Visualisering av High Speed ​​Flytende Jet Impaction på en Moving Surface

Abstract

To innretninger for å undersøke væskestråle kontakt på en høyhastighets bevegelige flate er beskrevet: en luftkanon-enhet (for å undersøke overflatehastigheter mellom 0 og 25 m / sek) og en roterende disk anordning (for å undersøke overflatehastigheter mellom 15 og 100 m / sek). Luften kanon lineær traversen er en pneumatisk energi-drevet system som er utviklet for å akselerere en metallskinne utenpåliggende på toppen av et tre prosjektil. En trykksylinder utstyrt med en magnetventil frigjør hurtig trykksatt luft inn i sylinderen, å tvinge prosjektilet ned kanonen fat. Prosjektilet reiser under et sprøytemunnstykke, som treffer en væskestråle mot metall øvre flate, og at prosjektilet deretter treffer en stoppmekanisme. Et kamera registrerer stråleanslags, og en trykkomformer registrerer sprøytedysen mottrykk. Spinning disk oppsett består av en stål disk som når hastigheter på 500 til 3000 rpm via en frekvensomformer (VFD) motor. En spray system siMilar til den av luftkanon genererer en væskestråle som støter mot den roterende skive, og kameraer plassert på flere optiske aksesspunkter posten stråleanslags. Videoopptak av jet impingement prosesser blir registrert og undersøkt for å finne ut om utfallet av impingement er splash, splatter, eller deponering. Apparatene er den første som involverer høy hastighet impingement av lave Reynolds-tall væskestråler med høy hastighet på bevegelige flater. I tillegg til sine rail industri applikasjoner, kan den beskrevne teknikken brukes til tekniske og industrielle formål som for eksempel produksjon av stål og kan være relevant for høyhastighets 3D-utskrift.

Introduction

Denne forskningen har som mål å finne ut strategier for å bruke LFM (Liquid Friction Modifier) ​​i flytende jet skjema på et bevegelig underlag mens oppnå høy grad av overføringseffektivitet og enhetlig deponering resultater. Å nå dette målet innebærer å utvikle en helhetlig forståelse av faktorer som påvirker væske jet impingement på bevegelige flater.

Prosjektet er motivert av et behov for å effektivisere smøre søknad teknikker som brukes i jernbanesektoren. Som et middel for å redusere drivstofforbruket og lokomotivvedlikeholdskostnader, en tynn film av friksjonsmodifiserende middel blir nå påført på den øvre overflate av skinnen konvensjonelle jernbanespor. Nyere studier har vist at bruk av en type vannbasert LFM for toppen av skinnen (TOR) friksjon kontroll redusert energiforbruk kan med 6% og jernbane og hjul flens slites av i overkant av 50% ^1,2. Andre studier har vist at bruk av LFM til rail spor reduseres lateral kraft og støynivåer, så vel som, enda viktigere, spor korrugering og skader fra rullekontakt tretthet, noe som er en vesentlig årsak til avsporinger ^3,4. Disse resultatene ble ytterligere bekreftet i felttester på Tokyo subway system ^5.

LFMs er for tiden utlevert fra luftblåse atomizers knyttet til dusinvis av lokomotiver hele Canada og USA. I denne formen for programmet, LFM brukes på toppen av jernbanesporene ved atomizers montert under flytting jernbanevogner. Denne modusen for LFM programmet er vanskelig å gjennomføre på mange jernbane lokomotiver fordi det kreves høy-volum og høyt trykk luft rekvisitanivåene ikke kan være oppnåelige. Luft-blast spraydyser er også antatt å produsere svært uregelmessig rail dekning når operert i sidevind, som vind forårsake fin spray dråper til å avvike fra sin opprinnelige bane. Sidevind er også kjent for å være innblandet i dysen begroing, sannsynligvis for det sammegrunn. På grunn av problemer knyttet til luftblåse atomizers, er jernbanesektoren for tiden søker alternative tilnærminger til LFM program på skinner. En mulig løsning omfatter utleverings LFM ved hjelp av en kontinuerlig (ikke-forstøvet) væskestråle, som væskestråler er mindre utsatt for sidevind effekter på grunn av deres lavere motstand-til-treghetsforhold. I tillegg, fordi de høye lufttrykket og volumnivåer som trengs for forstøvningsdyser ikke er pålagt i likvide jet spray teknologi, sistnevnte fungerer som mer strømlinjeformet og robust sprøyting mekanismene som opprettholder effektiv kontroll over frekvensen av LFM søknad.

