As Ciências Naturais e Council of Canada (NSERC) e LB Foster Rail Technologies, Corp. Pesquisa de Engenharia apoiado conjuntamente essa pesquisa por meio do programa NSERC Collaborative Research e Desenvolvimento Grant.

1. Spinning Disk Device <ol><li> Identificar as condições de teste desejados e condições de ensaio registro em uma tabela (por exemplo, temperatura ambiente, propriedades do fluido, jet e superfície de velocidade, etc.). </li><li> Preparação de Materiais <ol><li> Preparar soluções de água glicerina ou PEO-glicerina em água para os testes de síndrome do impacto. <ol><li> No caso dos testes de PEO-glicerina-água, dissolver gradualmente 4,5 g de pó de PEO (pesos moleculares da média de viscosidade de um milhão e quatro milhões) em 1495,5 g de água destilada, sob agitação magnética suave ao longo de um período de 24 horas. Evitar excessivamente agitar a amostra de PEO para evitar a degradação mecânica. </li><li> Gradualmente adicionar 1,5 kg de glicerina de grau USP à solução de PEO aquoso durante um período de 24 horas para alcançar uma solução aquosa de 0,15% de concentração de PEO e de 50% de concentração de glicerina. </li></ol></li><li> Guarde os líquidos de teste separadamente em recipientes hermeticamente fechados sob RT antes e depois de cada teste para mini-mize evaporação, absorção de água a partir do ar ambiente e contaminação. Caracterizar e pulverizar líquidos no prazo de cinco dias de preparação. </li></ol></li><li> Desempenho de Experimentos <ol><li> Certifique-se de válvula de alimentação de ar do rolamento de ar disco giratório é aberta ea leitura do medidor de pressão está na faixa de trabalho correta (60-80 psig). Limpar tudo o que possa impedir o movimento do disco e rode o disco com a mão em ambas as direções 5 rotações para verificar se há algum problema com o disco e rolamentos. </li><li> Limpo e garantir o gás comprimido fechado acumulador para pressurização fluido de teste. Pour 3 kg de líquido de teste na porta de fluido do acumulador de 1 galão. </li><li> Ligue a porta de gás do acumulador para o tanque de azoto, através de um regulador de pressão. Ligue a porta de fluido do acumulador para o bico de jacto de pulverização. </li></ol></li><li> Montar um sistema de controle e sistema de imagem de alta velocidade. <ol><li> Inicie o software de controle de disco giratório e software de controle VFD.Posição duas câmeras de cinema de alta velocidade 35 centímetros de distância do ponto de impacto e ajustar as lentes de ampliação alta para capturar o ponto de colisão de dois ângulos. </li><li> Ajuste a fonte de luz 150 W de fibra óptica para conseguir um fundo uniformemente iluminada para a melhor qualidade de imagem (Figura 1). Ligue o sistema de controle neste momento para facilitar o ajuste da câmera. </li><li> Realizar a rotina de auto-seleção, clicando no botão &quot;Auto-check&quot; no software de controle para garantir que o sistema está funcionando conforme o esperado. </li></ol></li><li> Realizar um teste de jet choque <ol><li> Defina a velocidade do disco para o valor desejado com o software de controle VFD (500-3,000 rpm). </li><li> Para realizar um teste, lançar a sequência experimental automatizado do software de controle, clicando no botão &#39;seqüência Test&#39;. O software determinar os parâmetros óptimos automaticamente e coordenar cada componente do sistema para executar o teste de conformidade. </li><li> Salve o vídeo de teste de colisão resultante (ver, por exemplo, a captura de tela na Figura 2). Leia e velocidade de superfície recorde, bico de volta pressão e temperatura a partir do software de controle. Nota: Depois de cada teste, uma sequência de limpeza de disco é executado automaticamente para enxaguar e secar a superfície do disco. Repetir o ciclo de limpeza, conforme necessário, até que todos os resíduos de fluido de teste ter sido removido. CUIDADO: Embora fluidos de teste e solução de água de glicerina pode ser feita com a sequência de limpeza, outros LFMs precisam ser limpos com solventes orgânicos, tais como acetona. Em tais casos, aplicar o material de limpeza para um pano em vez de pulverizar directamente no disco. </li></ol></li><li> Análise