Name: visualization of high speed liquid jet impaction on a moving surface
Uploaded: 2015-04-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 34 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface at JoVE.com

מדעי הטבע והנדסת מועצת המחקר של קנדה (NSERC) וLB פוסטר Rail טכנולוגיות, חברה במשותף תמכו במחקר הזה באמצעות תכנית NSERC שיתופי המחקר ופיתוח גרנט.

התקן דיסק 1. ספינינג <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לזהות תנאי בדיקה רצויים ותנאי בדיקת שיא בטבלה (למשל, מהירות טמפרטורת הסביבה, תכונות נוזלים, סילון ופני שטח, וכו &#39;). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנה של חומרים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן פתרונות גליצרין-מים או PEO-גליצרין-מים לבדיקות הפגיעה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> במקרה של בדיקות PEO-גליצרין-מים, מתמוסס בהדרגה, 4.5 גרם של אבקת PEO (משקולות מולקולריות צמיגות-הממוצעת של מיליון וארבעה מ&#39;) ל1,495.5 גרם של מים מזוקקים תחת בחישה מגנטית עדינה פני תקופה של 24 שעות. הימנע מוגזם התססה מדגם PEO כדי למנוע השפלה מכאנית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מוסיף בהדרגה 1.5 קילוגרם של גליצרין כיתה USP לפתרון PEO המימי פני תקופה של 24 שעות כדי להגיע לפתרון המימי של 0.15% ריכוז PEO ו -50% ריכוז גליצרין. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אחסן את נוזלי בדיקה בנפרד במיכלים אטומים תחת RT לפני ואחרי כל בדיקה למיניאידוי מייז, ספיגת מים מאוויר וזיהום סביבה. לאפיין ותרססו נוזלים בתוך חמישה ימים של הכנה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ביצועים של ניסויים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ודא שסתום אספקת האוויר של נושאות אוויר הדיסק מסתובב פתוח וקריאת מד לחץ היא בטווח הנכון העבודה (60-80 psig). דבר ברור שעלולים להפריע לתנועת הדיסק ולהפוך את הדיסק ביד בשני הכיוונים 5 סיבובים כדי לבדוק בעיות עם הדיסק ומסבים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגז הדחוס הנקי ובטוח סגור מצברים לשמירת לחץ בדיקת נוזל. יוצקים 3 קילוגרם של נוזל בדיקה ליציאת נוזלים ממצברי 1 ליטר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את יציאת הגז של מצברים למכל החנקן באמצעות ווסת לחץ. חבר את יציאת נוזלים של מצברים לזרבובית תרסיס סילון. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערכת הדמיה במהירות גבוהה מערכת בקרה שהוקמה ו. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את תוכנת שליטת הדיסק מסתובב ותוכנת שליטת VFD.עמדת שתי מצלמות מהירות גבוהה cine 35 סנטימטרים מנקודת הפגיעה ולהתאים את העדשות בהגדלה גבוהות כדי ללכוד את נקודת הפגיעה משתי זוויות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את מקור אור 150 W סיבים האופטיים כדי להשיג רקע מואר באופן שווה לאיכות תמונה הטובה ביותר (איור 1). הפעל את מערכת השליטה בשלב זה כדי להקל על התאמת מצלמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בצע את שגרת בדיקה העצמית על ידי לחיצה על כפתור &quot;עצמי לבדוק&quot; בתוכנת הבקרה כדי לוודא שהמערכת פועלת כצפוי. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבצע בדיקת פגיעה מטוס <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קבע את מהירות הדיסק לערך הרצוי עם תוכנת שליטת VFD (500-3,000 סל&quot;ד). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדי לבצע בדיקה, להפעיל את הרצף הניסיוני האוטומטי מהתוכנה השליטה על ידי לחיצה על הכפתור &quot;רצף מבחן&quot;. התוכנה תקבע את הפרמטרים אופטימליים באופן אוטומטי ולתאם כל רכיב של המערכת לבצע את הבדיקה בהתאם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שמור את וידאו מבחן פגיעה כתוצאה (ראה, למשל, צילום המסך באיור 2). קראו ומהירות משטח שיא, זרבובית בחזרה לחץ וטמפרטורה מהתוכנה השליטה. הערה: לאחר כל בדיקה, רצף ניקוי דיסק פועל באופן אוטומטי כדי לשטוף ולייבש את פני השטח הדיסק. חזור על פעולת הניקוי צריך, עד שכל שאריות בדיקת הנוזל הוסרו. זהירות: בעוד נוזלי מבחן פתרון מים וגליצרין ניתן לנקות עם רצף הניקוי, LFMs אחר צריכה לנקות עם ממסים אורגניים כגון אצטון. במקרים כאלה, להחיל את חומר הניקוי לבד ולא ריסוס הדיסק ישירות. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ניתוח נתונים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן גיליון אלקטרוני המכיל מידע על כל תנאי מבחן (לדוגמא, מאפייני נוזל, טמפרטורת הסביבה, חספוס פני השטח, וכו &#39;). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פתח את תמונות פגיעה מטוס נרשמו עם תוכנת הצפייה cine, לשחק הקלטות וידאו מלאים בנורמלילהאיץ ולבחון התנהגויות פגיעה מטוס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מאפייני פגיעה התנהגות שיא (פתיחה / ניתזים / בתצהיר; ראו איור 3) בגיליון האלקטרוני מוכן, כניסה כל מגמות חריגות שעשוי להצביע על סיבוכים עם הסט-אפ ניסיוני. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שמירת תוצאות בדיקה ותנאים בגיליון אלקטרוני. ממצאי שיא בולטים וחריג ביומן בדיקה (לדוגמא, נקודת סף סנסציה / בתצהיר, מעברי פתיחה / בתצהיר, וכו &#39;). לשמור צילומי מסך בעת צורך. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לנהל מדידות ניתוח תמונה ונתונים שיא. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את כלי מדידת פיקסל על המסך. תמונות פגיעה פתוחות, ולכייל את קנה המידה של תמונה על ידי מדידת מיקרו-שליט בתמונות עם כלי המדידה על מסך פיקסל (איור 4). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ממדי מידה של עניין (למשל, רוחב lamella התפשטות, W, ורדיוס lamella נקודת קיפאון, R; ראה איור 5) עם t מדידת פיקסלOOL בנקודה שבה המטוס נראה יציב ביותר בנתוני וידאו ולהקליט בגיליון האלקטרוני מוכן. אז קח עוד קבוצה של מדידות 100 פריימים אחרי הקבוצה הראשונה של מדידות כדי לוודא ששני הסילון וlamella יציבים. נקודות נתונים עלילה על גרף ולהשלים את העקומה הולמת. </li></ol></li></ol></li></ol> 2. מיזוג קנון התקן <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לזהות תנאי בדיקה רצויים ולהכין חומרים כמו בשלב 1.1 ושלב 1.2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ביצועים של ניסויים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שלטון את תוכנת מערכת בקרה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את הקליע לקנה התותח. הזז את מנגנון התחנה קרוב ליציאת החבית כדי ללכוד את הקליע כראוי לאחר בדיקה (איור 6). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פתח את קו אוויר בניין בלחץ מוביל למכל האוויר. חצים על הטנק בין 30 psi ו -70 psi, תלוי במהירות הקליע הרצויה. לחץ טנק psi 30 נותן מהירות קליע של כ 5מ &#39;/ שנייה, ו -70 psi נותן מהירות של כ -25 מ&#39; / שנייה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן את מצברים סגורים גז הדחוס לשמירת לחץ בדיקת נוזל. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים 3 קילוגרם של נוזל בדיקה ליציאת נוזלים מהמצברים. חיבור צינורות משסתום גז מצברים לזרבובית תרסיס סילון הנוזל, ולהגדיר את לחץ מצברים לעד 300 psig. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף את המצלמה לשקע מספריים. אבטח את שקע המספריים לפלטפורמה ממוקמת ליד זרבובית תרסיס סילון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאבטח את מקור האור בעוצמה הגבוהה לפלטפורמה ממוקמת מול המצלמה ומאחורי גיליון דיפוזיה. בדוק מיקום תאורה ומצלמה באמצעות פונקציית הצפייה מצלמת וידאו של ממשק שליטת תוכנה, ולהתאים את המיקום לפי צורך (איור 7). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשים על אטמי אוזניים להגנה מפני פיצוץ קול תותח האוויר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפתוח את לוח בקרת תותח, ולחץ על כפתור האזהרה בלוח הבקרה מספר פעמים כדי לאותתתחילת ניסוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכה אותן בלוח הבקרה שפותח את שסתום סולנואיד חיבור מיכל האוויר עם קנה תותח האוויר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר שהמכשיר כבר ירה והקליע שנתפס, לנקות את המכשיר על ידי ניגובו עם נוזל ניקוי וספוג כדי להסיר נוזל מבחן השיורי. לבסוף, לייבש את פני השטח הפגיעה של הקליע. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> למדוד את המהירות של הקליע בוידאו במהירות גבוהה שנרשם על ידי מדידת משך זמן הנדרש לקליע לנסוע מרחק קבוע (10 סנטימטרים). לנתח נתונים כמו בשלב 1.5. </li></ol>

