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

Le scienze naturali e ingegneria Research Council del Canada (NSERC) e LB Foster tecnologie ferroviarie, Corp. sostenuto congiuntamente questa ricerca attraverso il programma NSERC Collaborative Research e Development Grant.

1. Spinning dispositivo Disk <ol><li> Identificare le condizioni di prova desiderati e le condizioni di prova record di una tabella (ad esempio, la temperatura ambiente, proprietà dei fluidi, jet e la superficie di velocità, etc.). </li><li> Preparazione dei materiali <ol><li> Preparare soluzioni glicerina acqua o PEO-glicerina-acqua per le prove di urto. <ol><li> Nel caso delle prove PEO-glicerina-acqua, dissolverà gradualmente 4,5 g di polvere (PEO pesi molecolari viscosità media di un milione e quattro milioni) in 1495,5 g di acqua distillata sotto leggera agitazione magnetica per un periodo di 24 ore. Evitare eccessivamente agitando il campione PEO per prevenire il degrado meccanico. </li><li> Aggiungere gradualmente 1,5 kg di USP-grade glicerina alla soluzione acquosa PEO nelle 24 ore per raggiungere una soluzione acquosa del 0,15% concentrazione di PEO e concentrazione di glicerina 50%. </li></ol></li><li> Conservare i liquidi di prova separatamente in contenitori ermetici sotto RT prima e dopo ogni test per miniMize evaporazione, assorbimento d&#39;acqua da aria ambiente e la contaminazione. Caratterizzare e spruzzare liquidi entro cinque giorni di preparazione. </li></ol></li><li> Prestazioni di esperimenti <ol><li> Assicurarsi che la valvola di alimentazione dell&#39;aria del cuscinetto d&#39;aria disco rotante è aperto e la lettura del manometro è nel campo di lavoro corretta (60-80 psig). Chiaro tutto ciò che potrebbe impedire il movimento del disco e girare il disco a mano in entrambe le direzioni 5 rotazioni per verificare eventuali problemi con il disco e cuscinetti. </li><li> Pulire e fissare il gas compresso accumulatore chiuso per il fluido di prova pressurizzazione. Versare 3 kg di prova liquido nella valvola liquido dell&#39;accumulatore 1-gallone. </li><li> Collegare la porta gas dell&#39;accumulatore al serbatoio di azoto tramite un regolatore di pressione. Collegare la porta fluido dell&#39;accumulatore all&#39;ugello getto. </li></ol></li><li> Impostare sistema di controllo e sistema di imaging ad alta velocità. <ol><li> Avviare il software di controllo disco rotante e il software di controllo VFD.Posizione due cineprese ad alta velocità 35 centimetri di distanza dal punto di urto e regolare le lenti ad alto ingrandimento per catturare il punto di urto da due angolazioni. </li><li> Regolare la sorgente luminosa 150 W fibra ottica per ottenere uno sfondo illuminato uniformemente per una migliore qualità dell&#39;immagine (Figura 1). Accendere il sistema di controllo a questo punto per facilitare la regolazione della fotocamera. </li><li> Eseguire la routine di controllo facendo clic sul pulsante &#39;Self-check&#39; nel software di controllo per assicurarsi che il sistema funzioni come previsto. </li></ol></li><li> Eseguire un test jet impingement <ol><li> Impostare la velocità del disco sul valore desiderato con il software di controllo VFD (500-3.000 rpm). </li><li> Per eseguire un test, avviare la sequenza sperimentale automatizzato dal software di controllo facendo clic sul pulsante &#39;Sequenza di prova&#39;. Il software determina automaticamente i parametri ottimali e coordinare ciascun componente del sistema per eseguire il test di conseguenza. </li><li> Salvare il video di prova impingement risultante (vedi, per esempio, la schermata della Figura 2). Leggere e velocità superficie del disco, dell&#39;ugello pressione e la temperatura dal software di controllo. Nota: Dopo ogni prova, una sequenza di pulizia del disco viene eseguito automaticamente per sciacquare e asciugare la superficie del disco. Ripetere il ciclo di pulizia necessaria fino a quando tutti i residui del liquido di prova è stato rimosso. ATTENZIONE: Mentre i fluidi di prova soluzione di acqua e glicerina possono essere puliti con la sequenza di pulizia, altri LFMs devono essere puliti con solventi organici come acetone. In tali casi, applicare il materiale di pulizia per un panno, non