Et område av tilsvarende fysikk, dråpe impingement, har blitt studert intenst. Det ble funnet av flere forskere som for dråpekontakt på et bevegelig tørr glatt overflate, spruting oppførsel er avhengig av mange parametere inkludert viskositet, tetthet, overflatespenning og normalkomponenten av støthastigheten ^14,15. Bird 16. Range et al., Og Crooks et al., Har vist at for dråpekontakt på en stasjonær tørr overflate, overflateruhet senker sprutgrensen vesentlig (dvs. gjør den dråpe mer tilbøyelig til å sprute) ^17,18.

Til tross for sin praktisk betydning, har jet impingement på bevegelige flater fått liten oppmerksomhet i den akademiske litteraturen. Chiu-Webster og Lister utført en omfattende serie eksperimenter som undersøkte jevn og ustø tyktflytende jet impingement på en overflate i bevegelse, og forfatterne utviklet en modell for jevn flyt sak ^6. Hlod et al. Modellert strømmen ved hjelp av en tredje ordens ODE på et domene av ukjent lengde under en ekstra integrert tilstand og sammenlignet spådd konfigurasjoner med eksperimentelle resultater ^7. Imidlertid er Reynolds-tall undersøkti begge disse studiene er mye lavere enn de som er assosiert med typiske anvendelser av LFM. Gradeck et al. Tallmessig og eksperimentelt undersøkt strømningsfeltet i vannstråleanslags på et bevegelig substrat under forskjellige strålehastighet, overflatehastighet, og en dyse med diameter ⁸ forhold. Fujimoto et al. I tillegg undersøkt strømningskarakteristikker av en sirkulær vannstråle som støter mot et bevegelig substrat dekket av en tynn film av vann ^9. Men disse to prosjekter brukt relativt store dysediameter og nedre overflaten og strålehastigheter sammenlignet med de som anvendes i det foreliggende arbeid. Videre, selv om tidligere eksperimentelle, numeriske og analytiske studier gir en stor mengde data, har de fleste fokusert på varmeoverføringsparametre snarere enn på flytende strømningsprosesser som jet sprut atferd. Den eksperimentelle metoden fastsatt i denne forskningen bidrar dermed til flytende jet applikasjons teknologier av refining slike teknikker under forhold som involverer mindre jet dysediameter og høyhastighets jet og overflatehastigheter. Den nåværende metoden foredler også kunnskap om grunnleggende fluidmekanikk problemer forbundet med å flytte kontaktlinjer.

Studiene som er nevnt ovenfor er generelt involvert i vekselvirkningen mellom en lav hastighet stråle med en lav hastighet bevegelige flate. Det har vært relativt få studier av laminær høy hastighet jet impingement på høyhastighets bevegelige overflater. Under høyhastighets væskestråle else jet væsken sprer seg radialt i nærheten av anslags plassering, danner en tynn lamell. Denne lamell blir deretter konveksjons- nedstrøms av det viskøse pådrivet pålagt av den bevegelige flate, gir en karakteristisk U-formede lameller. Keshavarz et al. Har rapportert på eksperimenter ansette Newtons og elastiske væskestråler som treffer på høyhastighets overflater. De klassifiseres impingement prosesser i to forskjellige typer: "deponering &# 8221; og "splash" ^10. For anslags å bli klassifisert som avsetning, må strålen væske fester seg til overflaten, mens sprut er kjennetegnet ved en væskelamell som skiller fra overflaten, og deretter brytes opp i dråper. En tredje impingement regimet har også blitt beskrevet - "splatter". I dette forholdsvis sjeldne, regime lamellen forblir festet til overflaten, som for "avsetning", men fine dråper som slynges ut fra i nærheten av den fremre kant av lamellen. I en etterfølgende undersøkelse av ikke-newtonske fluid effekter, Keshavarz et al., Konkluderte med at sprut / avsetningsterskel er i hovedsak bestemt av Reynolds tall og Deborah, mens stråleanslagsvinkel og strålehastighet til overflaten hastighetsforhold bare har en liten virkning ¹¹ . I forsøk utført under variable omgivelses lufttrykk, Moulson et al. Oppdaget at splash / deponering terskel Reynolds tall dramatiskøker med minkomgivelseslufttrykket (dvs. høyere omgivelsestrykk gjøre jets mer tilbøyelige til å sprute), samtidig redusere omgivelseslufttrykket under en viss terskel undertrykker splash helt ^12. Dette funnet tyder på at aerodynamiske krefter som virker på lamellen spille en avgjørende rolle i å forårsake lamell lift-off og påfølgende plask. I nyere arbeid med høyhastighets impingement på en high-speed substrat, Sterling viste at for underlaget fart og jet forhold nær splash terskelen, kan splash utløses av veldig små lokaliserte overflateruhet og mindre jet ustøhet. Han viste også at under disse forholdene lamell lift-off og reattachment er en stokastisk prosess ^13.