<ol>
	<li>Cotter, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Top+of+Rail+Friction+Control:+Reductions+in+Fuel+and+Greenhouse+Gas+Emissions.">Top of Rail Friction Control: Reductions in Fuel and Greenhouse Gas Emissions.</a> Proc. Of the 2005 Conference of the International Heavy Haul Association (Rio de Janeiro). , 327-334 (2005).</li><li>Eadie, D. T., Bovey, E., Kalousek, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+friction+control+in+effective+management+of+the+wheel/rail+interface).">The role of friction control in effective management of the wheel/rail interface).</a> Railway Technical Conference. , (2002).</li><li>Stock, R., Eadie, D. T., Elvidge, D., Oldknow, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influencing+rolling+contact+fatigue+through+top+of+rail+friction+modifier+application&#8211;A+full+scale+wheel&#8211;rail+test+rig+study.">Influencing rolling contact fatigue through top of rail friction modifier application&#8211;A full scale wheel&#8211;rail test rig study.</a> Wear. 271 (1), 134-142 (2011).</li><li>Eadie, D. T., Santoro, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Top-of-rail+friction+control+for+curve+noise+mitigation+and+corrugation+rate+reduction.">Top-of-rail friction control for curve noise mitigation and corrugation rate reduction.</a> Journal of Sound and Vibration. 293 (3), 747-757 (2006).</li><li>Tomeoka, M., Kabe, N., Tanimoto, M., Miyauchi, E., Nakata, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Friction+control+between+wheel+and+rail+by+means+of+on-board+lubrication.">Friction control between wheel and rail by means of on-board lubrication.</a> Wear. 253 (1), 124-129 (2002).</li><li>Chiu-Webster, S., Lister, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+fall+of+a+viscous+thread+onto+a+moving+surface:+a+&#8216;fluid-mechanical+sewing+machine.">The fall of a viscous thread onto a moving surface: a &#8216;fluid-mechanical sewing machine.</a> Journal of Fluid Mechanics. 569 (1), 124-129 (2006).</li><li>Hlod, A., Aarts, A. C. T., Van De Ven, A. A. F., Peletier, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mathematical+model+of+falling+of+a+viscous+jet+onto+a+moving+surface.">Mathematical model of falling of a viscous jet onto a moving surface.</a> European Journal of Applied Mathematics. 18 (06), 659-677 (2007).</li><li>Gradeck, M., Kouachi, A., Dani, A., Arnoult, D., Borean, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+and+numerical+study+of+the+hydraulic+jump+of+an+impinging+jet+on+a+moving+surface.">Experimental and numerical study of the hydraulic jump of an impinging jet on a moving surface.</a> Experimental Thermal and Fluid Science. 30 (3), 193-201 (2006).</li><li>Fujimoto, H., Suzuki, Y., Hama, T., Takuda, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+Characteristics+of+Circular+Liquid+Jet+Impinging+on+a+Moving+Surface+Covered+with+a+Water+Film.">Flow Characteristics of Circular Liquid Jet Impinging on a Moving Surface Covered with a Water Film.</a> ISIJ international. 51 (9), 1497-1505 (2011).</li><li>Keshavarz, B., Green, S. I., Davy, M. H., Eadie, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Newtonian+liquid+jet+impaction+on+a+high-speed+moving+surface.">Newtonian liquid jet impaction on a high-speed moving surface.</a> International Journal of Heat and Fluid Flow. 32 (6), 1216-1225 (2011).</li><li>Keshavarz, B., Green, S. I., Eadie, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Elastic+liquid+jet+impaction+on+a+high+speed+moving+surface.">Elastic liquid jet impaction on a high speed moving surface.</a> AIChE Journal. 58 (11), 3568-3577 (2012).</li><li>Moulson, J. B. T., Green, S. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+ambient+air+on+liquid+jet+impingement+on+a+moving+substrate.">Effect of ambient air on liquid jet impingement on a moving substrate.</a> Physics of Fluids. 25 (10), 102106 (2013).</li><li>Sterling, G. E. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+experimental+study+on+jet+impingement+on+a+very+high+speed+moving+surface.">An experimental study on jet impingement on a very high speed moving surface.</a> UBC M.A.Sc. Thesis. , (2012).</li><li>Povarov, O. A., Nazarov, O. I., Ignat'evskaya, L. A., Nikol'skii, A. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interaction+of+drops+with+boundary+layer+on+rotating+surfaces.">Interaction of drops with boundary layer on rotating surfaces.</a> Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 31 (6), 1453-1456 (1976).</li><li>Fathi, S., Dickens, P., Fouchal, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regimes+of+droplet+train+impact+on+a+moving+surface+in+an+additive+manufacturing+process.">Regimes of droplet train impact on a moving surface in an additive manufacturing process.</a> Journal of Materials Processing Technology. 210 (3), 550-559 (2010).</li><li>Bird, J. C., Tsai, S. S., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inclined+to+splash:+triggering+and+inhibiting+a+splash+with+tangential+velocity.">Inclined to splash: triggering and inhibiting a splash with tangential velocity.</a> New Journal of Physics. 11 (6), 063017 (2009).</li><li>Range, K., Feuillebois, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+surface+roughness+on+liquid+drop+impact.">Influence of surface roughness on liquid drop impact.</a> Journal of Colloid and Interface science. 203 (1), 16-30 (1998).</li><li>Crooks, R., Boger, D. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+fluid+elasticity+on+drops+impacting+on+dry+surfaces.">Influence of fluid elasticity on drops impacting on dry surfaces.</a> Journal of Rheology. 44 (4), 973-996 (2000).</li></ol>

יש לי המחברים אין לחשוף.

