Abstract
Deux appareils d'examen impact des jets de liquide sur une surface en mouvement à grande vitesse sont décrits: un dispositif de canon à air (de l'examen d'une vitesse de surface comprise entre 0 et 25 m / s) et un dispositif à disque tournant (de l'examen d'une vitesse de surface comprise entre 15 et 100 m / sec). Le canon à air traverse linéaire est un système alimenté en énergie pneumatique qui est conçu pour accélérer une surface de rail métallique monté sur le dessus d'un projectile en bois. Cylindre sous pression équipé d'une valve solénoïde libère rapidement de l'air sous pression dans le cylindre, ce qui oblige le projectile dans le canon de canon. Le projectile se déplace en dessous d'une buse de pulvérisation, qui frappe un jet de liquide sur sa surface supérieure métallique, et ensuite le projectile frappe un mécanisme d'arrêt. Une caméra enregistre l'impact de jet, et un capteur de pression enregistre la contre-pression de buse de pulvérisation. Le disque rotatif set-up se compose d'un disque en acier qui atteint des vitesses de 500 à 3000 rpm via un entraînement à fréquence variable (VFD) moteur. Un SI système de pulvérisationmilar à celle du canon à air génère un jet de liquide qui empiète sur le disque tournant, et des caméras placées à plusieurs points d'accès optique enregistrer la impact de jet. Les enregistrements vidéo des processus d'impact de jet sont enregistrées et examinées afin de déterminer si le résultat d'impact est splash, éclaboussures, ou dépôt. Les appareils sont les premiers qui impliquent l'impact à grande vitesse des jets de liquide à faible nombre de Reynolds sur des surfaces se déplaçant à grande vitesse. En plus de ses applications de l'industrie ferroviaire, la technique décrite peut être utilisé à des fins techniques et industriels tels que la production d'acier et peut être pertinent à l'impression 3D à haute vitesse.
Introduction
Cette recherche vise à déterminer des stratégies pour appliquer LFM (Liquid modificateur de friction) sous forme de jet de liquide sur une surface en mouvement tout en atteignant de hauts degrés d'efficacité de transfert et les résultats de dépôt uniformes. Pour atteindre cet objectif consiste à développer une compréhension approfondie des facteurs qui influent sur les jets de liquide sur les surfaces mobiles.
Le projet est motivé par la nécessité d'améliorer l'efficacité des techniques d'application de lubrification utilisés dans le secteur ferroviaire. Dans le but de réduire la consommation de carburant et des coûts de maintenance de locomotives, un film mince d'agent de modification de frottement est maintenant appliquée à la surface supérieure du rail de voie ferrée classiques. Des études récentes ont montré que l'application d'un type de LFM à base d'eau pour le haut du rail (TOR) contrôle de la friction des niveaux de consommation d'énergie réduite de 6% et le rail et la roue bride porter par plus de 50% de 1,2. D'autres études ont montré que l'application de LFM pour voies ferrées réduires force latérale et niveaux de bruit ainsi que, plus important encore, l'ondulation de la piste et les dommages causés par la fatigue de contact de roulement, ce qui est une cause majeure de déraillements 3,4. Ces résultats ont ensuite été confirmés lors de tests sur le terrain sur le système de métro de Tokyo cinq.