Den eksperimentelle protokollen beskrevet her, kan brukes til å studere andre fysiske situasjoner som involverer interaksjon av et fluid med et bevegelig høy hastighet overflate. For eksempel kan den samme tilnærmingen brukes til å studere helikopter blade-virvel interaksjon (forutsatt at virvelfluid ble farget med sporstoffpartikler) og robot sprøyting av flater.

Protocol

1. Spinning Disk Device

1. Identifisere ønskede testbetingelser og testforhold posten i en tabell (for eksempel omgivelsestemperatur, fluidegenskaper, jet og overflatehastighet, etc.).
2. Utarbeidelse av materialer
   1. Forberede glyserin-vann eller PEO-glyserin-vannløsninger for impingement tester.
      1. I tilfelle av PEO-glycerin-vannprøver, gradvis oppløses 4,5 g PEO-pulver (viskositets-gjennomsnittlig molekylvekter på én million og fire millioner) til 1495,5 g destillert vann under forsiktig magnetisk omrøring over en 24 timers periode. Unngå overdrevet propaganderte PEO prøve å hindre mekanisk nedbrytning.
      2. Tilsett 1,5 kg USP kvalitet glyserin til den vandige PEO-løsning over en 24 timers periode for å oppnå en vandig oppløsning av 0,15% PEO-konsentrasjon og 50% glycerol konsentrasjon.
   2. Lagre test væsker hver for seg i lufttett lukket emballasje i henhold til RT før og etter hver test for å minimere fordampning, vannabsorpsjon fra omgivende luft og forurensninger. Karakterisere og sprut væske i løpet av fem dager med forberedelser.
3. Utførelse av Experiments
   1. Sørg for at den roterende disk luft lagerets lufttilførsel ventilen er åpen og Trykkmåleren er i riktig arbeidsområde (60-80 psig). Klart noe som kan vanskeliggjøre disken bevegelse og slår disken for hånd i begge retninger fem rotasjoner å sjekke for eventuelle problemer med disken og lagrene.
   2. Ren og sikre den komprimerte gassen stengt akkumulator for test væske trykksetting. Hell 3 kg av prøvevæske inn i fluidåpning av 1-gallon akkumulator.
   3. Koble gassporten i akkumulatoren til nitrogentanken via en trykkregulator. Koble fluidport av akkumulatoren til strålemunnstykket.
4. Sett opp kontrollsystem og høyhastighets bildesystem.
   1. Start spinnende disk kontroll programvare og VFD kontrollprogramvare.Posisjon to høyhastighets cine kameraer 35 cm fra treffpunktet og justere de høye forstørrelses å fange treffpunktet fra to vinkler.
   2. Justere 150 W fiberoptisk lyskilde for å oppnå en jevnt opplyst bakgrunn for best mulig bildekvalitet (figur 1). Strøm på styresystemet på dette punktet for å lette justering av kameraet.
   3. Utfør selvtest rutine ved å klikke "Self-sjekk" -knappen i kontroll programvare for å sikre at systemet fungerer som forventet.
5. Utfør en jet impingement test
   1. Still disk hastighet til ønsket verdi med VFD kontroll programvare (500-3,000 rpm).
   2. Å utføre en test, lansere den automatiserte eksperimentell sekvens fra kontrollprogramvare ved å klikke på 'Test sekvens "-knappen. Programvaren vil bestemme de optimale parametere automatisk og koordinere hver komponent i systemet til å utføre testen tilsvarende.
   3. Lagre den resulterende impingement test video (se for eksempel skjermbildet i figur 2). Lese og spille overflaten hastighet, dysen tilbake trykk og temperatur fra kontrollprogramvare.
      Merk: Etter hver test, kjører en disk rengjøringssekvensen automatisk å skylle og tørke diskoverflaten. Gjenta rengjøringssyklusen som nødvendig til alle testvæske rester er fjernet.
      FORSIKTIG: Mens vann og glyserin løsning testfluider kan rengjøres med rengjøringssekvensen, andre LFMs må rengjøres med organiske løsemidler som aceton. I slike tilfeller gjelder rensemateriale til et stoff i stedet for å sprøyte disken direkte.
6. Data Analysis
   1. Forberede et regneark som inneholder informasjon om hver test tilstand (f.eks, fluidegenskaper, omgivelsestemperatur, overflateruhet, etc.).
   2. Åpner de innspilte jet impingement bilder med cine visningsprogramvare, spille fulle videoopptak på normalfart og observere jet impingement atferd.
   3. Rekord impingement adferdstrekk (splash / sprut / deponering, se figur 3) i den utarbeidede regneark, logging eventuelle uvanlige trender som kan tyde på komplikasjoner med den eksperimentelle oppsett.
   4. Lagre testresultater og betingelser i et regneark. Rekord bemerkelsesverdige funn og uvanlige forekomster i testlogg (f.eks sprut / deponering terskel punkt, splash / deponering overganger, etc.). Lagre skjerm når det er nødvendig.
   5. Gjennomføre bildeanalyse målinger og registrere data.
      1. Start på skjermen pixel måleverktøy. Åpne impingement bilder og kalibrere bildeskalaen ved å måle en mikro-linjal i bildene med på skjermen pixel måleverktøy (figur 4).
      2. Måle dimensjoner av interesse (f.eks lamell spredning bredde, W, og lamell stagnasjonspunkt radius, R, se figur 5) med pikselmåle tool ved et punkt hvor strålen synes å være mest stabile i video og registrere data på den preparerte arket. Så annen gruppe av målinger 100 rammer etter den første gruppen av målinger for å bekrefte at både strålen og lamellen er stabile. Plot datapunkter på en graf og fullføre kurvetilpasning.