הקליע המשמש להגדרת תותח האוויר מורכב מבסיס קל, עץ. למרות שבבי חומר העץ מעט לאחר בדיקות רבות, זה כבר נמצא לספוג אנרגיה קינטית בצורה יעילה יותר מאשר קליעים מורכבים מחומרים כמו פלסטיק או מתכת, אשר נוטים לנפץ על השפעת מנגנון העצירה. הממדים של קליע העץ נועדו להתאים את הפנים חבית פלדה מקרוב, ובכך להגביל את דליפת אוויר. גיליון 1/8 &quot;עבה גומי מאובטח בין שתי שכבות של דיקט מחובר לחלק האחורי של הקליע להדק את החותם סביב החלק הפנימי של החבית נוספת. משטחי מתכת הפגיעה רכובים על גבי הקליע מהודקים כשלושה לוחות מתכת נפרדים גבהים חספוס שונים, ממוקם בנפרד 2.5 סנטימטר, כך שסילון הנוזל יכול לפגוע בכל שלושת המשטחים במבחן אחד עם התערבות מינימאלית. מול הקליע מעוצב לאף אווירודינמי עם עקיצה על התחתון דואר של האף, כך שמנגנון העצירה, שבו יש גוף אלומיניום כבד עם מנגנון תפס בפנים, מתחבר היטב לקליע בעת הפגיעה. במקום להיות קבוע במקום, מנגנון העצירה מחליק לאחור בכ 60 סנטימטרים על לתפוס את הקליע. פונקציה זו מתפוגגת אנרגיה הקינטית מהקליע ומונעת נזק חומרי. מצלמת הקולנוע במהירות הגבוהה שצורפה למכשיר תותח האוויר מדמיינת נעיצה סילון על פני השטח הקליע. חיישן CMOS מסך הרחב של המצלמה מאפשר ללכוד תמונות במסגרת שיעורים גבוהים מאוד ובהחלטות. 1 קילוואט, מקור ליבון קל בעוצמה גבוהה משמש כדי להאיר את שדה הראייה, וגיליון diffusor אור ממוקם בין מקור האור ונקודת הפגיעה להשיג רקע מואר באופן שווה. שתי מצלמות ומקורות אור מותקנים במכשיר הדיסק מסתובב כדי ללכוד הקלטות וידאו מזווית יותר מאחד. מצלמה אחת ממוקמת מעלנקודת פגיעה מתעדת את הנוף מול הפגיעה המטוס, ואילו המצלמה השנייה מתעדת מבט מצד. עדשות המצלמה מכוסות בסדין של סרט אצטט כדי למנוע מגע עם נוזלי בדיקה ולספק חלון צפייה ברור אחרי כל בדיקה. המצלמה צד להציג מוארת בעצמה גבוהה, מקור אור סיבים אופטיים שאופן מקומי מאיר את אתר הפגיעה ללא חסימת הציר. המצלמה הקדמי-הנוף מוארת בעצמה גבוהה, 100 W, מצויד בעדשת collimating 6,700 מערך LED לבן לומן. שני הסט-אפ ניסיוני נשלטים חשמלי על ידי שתי קופסות בקרה שהותקן. תוכנת השליטה בנויה המותאמת אישית מאפשרת למשתמש ליצור ולאסוף אותות דיגיטליים ואנלוגיים באמצעות מערכת DAQ USB בתוך קופסא השליטה. בקר אז מנצל אותות אלה כדי לשלוט בכל מרכיב של הגדרת הניסוי (מצלמה במהירות גבוהה, אור, זרבובית, וכו &#39;). לשעבר תארהגדרת perimental מוגבלת שבשתי מכונות נפרדות נבנו כדי לבחון מגוון רחב של מהירויות פני השטח. מכשיר תותח האוויר יכול להיות מופעל רק במהירויות איטיות יותר משום שקשה מאוד לעצור הלא הרסני קליע נע במהירויות גבוהות מ -25 מ &#39;/ שנייה, בתוך המרחב המוגבל של מעבדה. עם הדיסק מסתובב, היה חשש שהתנועה סיבובית של הדיסק תגרום כוחות הקשורים הצנטריפטלי בנוזל, אשר בתורו משפיעים על מכניקת הזורמים. חשש זה הוכיח את עצמו כמוצדק בדיקה עם אותם תנאי הסילון ואותה מהירות משטח על תותח האוויר (מהירות משטח ליניארי) והדיסק מסתובב הניב מאפיינים נעיצים כמעט זהים. מספר ריינולדס המרבי מוותר הוא מוגבל על ידי התפרקות סילון נוזל. בניסויים שנערכו על הסט-אפ אלה, הגיע מספר ריינולדס של 1500 בקלות. (כלומר, ריקבון מרבי מהירות מצע על הגדרת מהירות הגבוהה היא מוגבלת על ידי היכולת של מנוע VFDמהירות ational והספק מרבי להתגבר גרירה, אינרציה, וכו &#39;), ובלבד שהדיסק והפיר מאוזנים היטב. המנגנונים שתוארו שונים מטכניקות קיימות הבוחנות פגיעה סילון נוזל בכך שהם יתאימו למחקר של פגיעה סילון נוזל במהירות גבוהה על תנאים במהירות גבוה משטח (25-100 מ &#39;/ sec) באמצעות קטרי נחיר סילון נוזל קטנים. בגלל תהליכי פגיעה סילון נוזל המתרחשים על משטחים הנעים במהירות הנמוכה נייחת ושונים במידה ניכרת מאלה הקשורים במהירות גבוהה נעה משטחים ביחס לדפוסי הצטברות נוזלים והתפשטות, הטכניקה המתוארת נוספת יכולה ידע קיימת על התנהגויות פגיעה סילון נוזל תחת מגוון רחב יותר של תנאים. המיקוד של הטכניקה בתהליכי פתיחה, מתיז ותצהיר הקשורים לפגיעת סילון נוזל מטפל גם פער ידע בתחום זה, אשר בעבר הייתי עסוק בדפוסי העברת חום. כנוזלפגיעה מטוס על מצע היא בעיה מורכבת מאוד רבה-נוזל מכניקה שמציבה רבים אפיקים אפשריים למחקר עתידי, הטכניקה המתוארת יכולה לשמש למספר יישומים טכניים ותעשייתיים כגון ייצור פלדה והזרקת דיו להדפסה, קירור, חימום ומשטח ציפוי.