LFMs sont actuellement dispensés de atomiseurs de souffle d'air attachés à des dizaines de locomotives au Canada et aux États-Unis. Dans cette forme d'application, LFM est appliquée au sommet de la voie ferrée par atomiseurs monté sous déplacer les wagons. Ce mode d'application LFM est difficile à mettre en œuvre sur de nombreuses locomotives de chemin de fer parce que le niveau d'alimentation en air à haute pression de haut-volume et requise peuvent ne pas être réalisable. Buses de pulvérisation Air-fourneaux sont également soupçonnés de produire une couverture ferroviaire très irrégulière lorsqu'il est utilisé dans un vent de travers, comme les vents latéraux provoquent fines gouttelettes de se écarter de leur trajectoire initiale. Les vents latéraux sont également connus pour être impliqués dans la buse encrassement, probablement pour la mêmeraison. En raison de problèmes liés à atomiseurs de souffle de l'air, le secteur ferroviaire est présentement à la recherche des approches alternatives à l'application de LFM sur les pistes de chemin de fer. Une solution viable implique LFM distribution au moyen d'une (non atomisé) jet continu de liquide, comme des jets de liquide sont moins sensibles aux effets de vent de travers en raison de leur rapport traînée inférieur à inertie. En outre, parce que les niveaux élevés de pression d'air et le volume nécessaires pour les buses de pulvérisation ne sont pas tenus de liquides technologies jet de pulvérisation, ce dernier acte en tant que mécanismes de pulvérisation plus simples et robustes qui maintiennent un contrôle effectif sur le taux d'application de LFM.
Un domaine de la physique similaire, gouttelettes impact, a été étudiée de manière intensive. Il a été constaté par plusieurs chercheurs que pour un empiétement gouttelettes sur une surface lisse sec déplacer, éclaboussant le comportement dépend de nombreux paramètres, dont la viscosité, la densité, la tension de surface et la composante normale de la vitesse d'impact 14,15. Oiseau
Malgré son importance pratique, les jets sur les surfaces mobiles a reçu peu d'attention dans la littérature académique. Chiu-Webster et Lister effectué une vaste série d'expériences qui a examiné jet visqueux impact permanent et transitoire sur une surface mobile, et les auteurs ont élaboré un modèle pour le cas de flux constant 6. Hlod et al. A modélisé les flux au moyen d'un ODE troisième ordre sur un domaine de longueur inconnue dans une condition intégrante supplémentaires et configurations prédites par rapport aux résultats expérimentaux 7. Cependant, les nombres de Reynolds examinésdans ces deux études sont beaucoup plus faibles que ceux associés aux applications typiques chemin de fer de LFM. Gradeck et al. Étudié expérimentalement et numériquement le domaine de l'impact de jet d'eau d'écoulement sur un substrat mobile sous divers vitesse du jet, la vitesse de surface, et des conditions de diamètre de buse 8. Fujimoto et al. Caractéristiques d'écoulement en outre une enquête d'un jet d'eau circulaire empiéter sur un substrat mobile recouvert d'une mince pellicule d'eau neuf. Cependant, ces deux projets ont utilisé relativement grands diamètres de buse et surface inférieure et des vitesses de réaction par rapport à ceux utilisés dans le présent ouvrage. En outre, bien que les études expérimentales, numériques et analytiques précédentes fournissent une grande quantité de données, la majorité ont mis l'accent sur les paramètres de transfert de chaleur plutôt que sur les processus d'écoulement de liquide tels que le comportement jet d'éclaboussures. La méthode expérimentale prévu dans la présente recherche contribue ainsi à liquides technologies d'application de jet de REla sanction de telles techniques dans des conditions impliquant des diamètres de buses petit jet et jet et de surface vitesses à grande vitesse. Le présent procédé permet également d'affiner les connaissances sur les problèmes fondamentaux de la mécanique des fluides liés au déplacement des lignes de contact.