2. Air Cannon Device

1. Identifisere ønskede testbetingelser og forberede materialer som i trinn 1.1 og trinn 1.2.
2. Utførelse av Experiments
   1. Slå på systemet-kontroll programvare.
   2. Sett prosjektilet inn kanonen fat. Stoppmekanismen nær sylinderen utgang til riktig fange prosjektilet etter en test (figur 6).
   3. Åpne trykk bygningen luftledningen som fører til lufttanken. Trykksette tanken til mellom 30 kPa og 70 kPa, avhengig av den ønskede prosjektilhastigheten. 30 psi tank trykk gir et prosjektil hastighet på rundt 5m / sek, og 70 psi gir en hastighet på omkring 25 m / sek.
   4. Forberede den komprimerte gassen lukket akkumulator for test væske trykksetting.
      1. Hell 3 kg av prøvevæske inn i fluidport av akkumulatoren. Koble slangen fra akkumulatoren gassventilen til den flytende jet spray munnstykke, og sette akkumulatortrykket til opp til 300 kPa.
   5. Fest kameraet til sakse jack. Fest sakse jack til plattformen plassert ved siden av jet spray munnstykke.
   6. Sikre høy intensitet lyskilde til plattformen plassert over fra kameraet og bak spredningen arket. Kontroller belysning og kamera posisjonering ved hjelp av videokameraet visning funksjon av programvare kontrollgrensesnitt, og justere plassering etter behov (figur 7).
   7. Sett på øreklokker for beskyttelse fra luftkanoner lyd blast.
   8. Lås opp kanonen kontrollpanelet, og trykk på varselknappen på kontrollpanelet flere ganger å signalstarten av et eksperiment.
   9. Hit knapp på kontrollpanelet som åpner magnetventilen som forbinder luft tank med luftkanoner fat.
   10. Etter at apparatet har blitt sparket og prosjektilet fanget, rengjøre enheten ved å tørke den med rensevæske og en svamp for å fjerne rester av testvæske. Til slutt tørkes anslagsflaten av prosjektilet.
3. Måle hastigheten av prosjektilet i det innspilte høyhastighets video ved å måle tiden det tar for prosjektilet å reise en fast (10 cm) avstand. Analysere data som i trinn 1.5.