מחקר זה נועד לקבוע אסטרטגיות ליישום LFM (המשתנה חיכוך נוזלי) בצורת סילון נוזל על משטח מרגש תוך השגת מעלות גבוהות של יעילות העברה ותוצאות בתצהיר אחידה. השגת מטרה זו כרוכה בפיתוח הבנה מקיפה של גורמים המשפיעים על פגיעה סילון נוזל על העברת משטחים. הפרויקט מונע על ידי צורך לשפר את היעילות של טכניקות יישום שימון נהוגות בענף הרכבות. עכשיו כאמצעי להפחתת צריכת דלק ועלויות תחזוקת קטר, סרט דק סוכן שינוי חיכוך של מיושם על פני השטח העליונים של רכבת פסי רכבת קונבנציונליות. מחקרים שנעשה לאחרונה הראו כי החלת סוג אחד של LFM על בסיס מים לחלק עליון של מעקה (TOR) שליטת חיכוך מופחתת רמות צריכת אנרגיה בכ -6% ומקורבים רכבת וגלגל ללבוש על ידי העולה על 50% 1,2. מחקרים אחרים הראו כי LFM החלים על פסי רכבת להפחיתכוח לרוחב ורמות רעש, כמו גם, וחשוב יותר, קמטי מסלול ונזק מעייפות קשר מתגלגלת, שהוא גורם עיקרי לderailments 3,4 s. תוצאות אלו אושר גם בבדיקות שדה במערכת הרכבת התחתית של טוקיו 5. LFMs כיום הם ויתרו מפיצוץ באוויר מרססים המצורפים לעשרות קטרים ​​ברחבי קנדה ובארצות הברית. בצורה זו של יישום, LFM מוחל על החלק העליון של פסי רכבת על ידי מרססים רכובים מתחת נע קרונות. מצב זה של יישום LFM הוא קשה ליישום בקטרי רכבת רבים משום שהנפח גבוה הנדרש ורמות אספקת אוויר בלחץ גבוה לא יכולים להיות בר-השגה. חרירי תרסיס אוויר-פיצוץ גם הם האמינו לייצר כיסוי רכבת סדיר מאוד כאשר פעלו ברוח צולבת, כרוחות צולבות לגרום טיפות תרסיס עדינות לסטות מהמסלול המקורי שלהם. Crosswinds ידוע גם להיות מעורבים בעכירות זרבובית, סביר להניח לאותוסיבה שהיא. בשל בעיות הקשורות למרססי פיצוץ באוויר, מגזר הרכבת מבקש כיום גישות חלופיות ליישום LFM על פסי רכבת. פתרון בר קיימא אחת כרוך מחלק LFM באמצעות סילון נוזלי (לא לאטומים-) רציף, כמו מטוסים נוזליים הם פחות רגישים להשפעות צולבות בשל יחסם הנמוך גרור לאינרציה. בנוסף, מאחר שרמות לחץ אוויר והנפח הגבוהים הנדרשות לחרירי תרסיסים אינן נדרשות בטכנולוגיות תרסיס סילון נוזל, המעשה האחרון כמנגנוני ריסוס יותר יעילים וחזקים ששומרים על שליטה אפקטיבית בשיעור של יישום LFM. אזור של פיסיקה דומה, פגיעה אגל, נחקר באינטנסיביות. נמצא על ידי מספר חוקרים שלפגיעת טיפה על משטח חלק יבש נע, מתיז התנהגות תלויה בפרמטרים רבים, כולל צמיגות, צפיפות, מתח פנים והמרכיב הנורמלי של מהירות השפעת 14,15. ציפור <eמ &#39;הפגין&gt; et al. ששני המהירויות נורמליות ומשיקות היו בעלי חשיבות קריטית 16. טווח et al. ונוכלי et al. הראו כי לפגיעת טיפה על משטח יבש נייח, חספוס פני השטח מקטין את סף סנסציה באופן משמעותי (כלומר, זה עושה הטיפה יותר נוטה להתיז) 17,18. למרות חשיבותה המעשית, פגיעה מטוס על משטחים נעים זכתה לתשומת לב מועטת בספרות האקדמית. צ&#39;יו-ובסטר ויסטר ביצעו סדרה מקיפה של ניסויים שבחנו פגיעה סילון צמיג יציבה ולא יציבה על משטח מרגש, והמחברים פיתחו מודל לזרימת המקרה היציב 6. Hlod et al. מודל הזרימה באמצעות יודה סדר שלישי בתחום של אורך ידוע תחת מצב נפרד נוסף והשוואת תצורות חזו עם תוצאות ניסוי 7. עם זאת, מספרי ריינולדס בדקובשני המחקרים הללו הם נמוכים בהרבה מאלה הקשורים ליישומי LFM רכבת טיפוסיים. Gradeck et al. מבחינה מספרית וניסיוני חקר את שדה הזרימה של פגיעה סילון מים על מצע נע תחת מהירות שונות סילון, משטח מהירות, ותנאי קוטר נחיר 8. פוג&#39;ימוטו et al. מאפייני זרימה חקרו בנוסף של סילון מים מעגלי לפגוע על מצע נע מכוסה על ידי השכבה דקה של מים 9. עם זאת, שני פרויקטים אלה משמשים בקטרים ​​גדולים יחסית זרבובית ומשטח תחתון ומהירויות סילון בהשוואה לאלו שהועסקו בעבודה הנוכחית. יתר על כן, למרות שמחקרי ניסויים, מספריים, ואנליטיות קודמים לספק לגוף גדול של נתונים, רוב התמקדו בפרמטרי העברת חום ולא על זרימת תהליכים נוזליים כגון מתיז סילון התנהגות. השיטה הניסיונית שנקבעה במחקר הנוכחי ובכך תורמת לטכנולוגיות יישום סילון נוזל על ידי מחדשקנס כגון טכניקות בתנאים מעורבים קטרי נחיר סילון קטן ומהירויות סילון ומשטח במהירות גבוהה. השיטה הנוכחית מזקקת גם ידע על בעיות מכניקת נוזלים בסיסיות הקשורים בהעברת קווים ליצירת קשר. המחקרים שהוזכרו לעיל יש בדרך כלל מעורבים האינטראקציה של סילון מהירות נמוך עם משטח מרגש במהירות נמוך. היו מעט יחסית מחקרים של פגיעה מטוס במהירות גבוהה למינרית על משטחים נעים במהירות גבוהה. במהלך נעיץ סילון נוזל במהירות גבוהה נוזלי הסילון מתפשט רדיאלית בקרבת מקום הפגיעה, ויצר lamella דק. lamella זה אז convected במורד הזרם על ידי צמיג מכריח שהוטל על ידי המשטח המרגש, ייצור lamella בצורת U אופייני. Keshavarz et al. דיווח על ניסויי העסקת מטוסי נוזל הניוטונית ואלסטי לפגוע על גבי משטחים במהירות גבוהה. הם מסווגים תהליכי פגיעה בשני סוגים שונים: &quot;בתצהיר ו# 8221; ו&quot; להתיז &quot;10. לפגיעה לסיווג כתצהיר, נוזל הסילון חייב לדבוק פני השטח, ואילו פתיחה מאופיינת בlamella נוזל שמפריד מפני השטח, ולאחר מכן שובר את טיפות לתוך. משטר פגיעה שלישי גם תואר - &quot;מתיז&quot;. בזה, יחסית נדיר, משטר lamella נשאר מחובר אל פני השטח, כמו ל&quot; תצהיר &quot;, אבל טיפות בסדר נפלטות מן ליד הקצה המוביל של lamella. במחקר הבא של השפעות נוזל שאינו הניוטונית, Keshavarz סיכם et al., כי הפתיחה / הסף בתצהיר נקבע בעיקר על ידי מספרי ריינולדס ודבורה, ואילו זווית הפגיעה מטוס ומהירות סילון לעלות על פני השטח יחסי מהירות יש השפעה מועטת בלבד 11 . בניסויים שנערכו תחת לחצים אוויר סביבה משתנים, Moulson et al. גילה שפתיחה / מספר ריינולדס סף בתצהיר באופן דרמטיעולה עם ירידה בלחץ אוויר בסביבה (כלומר, לחצים סביבתיים גבוהים יותר להפוך את המטוסים נוטים יותר להתיז), תוך הפחתת לחץ אוויר סביבה מתחת לסף מסוים מדכא סנסציה לחלוטין 12. ממצא זה מצביע על כך כוחות אווירודינמיים הפועלים על lamella לשחק תפקיד מכריע בגרימת lamella המראה וסנסציה שלאחר מכן. בשנים האחרונה עבודה על פגיעה במהירות גבוהה על מצע במהירות גבוהה, סטרלינג הראה כי למהירות מצע ותנאי סילון קרובים לסף סנסציה, התז עשויה להיות מופעל על ידי חספוס פני השטח קטן מאוד מקומי וחוסר יציבות מטוס קל. הוא גם הראה שתחת אלה lamella תנאי ההמראה וחיבור מחדש הוא תהליך סטוכסטיים 13. פרוטוקול הניסוי המתואר כאן ניתן להשתמש כדי ללמוד מצבים פיזיים אחרים המערבים את האינטראקציה של נוזלים עם משטח נע במהירות גבוהה. לדוגמא, באותה הגישה יכולה לשמש כדי ללמוד blad מסוקאינטראקציה דואר מערבולת (ובלבד שנוזל המערבולת היה צבעוני עם חלקיקים נותב) וריסוס רובוטית של משטחים.

<table><tbody><tr><td colspan="4">Equipment for Air Cannon Set-Up</td></tr><tr><td>30-gallon air tank</td><td>Steel Fab</td><td>A10028</td><td></td></tr><tr><td>Solenoid actuated poppet valve</td><td>Parker Hannifin Corp.</td><td>#16F24C2164A3F4C80</td><td></td></tr><tr><td>1.5&quot; NPT rubber hose</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rectangular steel tubing</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Stop mechanism</td><td>Customized</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Stainless steel plates</td><td>Customized</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wooden projectile</td><td>Customized</td><td></td><td></td></tr><tr><td>1 kW high-intensity incandescent light</td><td>Photographic Analysis Ltd.</td><td>T986851</td><td></td></tr><tr><td>Light diffuser sheet</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Optic sensor</td><td>BANNER</td><td>SM312LV</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">Equipment for Spinning Disc Set-Up</td></tr><tr><td>Motor</td><td>WEG</td><td>TEFC-W22</td><td></td></tr><tr><td>Bearings</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Disk</td><td>Customized</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fiber optic light source</td><td>Fiberoptics Technology Incorporated</td><td>MO150AC</td><td></td></tr><tr><td>High intensity LED array</td><td>Torshare Ltd.</td><td>TF10CA</td><td></td></tr><tr><td>Vacuum</td><td>Ridge Tool Company</td><td>WD09450</td><td></td></tr><tr><td>Interrupter</td><td>Customized</td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">Shared Equipment for Both Devices</td></tr><tr><td>Phantom v611 high-speed cine camera</td><td>Vision Research Inc.</td><td>V611</td><td></td></tr><tr><td>Phantom v12 high-speed cine camera</td><td>Vision Research Inc.</td><td>V12</td><td></td></tr><tr><td>Zoom 7000 lens</td><td>Navitar Inc.</td><td>Zoom 7000</td><td></td></tr><tr><td>Zoom 6000 lens</td><td>Navitar Inc.</td><td>Zoom 6000</td><td></td></tr><tr><td>Compressed nitrogen tank</td><td>Praxair Technology, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pressure regulator</td><td>Praxair Technology, Inc.</td><td>PRS20124351CGA</td><td></td></tr><tr><td>Hose for compressed nitrogen</td><td>Swagelok Company</td><td>SS-CT8SL8SL8-12</td><td></td></tr><tr><td>Hose for liquid</td><td>Swagelok Company</td><td>SS-7R8TA8TA8</td><td></td></tr><tr><td>Accumulator</td><td>Accumulators, Inc.</td><td>A131003XS</td><td></td></tr><tr><td>Solenoid Valve</td><td>Solenoid Solutions Inc.</td><td>2223X-A440-00</td><td></td></tr><tr><td>Pressure transducer</td><td>WIKA Instruments Ltd</td><td>#50398083</td><td></td></tr><tr><td>Nozzle assembly</td><td>Customized</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Glycerin</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Poly(ethylene oxide)</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

visualization of high speed liquid jet impaction on a moving surface

שני מנגנונים לבחינת פגיעה סילון נוזל על משטח נע במהירות גבוהה מתוארים: מכשיר תותח אוויר (לבחינת מהירויות פנים בין 0 ו -25 מ &#39;/ שנייה) ומכשיר דיסק מסתובב (לבחינת מהירויות פנים בין 15 ל- 100 מ&#39; / שניות). החוצה ליניארי תותח האוויר היא מערכת המונעת באנרגית פנאומטי שנועד להאיץ משטח מסילת מתכת רכוב על גבי טיל מעץ. גליל לחץ מצויד בשסתום סולנואיד במהירות משחרר אוויר דחוס לתוך החבית, ואילץ את הקליע לתוך קנה התותח. הקליע נוסע מתחת זרבובית תרסיס, אשר פוגעת סילון נוזל על פני השטח העליונים המתכת שלו, ולאחר מכן הקליע פוגע מנגנון עצירה. מצלמה מתעדת את הפגיעה המטוס, ומתמר לחץ מתעד את backpressure זרבובית תרסיס. הגדרת הדיסק מסתובב מורכבת מדיסק פלדה המגיע למהירות של 500 עד 3,000 סל&quot;ד באמצעות מנוע כונן משתנה בתדירות (VFD). Si מערכת תרסיסמילר לזה של תותח האוויר יוצר סילון נוזל שפוגע על הדיסק מסתובב, ומצלמות הוצבו במספר נקודות גישה האופטית להקליט את הפגיעה המטוס. הקלטות וידאו של תהליכי פגיעה סילון נרשמות ובדקה כדי לקבוע אם התוצאה של פגיעה זו היא סנסציה, מתיז, או בתצהיר. המנגנונים הם הראשונים שכרוכים בפגיעה במהירות הגבוהה של מטוסים נוזלי ריינולדס-מספר הנמוך על משטחים נעים במהירות גבוהה. בנוסף ליישומים בתעשיית הרכבות שלה, הטכניקה המתוארת עשויה לשמש למטרות טכניות ותעשייתיות כגון ייצור פלדה ועשויה להיות רלוונטי להדפסת 3D במהירות גבוהה.