Les études mentionnées ci-dessus ont généralement impliqué l'interaction d'un jet à basse vitesse avec une surface à faible vitesse de déplacement. Il ya eu relativement peu d'études sur l'impact des jets laminaire à haute vitesse sur les surfaces mobiles à haut débit. Pendant jet liquide impaction à haute vitesse du liquide de jet se étend radialement au voisinage de l'emplacement d'impact, formant une lamelle mince. Cette lamelle est ensuite par convection en aval par le forçage visqueux prélevée par la surface en mouvement, produisant une lamelle en forme de U caractéristique. Keshavarz et al. Ont rapporté des expériences utilisant des jets de liquide newtoniens et élastiques empiétant sur des surfaces à haute vitesse. Ils ont classé les processus de collision en deux types distincts: "dépôt &# 8221; et "Splash" 10. Pour collision être considéré comme le dépôt, le liquide de jet doit adhérer à la surface, tandis que les projections se caractérise par une lamelle liquide qui se sépare de la surface et ensuite se décompose en gouttelettes. Un troisième régime d'impact a également été décrite - "éclaboussures". En cela, relativement rare, le régime lamelle reste attachée à la surface, comme par «dépôt», mais fines gouttelettes soient éjectées à partir de près du bord d'attaque de la lamelle. Dans une étude ultérieure des effets de fluides non-newtoniens, Keshavarz et al. A conclu que le / seuil de dépôt de démarrage est principalement déterminée par les nombres de Reynolds et Deborah, alors que l'angle d'impact de jet et de la vitesse du jet de surface rapports de vitesse ne ont qu'un effet mineur 11 . Dans les expériences menées dans le cadre des pressions ambiantes d'air variable, Moulson et al. Découvert que le splash / dépôt seuil nombre de Reynolds de façon spectaculaireaugmente avec la diminution de pression de l'air ambiant (ce est à dire, la hausse des pressions ambiantes font jets plus enclins à éclabousser), tout en diminuant la pression de l'air ambiant en dessous d'un certain seuil supprime complètement splash 12. Cette constatation suggère fortement que les forces aérodynamiques agissant sur la lamelle jouent un rôle crucial dans l'apparition de lamelles lift-off et les éclaboussures ultérieure. Dans les travaux récents sur impact à haute vitesse sur un substrat à haute vitesse, Sterling a montré que pour la vitesse de substrat et des conditions de jet proches du seuil de démarrage, éclaboussure peut être déclenchée par une très faible rugosité de surface localisée et mineure instabilité du jet. Il a également montré que, dans ces conditions lamelles lift-off et le rattachement est un processus stochastique 13.
Le protocole expérimental est décrit ici peut être utilisé pour étudier d'autres situations physiques impliquant l'interaction d'un fluide avec une surface en mouvement à grande vitesse. Par exemple, la même approche pourrait être utilisée pour étudier hélicoptère bladinteraction e-vortex (à condition que le fluide à tourbillons a été coloré avec des particules de traceur) et la pulvérisation des surfaces robotique.
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Protocol
Dispositif de disque 1. Spinning
- Identifier les conditions de test souhaités et conditions d'essai d'enregistrement dans une table (par exemple, la température ambiante, les propriétés des fluides, jet et la vitesse de surface, etc.).
- Préparation des matériaux
- Préparer des solutions dans l'eau ou de la glycérine PEO-glycérine-eau pour les essais d'impact.
- Dans le cas de tests PEO-glycérine-eau, dissoudre progressivement 4,5 g de poudre PEO (poids moléculaire moyenne en viscosité de un million et quatre millions d'euros) dans 1495,5 g d'eau distillée sous agitation magnétique douce sur une période de 24 heures. Évitez agitation excessive l'échantillon PEO pour empêcher la dégradation mécanique.
- Ajouter graduellement 1,5 kg de glycérine USP-grade à la solution aqueuse de PEO sur une période de 24 heures pour atteindre une solution aqueuse de 0,15% la concentration de PEO et 50% la concentration de glycérine.
- Stocker les liquides d'essai séparément dans des contenants hermétiques sous RT avant et après chaque test pour mini-Mize évaporation, l'absorption de l'eau de l'air ambiant et de la contamination. Caractériser et pulvériser des liquides dans les cinq jours de préparation.
- Préparer des solutions dans l'eau ou de la glycérine PEO-glycérine-eau pour les essais d'impact.
- Performance d'expériences
- Assurez-vous que la valve d'alimentation en air du coussin d'air à disque tournant est ouverte et la lecture de la jauge de pression est dans la plage de fonctionnement correct (60-80 psig). Effacer tout ce qui pourrait entraver le mouvement de disque et tourner le disque à la main dans les deux sens 5 rotations pour vérifier tous les problèmes avec le disque et les roulements.
- Le gaz comprimé propre et sécuritaire fermé accumulateur pour fluide d'essai sous pression. Verser 3 kg de liquide d'essai dans l'orifice de fluide de l'accumulateur de 1 gallon.
- Connecter le port de gaz de l'accumulateur vers le réservoir d'azote par l'intermédiaire d'un régulateur de pression. Connecter le port de fluide de l'accumulateur vers la buse jet de pulvérisation.
- Mettre en place le système de contrôle et un système d'imagerie à haute vitesse.
- Démarrez le logiciel de commande de disque de filage et logiciel de contrôle VFD.Position deux ciné caméras 35 cm de distance du point d'impact à haute vitesse et ajuster les verres à fort grossissement pour capturer le point d'impact sous deux angles.
- Réglez la source de lumière 150 W fibre optique de parvenir à un fond uniformément éclairé pour une meilleure qualité de l'image (Figure 1). Mettez le système de contrôle à ce stade de faciliter l'ajustement de la caméra.
- Effectuer la routine auto-contrôle en cliquant sur le bouton 'auto-contrôle »dans le logiciel de contrôle pour se assurer que le système fonctionne comme prévu.
- Effectuer un test d'impact de jet
- Réglez la vitesse du disque à la valeur désirée avec le logiciel de contrôle de VFD (500-3'000 rpm).
- Pour effectuer un test, lancer la séquence expérimentale automatisé à partir du logiciel de commande en cliquant sur le bouton 'de séquence de test'. Le logiciel va déterminer les paramètres optimaux et coordonner automatiquement chaque composant du système pour effectuer le test en conséquence.
- Enregistrez la vidéo de test d'impact qui en résulte (voir, par exemple, la capture d'écran de la figure 2). Lire et la vitesse de surface du disque, la buse-pression et de la température à partir du logiciel de commande.
Remarque: Après chaque essai, une séquence de nettoyage de disque se exécute automatiquement pour rincer et sécher la surface du disque. Répéter le cycle de nettoyage en tant que nécessaire jusqu'à ce que tous les résidus de fluide d'essai a été retiré.
ATTENTION: Bien que les fluides de test avec la solution d'eau et de la glycérine peuvent être nettoyées avec la séquence de nettoyage, d'autres LFMs besoin d'être nettoyé avec des solvants organiques tels que l'acétone. Dans de tels cas, appliquer le matériau de nettoyage pour un tissu plutôt que le disque de pulvérisation directement.
- Analyse des données
- Préparer une feuille de calcul contenant des informations sur chaque condition d'essai (par exemple, les propriétés du fluide, la température ambiante, la rugosité de surface, etc.).
- Ouvrez les images jet d'impact enregistrés avec le logiciel de visualisation ciné, lire les enregistrements vidéo illimités à la normaleaccélérer et d'observer les comportements jet d'impact.
- Enregistrer les caractéristiques de comportement d'impact (splash / projections / dépôt; voir la figure 3) dans la feuille de prêts, enregistrant tous les tendances inhabituelles qui peuvent indiquer des complications avec l'expérimental.
- Enregistrer les résultats et conditions d'essai dans un tableur. Consigner les résultats notables et événements inhabituels dans le journal de test (par exemple, splash / dépôt points de seuil, des transitions splash / de dépôt, etc.). Enregistrer screenshots lorsque cela est nécessaire.
- Effectuer des mesures d'analyse d'images et d'enregistrer des données.
- Lancez l'outil de mesure de pixel à l'écran. Images collision ouverts et calibrer l'échelle de l'image en mesurant un micro-chef dans les images avec l'outil de mesure de pixel à l'écran (Figure 4).