spruzzare direttamente il disco. </li></ol></li><li> Analisi Dei Dati <ol><li> Preparare un foglio contenente informazioni su ogni condizione di test (ad esempio, proprietà del fluido, temperatura ambiente, rugosità superficiale, ecc). </li><li> Aprire le immagini jet impingement registrate con il software di visualizzazione cine, riprodurre le registrazioni complete di video alla normaleaccelerare e osservare i comportamenti jet urto. </li><li> Registra caratteristiche di comportamento impingement (schizzi / spruzzi / deposizione; vedi figura 3) nel foglio preparato, registrando qualsiasi tendenze insoliti che potrebbero indicare complicazioni con il set-up sperimentale. </li><li> Salvare i risultati e le condizioni di prova in un foglio di calcolo. Record risultati notevoli ed eventi insoliti resoconto della prova (ad esempio, spruzzata / deposizione punto di soglia, transizioni spruzzi / deposizione, etc.). Salvare screenshot quando necessario. </li><li> Condurre misure di analisi delle immagini e registrare i dati. <ol><li> Avviare lo strumento su schermo di misura pixel. Aperto immagini urto, e calibrare la scala dell&#39;immagine misurando un micro-sovrano nelle immagini con lo strumento su schermo di misura pixel (Figura 4). </li><li> Dimensioni Misura di interesse (ad esempio, larghezza diffusione lamelle, W, e lamelle radio punto di stagnazione, R; vedi figura 5) con la misura di pixel tool in un punto dove il getto sembra essere più stabile nei dati video e registrare nel foglio preparato. Poi prendere un altro gruppo di misurazioni 100 fotogrammi dopo il primo gruppo di misure per confermare che sia il getto e le lamelle sono stabili. Punti dati Plot su un grafico e completano la curva raccordo. </li></ol></li></ol></li></ol> 2. Air Cannon dispositivo <ol><li> Identificare le condizioni di prova desiderate e preparare i materiali, come al punto 1.1 e punto 1.2. </li><li> Prestazioni di esperimenti <ol><li> Accendere il software del sistema di controllo. </li><li> Inserire il proiettile in canna cannone. Spostare il meccanismo di arresto vicino all&#39;uscita canna per catturare correttamente il proiettile dopo un test (Figura 6). </li><li> Aprire la linea dell&#39;aria pressurizzata costruzione conduce al serbatoio dell&#39;aria. Pressurizzare il serbatoio compreso tra 30 e 70 psi psi, a seconda della velocità del proiettile desiderato. 30 psi pressione del serbatoio offre una velocità di un proiettile di circa 5m / sec, e 70 psi dà una velocità di circa 25 m / sec. </li><li> Preparare il gas accumulatore chiuso compresso per il fluido di prova pressurizzazione. <ol><li> Versare 3 kg di prova liquido nella valvola liquido dell&#39;accumulatore. Collegare tubo dalla valvola gas dell&#39;accumulatore all&#39;ugello getto di liquido, e impostare la pressione dell&#39;accumulatore fino a 300 psig. </li></ol></li><li> Collegare la fotocamera alla presa a forbice. Fissare la presa forbice alla piattaforma posizionata accanto al ugello getto. </li><li> Fissare la sorgente di luce ad alta intensità per la piattaforma posizionata di fronte alla telecamera e dietro il foglio di diffusione. Controllare illuminazione e telecamera posizionamento utilizzando la funzione di visualizzazione videocamera dell&#39;interfaccia controllo software, e regolare la posizione come necessario (Figura 7). </li><li> Indossare cuffie per la protezione dal cannone ad aria esplosione sonora. </li><li> Sbloccare il pannello di controllo di cannone, e premere il pulsante di allarme sul pannello di controllo più volte per segnalarel&#39;inizio di un esperimento. </li><li> Premi il pulsante del pannello di controllo che apre la valvola solenoide che collega il serbatoio d&#39;aria con la canna cannone ad aria. </li><li> Dopo che il dispositivo è stato sparato e il proiettile catturato, pulire il dispositivo passandolo con fluido ed una spugna per rimuovere il liquido in esame residua pulizia. Infine, asciugare la superficie urto del proiettile. </li></ol></li><li> Misurare la velocità del proiettile nel video ad alta velocità registrata misurando la quantità di tempo richiesto per il proiettile di viaggiare (10 cm) distanza fissa. Analizzare i dati come al punto 1.5. </li></ol>