<html> כפי שנאמר בפרק המבוא, שלוש ההתנהגויות עיקריות הקשורים לפגיעת סילון נוזל הן בתצהיר, מתיז וסנסציה. התנהגויות פגיעה סילון אלה נצפו באמצעות נתוני וידאו שהוקלטו על ידי מצלמות cine במהירות גבוהה מוצבות בנקודות אופטיות שונות. דוגמאות לתמונות סטילס, המתקבלות מקלטות וידאו, המתארות שלוש תוצאות סילון נוזל מוצגות באיור 3. איור 3 א מתאר בתצהיר סילון נוזל, שבו הסילון זורם בנחל לגמרי ישר ויציב לעבר פני השטח הפגיעה. המטוס שומר על פני השטח ונשאר על פני השטח לשארית הניסוי. איורים 3B ותכנית 3C תוצאות אופטימליות פחות שבסילון הנוזל באופן חלקי בלבד שומר על פני השטח הפגיעה, עם שארית התזת הסילון או (איור 3 ) או מתיז (איור 3 ג) בעת הפגיעה. jove_content &quot;&gt; בהתחשב באופי פשוט למדי של נתוני וידאו נתון, תוצאות מעורפלות הם תוצאות נדירות ודיר התקבלו משני מכשירים ניסיוניים. עם זאת, במקרים נדירים מאוד, כי בדרך כלל כרוך בתנאי חספוס פני השטח חלקים מאוד, lamella של סילון נוזל זרם עלול ליצור אינטראקציה עם טיפות או חספוס על פני השטח בצורה כזו שגורמת לו להרים את ממשטח הפגיעה (איור 8). בנסיבות יוצאות דופן באותה מידה, הפרעות קטנות בזרימה יכולות לייצר אי סדרים במטוס, שעל פני השטח נעיץ להיות מוגבר, שגרם למטוס להיפרד מהמשטח לתקופה ארוכה של זמן (איור 9). תופעות נדירות אלו מתרחשות בדרך כלל רק למהירויות גבוהות משטח ולצמיגויות סילון נוזל ביניים (Re = 100 ~ 2500). העקביות של תוצאות היא זוכה במידה רבה לשימוש במצברי לחץ לנהיגת נוזל הבדיקה, אשר, בניגוד משאבה, דוחף את נוזל ב<html> קצב קבוע, הפקת פעולה חלקה מאוד וכך זרימת נוזל עקבית מאוד, אחידה ויציבה. עם כל כבוד ללהתיז / מאפייני תצהיר, התוצאות מראות כי למשטחי מתכת גבהים חספוס ממוצע נעים בין 0.01 מיקרומטר ו1 מיקרומטר, ומקטינים את חספוס פני השטח הופכת את הסילון לפגוע רגיש יותר להתיז. לדוגמא, איור 3 א ואיור 3 ג להראות פגיעה בתנאי מהירות סילון ומשטח דומים. באיור בתצהיר סילון 3A מתרחש על פני השטח, שבו יש גובה חספוס ממוצע של 0.51 מיקרומטר, אבל סנסציה סילון מתרחשת כאשר גובה החספוס הממוצע הוא 0.016 מיקרומטר (איור 3 ג). תלות זו בחספוס היא הפוכה לזה שנצפה על ידי Keshavarz et al. 10,11, שלמד פגיעה במשטחים מחוספסים בהרבה, שבו חספוס פני השטח הוא גדול באופן משמעותי יותר בעובי lamella. _content &quot;&gt; סף סנסציה הוא פונקציה מורכבת של מהירות סילון הנוזל; קוטר סילון נוזל; צמיגות נוזל, צפיפות ומתח פנים, את מהירות המשטח וחספוס;. ומאפייני אוויר שמסביב למרות כמה תאוריות פשוטות של סנסציה הוצעו 10-12, אין כיום הסבר מקיף של תופעה. המראה למלה, שהיא בדרך כלל מבשר להתיז 12, הוא האמין להיות פונקציה של הגיאומטריה lamella. כפי שניתן לראות באיור 10, הגיאומטריה lamella הוא עצמו פונקציה מורכבת של משתנים רבים, כוללים מהירויות סילון ופני שטח ותכונות פיזיות נוזליים. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/52603/52603fig1.jpg" /> איור 1. סכמטי של תצורה האופטית של ספינינג מכשיר דיסק. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52603/52603fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן t</a>o להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/52603/52603fig2.jpg" /> איור 2. צילום מסך של הקלטת וידאו טיפוסית. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52603/52603fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/52603/52603fig3.jpg" /> איור 3. שלוש זרימה אופיינית משטרים. מתיז בתצהיר (), (ב), פתיחה (C). בכל המקרים מהלכי המצע מימין לשמאל וקוטר הסילון הוא 564 מיקרומטר. תנאי הסילון ומצע הרלוונטיים הם: (א) מטוס V = 18.3 מ &#39;/ שנייה, מצע V = 7.50 מ&#39; / שנייה, סילון μ = .0194 N · שניות / m 2, ρ סילון = 1,180קילוגרם / מ 3, סילון σ = .0656 N / m, סילון Re = 629, אנו סילון = 3,400; מטוס V (B) = 9.5 מ &#39;/ שנייה, מצע V = 7.63 מ&#39; / שנייה, סילון μ = .0097 N · שניות / m 2, ρ סילון = 998 קילוגרם / מ 3, σ סילון = .0717 N / m, סילון Re = 552, אנו סילון = 709; מטוס V (C) = 17.3 מ &#39;/ שנייה, מצע V = 7.71 מ&#39; / שנייה, סילון μ = .0194 N · שניות / m 2, ρ סילון = 1,180 קילוגרם / מ 3, σ סילון = .0656 N / m, סילון Re = 594, אנו סילון = 3,040. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52603/52603fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/52603/52603fig4.jpg" /> מדידת איור 4. קוטר של סילון וגיא lamella<html> metry עם תוכנת עיבוד תמונה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52603/52603fig4large.jpg" target="_blank">לוחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 5" src="/files/ftp_upload/52603/52603fig5.jpg" /> סכמטי השקפת 5. כנף איור של פגיעה מטוס מראה ממדי lamella אופייניים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52603/52603fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 6" src="/files/ftp_upload/52603/52603fig6.jpg" /> איור 6. מיזוג תותח תצורה מכאנית. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52603/52603fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> er.within-page = &quot;תמיד&quot;&gt; <img alt="איור 7" src="/files/ftp_upload/52603/52603fig7.jpg" /> איור 7. מיזוג תותח תצורה אופטית. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52603/52603fig7large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 8" src="/files/ftp_upload/52603/52603fig8.jpg" /> איור 8. רצף הזמן מראה את המעבר מתצהיר סילון לסנסצית סילון. ברצף הזה המעבר נגרמים על ידי טיפות יפות מאוד הקפדה על המצע אחר היבש. המצע הוא נע מימין לשמאל במצע V מהירות = 7.52 מ &#39;/ שנייה. תנאי הסילון הם: סילון D = 564 מיקרומטר; מטוס V = 17.5 מ &#39;/ שנייה, סילון μ = .0194 N · שניות / m 2, ρ סילון = 1,180 קילוגרם / מ 3, .0656 N / m, סילון Re = 600, אנו סילון σ סילון == 3110. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52603/52603fig8large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 9" src="/files/ftp_upload/52603/52603fig9.jpg" /> איור 9. רצף הזמן מראה את המעבר מתצהיר סילון לסנסצית סילון. ברצף הזה המעבר נגרמים על ידי בועות אוויר קטנות במטוס שמדאיג את הזרימה. המצע הוא נע מימין לשמאל במצע V מהירות = 7.43 מ &#39;/ שנייה. תנאי הסילון הם: סילון D = 564 מיקרומטר; מטוס V = 15.8 מ &#39;/ שנייה, סילון μ = .0194 N · שניות / m 2, ρ סילון = 1,180 קילוגרם / מ 3, σ סילון = .0656 N / m, סילון Re = 542, אנו סילון = 2,530. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52603/52603fig9large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן ל להציג גרסה גדולה יותר</a>של נתון זה. <img alt="איור 10" src="/files/ftp_upload/52603/52603fig10.jpg" /> איור רוחב 10. למלת התפשטות יחס קוטר סילון, כפונקציה של מספר ריינולדס של מצע. מצע V מהירות תשתית מגוון מ -15 מ &#39;/ שנייה 60 מ&#39; / שנייה, נותן מספר ריינולדס Re S של 75 עד 300. המטוס תנאים הם: סילון D = 281 מיקרומטר; מטוס V = 14.6 מ &#39;/ שנייה, סילון μ = .0701 N · שניות / m 2, ρ סילון = 1,220 קילוגרם / מ 3, σ סילון = .0640 N / m, סילון Re = 71.4, אנחנו סילון = 1,140.

Watch this Scientific Journal Video about Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface at JoVE.com

Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface

Two experimental devices for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device and a spinning disk device. The apparatuses are used to determine optimal approaches to the application of liquid friction modifier (LFM) onto rail tracks for top-of-rail friction control.

ויזואליזציה של High Speed ​​Liquid Jet Impaction על משטח העברה

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds ...

visualization-of-high-speed-liquid-jet-impaction-on-a-moving-surface

Nanyang Technological University

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Mechanical Engineering

Unit 1

Planar Kinematics of a Rigid Body

Motion in Two or Three Dimensions

SCIENTISTS IN ACTION

11.4K Views.  University of British Columbia. Two experimental devices for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device and a spinning disk device. The apparatuses are used to determine optimal approaches to the application of liquid friction modifier (LFM) onto rail tracks for top-of-rail friction control.

Video: Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface

High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces

Multi-dimensional and transient flows play a key role in many areas of science, engineering, and health sciences but are often not well understood. The complex nature of these flows may be studied using particle image velocimetry (PIV), a laser-based imaging technique for optically accessible flows. Though many forms of PIV exist that extend the technique beyond the original planar two-component velocity measurement capabilities, the basic PIV system consists of a light source (laser), a camera, tracer particles, and analysis algorithms. The imaging and recording parameters, the light source, and the algorithms are adjusted to optimize the recording for the flow of interest and obtain valid velocity data. 
Common PIV investigations measure two-component velocities in a plane at a few frames per second. However, recent developments in instrumentation have facilitated high-frame rate (&gt; 1 kHz) measurements capable of resolving transient flows with high temporal resolution. Therefore, high-frame rate measurements have enabled investigations on the evolution of the structure and dynamics of highly transient flows. These investigations play a critical role in understanding the fundamental physics of complex flows.
A detailed description for performing high-resolution, high-speed planar PIV to study a transient flow near the surface of a flat plate is presented here. Details for adjusting the parameter constraints such as image and recording properties, the laser sheet properties, and processing algorithms to adapt PIV for any flow of interest are included.