- Dimensions de la mesure de l'intérêt (par exemple, la largeur lamelle de propagation, W et lamelles rayon de point de stagnation, R; voir la Figure 5) avec la mesure de pixel tOOL à un point où le jet semble être plus stable dans les données vidéo et enregistre la feuille de calcul préparée. Puis prendre un autre groupe de mesures 100 images après le premier groupe de mesures pour confirmer que tant le jet et la lamelle sont stables. points de données sur un graphe et complètent la courbe d'ajustement.
2. Air Cannon périphérique
- Identifier les conditions de test souhaités et préparer le matériel que dans l'étape 1.1 et l'étape 1.2.
- Performance d'expériences
- Alimenter le logiciel système de contrôle.
- Insérer le projectile dans le canon de canon. Déplacez le mécanisme d'arrêt près de la sortie du canon de saisir correctement le projectile après un test (Figure 6).
- Ouvrir la conduite d'air sous pression de construction menant au réservoir d'air. À pressuriser le réservoir entre 30 psi et 70 psi, en fonction de la vitesse du projectile souhaité. La pression du réservoir 30 psi donne une vitesse de projectile de l'ordre de 5m / sec, et 70 psi donne une vitesse d'environ 25 m / sec.
- Préparer le gaz comprimé pour accumulateur fermé fluide d'essai sous pression.
- Verser 3 kg de liquide d'essai dans l'orifice de fluide de l'accumulateur. Connectez tuyau de la vanne de gaz de l'accumulateur au liquide buse jet de pulvérisation, et régler la pression de l'accumulateur à un maximum de 300 psi.
- Fixez la caméra à la prise de ciseaux. Fixer le cric en ciseaux de la plate-forme positionnée à côté de la buse à jet de pulvérisation.
- Fixer la source de lumière de haute intensité à la plate-forme positionnée en face de la caméra et derrière la feuille de diffusion. Vérifiez l'éclairage et la caméra positionnement en utilisant la fonction de visualisation de la caméra vidéo de l'interface de configuration du logiciel, et ajuster le positionnement si nécessaire (figure 7).
- Mettez cache-oreilles pour se protéger du canon à air souffle sonore.
- Déverrouillez le panneau de commande de canon, et appuyez sur le bouton d'alerte sur le panneau de commande plusieurs fois pour signalerle début d'une expérience.
- Appuyez sur le bouton du panneau de commande qui ouvre l'électrovanne reliant le réservoir d'air avec le canon de canon à air.
- Après que le dispositif a été tiré et capturé le projectile, nettoyer l'appareil en l'essuyant avec de fluide et une éponge pour enlever fluide d'essai résiduelle nettoyage. Enfin, sécher la surface d'impact du projectile.
- Mesurer la vitesse du projectile dans la vidéo à grande vitesse enregistrée en mesurant la quantité de temps nécessaire pour que le projectile pour parcourir une distance fixe (10 cm). Analyser les données comme dans l'étape 1.5.
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Representative Results
Comme indiqué dans l'introduction, les trois principaux comportements associés à l'impact des jets de liquide sont dépôt, les éclaboussures et les éclaboussures. Ces comportements jet d'impact sont observées en utilisant des données vidéo enregistrées par les caméras de ciné à grande vitesse positionnés à différents points optiques. Exemples d'images fixes, obtenus à partir des enregistrements vidéo, qui représentent les trois résultats liquides de jet sont présentés dans la figure 3. Figure 3A représente dépôt de jet de liquide, dans lequel le jet se écoule dans un flux complètement droite et régulière vers la surface d'impact. Le jet adhère à la surface et reste à la surface pour le reste de l'expérience. Les figures 3B et 3C montrent des résultats moins optimaux dans lequel le jet de liquide ne adhère que partiellement à la surface d'impact, avec le reste du jet soit éclaboussures (figure 3B ) ou des éclaboussures (figure 3C) lors de l'impact.
jove_content "> Étant donné la nature relativement simple des données vidéo données, des résultats ambigus sont résultats hors du commun et reproductibles ont été obtenus à partir de deux dispositifs expérimentaux. Toutefois, dans des cas très rares qui impliquent généralement des conditions de rugosité de surface très lisse, la lamelle d'un jet de liquide courant peut interagir avec des gouttelettes ou des rugosités sur la surface de telle manière que l'amène à décoller de la surface d'impact (Figure 8). Dans des circonstances aussi inhabituelles, une petite perturbation de l'écoulement peut produire des irrégularités dans le jet, qui, lors de surface impaction devenir amplifié, ce qui provoque la réaction de se séparer de la surface pendant une longue période de temps (figure 9). Ces phénomènes rares se produisent généralement que pour des vitesses de surface élevées et pour des viscosités de fluide à jet intermédiaires (Re = 100 ~ 2500). La consistance de les résultats sont largement crédités sur l'utilisation d'un accumulateur de pression pour entraîner le liquide d'essai, qui, contrairement à une pompe, à un liquide propulse taux constant, produisant une action très lisse et donc un flux liquide très cohérente, uniforme et stable.En ce qui concerne les éclaboussures / caractéristiques de dépôt, les résultats montrent que pour les surfaces métalliques de hauteur de rugosité moyenne variant entre 0,01 um et 1 um, en diminuant la rugosité de surface rend le jet heurtant plus sensibles aux éclaboussures. Par exemple, la figure 3A et la figure 3C montrent impact dans des conditions de vitesse de jet et de surface similaires. Sur la figure 3A à jet dépôt se produit sur la surface, qui présente une profondeur de rugosité moyenne de 0,51 um, mais jet éclaboussure se produit lorsque la hauteur moyenne de rugosité est de 0,016 pm (Figure 3C). Cette dépendance de la rugosité est opposé à celui observé par Keshavarz et al. 10,11, qui a étudié impact beaucoup plus rugueux sur les surfaces, où la rugosité de surface est sensiblement plus grande que l'épaisseur de la lamelle.
_content "> Le seuil de démarrage est une fonction complexe de la vitesse du jet de liquide; diamètre de jet de liquide; viscosité du liquide, la densité et la tension superficielle, la vitesse de surface et la rugosité;. et les caractéristiques de l'air entourant Bien que certaines théories simples de démarrage ont été proposées 10-12, il ne existe actuellement aucune explication complète du phénomène. lamelles décollage, qui est habituellement un précurseur éclabousser 12, est considéré comme une fonction de la géométrie de la lamelle. Comme on le voit dans la figure 10, la géométrie de la lamelle est lui-même une fonction complexe de nombreuses variables, y compris les vitesses de jet et de surface et les propriétés physiques liquides.
Figure 1. Schéma de la configuration optique du dispositif de filature disque. Se il vous plaît cliquez ici to voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2. Capture d'écran de l'enregistrement vidéo typique. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3. Trois des régimes d'écoulement typique. (A) le dépôt, (B) les éclaboussures, (C) splash. Dans tous les cas le substrat se déplace de droite à gauche et le diamètre du jet est de 564 um. Les conditions de réaction et de substrat appropriées sont les suivantes: (A) V jet = 18,3 m / sec, substrat de V = 7,50 m / sec, jet μ = 0,0194 N · s / m 2, ρ = 1180 jetkg / m 3, jet σ = 0,0656 N / m, Re = 629 jet, Nous jet = 3,400; (B) réaction de V = 9,5 m / sec, substrat de V = 7,63 m / sec, jet μ = 0,0097 N · s / m 2, ρ jet = 998 kg / m 3, σ jet = 0,0717 N / m, Re jet = 552, Nous jet = 709; (C) à jet de V = 17,3 m / sec, substrat de V = 7,71 m / sec, jet μ = 0,0194 N · s / m 2, ρ jet = 1180 kg / m 3, σ jet = 0,0656 N / m, Re jet = 594, Nous jet = 3,040. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4. La mesure du diamètre du jet et lamelles géométrie avec un logiciel de traitement d'image. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 5. Planform vue schématique de l'impact des jets indiquant les dimensions de lamelles caractéristiques. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 6. canon Air de configuration mécanique. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 7. canon Air de configuration optique. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 8. Séquence Durée montrant la transition de dépôt à jet jet d'éclaboussures. Dans cette séquence, la transition est due à de très fines gouttelettes qui adhèrent au substrat sec autrement. Le substrat se déplace de droite à gauche à une vitesse de substrat V = 7,52 m / sec. Les conditions de jet sont: jet d'D = 564 um; V jet = 17,5 m / sec, jet μ = 0,0194 N · s / m 2, ρ = 1180 kg jet / m 3, σ jet = 0,0656 N / m, Re = 600 jet, Nous jet= 3110. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 9. Temps séquence montrant la transition de jet dépôt à jet éclaboussures. Dans cette séquence de la transition est causée par une petite bulle d'air dans le jet qui perturbe l'écoulement. Le substrat se déplace de droite à gauche à une vitesse de substrat V = 7,43 m / sec. Les conditions de jet sont: jet d'D = 564 um; V jet = 15,8 m / sec, jet μ = 0,0194 N · s / m 2, ρ = 1180 kg jet / m 3, σ = 0,0656 jet N / m, Re jet = 542, 2530 = Nous jet. Se il vous plaît cliquez ici pour agrandirde ce chiffre.
Figure 10. Lamelle largeur d'épandage de rapport de diamètre de jet, en fonction du nombre de Reynolds du substrat substrat. Le substrat vitesse V varie de 15 m / s à 60 m / sec, ce qui donne un nombre de Reynolds Re S de 75 à 300. Le jet conditions sont: jet d'D = 281 um; V jet = 14,6 m / sec, jet μ = 0,0701 N · s / m 2, ρ = 1220 kg jet / m 3, σ jet = 0,0640 N / m, Re jet = 71,4, Nous jet = 1,140.
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Discussion
Le projectile utilisé pour le canon à air set-up est composé de, une base en bois léger. Bien que les rognures de bois légèrement après de nombreux essais, il a été trouvé à absorber l'énergie cinétique de projectiles de manière plus efficace sont constitués de matières telles que le plastique ou le métal, qui ont tendance à se briser lors de l'impact du mécanisme d'arrêt. Les dimensions du projectile en bois sont conçus pour correspondre étroitement à l'intérieur du canon de l'acier, limitant ainsi les fuites d'air. Feuille 1/8 "d'épaisseur de caoutchouc fixé entre deux couches de contre-plaqué est fixé à l'arrière du projectile pour resserrer davantage le joint d'étanchéité autour de l'intérieur du canon. Les surfaces de choc métallique monté sur le dessus du projectile sont fixés comme trois plaques métalliques séparés de hauteurs différentes de rugosité, positionné 2,5 cm de distance, de sorte que le jet de liquide peut empiéter sur les trois surfaces dans une épreuve avec une interférence minimale. L'avant du projectile est formée en un nez aérodynamique avec une barbe sur ee inférieure du nez de sorte que le mécanisme d'arrêt, qui comporte un corps en aluminium lourd avec un mécanisme de verrouillage à l'intérieur, relie solidement au projectile lors de l'impact. Plutôt que d'être fixé en place, le mécanisme d'arrêt glisse vers l'arrière par environ 60 cm sur la capture du projectile. Cette fonction dissipe de l'énergie cinétique du projectile et empêche des dommages matériels.
