Las Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación de Canadá (NSERC) y LB Foster Rail Technologies, Corp. apoyado conjuntamente esta investigación a través del programa NSERC Colaboración para la Investigación y el Desarrollo Grant.

1. Spinning dispositivos de disco <ol><li> Identificar las condiciones de ensayo deseadas y condiciones de prueba registro en una tabla (por ejemplo, temperatura ambiente, las propiedades del fluido, jet y la superficie de velocidad, etc.). </li><li> Preparación de Materiales <ol><li> Preparar soluciones de agua-glicerina glicerina o agua-PEO para las pruebas de choque. <ol><li> En el caso de las pruebas-glicerina-agua PEO, disolver gradualmente 4,5 g de polvo PEO (pesos moleculares promedio en viscosidad de un millón y cuatro millones de dólares) en 1495,5 g de agua destilada con agitación magnética suave durante un período de 24 horas. Evitar excesivamente agitar la muestra PEO para prevenir la degradación mecánica. </li><li> Añadir poco a poco 1,5 kg de glicerina USP-grado para la solución de PEO acuosa durante un período de 24 horas para llegar a una solución acuosa de concentración PEO 0,15% y la concentración de glicerina 50%. </li></ol></li><li> Almacene los líquidos de ensayo por separado en recipientes herméticos bajo RT antes y después de cada prueba para mini-Mize evaporación, absorción de agua del aire ambiente y la contaminación. Caracterizar y rociar líquidos dentro de los cinco días de preparación. </li></ol></li><li> Realización de experimentos <ol><li> Asegúrese de que la válvula de suministro de aire del cojinete de aire de disco giratorio está abierta y la lectura del manómetro está en el rango correcto funcionamiento (60-80 psig). Nada claro que pueda impedir el movimiento del disco y apague el disco con la mano en ambas direcciones 5 rotaciones para comprobar si hay algún problema con el disco y los cojinetes. </li><li> Limpio y seguro del gas comprimido cerrado acumulador para presurización fluido de prueba. Vierta 3 kg de líquido de prueba en el puerto de fluido del acumulador de 1 galón. </li><li> Conectar el puerto de gas del acumulador al depósito de nitrógeno a través de un regulador de presión. Conectar el puerto de fluido del acumulador a la boquilla de rociado a chorro. </li></ol></li><li> Establecer un sistema de control y sistema de imágenes de alta velocidad. <ol><li> Inicie el software de control de disco giratorio y software de control VFD.Posición dos cámaras de cine de alta velocidad de 35 cm de distancia del punto de incidencia y ajustar las lentes de gran aumento para capturar el punto de incidencia desde dos ángulos. </li><li> Ajuste la fuente de luz de 150 W de fibra óptica para lograr un fondo uniformemente iluminado para la mejor calidad de imagen (Figura 1). Encienda el sistema de control en este punto para facilitar el ajuste de la cámara. </li><li> Realice la rutina de auto-comprobación pulsando el botón &#39;Self-check &quot;en el software de control para asegurarse de que el sistema está funcionando como se esperaba. </li></ol></li><li> Realice una prueba de chorro de choque <ol><li> Ajuste la velocidad del disco al valor deseado con el software de control VFD (500-3.000 rpm). </li><li> Para realizar una prueba, inicie la secuencia experimental automatizado desde el software de control haciendo clic en el botón &#39;Secuencia de prueba&#39;. El software determinará los parámetros óptimos automáticamente y coordinar cada componente del sistema para realizar la prueba en consecuencia. </li><li> Guarde el vídeo de la prueba de choque resultante (véase, por ejemplo, la captura de pantalla en la Figura 2). Lea y velocidad de la superficie de grabación, la boquilla de nuevo la presión y la temperatura desde el software de control. Nota: Después de cada prueba, una secuencia de limpieza de disco se ejecuta automáticamente para enjuagar y secar la superficie del disco. Repetir el ciclo de limpieza como sea necesario hasta que todo el residuo de fluido de ensayo se ha eliminado. PRECAUCIÓN: Mientras que los fluidos de prueba solución de agua y glicerina se pueden limpiar con la secuencia de limpieza, otros LFMs necesitan ser limpiados con disolventes orgánicos tales como acetona. En tales casos, aplicar el material de limpieza a una tela en lugar de pulverizar el disco directamente. </li></ol></li><li> Análisis De Los Datos <ol><li> Preparar una hoja de cálculo que contiene información sobre cada condición de ensayo (por ejemplo, las propiedades del fluido, la