Representative Results

Som omtalt i den innledende delen, de tre viktigste atferd assosiert med væske jet impingement er deponering, splatter og plask. Disse jet impingement atferd er observert ved bruk av videodata registrert av høyhastighets cine kameraer plassert på ulike optiske poeng. Eksempler på stillbilder, oppnådd fra videoopptak, som viser de tre væskestråle resultater er vist i figur 3. Fig. 3A viser væskestråleavsetning, hvor strålen strømmer i en helt rett og jevn strøm mot anslagsflaten. Strålen fester seg til overflaten og forblir på overflaten for resten av forsøket. Figurene 3B og 3C viser mindre optimale resultater hvor væskestrålen bare delvis fester seg til anslagsflaten, mens resten av strålen enten spruting (Figur 3B ) eller sprut (Figur 3C) ved støt.

jove_content "> Gitt den ganske grei karakter av de gitte videodata, tvetydige resultater er uvanlig og repeterbare resultater er hentet fra både eksperimentelle enheter. Men i svært sjeldne tilfeller som vanligvis involverer svært glatte overflateruhet forhold, lamellen av en væskestråle strøm kan samhandle med dråper eller ujevnheter på overflaten på en slik måte som får den til å løfte av fra anslagsflaten (figur 8). I like uvanlige omstendigheter, kan en liten forstyrrelse i strømmen frembringe uregelmessigheter i strålen, som ved overflaten else blir forsterket, slik at strålen til å skille seg fra overflaten i en lang periode (figur 9). Disse sjeldne fenomener oppstår vanligvis bare for høye hastigheter overflate og for mellomliggende stråle fluid viskositeter (Re = 100 ~ 2500). Konsistensen Resultatene er i stor grad kreditert til bruken av en trykkakkumulator for å drive prøvevæske, som, i motsetning til en pumpe, driver væske ved en konstant hastighet, fremstilling av en meget jevn virkning og dermed en meget ensartet, jevn og stabil væskestrøm.

Med hensyn til å sprute / avsetningsegenskaper, viser resultatene at for metalloverflater av gjennomsnittlig ruhet høyder som varierer mellom 0,01 um og en mikrometer, redusere overflateruheten gir den treffer strålen mer utsatt for sprut. For eksempel, figur 3A og Figur 3C viser impingement under lignende jet og overflatehastighetsforhold. I figur 3A skjer jet-avleiring på overflaten, som har en gjennomsnittlig ruhet høyde på 0,51 um, men jet sprut oppstår når gjennomsnittlig ruhet høyde er 0,016 um (figur 3C). Denne avhengigheten av ruhet er motsatt av det som er observert ved Keshavarz et al. ^10,11, som studerte impingement på mye grovere overflater, der overflateruhet er betydelig større enn den lamell tykkelse.

_content "> Terskelen for sprut er en kompleks funksjon av væskestrålehastighet, væskestråle diameter, flytende viskositet, tetthet og overflatespenning, overflatehastigheten og ruhet;. og de omkringliggende luft egenskaper Selv om noen enkle teorier sprut er blitt foreslått ^10-12, er det i dag ingen fullstendig forklaring på fenomenet. lamell liftoff, som vanligvis er en forløper til sprut ^12, antas å være en funksjon av lameller geometri. Som det sees i figur 10, er lamellen geometri i seg selv en kompleks funksjon av mange variabler, inkludert jet og overflatehastigheter og flytende fysikalske egenskaper.

Figur 1. Skjematisk av optisk konfigurasjon av spinnende disk enhet. Vennligst klikk her to se en større versjon av dette tallet.

