدفع الهواء بسرعات أبطأ لأنه من الصعب جدا لوقف غير المدمر قذيفة تتحرك بسرعات أعلى من 25 م / ثانية، وذلك في مساحة محدودة من المختبر. مع القرص الغزل كان هناك قلق من أن الحركة الدوارة للقرص من شأنه أن يسبب القوات الجاذبية المرتبطة بها على السوائل، والتي من شأنها أن تؤثر بدورها على ميكانيكا الموائع. هذا القلق ثبت أن لا مبرر لها كما الاختبار مع الظروف طائرة نفس وسرعات الرياح على سطح نفسها على مدفع الهواء (سرعة سطح الخطية) والقرص الغزل أسفرت عن خصائص الانحشار متطابقة تقريبا. الحد الأقصى المسموح به رينولدز عدد محدود من السائل تفكك طائرة. في التجارب التي أجريت على هذه المنبثقة مجموعة، وتم التوصل بسهولة عدد رينولدز من 1،500. سرعة الركيزة على سرعة عالية انشاء محدودة بسبب قدرة المحرك VFD (أي الحد الأقصى تعفنسرعة الاقلية البرلمانية وانتاج الطاقة القصوى للتغلب على السحب، والجمود، وغيرها)، قدم القرص ورمح ومتوازن.

الأجهزة وصفها تختلف عن التقنيات الحالية التي تفحص طائرة اصطدام السائل في أنهم استيعاب دراسة عالية السرعة النفاثة السائلة اصطدام على الأوضاع سرعة سطح عالية (25-100 م / ثانية) باستخدام صغيرة السائلة أقطار فوهة نفاثة. بسبب عمليات اصطدام طائرة السائلة التي تحدث على الأسطح المتحركة ثابتة ومنخفضة السرعة تختلف كثيرا عن تلك المرتبطة عالية السرعة تتحرك الأسطح فيما يتعلق تراكم وانتشار أنماط السائلة، وتقنية وصفها يمكن أن تزيد من المعرفة الموجودة في السائل السلوكيات اصطدام طائرة تحت مجموعة واسعة من الظروف. ويتناول التركيز على تقنية على عمليات البداية، وترسب بقع المرتبطة السائل اصطدام طائرة أيضا فجوة المعرفة في هذا المجال، والتي سبق أن شغلت مع أنماط نقل الحرارة. كسائلاصطدام طائرة على ركيزة هو متعدد المراحل مشكلة ميكانيكا السوائل معقدة للغاية الذي يطرح العديد من السبل الممكنة للبحث في المستقبل، ويمكن استخدام تقنية الموضحة لعدد من التطبيقات التقنية والصناعية مثل صناعة الصلب ونافثة للحبر الطباعة، والتبريد والتدفئة والسطحية الطلاء.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

العلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث كندا (NSERC) وLB فوستر السكك الحديدية تكنولوجيز، وشركة بدعم مشترك هذا البحث من خلال برنامج NSERC التعاونية للبحوث والتنمية غرانت.

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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Cotter, J., et al. Top of Rail Friction Control: Reductions in Fuel and Greenhouse Gas Emissions. Proc. Of the 2005 Conference of the International Heavy Haul Association (Rio de Janeiro). , 327-334 (2005).
  2. Eadie, D. T., Bovey, E., Kalousek, J. The role of friction control in effective management of the wheel/rail interface). Railway Technical Conference. , (2002).
  3. Stock, R., Eadie, D. T., Elvidge, D., Oldknow, K. Influencing rolling contact fatigue through top of rail friction modifier application–A full scale wheel–rail test rig study. Wear. 271 (1), 134-142 (2011).
  4. Eadie, D. T., Santoro, M. Top-of-rail friction control for curve noise mitigation and corrugation rate reduction. Journal of Sound and Vibration. 293 (3), 747-757 (2006).
  5. Tomeoka, M., Kabe, N., Tanimoto, M., Miyauchi, E., Nakata, M. Friction control between wheel and rail by means of on-board lubrication. Wear. 253 (1), 124-129 (2002).
  6. Chiu-Webster, S., Lister, J. R. The fall of a viscous thread onto a moving surface: a ‘fluid-mechanical sewing machine. Journal of Fluid Mechanics. 569 (1), 124-129 (2006).
  7. Hlod, A., Aarts, A. C. T., Van De Ven, A. A. F., Peletier, M. A. Mathematical model of falling of a viscous jet onto a moving surface. European Journal of Applied Mathematics. 18 (06), 659-677 (2007).
  8. Gradeck, M., Kouachi, A., Dani, A., Arnoult, D., Borean, J. L. Experimental and numerical study of the hydraulic jump of an impinging jet on a moving surface. Experimental Thermal and Fluid Science. 30 (3), 193-201 (2006).
  9. Fujimoto, H., Suzuki, Y., Hama, T., Takuda, H. Flow Characteristics of Circular Liquid Jet Impinging on a Moving Surface Covered with a Water Film. ISIJ international. 51 (9), 1497-1505 (2011).
  10. Keshavarz, B., Green, S. I., Davy, M. H., Eadie, D. T. Newtonian liquid jet impaction on a high-speed moving surface. International Journal of Heat and Fluid Flow. 32 (6), 1216-1225 (2011).
  11. Keshavarz, B., Green, S. I., Eadie, D. T. Elastic liquid jet impaction on a high speed moving surface. AIChE Journal. 58 (11), 3568-3577 (2012).
  12. Moulson, J. B. T., Green, S. I. Effect of ambient air on liquid jet impingement on a moving substrate. Physics of Fluids. 25 (10), 102106 (2013).
  13. Sterling, G. E. G. An experimental study on jet impingement on a very high speed moving surface. UBC M.A.Sc. Thesis. , (2012).
  14. Povarov, O. A., Nazarov, O. I., Ignat'evskaya, L. A., Nikol'skii, A. I. Interaction of drops with boundary layer on rotating surfaces. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 31 (6), 1453-1456 (1976).
  15. Fathi, S., Dickens, P., Fouchal, F. Regimes of droplet train impact on a moving surface in an additive manufacturing process. Journal of Materials Processing Technology. 210 (3), 550-559 (2010).
  16. Bird, J. C., Tsai, S. S., Stone, H. A. Inclined to splash: triggering and inhibiting a splash with tangential velocity. New Journal of Physics. 11 (6), 063017 (2009).
  17. Range, K., Feuillebois, F. Influence of surface roughness on liquid drop impact. Journal of Colloid and Interface science. 203 (1), 16-30 (1998).
  18. Crooks, R., Boger, D. V. Influence of fluid elasticity on drops impacting on dry surfaces. Journal of Rheology. 44 (4), 973-996 (2000).

Tags

الهندسة، العدد 98، اصطدام طائرة السائل وسرعة عالية في سطح متحرك، رذاذ فوهة، والاحتكاك السائل معدل (LFM)، مدفع الهواء، والغزل القرص، وقضبان السكك الحديدية التشحيم، وميكانيكا الموائع
تصور عالية السرعة السائل جيت الانحشار على السطح المتحرك
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Guo, Y., Green, S. Visualization of… More

Guo, Y., Green, S. Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface. J. Vis. Exp. (98), e52603, doi:10.3791/52603 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter