自然科学とカナダの工学研究評議会（NSERC）とLBフォスター·レール·テクノロジーズ、（株）が共同でNSERC共同研究開発助成プログラムを通じて、この研究を支持した。

1.スピニングディスクデバイス<ol><li>表中の所望の試験条件及び記録試験条件（ 例えば、周囲温度、流体特性、ジェット及び表面速度など ） を識別する。 </li><li>材料の調整<ol><li>衝突試験用のグリセリン - 水またはPEO-グリセリン水溶液を調製する。 <ol><li> PEO-グリセリンと水の試験の場合には、徐々に、24時間にわたって穏やかに磁気攪拌下で蒸留水1495.5グラムにPEO粉末（百万四百万、粘度平均分子量）4.5gを溶解する。過度の機械的劣化を防止するためにPEO試料を攪拌避ける。 </li><li>次第に0.15％のPEOの濃度および50％グリセリン濃度の水溶液に到達するために24時間にわたって水溶液PEO溶液に、USPグレードのグリセリン1.5kgのを追加。 </li></ol></li><li>ミニへの各テストの前と後のRT下の気密容器内に別々に試験液を保存するマイズ蒸発、周囲の空気と汚染から吸水。特徴づけ、準備の5日以内に液体を噴霧する。 </li></ol></li><li>実験のパフォーマンス<ol><li>ことを確認しスピニングディスクエアベアリングの空気供給バルブが開いており、圧力ゲージの読みは正しい動作範囲（60〜80）まで加圧している。ディスクとベアリングに問題をチェックするために5回転をディスクの動きを妨げ、両方の方向に手でディスクを回すかもしれないクリア何​​でも。 </li><li>クリーンで安全な圧縮ガスは、試験流体の加圧にアキュムレータを閉じた。 1ガロンアキュムレータの流体ポートに試験液の3キロを注ぐ。 </li><li>圧力調整器を経由して窒素タンクにアキュムレータのガスポートを接続します。ジェットスプレーノズルにアキュムレータの流体ポートに接続します。 </li></ol></li><li>制御システムは、高速イメージングシステムをセットアップする。 <ol><li>スピニングディスク制御ソフトウェア及びVFD制御ソフトウェアを起動する。位置2つの高速シネ35センチメートル離れ衝突点からカメラやつの角度からの衝突点をキャプチャするために高倍率レンズを調整する。 </li><li>最高の画質（ 図1）のために均等に点灯してバックグラウンドを達成するために、150 Wの光ファイバ光源を調整します。この時点で、制御システムの電源は、カメラ調整を容易にする。 </li><li>期待通りにシステムが機能していることを確認するために、制御ソフトウェアで「セルフチェック」ボタンをクリックすることにより、セルフチェックルーチンを実行します。 </li></ol></li><li>ジェット衝突テストを実行します<ol><li> VFD制御ソフトウェア（500〜3,000 RPM）で所望の値にディスク速度を設定します。 </li><li>テストを実行するには、「テストシーケンス」ボタンをクリックすることにより、制御ソフトウェアから自動化された実験的なシーケンスを起動します。ソフトウェアは、自動的に最適なパラメータを決定し、それに応じてテストを実行するためのシステムの各コンポーネントを調整する。 </li><li> （例えば、 図2のスクリーンショットを参照）、得られた衝突テスト映像を保存します。読み取りおよび記録面速度制御ソフトウェアからの圧力と温度をバックてノズル。 注：各試験の後、ディスククリーニングシーケンスは、ディスク表面をすすぎ、乾燥させるために自動的に実行されます。すべての試験流体残基が除去されるまで、必要に応じて洗浄サイクルを繰り返す。 注意：水、グリセリン溶液試験流体は、クリーニングシーケンスを用いて洗浄することができるが、他のLFMsは、アセトンなどの有機溶媒で洗浄する必要がある。このような場合には、ディスクに直接噴霧するのではなく、布に洗​​浄剤を適用する。 </li></ol></li><li>データ分析<ol><li>各試験条件（ 例えば 、流体特性、周囲温度、表面粗さなど ）に関する情報を含むスプレッドシートを準備する。 </li><li>シネ閲覧ソフトで記録されたジェット衝突イメージを開き、正常な時にフルビデオ録画を再生スピードとジェット衝突挙動を観察する。 </li><li>レコードの衝突の行動特性、実験設備との合併症を示すことが異常な傾向を記録する、準備されたスプレッドシートの（スプラッシュ/スパッタリング/堆積は図3を参照）。 </li><li>スプレッドシートにテスト結果と条件を保存します。レコードの注目すべき所見およびテストログ（ 例えば、スプラッシュ/蒸着閾値点、スプラッシュ/堆積遷移など ） の中で珍しい出現。必要なときにスクリーンショットを保存します。 </li><li>画像分析測定および記録データを行う。 <ol><li>画面上のピクセルの測定ツールを起動します。オープン衝突画像は、画面上のピクセルの測定ツール（ 図4）を使用して画像におけるマイクロルーラーを測定することにより、画像スケールを較正する。 </li><li>関心の寸法測定（ 例えば 、ラメラ広がり幅W、およびラメラよどみ点半径Rを、 図5を参照）、画素測定tと共にジェットが準備されたスプレッドシートで、ビデオおよび記録データに最も安定であるように思われるポイントでOOL。次にジェットラメラの両方が安定していることを確認するために100フレームの測定の最初のグループの後の測定値の別のグループを取る。グラフ上のプロットのデータ点とフィッティングカーブを完了します。 </li></ol></li></ol></li></ol> 2.エアキャノンデバイス<ol><li>所望の試験条件を特定し、ステップ1.1およびステップ1.2のように材料を準備します。 </li><li>実験のパフォーマンス<ol><li>システム·制御ソフトウェアをパワーアップ。 </li><li>大砲バレルに発射を挿入します。適切にテストします（ 図6）の後に発射体をキャプチャするバレル出口に近いストップ機構を移動します。 </li><li>空気タンクに通じる加圧された建物のエアラインを開きます。希望発射速度に応じて、30 PSIと70 psiの間にタンクを加圧する。 30 PSIタンク圧力は約5の発射速度を提供します1m /秒、および70 PSIは周り25メートル/秒の速度を提供します。 </li><li>試験流体の加圧用の圧縮ガスクローズアキュムレータを準備します。 <ol><li>アキュムレータの流体ポートに試験液の3キロを注ぐ。液体ジェットスプレーノズルにアキュムレータガスバルブからチューブを接続し、最大300 PSIGにアキュムレータ圧を設定します。 </li></ol></li><li>シザーズジャッキにカメラを取り付けます。ジェットスプレーノズルの次に位置プラットフォームにシザーズジャッキを固定します。 </li><li>カメラから横切って拡散シートの背後に配置プラットフォームに高輝度の光源を固定する。ソフトウェア制御インターフェースのビデオカメラのビューイング機能を使用して照明とカメラの位置を確認し、必要に応じて位置（ 図7）を調整する。 </li><li>空気砲音爆風からの保護のためにイヤーマフを着用。 </li><li>信号を複数回大砲のコントロールパネルのロックを解除し、操作パネル上の警告ボタンを押す実験開始。 </li><li>空気砲バレルとの空気タンクを接続する電磁弁を開き、コントロールパネルのボタンを押してください。 </li><li>デバイスが発射と発射体が捕捉された後、流体および残留試験流体を除去するためのスポンジのクリーニングでそれを拭いてデバイスをクリーニング。最終的に、発射体の衝突面を乾燥させる。 </li></ol></li><li>固定（10cm）に距離を移動するための発射に必要な時間の量を測定することによって記録された高速ビデオに発射体の速度を測定する。ステップ1.5のようにデータを分析します。 </li></ol>

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著者らは、開示することは何もない。

空気砲のセットアップに使用される発射体は、軽量、木製ベースで構成されている。わずかに多数の試験後の木材チップが​​、それはより効果的に停止機構に影響を与える際に粉々にする傾向があり、プラスチックまたは金属などの材料からなる発射、より運動エネルギーを吸収することが見出されている。木製の発射体の寸法は、空気の漏れを制限する、密接にスチールバレル内部に適?...

本研究では、転写効率及び均一な堆積結果の高度を実現しつつ移動する表面に液体ジェットの形でLFM（液体摩擦調整剤）を塗布するための戦略を決定することを目的とする。この目的を達成するには、表面を移動する上で液体ジェット衝突に影響を与える要因の包括的な理解を開発することを含む。 プロジェクトは、鉄道部門で使用される潤滑適用技術の効率を改善する必要性によって動機付けされる。燃料消費量と機関車メンテナンスコスト、摩擦改質剤の薄膜を低減する手段として、現在、従来の鉄道の線路の上レール表面に適用されている。最近の研究では、6％のエネルギー消費量が減少し、レールと車輪フランジレール上面用水性LFMの一種（TOR）摩擦制御を適用することは、50％ の1,2-超えてによる着用することを示した。他の研究では、レールトラックにLFMを適用することが減らすことが示されているの横力とノイズレベルも、より重要なこととして、トラックコルゲーションと脱線3,4の主な原因である転動疲労による損傷。これらの結果はさらに、東京地下鉄システム5上のフィールドテストで確認された。 LFMsは現在、カナダと米国全体で機関車の数十に装着エアーブラスト噴霧器から分配されている。この応用形態では、LFMは鉄道車両を移動させるの下に取り付けられた噴霧器により、線路の上部に適用される。必要な大容量高圧空気供給レベルが達成できない場合があるため、LFMアプリケーションのこのモードは、多くの鉄道機関車に実装するのは困難である。横風が元の軌道から逸脱する微細な噴霧液滴を生じさせるようにエア·ブラスト噴霧ノズルはまた、横風で操作された場合、高度に不規則なレールカバレッジを生成すると考えられている。横風も同じ可能性が高いため、ノズルファウリングに関与することが知られている理由。エアーブラスト噴霧器に関連する問題に起因して、鉄道部門は、現在、レールトラックにLFMアプリケーションへの代替アプローチを求めている。液体ジェットは、それらの低ドラッグ対慣性比にエフェクトを横風の影響を受けにくいですように、1つ実行可能な解決策は、（ - 霧状ではない）連続液体ジェットを用いてLFMを分配することを含む。さらに、噴霧ノズルに必要な高い空気圧と音量レベルが液体ジェット噴霧技術で必要とされないため、LFMアプリケーションの速度に対する効果的な制御を維持し、より合理的で堅牢な噴霧機構は、後者の行為。 類似の物理学、液滴衝突の面積は、集中的に研究されている。これは、移動乾燥滑らかな表面上の液滴の衝突のために、動作を飛散する粘度、密度、表面張力および衝突速度​​14,15の通常の成分を含む多くのパラメータに依存していることをいくつかの研究者によって発見された。バード<emは&gt;ら両方正常および接線速度は非常に重要で16であったことを実証した。範囲らおよびクルックスらは 17,18（ すなわち 、それが飛散する液滴やすくなる）定常乾燥表面上の液滴の衝突のために、表面粗さが著しくスプラッシュ閾値を低下させることが示されている。 その実用的な重要性にもかかわらず、移動表面のジェット衝突は、学術文献ではほとんど注目されている。チウ·ウェブスターとリスターは、移動する表面に安定的かつ非定常粘性ジェット衝突を調べた実験の大規模な一連を行った、と著者は定常流ケース6のためのモデルを開発しました。 HLOD らは、追加の整数条件で未知の長さのドメイン上の三次ODEによって流れをモデル化し、実験結果7と予測構成を比較した。しかし、レイノルズ数を調べこれらの研究の双方に典型的な鉄道LFMアプリケーションに関連付けられたものよりもはるかに低い。 Gradeck らは、数値的及び実験的に各種の噴射速度、表面速度、及びノズル径条件8の下で移動する基板上にウォータージェット衝突の流れ場を調べた。藤本らは、さらに水9の薄膜で覆われて移動する基板に衝突する円形の水ジェットの流動特性を調べた。しかし、これら二つのプロジェクトは、本研究で用いたものに比べて比較的大きなノズル径と下面とジェット速度を使用。以前の実験数値、および分析研究は大量のデータを提供してもまた、大部分は、熱伝達パラメータではなく、ジェット飛散挙動液流プロセスに焦点を当てている。本研究で提供実験方法は、このように再液体ジェット応用技術に寄与する小さいジェットノズル直径および高速噴流および表面速度を含む条件下で、そのような技術を清澄。本発明の方法はまた、可動接触線に関連付けられた基本的な流体力学の問題についての知識を洗練する。 上記の研究は、一般的に、低速移動面と低速ジェットの相互作用が関与している。高速移動表面に層状の高速ジェット衝突の比較的少数の研究がなされている。高速液体ジェット衝突時に噴射液が薄いラメラを形成し、入射位置の近傍で半径方向に広がる。このラメラは、その後、粘性は、特性U字状薄板の製造、表面移動によって課される強制力により下流対流れる。 Keshavarz ら高速表面に衝突ニュートン弾性液体ジェットを用いた実験で報告されている。 「堆積＆：彼らは、2つの異なるタイプに衝突プロセスを分類した＃8221;そして「スプラッシュ」10。衝突が堆積として分類されるためには、スプラッシュが液滴に分裂する、その後、表面から分離し、液体ラメラことを特徴としているのに対し、ジェット液は、表面に付着している必要があります。第三の衝突政権も記載されている - 「スプラッタ」。これでは、ラメラが残る比較的まれ、レジームは「堆積」に関しては、表面に付着するが、微細な液滴は、薄板の前縁付近から吐出される。非ニュートン流体の効果のその後の研究では、Keshavarz らは、表面速度比が噴流衝突角とジェット速度はわずかな効果11を有しているのに対して、スプラッシュ/堆積閾値は、主に、レイノルズおよびデボラ数で決定されると結論。可変周囲圧力下で実施された実験では、Moulson らは発見したスプラッシュ/堆積閾値レイノルズ数は劇的にその周囲の空気の圧力の減少に伴って増加する（ すなわち 、より高い周囲圧力が飛散するジェットやすくする）、一定の閾値を下回る周囲圧力を減少させると完全に12スプラッシュを抑制している。この知見は、強くラメラに作用する空気力をラメラリフトオフおよびその後のスプラッシュの原因に重要な役割を果たしていることを示唆している。高速基板上に高速衝突に関する最近の研究では、スターリングスプラッシュ閾値に近い基板の速度及び噴射条件に対して、スプラッシュが非常に小さい局所的な表面粗さとマイナージェット不安定によってトリガされることを示した。彼はまた、これらの条件下でラメラリフトオフ及び再付着が確率過程13であることを示した。 ここに記載の実験プロトコルは、高速移動表面と流体との相互作用に関与する他の物理的な状況を研究するために使用することができる。例えば、同じアプローチは、ヘリコプターの宣伝ちらしを研究するために使用することができる電子ボルテックス（渦流体がトレーサ粒子で着色している​​場合）との相互作用表面のロボットのスプレー。