De Dados <ol><li> Prepara-se uma folha de cálculo que contém informações em cada condição de teste (por exemplo, as propriedades dos fluidos, temperatura ambiente, a rugosidade da superfície, etc.). </li><li> Abra as imagens de jet impingement gravados com software de visualização cine, reproduzir gravações de vídeo completas em normaisacelerar e observar comportamentos jet síndrome do impacto. </li><li> Grave características de comportamento de contusão (respingo / salpicos / deposição; veja a Figura 3) na planilha preparada, registrando quaisquer variações anormais que podem indicar complicações com o experimental set-up. </li><li> Salve os resultados do teste e as condições em uma planilha. Grave resultados notáveis ​​e ocorrências anormais no log de ​​teste (por exemplo, Splash / deposição de ponto limite, transições respingo / deposição, etc.). Salve screenshots quando necessário. </li><li> Realizar medições de análise de imagem e os dados de registro. <ol><li> Inicie a ferramenta de medição de pixels na tela. Imagens impingement Open, e calibrar a escala da imagem medindo um micro-governante nas imagens com a ferramenta de medição de pixels na tela (Figura 4). </li><li> Dimensões medida de interesse (por exemplo, a largura lamela spread, W, e lamela raio ponto de estagnação, R; veja a Figura 5) com a medição do pixel tool em um ponto onde o jato parece ser mais estável nos dados de vídeo e gravar na planilha preparada. Então, um outro grupo de medições de 100 quadros após o primeiro grupo de medições de confirmar que tanto o jacto e a lamela são estáveis. Pontos de dados em um gráfico Plot e completar o ajuste de curva. </li></ol></li></ol></li></ol> 2. Air Canhão Dispositivo <ol><li> Identificar as condições de teste desejados e preparar os materiais como no passo 1.1 e passo 1.2. </li><li> Desempenho de Experimentos <ol><li> Ligue o software de controle do sistema. </li><li> Insira o projétil no cano de canhão. Mova o mecanismo de parada perto da saída barril para captar adequadamente o projétil após um teste (Figura 6). </li><li> Abra a linha de edificação ar pressurizado que conduz ao tanque de ar. Pressurizar o tanque de entre 30 psi e 70 psi, dependendo da velocidade do projéctil desejado. 30 psi de pressão do tanque dá uma velocidade de projétil de cerca de 5m / seg, e 70 psi dá uma velocidade de cerca de 25 m / seg. </li><li> Prepare o acumulador de gás comprimido fechado para pressurização de fluido de teste. <ol><li> Pour 3 kg de líquido de teste na porta de fluido do acumulador. Conecte o tubo da válvula de gás acumulador ao bico jato de spray líquido, e definir a pressão do acumulador de até 300 psig. </li></ol></li><li> Coloque a câmera para o jack tesoura. Prenda o jack tesoura para a plataforma posicionada próxima ao bico jato de spray. </li><li> Fixe a fonte de luz de alta intensidade para a plataforma posicionada em frente à câmera e por trás da folha de difusão. Verifique iluminação e posicionamento da câmera usando a função de visualização da câmera de vídeo da interface de controle de software, e ajustar o posicionamento conforme necessário (Figura 7). </li><li> Coloque em earmuffs para proteção contra a explosão de som canhão de ar. </li><li> Destrave o painel de controle do canhão, e pressione o botão de alerta no painel de controle várias vezes para sinalizaro início de uma experiência. </li><li> Aperte o botão do painel de controle que abre a válvula solenóide que liga o tanque de ar com o barril canhão de ar. </li><li> Depois do dispositivo ter sido disparado e o projéctil capturado, o dispositivo de limpar esfregando-o com o fluido de limpeza e uma esponja para remover fluido de teste residual. Finalmente, secar a superfície do impacto do projétil. </li></ol></li><li> Medir a velocidade do projéctil na vídeo de alta velocidade registada por medição da quantidade de tempo necessário para que o projéctil para uma viagem (10 cm) de distância fixa. Analisar dados como no passo 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. 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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>

Os autores não têm nada a revelar.