temperatura ambiente, rugosidad de la superficie, etc.). </li><li> Abra las imágenes de chorro de choque grabados con software de visualización de cine, reproducir grabaciones de vídeo completo a la normalidadacelerar y observar comportamientos chorro de choque. </li><li> Grabar características de comportamiento de choque (splash / salpicaduras / deposición; ver Figura 3) en la hoja de cálculo preparada, registrando cualquier tendencia inusual que pueda indicar complicaciones con el montaje experimental. </li><li> Guardar los resultados y condiciones de ensayo en una hoja de cálculo. Hallazgos notables de Registros y sucesos inusuales en el registro de la prueba (por ejemplo, punto umbral splash / deposición, transiciones splash / deposición, etc.). Guardar imágenes cuando sea necesario. </li><li> Realizar mediciones de análisis de imágenes y datos de registro. <ol><li> Inicie la herramienta de medición de píxeles en la pantalla. Imágenes de impacto abiertas, y calibrar la escala de la imagen mediante la medición de un micro-gobernante en las imágenes con la herramienta de medición de píxeles en pantalla (Figura 4). </li><li> Dimensiones medida de interés (por ejemplo, el ancho de propagación lamela, W, y lamela radio punto de estancamiento, R; véase la Figura 5) con la camiseta de medición de píxelesool en un punto donde el avión parece ser más estable en los datos de vídeo y grabar en la hoja de cálculo preparada. Luego tomar otro grupo de mediciones 100 marcos después de que el primer grupo de mediciones para confirmar que tanto el chorro y la lámina son estables. Puntos de datos Parcela en un gráfico y completar el ajuste de curvas. </li></ol></li></ol></li></ol> 2. Cannon Air dispositivo <ol><li> Identificar las condiciones de prueba deseados y preparar materiales como en el paso 1.1 y paso 1.2. </li><li> Realización de experimentos <ol><li> Encienda el software de control del sistema. </li><li> Inserte el proyectil en el cañón cañón. Mueva el mecanismo de parada cerca de la salida del barril para capturar adecuadamente el proyectil después de una prueba (Figura 6). </li><li> Abra la línea de aire del edificio a presión que conduce al tanque de aire. Presurizar el tanque a entre 30 psi y 70 psi, dependiendo de la velocidad del proyectil deseada. 30 psi de presión del tanque da una velocidad de proyectil de alrededor del 5m / seg, y 70 psi da una velocidad de alrededor de 25 m / seg. </li><li> Preparar el acumulador de gas comprimido cerrado para la presurización de fluido de prueba. <ol><li> Verter 3 kg de líquido de prueba en el puerto de fluido del acumulador. Conecte el tubo de la válvula de gas del acumulador a la boquilla chorro de líquido, y ajuste la presión del acumulador de hasta 300 psig. </li></ol></li><li> Monte la cámara en el gato de tijera. Asegure el gato de tijera a la plataforma posicionada junto a la boquilla de pulverización de chorro. </li><li> Asegure la fuente de luz de alta intensidad para la plataforma situada al otro lado de la cámara y detrás de la lámina de difusión. Compruebe la iluminación y la cámara de posicionamiento utilizando la función de visualización de la cámara de vídeo de la interfaz de control de software, y ajustar el posicionamiento según sea necesario (Figura 7). </li><li> Póngase orejeras para protegerse de la explosión de sonido cañón de aire. </li><li> Desbloquear el panel de control de cañón, y presione el botón de aviso en el panel de control varias veces para señalarel inicio de un experimento. </li><li> Pulse el botón del panel de control que se abre la válvula de solenoide conecta el tanque de aire con el cañón cañón de aire. </li><li> Después de que el dispositivo se ha disparado y el proyectil capturado, limpiar el dispositivo frotándolo con líquido y una esponja para eliminar el líquido residual prueba de limpieza. Finalmente, se seca la superficie de choque del proyectil. </li></ol></li><li> Medir la velocidad del proyectil en el vídeo de alta velocidad registrada por la medición de la cantidad de tiempo requerido para que el proyectil para viajar a (10 cm) de distancia fija. Analizar los datos como en el paso 1.5. </li></ol>

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	<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. 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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. 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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>

Los autores no tienen nada que revelar.

El proyectil utilizado para el cañón de aire configuración se compone de una base de peso ligero, de madera. Aunque los chips de material de madera levemente después de numerosas pruebas, se ha encontrado para absorber la energía cinética más eficazmente que los proyectiles compuestos de materiales tales como plástico o metal, que tienden a romperse al impactar el mecanismo de tope. Las dimensiones de la proyectil de madera están diseñados para que coincida estrechamente el interior barril de acero, restringie...

Esta investigación tiene como objetivo determinar las estrategias para la aplicación de LFM (modificador de fricción líquida) en forma de chorro de líquido sobre una superficie en movimiento, mientras que el logro de un alto grado de eficiencia de la transferencia y los resultados de deposición uniforme. El logro de este objetivo implica el desarrollo de una comprensión global de los factores que afectan el choque chorro de líquido en las superficies en movimiento. El proyecto está motivado por la necesidad de mejorar la eficiencia de las técnicas de aplicación de lubricación utilizados en el sector ferroviario. Como un medio de reducir el consumo de combustible y costes de mantenimiento de la locomotora, una película delgada de agente modificador de fricción está siendo aplicada a la superficie superior del carril de vías férreas convencionales. Estudios recientes han demostrado que la aplicación de un tipo de LFM a base de agua para la parte superior del carril (TOR) de control de fricción reduce los niveles de consumo de energía en un 6% y el patín del riel y la rueda de desgaste por encima del 50% 1,2. Otros estudios han demostrado que la aplicación de LFM para vías de ferrocarril a reducirs fuerza lateral y los niveles de ruido, así como, más importante, la pista de ondulación y daños por fatiga de contacto por rodadura, que es una causa importante de descarrilamientos 3,4. Estos resultados fueron confirmados en pruebas de campo en el metro de Tokio 5. LFMs actualmente están dispensados ​​de atomizadores de chorro de aire conectados a decenas de locomotoras a través de Canadá y los Estados Unidos. En esta forma de aplicación, LFM se aplica a la parte superior de las vías del ferrocarril por atomizadores montados debajo de movimiento vagones de ferrocarril. Este modo de aplicación LFM es difícil de aplicar en muchas locomotoras del ferrocarril porque el nivel de suministro de aire de alta presión y de gran volumen requerido pueden no ser alcanzadas. Boquillas de chorro de aire también se creen para producir la cobertura ferroviaria muy irregular cuando se opera en un viento de costado, como los vientos cruzados producen gotas de pulverización fina para desviarse de su trayectoria inicial. Crosswinds también se sabe que están implicados en el ensuciamiento de la boquilla, probablemente por la mismarazón. Debido a los problemas asociados con atomizadores de chorro de aire, el sector ferroviario está actualmente buscando enfoques alternativos a la aplicación LFM en las pistas de ferrocarril. Una solución viable implica dispensar LFM por medio de un continuo (no atomizado-) chorro de líquido, como chorros de líquido son menos susceptibles a los efectos viento de costado debido a su menor relación de arrastrar a la inercia. Además, debido a los altos niveles de presión de aire y volumen necesarios para boquillas de atomización no son necesarios en las tecnologías de pulverización por chorros de líquido, este último acto como mecanismos de pulverización más ágiles y robustos que mantienen un control efectivo sobre la tasa de aplicación LFM. Un área de la física similares, choque de las gotas, se ha estudiado intensamente. Se encontró por varios investigadores para que choque gotita sobre una superficie lisa seca en movimiento, salpicando el comportamiento depende de muchos parámetros, incluyendo la viscosidad, la densidad, tensión superficial y la componente normal de la velocidad de impacto 14,15. Pájaro <em&gt; et al. demostró que tanto las velocidades normales y tangenciales eran de importancia crítica 16. Rango et al. Y Maleantes et al., Han demostrado que para el choque de gotas sobre una superficie seca estacionaria, rugosidad de la superficie disminuye el umbral splash significativamente (es decir, que hace que la gota más propenso a salpicar) 17,18. A pesar de su importancia práctica, el choque de chorro de superficies móviles ha recibido poca atención en la literatura académica. Chiu-Webster y Lister realizaron una extensa serie de experimentos que examinaron estable e inestable pinzamiento chorro viscoso sobre una superficie en movimiento, y los autores desarrollaron un modelo para el caso de flujo constante 6. Hlod et al., Modeladas al flujo por medio de un ODE de tercer orden en un dominio de longitud desconocida bajo una condición integral adicional y configuraciones predichas en comparación con los resultados experimentales 7. Sin embargo, los números de Reynolds examinaronEn ambos de estos estudios son mucho más bajos que los asociados con las aplicaciones típicas LFM ferrocarril. Gradeck et al. Numérica y experimentalmente investigó el campo de flujo de chorro de agua de impacto sobre un sustrato en movimiento bajo diferentes velocidad de chorro, velocidad superficial, y las condiciones de diámetro boquilla 8. Fujimoto et al. Investigados adicionalmente características de flujo de un chorro de agua circular que incide sobre un sustrato en movimiento cubierto por una delgada película de agua 9. Sin embargo, estos dos proyectos utilizan relativamente grandes diámetros de la boquilla y la superficie inferior y velocidades de chorro en comparación con las empleadas en el presente trabajo. Además, aunque los estudios experimentales, numéricos y analíticos anteriores proporcionan una gran cantidad de datos, la mayoría se han centrado en los parámetros de transferencia de calor en lugar de en los procesos de flujo de líquido tales como el comportamiento de chorro de salpicaduras. El método experimental dispuesto en la presente investigación contribuye así a tecnologías de aplicación de chorros de líquido por reclarificación tales técnicas en virtud de las condiciones que implican diámetros de boquilla más pequeño chorro y chorro de velocidades y de la superficie de alta velocidad. El presente método también refina el conocimiento sobre los problemas de mecánica de fluidos fundamentales asociados con el movimiento de las líneas de contacto. Los estudios mencionados anteriormente generalmente han implicado la interacción de un chorro de baja velocidad con una superficie de baja velocidad de movimiento. Ha habido relativamente pocos estudios de laminar chorro de choque de alta velocidad sobre las superficies móviles de alta velocidad. Durante alta velocidad de impactación chorro de líquido el líquido de chorro se extiende radialmente en las proximidades de la ubicación de choque, formando una lámina delgada. Esta lámina es entonces por convección aguas abajo por el forzamiento viscoso impuestas por la superficie en movimiento, produciendo una lámina en forma de U característica. Keshavarz et al. Han informado sobre los experimentos que emplean chorros de líquidos newtonianos y elásticas que inciden sobre las superficies de alta velocidad. Se clasifican los procesos de choque en dos tipos distintos: &quot;deposición y# 8221; y &quot;salpicar&quot; 10. Para pinzamiento para ser clasificado como deposición, el chorro de líquido debe adherirse a la superficie, mientras que el chapoteo se caracteriza por una lámina de líquido que se separa de la superficie y, posteriormente, se rompe en gotitas. Un tercer régimen de choque también se ha descrito - &quot;de la salpicadura&quot;. En esta, relativamente rara, el régimen de la laminilla permanece unido a la superficie, como para &quot;deposición&quot;, pero finas gotitas son expulsadas desde cerca del borde de ataque de la lámina. En un estudio posterior de los efectos de fluidos no newtonianos, Keshavarz et al. Concluyó que el / umbral de deposición de bienvenida está determinada principalmente por los números de Reynolds y Deborah, mientras que el ángulo de chorro de choque y la velocidad del chorro a la superficie relaciones de velocidad sólo tienen un efecto menor 11 . En experimentos llevados a cabo bajo las presiones del aire ambiente variables, Moulson et al. Descubrió que el / la deposición umbral de número de Reynolds splash dramáticamenteaumenta al disminuir la presión del aire ambiente (es decir, las presiones ambiente más altas hacen chorros más propensos a salpicar), mientras que disminuye la presión del aire ambiente por debajo de un cierto umbral suprime completamente splash 12. Este hallazgo sugiere que las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre la lámina juegan un papel crucial en la causa de la laminilla de despegue y posterior salpicadura. En trabajos recientes sobre el choque de alta velocidad sobre un sustrato de alta velocidad, Sterling mostró que para la velocidad del sustrato y las condiciones de chorro cercanas al umbral splash, splash puede ser desencadenada por muy pequeña rugosidad superficial localizada e inestabilidad jet menor. También demostró que bajo estas condiciones lamela despegue y reinserción es un proceso estocástico 13. El protocolo experimental descrito aquí puede ser usado para estudiar otras situaciones físicas que implican la interacción de un fluido con una superficie de alta velocidad de movimiento. Por ejemplo, el mismo enfoque podría ser utilizado para estudiar helicóptero bladinteracción e-vórtice (siempre que el fluido de vórtice fue coloreado con partículas trazadoras) y pulverización robótico de superficies.