<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

高速移動する表面に液体ジェット衝突を調べるための2つの装置が記載されている：（0および25メートル/秒の間の表面速度を調べるための）空気砲装置及びスピニングディスク装置（15と100メートルの間の表面速度を調べるための/秒）。空気砲線形トラバース木製発射体の上部に取り付けられた金属レール面を加速するために設計された空気圧式エネルギー給電システムである。ソレノイドバルブを備えた加圧シリンダが急速に大砲バレルダウン発射を強制的に、バレルに加圧された空気を放出する。発射体は、金属上部表面上に液体ジェットを衝突スプレーノズルの下に移動し、発射体は、その後停止機構に当たる。カメラは、ジェット衝突を記録し、圧力変換器は、噴霧ノズルの背圧を記録する。スピニングディスクセットアップは、可変周波数ドライブ（VFD）を介して、モータ500回転〜3000の速度に達するスチールディスクから成る。スプレーシステムシ空気砲とmilarは、回転するディスク上に衝突する液体ジェットを生成し、いくつかの光学アクセスポイントに配置されたカメラは、ジェット衝突を記録する。ジェット衝突過程のビデオ記録を記録し、衝突の結果は、スプラッシュ、スプラッター、または堆積であるかどうかを決定するために調べられる。装置は、高速移動表面上の低レイノルズ数液体ジェットの高速衝突を伴うことが最初である。その鉄道産業用途に加えて、記載された技術は、製鋼のような技術的および工業目的に使用することができ、高速な3Dプリンティングに関連し得る。

<html>導入部分で説明したように、液体ジェット衝突に関連する3つの主要な行動は、蒸着、スプラッタスプラッシュある。これらのジェット衝突挙動は、種々の光の点に位置する高速シネカメラによって記録された映像データを用いて観察される。 3枚の噴射の結果を図3に示す描写ビデオ記録から得られた静止画の例としては、 図3（a）は、ジェットが衝突面に向か?...

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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.

表面移動に高速液体ジェット宿便の可視化

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

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

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High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces

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

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

表面近くの高速粒子画像流速

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 ...

工学

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.

非ニュートン流体の落下衝撃ダイナミクスを研究するための高速撮像法

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.

ジェット流の場合：乱流のアプリケーションのための3次元粒子追跡流速

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.

視覚に基づいた正規の基板の初期粒子の運動特性: 層流乱流の条件から

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.

液滴衝撃による薄膜を流れる液膜に波の貢献を研究するフィルム コントロール

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.

変更された流体とインパクターの表面状態と深い液体プールに自由落下球体の影響

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.

液滴衝撃の高スループット解析

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.

単一細胞レベルでのキャビテーション気泡（複数可） - 細胞相互作用し、得られた生体効果を調査するための表面パターニングとマイクロ流体システム

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

生物工学

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

鈍頭物体まわりの流れの可視化

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

JoVE Science Education

機械工学

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

傾斜平板に衝突する噴流

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

表面移動に高速液体ジェット宿便の可視化

要約

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表面近くの高速粒子画像流速

非ニュートン流体の落下衝撃ダイナミクスを研究するための高速撮像法

ジェット流の場合：乱流のアプリケーションのための3次元粒子追跡流速

視覚に基づいた正規の基板の初期粒子の運動特性: 層流乱流の条件から

液滴衝撃による薄膜を流れる液膜に波の貢献を研究するフィルムコントロール

変更された流体とインパクターの表面状態と深い液体プールに自由落下球体の影響

液滴衝撃の高スループット解析

単一細胞レベルでのキャビテーション気泡（複数可） - 細胞相互作用し、得られた生体効果を調査するための表面パターニングとマイクロ流体システム

鈍頭物体まわりの流れの可視化

傾斜平板に衝突する噴流

表面移動に高速液体ジェット宿便の可視化

要約

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表面近くの高速粒子画像流速

非ニュートン流体の落下衝撃ダイナミクスを研究するための高速撮像法

ジェット流の場合：乱流のアプリケーションのための3次元粒子追跡流速

視覚に基づいた正規の基板の初期粒子の運動特性: 層流乱流の条件から

液滴衝撃による薄膜を流れる液膜に波の貢献を研究するフィルム コントロール

変更された流体とインパクターの表面状態と深い液体プールに自由落下球体の影響

液滴衝撃の高スループット解析

単一細胞レベルでのキャビテーション気泡（複数可） - 細胞相互作用し、得られた生体効果を調査するための表面パターニングとマイクロ流体システム

鈍頭物体まわりの流れの可視化

傾斜平板に衝突する噴流

液滴衝撃による薄膜を流れる液膜に波の貢献を研究するフィルムコントロール