Figur 2. Skjermbilde av typisk videoopptak. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3. Tre typiske strømningsregimer. (A) avleiring, (B) splatter, (C) sprut. I alle tilfeller substratet beveger seg fra høyre til venstre og strålediameteren er 564 um. De relevante jet og underlaget forholdene er: (A) V _jet = 18,3 m / sek, V _underlaget = 7.50 m / sek, μ _jet = 0,0194 N · sek / m ^2, ρ _jet = 1180kg / m ^3, σ _jet = 0,0656 N / m, Re _jet = 629, Vi _jet = 3400; (B) V _jet = 9,5 m / sek, V _underlaget = 7.63 m / sek, μ _jet = 0,0097 N · sek / m ^2, ρ _jet = 998 kg / m ^3, σ _jet = 0,0717 N / m, Re _jet = 552, Vi _jet = 709; (C) V _jet = 17,3 m / sek, V _underlaget = 7.71 m / sek, μ _jet = 0,0194 N · sek / m ^2, ρ _jet = 1180 kg / m ^3, σ _jet = 0,0656 N / m, Re _jet = 594, Vi _jet = 3040. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4. Måling av jet diameter og lamell geometry med bildebehandling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5., plan utsikt skjematisk av jet impingement viser karakteristiske lamell dimensjoner. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6. Air kanon mekanisk konfigurasjon. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7. Air kanon optisk konfigurasjon. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8. Tid sekvens som viser overgangen fra jet avsetning til jet sprut. I denne sekvensen overgangen er forårsaket av svært fine dråper følger til ellers tørt underlag. Underlaget beveger seg fra høyre til venstre med en hastighet V _substrat = 7,52 m / sek. Jet forholdene er: D _jet = 564 mikrometer; V _jet = 17,5 m / sek, μ _jet = 0,0194 N · sek / m ^2, ρ _jet = 1180 kg / m ^3, σ _jet = 0,0656 N / m, Re _jet = 600, Vi _jet= 3110. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9. Tids sekvens som viser overgangen fra stråleavsetning til jet sprut. I denne sekvensen overgangen er forårsaket av en liten luftboble i den stråle som perturbs strømmen. Underlaget beveger seg fra høyre til venstre med en hastighet V _substrat = 7.43 m / sek. Jet forholdene er: D _jet = 564 mikrometer; V _jet = 15,8 m / sek, μ _jet = 0,0194 N · sek / m ^2, ρ _jet = 1180 kg / m ^3, σ _jet = 0,0656 N / m, Re _jet = 542, Vi _jet = 2530. Klikk her for å se en større versjonav denne figur.

Figur 10. lamell spredning bredde jet diameterforhold, som en funksjon av Reynolds tall på substratet. Substratet hastighet V _substratet er varierte fra 15 m / sek til 60 m / sek, noe som gir et Reynolds tall Re _S fra 75 til 300. Strålen forholdene er: D _jet = 281 mikrometer; V _jet = 14,6 m / sek, μ _jet = 0,0701 N · sek / m ^2, ρ _jet = 1220 kg / m ^3, σ _jet = 0,0640 N / m, Re _jet = 71,4, Vi _jet = 1,140.

Discussion

Prosjektilet som brukes for luftkanon oppsett består av en lett, tre base. Selv trematerialet chips noe etter tallrike tester, er det blitt funnet å absorbere kinetisk energi mer effektivt enn prosjektiler sammensatt av materialer som for eksempel plast eller metall, som har tendens til å smuldre opp ved støt mot stoppemekanismen. Dimensjonene av tre prosjektilet er utformet for å være svært lik den innvendige stålfatet, og dermed begrense luftlekkasje. En 1/8 "tykk gummiplate festet mellom to lag av kryssfiner er festet til baksiden av prosjektilet for å stramme tetningen rundt innsiden av sylinderen videre. De metallanslagsflater som er montert på toppen av prosjektilet er festet som tre separate metallplater av forskjellig ruhet høyder, plassert 2,5 cm fra hverandre, slik at væskestrålen kan støte mot alle tre flater i en test med minimal forstyrrelse. Fronten av prosjektilet blir formet til en aerodynamisk nese med en mothake på the bunnen av nesen, slik at stoppemekanismen, som har en tung aluminium med en låsemekanisme på innsiden, kobles fast til prosjektilet ved anslag. Snarere enn å være fast på plass, glir stoppemekanismen bakover med om lag 60 cm på å fange prosjektilet. Denne funksjonen avgir kinetisk energi fra prosjektilet og hindrer skade på materiell.