<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

Dos aparatos para el examen de pinzamiento chorro de líquido sobre una superficie móvil de alta velocidad se describen: un dispositivo de cañón de aire (para el examen de las velocidades de superficie entre 0 y 25 m / seg) y un dispositivo de disco giratorio (para el examen de velocidades de superficie entre 15 y 100 m / sec). El recorrido lineal cañón de aire es un sistema alimentado por energía neumática que está diseñado para acelerar una superficie del carril de metal montados en la parte superior de un proyectil de madera. Un cilindro presurizado equipado con una válvula de solenoide libera rápidamente el aire a presión en el cilindro, obligando al proyectil por el cañón cañón. El proyectil viaja debajo de una boquilla de pulverización, que incide un chorro de líquido sobre su superficie superior del metal, y el proyectil a continuación, realiza un mecanismo de parada. Una cámara graba el choque de chorro, y un transductor de presión registra la contrapresión de la boquilla de pulverización. El disco giratorio de configuración consta de un disco de acero que alcanza velocidades de 500 a 3000 rpm a través de un motor de accionamiento de frecuencia variable (VFD). A si sistema de pulverizaciónmilar a la del cañón de aire genera un chorro de líquido que incide sobre el disco giratorio, y cámaras colocadas en varios puntos de acceso óptico grabar el choque del chorro. Las grabaciones de vídeo de los procesos de impacto de chorro se registran y se examinan para determinar si el resultado del choque es salpicadura, salpicadura, o deposición. Los aparatos son los primeros que involucran la alta velocidad de impacto de chorros de líquido bajo número de Reynolds en superficies móviles de alta velocidad. Además de sus aplicaciones de la industria ferroviaria, la técnica descrita puede ser usada para fines técnicos e industriales, tales como la fabricación de acero y puede ser relevante para la impresión en 3D de alta velocidad.

<html> Como se discutió en la sección introductoria, los tres principales comportamientos asociados con pinzamiento chorro de líquido son la deposición, la salpicadura y salpicaduras. Estos comportamientos chorro de choque se observan a partir de datos de vídeo grabados por las cámaras de cine de alta velocidad colocados en varios puntos ópticos. Ejemplos de imágenes fijas, obtenidos a partir de las grabaciones de vídeo, que representan los tres resultados chorro de líquido se muestran en la Figura 3. L...

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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.

Visualización de alta velocidad Liquid Jet impactación sobre una superficie móvil

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

Universidad de Cartagena UDEC

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Mechanical Engineering

Unit 1

Planar Kinematics of a Rigid Body

Motion in Two or Three Dimensions

SCIENTISTS IN ACTION

11.4K vistas.  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.

Alta velocidad velocímetro de partículas cerca de superficies

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 ...

Investigación

Ingeniería

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.

Técnica de escaneo rápido para el Estudio de impacto por caída de la Dinámica de Fluidos no newtonianos

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.

Tridimensional de velocimetría de seguimiento de partículas para aplicaciones de turbulencia: Caso de un Flujo 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.

Visual basado en la caracterización de la propuesta del partícula incipiente en sustratos Regular: de Laminar a turbulentas condiciones

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.

Control de la película para el estudio de las contribuciones de las ondas dinámicas de impacto de gota en películas líquidas delgadas que fluye

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.

Impactos de las esferas de la caída libre en una piscina profunda líquida con líquido alterada y el impactador de condiciones de la superficie

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.

Análisis de alto rendimiento de los impactos de gotas líquidas

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 de microfluidos con modelar superficie de Investigación de la burbuja de cavitación (s) Interacción -Cell y los Bioefectos resultante en el nivel de celda única

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

Bioingeniería

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

Visualización de flujo más allá de un cuerpo no fuselado

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

Educación

JoVE Science Education

Ingeniería mecánica

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

Jet que inciden sobre una placa inclinada

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