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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>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Il proiettile utilizzato per il cannone ad aria set-up è composto da una base in legno leggero. Sebbene i trucioli di legno materiali leggermente dopo numerose prove, è stato trovato per assorbire l&#39;energia cinetica più efficacemente di proiettili composti di materiali come plastica o metallo, che tendono a frantumarsi sul impattare il meccanismo di arresto. Le dimensioni del proiettile di legno sono progettati per corrispondere al meglio l&#39;interno canna in acciaio, limitando così le perdite d&#39;aria. Un f...

Questa ricerca mira a determinare le strategie per l&#39;applicazione LFM (Modifier attrito liquido) in forma getto liquido su una superficie in movimento mentre raggiungono un alto grado di efficienza di trasferimento e di risultati deposizione uniformi. Il raggiungimento di questo obiettivo comporta lo sviluppo di una comprensione globale dei fattori che influenzano impingement getto liquido sulle superfici in movimento. Il progetto è motivata da una necessità di migliorare l&#39;efficienza delle tecniche applicative lubrificazione utilizzati nel settore ferroviario. Come mezzo per ridurre il consumo di carburante e costi di manutenzione locomotive, una pellicola sottile di attrito agente modificante viene ora applicato alla superficie superiore della rotaia ferrovia convenzionali. Recenti studi hanno dimostrato che l&#39;applicazione di un tipo di LFM all&#39;acqua per piano del ferro (TOR) controllo dell&#39;attrito ridotto i livelli di consumo di energia del 6% e la flangia rotaia e ruota l&#39;usura da superiore al 50% 1,2. Altri studi hanno dimostrato che l&#39;applicazione di LFM a binari ridurres forza laterale e livelli di rumore e, cosa ancora più importante, pista ondulazione e danni da rotolamento stanchezza contatto, che è una delle principali cause di deragliamenti 3,4. Questi risultati sono stati ulteriormente confermati da test sul campo del sistema di metropolitana di Tokyo 5. LFMs sono attualmente dispensati da atomizzatori ad aria soffiata collegati a dozzine di locomotive in tutto il Canada e gli Stati Uniti. In questa forma di applicazione, LFM viene applicato all&#39;inizio della ferrovia da atomizzatori montati sotto movimento vagoni ferroviari. Questa modalità di applicazione LFM è difficile da implementare su molte locomotive ferrovia perché l&#39;alta volume richiesto e livelli di alimentazione d&#39;aria ad alta pressione potrebbe non essere raggiungibile. Ugelli aria esplosione sono anche creduto di produrre la copertura ferroviario molto irregolare quando operato in un vento di traverso, come venti trasversali causano goccioline spruzzo fini di deviare dalla loro traiettoria originale. Crosswinds sono anche noti per essere implicati in ugello sottomarina, probabilmente per lo stessoragione. A causa di problemi connessi con atomizzatori ad aria soffiata, settore ferroviario è attualmente alla ricerca di approcci alternativi alla applicazione LFM sui binari. Una soluzione possibile consiste erogazione LFM mediante (non-atomizzata) getto liquido continuo, come getti di liquido sono meno suscettibili a vento di traverso effetti dovuti alla loro minore rapporto di trascinamento per inerzia. Inoltre, perché i livelli elevati di pressione dell&#39;aria e di volume necessari per ugelli di polverizzazione non sono necessari in tecnologie getto liquido, queste ultime agiscono come meccanismi a spruzzo più snelle e robuste che mantengono il controllo efficace sul tasso di applicazione LFM. Un&#39;area di fisica simile, gocciolina conflitto, è stato studiato intensamente. È stato trovato da diversi ricercatori che per impingement gocciolina su una superficie liscia asciutta movimento, spruzzi comportamento dipende da molti parametri tra cui viscosità, densità, tensione superficiale e la componente normale della velocità d&#39;impatto 14,15. Uccello <em&gt; et al. hanno dimostrato che entrambe le velocità normali e tangenziali sono di importanza critica 16. Gamma et al. E Crooks et al. Hanno dimostrato che per la gocciolina urto su una superficie asciutta stazionaria, rugosità superficiale diminuisce la soglia spruzzata in modo significativo (cioè, fa la goccia più inclini a spruzzi) 17,18. Nonostante la sua importanza pratica, jet impingement su superfici in movimento ha ricevuto scarsa attenzione nella letteratura accademica. Chiu-Webster e Lister eseguito una vasta serie di esperimenti che ha esaminato costante e instabile jet viscoso urto su una superficie in movimento, e gli autori hanno sviluppato un modello per il caso flusso costante 6. Hlod et al. Modellare il flusso mediante una ODE terzo ordine su un dominio di lunghezza sconosciuta sotto una condizione integrante aggiuntiva e configurazioni previsti rispetto ai risultati sperimentali 7. Tuttavia, i numeri di Reynolds esaminatiin entrambi questi studi sono molto inferiori a quelli associati con le applicazioni tipiche ferrovia LFM. Gradeck et al. Numericamente e sperimentalmente studiato il campo di moto del getto d&#39;acqua conflitto su un substrato in movimento sotto varie velocità del getto, la velocità di superficie e le condizioni di diametro ugello 8. Fujimoto et al. Caratteristiche di flusso inoltre esaminati un getto d&#39;acqua circolare che incide su un substrato in movimento ricoperta da un film sottile di acqua 9. Tuttavia, questi due progetti utilizzati relativamente grandi diametri degli ugelli e superficie inferiore e velocità del getto rispetto a quelli impiegati nel presente lavoro. Inoltre, anche se precedenti studi sperimentali, numerici e di analisi forniscono una grande quantità di dati, la maggior parte sono concentrati su parametri di trasferimento di calore piuttosto che sui processi di flusso di liquidi come il comportamento jet spruzzi. Il metodo sperimentale previsto nella presente ricerca contribuisce pertanto a liquidi tecnologie applicative jet da reaffinamento tali tecniche in condizioni che comportano diametri ugelli a getto più piccolo e ad alta velocità a getto e di superficie velocità. Il presente metodo affina anche la conoscenza su problemi fondamentali della meccanica dei fluidi associati al movimento linee di contatto. Gli studi di cui sopra hanno generalmente coinvolto l&#39;interazione di un jet a bassa velocità con una superficie a bassa velocità in movimento. Ci sono stati relativamente pochi studi di laminare ad alta velocità jet impingement su superfici in movimento ad alta velocità. Durante l&#39;alta velocità impaction getto liquido liquido jet diffonde radialmente in prossimità della posizione impingement, formando una lamella sottile. Questo lamelle viene poi convected valle dal viscoso forcing imposto dalla superficie in movimento, producendo un caratteristico lamelle a forma di U. Keshavarz et al. Hanno riportato su esperimenti che impiegano getti liquidi newtoniani ed elastiche che influiscono sulle superfici ad alta velocità. Sono classificati processi urto in due tipi distinti: &quot;deposizione &amp;# 8221; e &quot;splash&quot; 10. Per impingement essere classificato come la deposizione, il liquido jet deve aderire alla superficie, mentre spruzzata è caratterizzata da una lamella liquido che separa dalla superficie, e successivamente rompe in goccioline. Un terzo regime conflitto è stato anche descritto - &quot;splatter&quot;. In questo, relativamente rare, regime lamella rimane attaccato alla superficie, come per &quot;deposizione&quot;, ma goccioline vengono espulse dalla prossimità del bordo anteriore della lamella. In un successivo studio di effetti fluidi non newtoniani, Keshavarz et al. Ha concluso che la spruzzata / soglia deposizione è determinata principalmente dai numeri di Reynolds e Deborah, mentre l&#39;angolo di jet impingement e velocità del getto ad emergere rapporti di velocità hanno solo un effetto secondario 11 . In esperimenti condotti sotto pressione dell&#39;aria ambiente variabili, Moulson et al. Scoperto che il / la deposizione soglia numero di Reynolds spruzzata drammaticamenteaumenta al diminuire della pressione dell&#39;aria ambiente (cioè, pressioni ambiente elevate rendono getti più inclini a splash), diminuendo la pressione dell&#39;aria ambiente sotto di una certa soglia sopprime completamente spruzzata 12. Questa scoperta suggerisce che le forze aerodinamiche che agiscono sul lamelle giocano un ruolo fondamentale nel causare lamelle lift-off e successiva spruzzi. Nel recente lavoro sul conflitto ad alta velocità su un substrato ad alta velocità, Sterling ha dimostrato che per la velocità del substrato e le condizioni jet vicino alla soglia di schizzi, spruzzi può essere innescato da molto piccola rugosità superficiale localizzato e minore instabilità jet. Egli ha anche mostrato che in queste condizioni lamella lift-off e riattacco è un processo stocastico 13. Il protocollo sperimentale qui descritto può essere usato per studiare altre situazioni fisiche che coinvolgono l&#39;interazione di un fluido con una superficie ad alta velocità in movimento. Ad esempio, lo stesso approccio potrebbe essere utilizzato per studiare elicottero fogliainterazione e-vortice (a condizione che il fluido è stato colorato con vortex particelle traccianti) e spruzzatura robotizzata di superfici.