O projéctil usado para o canhão de ar de configuração é composta por uma base de peso leve, de madeira. Embora os chips de materiais de madeira ligeiramente após numerosos ensaios, verificou-se a absorver a energia cinética de projécteis de forma mais eficaz compostas de materiais tais como plástico ou metal, que tendem a quebrar impacto sobre o mecanismo de paragem. As dimensões do projétil de madeira são projetados para corresponder de perto o interior barril de aço, restringindo assim o vazamento de ar. ...

Esta pesquisa tem como objetivo determinar estratégias para a aplicação de LFM (modificador de fricção Líquido) em forma de jato líquido sobre uma superfície móvel enquanto atingir altos graus de eficiência de transferência e os resultados de deposição uniformes. A concretização deste objectivo implica o desenvolvimento de uma compreensão abrangente dos fatores que afetam o choque do jato líquido em superfícies em movimento. O projeto é motivado pela necessidade de melhorar a eficiência das técnicas de aplicação de lubrificantes usados ​​no sector ferroviário. Como um meio de reduzir o consumo de combustível e custos de manutenção de locomotivas, uma película fina de agente modificador de atrito está agora a ser aplicada à superfície superior do carril da via férrea convencionais. Estudos recentes têm mostrado que a aplicação de um tipo de LFM à base de água para a parte superior do trilho (TOR) de controle de fricção reduzida níveis de consumo de energia em 6% e ferroviário e roda flange desgaste por mais de 50% 1,2. Outros estudos mostraram que a aplicação de LFM para trilhos reduzirs níveis de ruído força lateral e, assim como, mais importante, corrugation pista e danos causados ​​por fadiga de contato de rolamento, que é uma das principais causas de descarrilamentos 3,4. Estes resultados foram confirmados em testes de campo sobre o sistema de metrô de Tóquio 5. LFMs está dispensado de atomizadores de ar comprimido ligados a dezenas de locomotivas em todo o Canadá e os Estados Unidos. Nesta forma de aplicação, LFM é aplicado para o topo da linha férrea por atomizadores montados sob movendo vagões. Este modo de aplicação LFM é difícil de implementar em muitas locomotivas porque o high-volume e os níveis de fornecimento de ar de alta pressão necessária pode não ser atingível. Bicos de pulverização com ar-explosão também são acreditados para produzir cobertura ferroviário altamente irregular quando operado em um vento cruzado, como ventos causam finas gotas de pulverização para se desviar de sua trajetória inicial. Os ventos laterais também são conhecidos por estarem implicados em bico de incrustação, provável para a mesmarazão. Devido a problemas associados com atomizadores de ar comprimido, o setor ferroviário está actualmente a procurar abordagens alternativas para a aplicação LFM em trilhas ferroviários. Uma solução viável envolve LFM distribuição por meio de um processo contínuo (não-atomizado) jacto de líquido, tal como jactos de líquido são menos susceptíveis ao vento laterals efeitos devido à sua menor razão de arraste até inércia. Além disso, porque os níveis elevados de pressão de ar e volume necessário para bicos de pulverização não são necessários em tecnologias de jato de pulverização de líquido, o último ato como mecanismos de pulverização mais ágeis e robustas que mantêm o controle efetivo sobre a taxa de aplicação LFM. Uma área da física semelhante, gota impacto, tem sido estudada intensivamente. Verificou-se por vários investigadores que a colisão de gotícula sobre uma superfície lisa movendo a seco, espirrar comportamento depende de muitos parâmetros, incluindo viscosidade, densidade, e tensão superficial do componente normal da velocidade de impacto 14,15. Pássaro <em&gt; et ai. demonstraram que ambas as velocidades tangenciais e normais eram de importância crítica 16. Gama et al. E Crooks et al. Demonstraram que a gota de choque em uma superfície seca estacionário, rugosidade da superfície diminui o limiar respingo significativamente (ou seja, faz a gota mais propensas a espirrar) 17,18. Apesar de sua importância prática, jet incidências sobre superfícies em movimento tem recebido pouca atenção na literatura acadêmica. Chiu-Webster e Lister realizada uma extensa série de experimentos que examinaram estável e instável choque jet viscoso sobre uma superfície móvel, e os autores desenvolveram um modelo para o caso de fluxo contínuo 6. Hlod et al. Modelado do fluxo por meio de um ODE de terceira ordem em um domínio de comprimento desconhecido sob uma condição integrante adicional e configurações preditos comparados com os resultados experimentais 7. No entanto, os números de Reynolds examinouem ambos os estudos são muito mais baixos do que aqueles associados com aplicações típicas ferrovia LFM. Gradeck et al. Numericamente e experimentalmente investigou o campo de fluxo de jacto de água do impacto sobre um substrato em movimento sob diversos tipos de velocidade do jato, a velocidade de superfície, e as condições de diâmetro do bocal 8. Fujimoto et al. Adicionalmente investigadas as características de fluxo de um jacto de água circular que colide sobre um substrato em movimento coberto por uma fina película de água 9. No entanto, esses dois projetos utilizado relativamente grandes diâmetro de bico e menor superfície e velocidades de jato em comparação com aqueles empregados no presente trabalho. Além disso, embora estudos experimentais, numéricos, e analíticos anteriores fornecem um grande corpo de dados, a maioria têm incidido sobre os parâmetros de transferência de calor, em vez de processos de fluxo de líquido, tais como comportamento de jacto salpicos. O método experimental previsto na presente pesquisa contribui, assim, para tecnologias de aplicação de jato de líquido por repunição de tais técnicas em condições que envolvem diâmetro de bico jato menor e jet e de superfície velocidades de alta velocidade. O presente método também aprimora os conhecimentos fundamentais em mecânica dos fluidos problemas associados com o movimento das linhas de contacto. Os estudos mencionados acima têm geralmente envolveu a interação de um jato de baixa velocidade, com uma superfície de baixo movimento velocidade. Tem havido relativamente poucos estudos de impacto laminar jacto de alta velocidade sobre superfícies em movimento de alta velocidade. Durante a alta velocidade de impacto do jacto de líquido de jacto de líquido se espalha radialmente na vizinhança do local do impacto, formando uma fina lamela. Esta lamela é então convecção a jusante pela viscoso forçamento imposta por a superfície em movimento, produzindo uma característica lamela em forma de U. Keshavarz et al. Relataram em experimentos que utilizam jatos líquidos newtonianos e elásticas que incidem sobre superfícies de alta velocidade. Eles classificaram os processos de síndrome do impacto em dois tipos distintos: &quot;deposição &amp;# 8221; e &quot;splash&quot; 10. Para choque para ser classificada como deposição, o jacto de líquido deve aderir à superfície, enquanto inicial é caracterizada por uma lamela de líquido que se separa da superfície, e, subsequentemente, rompe-se em gotículas. Um terceiro regime de impacto também tem sido descrita - &quot;respingos&quot;. Neste, relativamente raras, o regime de lamela permanecer ligado à superfície, como de &quot;deposição&quot;, mas pequenas gotículas são ejectadas a partir de perto da borda principal da lamela. Em um estudo posterior de efeitos de fluidos não-newtonianos, Keshavarz et al. Concluíram que o respingo / limiar deposição é determinada principalmente pelos números de Reynolds e Deborah, enquanto o ângulo de jet impacto e velocidade do jato à tona relações de velocidade só tem um efeito menor 11 . Em experimentos realizados sob pressões do ar ambiente variáveis, Moulson et al. Descobriu que o respingo / deposição limite de número de Reynolds dramaticamenteaumenta com a diminuição da pressão do ar ambiente (ou seja, as pressões ambientais mais elevados tornam jatos mais propensas a espirrar), enquanto diminui a pressão do ar ambiente abaixo de um determinado limiar suprime respingo completamente 12. Esse achado sugere fortemente que as forças aerodinâmicas exercidas sobre a lamela desempenham um papel crucial em causar lamela lift-off e respingo subseqüente. Em trabalhos recentes sobre o choque de alta velocidade sobre um substrato de alta velocidade, Sterling mostrou que para a velocidade do substrato e as condições de jato perto do limiar de respingo, respingo pode ser desencadeada por muito pequena rugosidade superficial localizada e menor instabilidade jet. Ele também mostrou que, nessas condições lamela lift-off e religação é um processo estocástico 13. O protocolo experimental descrito aqui pode ser utilizada para estudar outras situações físicas que envolvem a interacção de um fluido com uma velocidade elevada da superfície em movimento. Por exemplo, a mesma abordagem pode ser utilizada para estudar helicóptero bladinteracção e-vórtice (desde que o fluido de vórtice foi colorido com partículas marcadoras) e a pulverização de superfícies robótico.