A procedure for studying transient flows near boundaries using high-resolution, high-speed particle image velocimetry (PIV) is described here. PIV is a non-intrusive measurement technique applicable to any optically accessible flow by optimizing several parameter constraints such as the image and recording properties, the laser sheet properties, and analysis algorithms.

Velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים

Multi-dimensional and transient flows play a key role in many areas of science, engineering, and health sciences but are often not well understood. The ...

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for detailed observation, scenarios that make it challenging to observe with conventional imaging systems. One of these is the drop impact of liquids, which usually happens within one tenth of millisecond. To tackle this challenge, a fast imaging technique is introduced that combines a high-speed camera (capable of up to one million frames per second) with a macro lens with long working distance to bring the spatial resolution of the image down to 10 &#181;m/pixel. The imaging technique enables precise measurement of relevant fluid dynamic quantities, such as the flow field, the spreading distance and the splashing speed, from analysis of the recorded video. To demonstrate the capabilities of this visualization system, the impact dynamics when droplets of non-Newtonian fluids impinge on a flat hard surface are characterized. Two situations are considered: for oxidized liquid metal droplets we focus on the spreading behavior, and for densely packed suspensions we determine the onset of splashing. More generally, the combination of high temporal and spatial imaging resolution introduced here offers advantages for studying fast dynamics across a wide range of microscale phenomena.

Drop impact of non-Newtonian fluids is a complex process since different physical parameters influence the dynamics over a very short time (less than one tenth of a millisecond). A fast imaging technique is introduced in order to characterize the impact behaviors of different non-Newtonian fluids.

טכניקת הדמיה מהירה ללמוד טיפת השפעת דינמיקה של נוזלים ללא הניוטונית

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic recording of image sequences. The basic components, features, constraints and optimization tips of a 3D-PTV topology consisting of a high-speed camera with a four-view splitter are described and discussed in this article. The technique is applied to the intermediate flow field (5 &#60;x/d &#60;25) of a circular jet at Re &#8776; 7,000. Lagrangian flow features and turbulence quantities in an Eulerian frame are estimated around ten diameters downstream of the jet origin and at various radial distances from the jet core. Lagrangian properties include trajectory, velocity and acceleration of selected particles as well as curvature of the flow path, which are obtained from the Frenet-Serret equation. Estimation of the 3D velocity and turbulence fields around the jet core axis at a cross-plane located at ten diameters downstream of the jet is compared with literature, and the power spectrum of the large-scale streamwise velocity motions is obtained at various radial distances from the jet core.

A three-dimensional particle tracking velocimetry (3D-PTV) system based on a high-speed camera with a four-view splitter is described here. The technique is applied to a jet flow from a circular pipe in the vicinity of ten diameters downstream at Reynolds number Re &#8776; 7,000.

תלת ממד חלקיקי מעקב velocimetry עבור יישומי Turbulence: מקרה של Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic ...

Film Control to Study Contributions of Waves to Droplet Impact Dynamics on Thin Flowing Liquid Films

Droplet impact is a very common phenomenon in nature and attracts attention due to its aesthetic fascination and wide-ranging applications. Previous studies on flowing liquid films have neglected the contributions of spatial structures of waves to the impact outcome, while this has recently been shown to have a significant influence on the drop impact dynamics. In this report, we outline a step-by-step procedure to investigate the effect of periodic inlet forcing of a flowing liquid film leading to the production of spatiotemporally regular wave structures on drop impact dynamics. A function generator in connection with a solenoid valve is used to excite these spatiotemporally regular wave structures on the film surface while the impact dynamics of uniform-sized droplets are captured using a high-speed camera. Three distinct regions are then studied; viz. the capillary wave region preceding the large wave peak, the flat film region, and the wave hump region. The effects of important dimensionless quantities such as film Reynolds, drop Weber and Ohnesorge numbers parameterized by the film flow rate, drop speed, and drop size are also examined. Our results show interesting, hitherto undiscovered dynamics brought about by this application of film inlet forcing of the flowing film for both low and high inertia drops.

A protocol to study the contributions of waves to droplet impact dynamics on flowing liquid films is presented.

סרט שליטה ללמוד תרומות של גלים Droplet דיינמיקס ההשפעה על סרטים נוזלי זורם דק

Droplet impact is a very common phenomenon in nature and attracts attention due to its aesthetic fascination and wide-ranging applications. Previous ...

Impacts of Free-falling Spheres on a Deep Liquid Pool with Altered Fluid and Impactor Surface Conditions

Vertical impacts of spheres on clean water have been the subject of numerous water entry investigations characterizing cavity formation, splash crown ascension and Worthington jet stability. Here, we establish experimental protocols for examining splash dynamics when smooth free-falling spheres of varying wettability, mass, and diameter impact the free surface of a deep liquid pool modified by thin penetrable fabrics and liquid surfactants. Water entry investigations provide accessible, easily assembled and executed experiments for studying complex fluid mechanics. We present herein a tunable protocol for characterizing splash height, flow separation metrics, and impactor kinematics, and representative results which might be acquired if reproducing our approach. The methods are applicable when characteristic splash dimensions remain below approximately 0.5 m. However, this protocol may be adapted for greater impactor release heights and impact velocities, which augurs well for translating results to naval and industry applications.

This protocol demonstrates the basic experimental configuration for water entry experiments with free-falling spheres. Methods for the alteration of liquid surface with penetrable fabrics, the preparation of chemically non-wetting spheres, and steps for splash visualization and data extraction are discussed.

ההשפעות של התחומים צניחה חופשית על בריכה עמוק נוזלי עם נוזל שינו ותנאי השטח Impactor

Vertical impacts of spheres on clean water have been the subject of numerous water entry investigations characterizing cavity formation, splash crown ...

High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts

Experimental studies of liquid drop impacts on surfaces are often restricted in their scope due to the large range of possible experimental parameters such as material properties, impact conditions, and experimental configurations. Compounding this, drop impacts are often studied using data-rich high-speed photography, so that it is difficult to analyze many experiments in a detailed and timely manner. The purpose of this method is to enable efficient study of droplet impacts with high-speed photography by using a systematic approach. Equipment is aligned and calibrated to produce videos that can be accurately processed by a custom image processing code. Moreover, the file structure setup and workflow described here ensure efficiency and clear organization of data processing, which is carried out while the researcher is still in the lab. The image processing method extracts the digitized outline of the impacting droplet in each frame of the video, and processed data are stored for further analysis as required. The protocol assumes that a droplet is released vertically under gravity, and impact is recorded by a camera viewing from side-on with the drop illuminated using shadowgraphy. Many similar experiments involving image analysis of high-speed events could be addressed with minor adjustment to the protocol and equipment used.

This protocol enables efficient collection of experimental high-speed images of liquid drop impacts, and speedy analysis of those data in batches. To streamline these processes, the method describes how to calibrate and set up apparatus, generate an appropriate data structure, and deploy an image analysis script.

ניתוח תפוקה גבוהה של השפעות של Droplet נוזלי

Experimental studies of liquid drop impacts on surfaces are often restricted in their scope due to the large range of possible experimental parameters ...

A Microfluidic System with Surface Patterning for Investigating Cavitation Bubble(s)&#8211;Cell Interaction and the Resultant Bioeffects at the Single-cell Level

In this manuscript, we first describe the fabrication protocol of a microfluidic chip, with gold dots and fibronectin-coated regions on the same glass substrate, that precisely controls the generation of tandem bubbles and individual cells patterned nearby with well-defined locations and shapes. We then demonstrate the generation of tandem bubbles by using two pulsed lasers illuminating a pair of gold dots with a few-microsecond time delay. We visualize the bubble-bubble interaction and jet formation by high-speed imaging and characterize the resultant flow field using particle image velocimetry (PIV). Finally, we present some applications of this technique for single cell analysis, including cell membrane poration with macromolecule uptake, localized membrane deformation determined by the displacements of attached integrin-binding beads, and intracellular calcium response from ratiometric imaging. Our results show that a fast and directional jetting flow is produced by the tandem bubble interaction, which can impose a highly localized shear stress on the surface of a cell grown in close proximity. Furthermore, different bioeffects can be induced by altering the strength of the jetting flow by adjusting the standoff distance from the cell to the tandem bubbles.