La caméra de cinéma haut débit relié à l'appareil de canon à air visualise jet impaction sur la surface du projectile. Le capteur CMOS grand écran de l'appareil photo permet de capturer des images à des cadences très élevées et résolutions. A 1 kW, source de lumière à incandescence de haute intensité est utilisée pour éclairer le champ de vision, et une feuille de diffuseur de lumière est placée entre la source lumineuse et le point d'impact pour obtenir un fond uniformément éclairé. Deux caméras et sources de lumière sont installés sur l'appareil à disque en rotation pour obtenir des enregistrements vidéo à partir de plusieurs angles. Une caméra placée au-dessus de laPoint impact enregistre la vue de face de l'impact de jet, tandis que le second appareil photo enregistre une vue de côté. Les lentilles de caméra sont recouverts d'une feuille de film d'acétate pour éviter tout contact avec des liquides de test et de fournir une fenêtre de visualisation claire après chaque essai. La caméra à visée latérale est éclairée par une forte intensité, la source de lumière à fibre optique qui éclaire localement au site d'impact sans bloquer l'essieu. La caméra frontale vue est éclairé par une haute intensité, 100 W, 6700 Lumen tableau blanc LED équipé d'une lentille de collimation.
Les deux montages expérimentaux sont commandés électriquement par deux boîtiers de commande sur mesure. Le logiciel de commande sur mesure permet à l'utilisateur de générer et de collecter les signaux numériques et analogiques par l'intermédiaire d'un système d'acquisition de données USB à l'intérieur du boîtier de commande. Un contrôleur utilise ensuite ces signaux pour contrôler chaque composante de l'expérimental (caméra à haute vitesse, la lumière, buse, etc.).
L'ex décritexpérimental set-up est limitée en ce que deux machines distinctes ont été construits pour tester une large gamme de vitesses de surface. Le dispositif de canon à air ne peut être utilisé à des vitesses plus lentes car il est très difficile d'arrêter de façon non destructive un projectile se déplaçant à des vitesses supérieures à 25 m / s, dans l'espace limité d'un laboratoire. Avec le disque en rotation, il était à craindre que le mouvement de rotation du disque causerait forces centripètes associés sur le fluide, ce qui à son tour affecter la mécanique des fluides. Cette préoccupation se est avéré être injustifiée que les tests avec les mêmes conditions de jet et mêmes des vitesses de surface sur le canon à air (vitesse de surface linéaire) et le disque de filature a donné les caractéristiques d'impaction presque identiques. Le nombre maximum autorisé Reynolds est limitée par jet rupture liquide. Dans les expériences menées sur ces set-ups, un certain nombre de Reynolds de 1500 a été facilement atteint. vitesse du substrat sur la haute vitesse configuration est limitée par la capacité du moteur VFD (c.-à-pourriture maximaleational vitesse et la puissance maximale de sortie pour surmonter la traînée, l'inertie, etc.), à condition que le disque et l'arbre sont bien équilibrés.
Les dispositifs décrits diffèrent des techniques existantes qui examinent l'impact des jets de liquide à recevoir, dans l'étude de jet à grande vitesse de liquide impact sur les conditions de vitesse de surface élevées (25 à 100 m / sec) à l'aide de petits diamètres de buse de liquide de jet. Parce liquides processus jet d'impact qui se produisent sur les surfaces mobiles stationnaire et faible vitesse diffèrent considérablement de ceux associés à haute vitesse surfaces mobile par rapport à liquides modèles accumulation et la propagation, la technique décrite peut encore les connaissances existantes sur les liquides comportements jet d'impact vertu un plus large éventail de conditions. La priorité de la technique sur les processus splash, éclaboussures et de dépôt liés à l'impact des jets de liquide aborde également un manque de connaissances dans ce domaine, qui a déjà été préoccupé avec des motifs de transfert de chaleur. Comme liquidel'impact des jets sur un substrat est un problème fluide polyphasique très complexe mécanique qui pose de nombreuses voies possibles pour la recherche future, la technique décrite peut être utilisée pour de nombreuses applications techniques et industrielles telles que la fabrication de l'acier et à jet d'encre d'impression, de refroidissement, de chauffage et de revêtement revêtement.
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Disclosures
Les auteurs ne ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Le Conseil de recherches en génie du Canada (CRSNG) et LB Foster ferroviaires Technologies, Corp. sciences naturelles et soutenu conjointement cette recherche à travers le programme de recherche et développement coopérative du CRSNG 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) | |||
References
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