<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

Dois aparelhos de análise do impacto do jato líquido sobre uma superfície móvel de alta velocidade são descritos: um dispositivo de canhão de ar (para examinar velocidades de superfície entre 0 e 25 m / s) e um dispositivo de disco giratório (pela análise de velocidades de superfície entre 15 e 100 m / seg). A deslocação linear canhão de ar é um sistema movido a energia pneumática que é concebido para acelerar uma superfície de metal trilho montado em cima de um projéctil de madeira. Um cilindro pressurizado equipado com uma válvula de solenóide liberta rapidamente o ar pressurizado para dentro do cilindro, obrigando o projéctil para o cano do canhão. O projétil viaja abaixo de um bico de pulverização, o que colide com um jato de líquido sobre o seu metal superfície superior, e, em seguida, o projétil atinge um mecanismo de parada. A câmera registra o choque do jato, e um transdutor de pressão registra a contrapressão bico de pulverização. O disco giratório set-up consiste em um disco de aço que atinge velocidades de 500 a 3.000 rpm através de um motor de acionamento de freqüência variável (VFD). A si sistema de pulverizaçãomelhantes para que o canhão de ar gera um jacto de líquido que colide com o disco rotativo, e câmaras colocadas em vários pontos de acesso óptico gravar o impacto de jacto. As gravações de vídeo de processos de síndrome do impacto do jato são registrados e examinados para determinar se o resultado do choque é respingo, splatter, ou deposição. Os aparelhos são os primeiros que envolvem a alta velocidade de impacto de baixa Reynolds-número jatos líquidos em superfícies móveis de alta velocidade. Para além das suas aplicações na indústria ferroviária, a técnica descrita pode ser usada para fins técnicos e industriais, tais como a produção de aço e pode ser relevante para a impressão em 3D de alta-velocidade.

<html> Como discutido na seção introdutória, os três principais comportamentos associados com o choque do jato de líquido são deposição, splatter e respingo. Esses comportamentos jet impingement são observados usando dados de vídeo gravados por câmeras de cinema de alta velocidade posicionados em vários pontos ópticos. Exemplos de imagens fixas, obtidos a partir das gravações de vídeo, que representam as três resultados de jacto de líquido estão representados na Figura 3. A Figura 3A d...

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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.

Visualização de alta velocidade líquido Jet impactação sobre uma superfície móvel

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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Universidad de Cartagena UDEC

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Planar Kinematics of a Rigid Body

Motion in Two or Three Dimensions

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11.4K visualizações.  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.

Vídeo: 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 velocidade da partícula Velocimetry Imagem perto de superfícies

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 ...

Engenharia

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 rápida de imagens para o Estudo de Impacto Dynamics Gota de fluidos não-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 Velocímetro de Partículas de Rastreamento for Applications Turbulência: Case de um fluxo de 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.

Visualmente, com base em caracterização do movimento de partículas incipiente em substratos Regular: de Laminar para turbulentas condições

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.

Controle de filme para estudar as contribuições das ondas a dinâmica de impacto da gota em filmes líquido fluindo fino

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 das esferas em queda livre em um Pool profundo líquido com condições de superfície alterado fluido e pêndulo

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.

Análise de alto throughput de impactos de gotículas 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.

Um sistema microfluídico com padrões de superfície para investigar bolha de cavitação (s) Interação -cell e os Efeitos Biológicos resultante no nível de célula 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 ...

Bioengenharia

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

Visualização do Fluxo ao Redor de um Corpo Parado

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

JoVE Science Education

Engenharia Mecânica

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

Jato Incidindo em uma Placa Inclinada

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