<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

Due apparati per l&#39;esame impingement getto di liquido su una superficie in movimento ad alta velocità sono descritti: un dispositivo cannone ad aria (per l&#39;esame velocità superficiali tra 0 e 25 m / sec) e un dispositivo di disco rotante (per l&#39;esame velocità superficiali fra 15 e 100 m / sec). La traslazione lineare cannone ad aria è un sistema alimentato a energia pneumatica che è progettato per accelerare una superficie guida metallica montata sulla parte superiore di un proiettile in legno. Un cilindro pressurizzato provvisto di elettrovalvola rilascia rapidamente l&#39;aria in pressione nel cilindro, forzando il proiettile lungo la canna cannone. Il proiettile viaggia sotto un ugello di spruzzo, che incide un getto di liquido sulla sua superficie superiore di metallo, e il proiettile poi colpisce un meccanismo di arresto. Una telecamera registra il impingement jet, e un trasduttore di pressione registra la contropressione ugello. Il disco rotante set-up è costituito da un disco in acciaio che raggiunge una velocità di 500 a 3.000 rpm tramite un variatore di frequenza (VFD) del motore. Un si sistema a spruzzomilar a quella del cannone dell&#39;aria genera un getto di liquido che incide sul disco rotante, e telecamere poste in diversi punti di accesso ottico registrare il impingement jet. Le registrazioni video dei processi urto jet vengono registrati ed esaminati per stabilire se l&#39;esito del conflitto è spruzzi, splatter, o la deposizione. Gli apparati sono il primo che coinvolgono l&#39;urto ad alta velocità di-Reynolds-basso numero getti di liquido su superfici in movimento ad alta velocità. Oltre alle sue applicazioni industriali ferroviario, la tecnica descritta può essere utilizzata per fini tecnici e industriali quali siderurgia e può essere rilevante per la stampa 3D ad alta velocità.

<html> Come discusso nella sezione introduttiva, i tre comportamenti principali associati impingement getto liquido sono deposizione, splatter e schizzi. Questi comportamenti jet impingement sono osservate utilizzando dati video registrati dalle cineprese ad alta velocità posizionati in vari punti ottici. Esempi di immagini fisse, ottenuti dalle registrazioni video, che raffigurano tre risultati getto liquido sono mostrati in Figura 3. Figura 3A illustra la deposizione a getto di liquido, in cui il gett...

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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.

Visualizzazione di Liquid High Speed ​​Jet Occlusione su una superficie mobile

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

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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.

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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.

Alta velocità Particle Image Velocimetry prossimità di superfici

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 ...

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Ingegneria

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.

Scansione veloce per studiare goccia Impatto dinamica dei fluidi non newtoniani

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.