A microfluidic chip was fabricated to produce pairs of gold dots for tandem bubble generation and fibronectin-coated islands for single-cell patterning nearby. The resultant flow field was characterized by particle image velocimetry and was employed to study various bioeffects, including cell membrane poration, membrane deformation, and intracellular calcium response.

מערכת Microfluidic עם דפוסי Surface לחקירת בועת Cavitation (ים) אינטראקציה דו תא ואת Bioeffects הנובע מהן ברמת התא הבודד

In this manuscript, we first describe the fabrication protocol of a microfluidic chip, with gold dots and fibronectin-coated regions on the same glass ...

Bioengineering

Visualization of Flow Past a Bluff Body

Source: Ricardo Mejia-Alvarez, Hussam Hikmat Jabbar and Mahmoud N. Abdullatif, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Owing to the non-linear nature of its governing laws, fluid motion induces complicated flow patterns. Understanding the nature of these patterns has been the subject of intense scrutiny for centuries. Although personal computers and supercomputers are extensively used to deduce fluid flow patterns, their capabilities are still insufficient to determine the exact flow behavior for complex geometries or highly inertial flows (e.g. when momentum dominates over viscous resistance). With this in mind, a multitude of experimental techniques to make flow patterns evident have been developed that can reach flow regimes and geometries inaccessible to theoretical and computational tools.
This demonstration will investigate fluid flow around a bluff body. A bluff body is an object that, due to its shape, causes separated flow over most of its surface. This is in contrast to a streamlined body, like an airfoil, which is aligned in the stream and causes less flow separation. The purpose of this study is to use hydrogen bubbles as a method of visualizing flow patterns. The hydrogen bubbles are produced via electrolysis using a DC power source by submerging its electrodes in the water. Hydrogen bubbles are formed in the negative electrode, which needs to be a very fine wire to ensure that the bubbles remain small and track fluid motion more effectively. This method is suitable for steady and unsteady laminar flows, and is based on the basic flow lines that describe the nature of the flow around objects. [1-3]
This paper focuses on describing the implementation of the technique, including details about the equipment and its installation. Then, the technique is used to demonstrate the use of two of the basics flow lines to characterize the flow around a circular cylinder. These flow lines are used to estimate some important flow parameters like flow velocity and the Reynolds number, and to determine flow patterns.

Flow Around a Bluff Body, Bubbles and Von Karman Vortex Street

הדמיה של זרימה בעבר גוף בלוף

Source: Ricardo Mejia-Alvarez, Hussam Hikmat Jabbar and Mahmoud N. Abdullatif, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East ...

JoVE Science Education

Jet Impinging on an Inclined Plate

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
The goal of this experiment is to demonstrate how a fluid flow exerts forces on structures by conversion of dynamic pressure into static pressure. To this end, we will make a plane jet impinge on a flat plate and will measure the resulting pressure distribution along the plate. The resultant force will be estimated by integrating the product between the pressure distribution and appropriately defined area differentials along the surface of the plate. This experiment will be repeated for two angles of inclination of the plate with respect to the direction of the jet and two flow rates. Each configuration produces a different pressure distribution along the plate, which is the result of different levels of conversion of dynamic pressure into static pressure at the plate's surface.
For this experiment, pressure will be measured with a diaphragm pressure transducer connected to a scanning valve. The plate itself has small perforations called pressure taps that connect to the scanning valve through hoses. The scanning valve sends the pressure from these taps to the pressure transducer one at a time. The pressure induces mechanical deflection on the diaphragm that the pressure transducer converts into voltage. This voltage is proportional to the pressure difference between the two sides of the diaphragm.

Jet Impinging and Conversion of Dynamic Pressure into Static Pressure

ג'ט פוגע בלוח נוטה

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
The goal of this ...

Determination of Impingement Forces on a Flat Plate with the Control Volume Method

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
The purpose of this experiment is to demonstrate forces on bodies as the result of changes in the linear momentum of the flow around them using a control volume formulation [1, 2]. The control volume analysis focuses on the macroscopic effect of flow on engineering systems, rather than the detailed description that could be achieved with a differential analysis. Each one of these two techniques have a place in the toolbox of an engineering analyst, and they should be considered complementary rather than competing approaches. Broadly speaking, control volume analysis will give the engineer an idea of the dominant loads in a system. This will give her/him an initial feeling about what route to pursue when designing devices or structures, and should ideally be the initial step to take before pursuing any detailed design or analysis via differential formulation.
The main principle behind the control volume formulation is to replace the details of a system exposed to a fluid flow by a simplified free body diagram defined by an imaginary closed surface dubbed the control volume. This diagram should contain all surface and body forces, the net flux of linear momentum through the boundaries of the control volume, and the rate of change of linear momentum inside the control volume. This approach implies cleverly defining the control volume in ways that simplify the analysis at the same time that capture the dominant effects on the system. This technique will be demonstrated with a plane jet impinging on a flat plate at different angles. We will use control volume analysis to estimate the aerodynamic load on the plate, and will compare our results with actual measurements of the resulting force obtained with an aerodynamic balance.

Impingement Forces on a Flat Plate with Control Volume Method

קביעת כוחות מניעה על לוח שטוח בשיטת אמצעי האחסון של הפקד

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
The purpose of ...

ויזואליזציה של High Speed Liquid Jet Impaction על משטח העברה

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

Velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים

טכניקת הדמיה מהירה ללמוד טיפת השפעת דינמיקה של נוזלים ללא הניוטונית

תלת ממד חלקיקי מעקב velocimetry עבור יישומי Turbulence: מקרה של Jet Flow

סרט שליטה ללמוד תרומות של גלים Droplet דיינמיקס ההשפעה על סרטים נוזלי זורם דק

ההשפעות של התחומים צניחה חופשית על בריכה עמוק נוזלי עם נוזל שינו ותנאי השטח Impactor

ניתוח תפוקה גבוהה של השפעות של Droplet נוזלי

מערכת Microfluidic עם דפוסי Surface לחקירת בועת Cavitation (ים) אינטראקציה דו תא ואת Bioeffects הנובע מהן ברמת התא הבודד

הדמיה של זרימה בעבר גוף בלוף

ג'ט פוגע בלוח נוטה

קביעת כוחות מניעה על לוח שטוח בשיטת אמצעי האחסון של הפקד

ויזואליזציה של High Speed ​​Liquid Jet Impaction על משטח העברה

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

Velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים

טכניקת הדמיה מהירה ללמוד טיפת השפעת דינמיקה של נוזלים ללא הניוטונית

תלת ממד חלקיקי מעקב velocimetry עבור יישומי Turbulence: מקרה של Jet Flow

סרט שליטה ללמוד תרומות של גלים Droplet דיינמיקס ההשפעה על סרטים נוזלי זורם דק

ההשפעות של התחומים צניחה חופשית על בריכה עמוק נוזלי עם נוזל שינו ותנאי השטח Impactor

ניתוח תפוקה גבוהה של השפעות של Droplet נוזלי

מערכת Microfluidic עם דפוסי Surface לחקירת בועת Cavitation (ים) אינטראקציה דו תא ואת Bioeffects הנובע מהן ברמת התא הבודד

הדמיה של זרימה בעבר גוף בלוף

ג'ט פוגע בלוח נוטה

קביעת כוחות מניעה על לוח שטוח בשיטת אמצעי האחסון של הפקד

ויזואליזציה של High Speed Liquid Jet Impaction על משטח העברה