Høyhastighets smalfilm kamera festet til luftkanoner enhet visualiserer jet else på prosjektilet overflaten. Kameraets widescreen-CMOS-sensor gjør det mulig å ta bilder med ekstremt høy bildefrekvens og resolusjoner. A 1 kW, med høy intensitet glødelys kilde benyttes til å belyse synsfelt, og en lett diffusor ark er plassert mellom lyskilden og treffpunktet for å oppnå en jevnt opplyst bakgrunn. To kameraer og lyskilder er installert på de spinnende disk enhet for å fange video-opptak fra mer enn én vinkel. Ett kamera plassert overtreffpunktet registrerer forfra jet impingement, mens det andre kameraet registrerer en side-visning. De kameralinser er dekket med et ark av film-acetat for å forhindre kontakt med testvæsker, og for å gi en klar visningsvinduet etter hver test. Den sideKameraet er opplyst av en høy intensitet, fiberoptisk lyskilde som lokalt belyser impingement nettstedet uten å blokkere aksel. Frontkameraet er opplyst av en høy intensitet, 100 W, 6700 Lumen hvite LED matrise utstyrt med en kollimeringslinsen.

De to eksperimentelle oppsett styres elektrisk ved to spesialbygde kontrollbokser. Den spesialbygde kontrollprogramvare gjør det mulig for brukeren å generere og samle digitale og analoge signaler via en USB-DAQ system inne i kontrollboksen. En kontroller deretter benytter disse signalene for å kontrollere hver komponent av den eksperimentelle oppsett (high-speed kamera, lys, dyse, etc.).

Den beskrevne experimental set-up er begrenset ved at to separate maskiner ble bygget for å teste et bredt spekter av overflate hastigheter. Luften kanon Enheten kan bare brukes ved lavere hastigheter fordi det er veldig vanskelig å stoppe ikke-destruktiv et prosjektil beveger seg i en hastighet høyere enn 25 m / sek, innenfor den begrensede plassen på et laboratorium. Med den roterende disk var det bekymring for at den roterende bevegelse av skiven ville forårsake tilhørende sentripetale krefter på væsken, som i sin tur vil påvirke fluidmekanikk. Denne bekymringen viste seg å være uberettiget som testing med de samme jet forhold og samme overflate hastigheter på lufta kanon (lineær overflatehastighet) og spinning disk ga nesten identiske else egenskaper. Den maksimalt tillatte Reynolds tall er begrenset av væskestråle bruddet. I forsøkene utført på følgende oppsett, ble et Reynolds-tall på 1500 lett tilgjengelig. Substrat hastighet på høy hastighet oppsett er begrenset av kapasiteten til VFD motor (dvs. maksimal råteelle hastighet og maksimal utgangseffekt for å overvinne luftmotstand, treghet, etc.), forutsatt at skiven og akselen er godt balansert.

De beskrevne apparater skiller seg fra eksisterende teknikker som undersøker flytende jet impingement i at imøtekomme de studiet av high-speed væske jet impingement over høy overflatehastigheten (25-100 m / sek) ved hjelp av små flytende jet dysediameter. Fordi flytende jet impingement prosesser som skjer på stasjonære og lav hastighet bevegelige flater avvike vesentlig fra de som er forbundet med høy hastighet bevegelige overflater med hensyn til flytende oppbygging og spredt mønstre, kan den beskrevne teknikken ytterligere eksisterende kunnskap på flytende jet impingement atferd i henhold et bredere spekter av forhold. Teknikken fokus på splash, splatter og deponering prosesser knyttet til flytende jet impingement tar også en kunnskapskløft i dette området, som tidligere har vært opptatt med varmeoverføringsmønstre. Som væskejet impingement på et substrat er en svært komplisert multifasefluidet mekanikk problem som utgjør mange mulige veier for framtidig forskning, kan den beskrevne teknikken brukes til en rekke tekniske og industrielle applikasjoner som stålverk og blekk jet utskrift, kjøling, oppvarming og overflate belegg.

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)