Tridimensionale Velocimetry monitoraggio di particelle per applicazioni Turbulence: caso di flusso Jet

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 ...

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to turbulent flow conditions are presented. For that purpose, the incipient motion of a single bead is studied on regular substrates that consist of a monolayer of fixed spheres of uniform size that are regularly arranged in triangular and quadratic symmetries. The threshold is characterized by the critical Shields number. The criterion for the onset of motion is defined as the displacement from the original equilibrium position to the neighboring one. The displacement and the mode of motion are identified with an imaging system. The laminar flow is induced using a rotational rheometer with a parallel disk configuration. The shear Reynolds number remains below 1. The turbulent flow is induced in a low-speed wind tunnel with open jet test section. The air velocity is regulated with a frequency converter on the blower fan. The velocity profile is measured with a hot wire probe connected to a hot film anemometer. The shear Reynolds number ranges between 40 and 150. The logarithmic velocity law and the modified wall law presented by Rotta are used to infer the shear velocity from the experimental data. The latter is of special interest when the mobile bead is partially exposed to the turbulent flow in the so-called hydraulically transitional flow regime. The shear stress is estimated at onset of motion. Some illustrative results showing the strong impact of the angle of repose, and the exposure of the bead to shear flow are represented in both regimes.

Two different methods for characterizing the incipient particle motion of a single bead as a function of the sediment bed geometry from laminar to turbulent flow are presented.

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

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.

Controllo del film di studiare i contributi delle onde a goccia impatto Dynamics su pellicole liquide sottile che scorre

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.

Impatti delle sfere di caduta libera su una piscina profonda liquida con condizioni superficiali alterato fluido e dispositivo d'urto

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.

Analisi ad alta velocità effettiva degli impatti delle gocciole liquide

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.

Un sistema Microfluidic con Patterning superficie per indagare cavitazione Bubble (s) Interazione -cell e gli effetti biologici risultante nel livello di singola cellula

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

Bioingegneria

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

Visualizzazione del flusso oltre un corpo Bluff

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

Didattica

JoVE Science Education

Ingegneria meccanica

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

Getto che incide su una piastra inclinata

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

Visualizzazione di Liquid High Speed Jet Occlusione su una superficie mobile

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Alta velocità Particle Image Velocimetry prossimità di superfici

Scansione veloce per studiare goccia Impatto dinamica dei fluidi non newtoniani

Tridimensionale Velocimetry monitoraggio di particelle per applicazioni Turbulence: caso di flusso Jet

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

Controllo del film di studiare i contributi delle onde a goccia impatto Dynamics su pellicole liquide sottile che scorre

Impatti delle sfere di caduta libera su una piscina profonda liquida con condizioni superficiali alterato fluido e dispositivo d'urto

Analisi ad alta velocità effettiva degli impatti delle gocciole liquide

Un sistema Microfluidic con Patterning superficie per indagare cavitazione Bubble (s) Interazione -cell e gli effetti biologici risultante nel livello di singola cellula

Visualizzazione del flusso oltre un corpo Bluff

Getto che incide su una piastra inclinata

Visualizzazione di Liquid High Speed ​​Jet Occlusione su una superficie mobile

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Alta velocità Particle Image Velocimetry prossimità di superfici

Scansione veloce per studiare goccia Impatto dinamica dei fluidi non newtoniani

Tridimensionale Velocimetry monitoraggio di particelle per applicazioni Turbulence: caso di flusso Jet

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

Controllo del film di studiare i contributi delle onde a goccia impatto Dynamics su pellicole liquide sottile che scorre

Impatti delle sfere di caduta libera su una piscina profonda liquida con condizioni superficiali alterato fluido e dispositivo d'urto

Analisi ad alta velocità effettiva degli impatti delle gocciole liquide

Un sistema Microfluidic con Patterning superficie per indagare cavitazione Bubble (s) Interazione -cell e gli effetti biologici risultante nel livello di singola cellula

Visualizzazione del flusso oltre un corpo Bluff

Getto che incide su una piastra inclinata

Visualizzazione di Liquid High Speed Jet Occlusione su una superficie mobile