تصور عالية السرعة السائل جيت الانحشار على السطح المتحرك
Summary
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.
Abstract
ووصف اثنان من الأجهزة لفحص السائل اصطدام طائرة على سطح تتحرك بسرعة عالية: جهاز مدفع الهواء (لفحص السرعات السطح بين 0 و 25 م / ثانية) وجهاز قرص الغزل (لفحص السرعات السطح بين 15 و 100 م / ثانية). اجتياز الخطي مدفع الهواء هو نظام يعمل بالطاقة الطاقة الهوائية التي تم تصميمها لتسريع سطح المعدن السكك الحديدية التي شنت على رأس قذيفة خشبية. ألف اسطوانة مضغوطة مزودة صمام الملف اللولبي بسرعة يطلق الهواء المضغوط في برميل، مما اضطر قذيفة أسفل برميل مدفع. قذيفة يسافر تحت فوهة الرذاذ، والذي يصطدم طائرة السائلة على سطح المعدن العلوي، وقذيفة ثم يضرب آلية وقف. تسجل الكاميرا في اصطدام طائرة، ومحول الضغط يسجل احداهما رذاذ فوهة. يتكون القرص الغزل انشاء قرص الصلب التي تصل بسرعة 500 إلى 3،000 دورة في الدقيقة عن طريق محرك التردد المتغير (VFD) المحرك. والاشتراكية نظام الرشMILAR إلى أن من مدفع الهواء يولد طائرة السائلة التي تمس على القرص الغزل، وكاميرات وضعت في عدة نقاط وصول البصرية تسجل اصطدام طائرة. وتسجل تسجيلات فيديو لعمليات اصطدام طائرة وفحصها لتحديد ما إذا كانت نتائج اصطدام هي البداية، بقع، أو الترسيب. الأجهزة هي الأولى التي تنطوي على اصطدام سرعة عالية من الاسعار المنخفضة للرينولدز-عدد طائرات السائلة على الأسطح المتحركة عالية السرعة. بالإضافة إلى تطبيقات صناعة السكك الحديدية لها، ويمكن استخدام تقنية الموضحة لأغراض الفنية والصناعية مثل صناعة الصلب ويمكن أن تكون ذات صلة عالية السرعة 3D الطباعة.
Introduction
يهدف هذا البحث إلى تحديد استراتيجيات لتطبيق LFM (الاحتكاك معدل السائل) في شكل طائرة السائل على سطح تتحرك حين تحقيق درجة عالية من الكفاءة نقل والنتائج ترسب موحدة. تحقيق هذا الهدف ينطوي على تطوير فهم شامل للعوامل التي تؤثر على السائل اصطدام طائرة على التحرك السطوح.
والدافع وراء هذا المشروع من قبل حاجة إلى تحسين كفاءة تقنيات تطبيق التشحيم المستخدمة في قطاع السكك الحديدية. كوسيلة للحد من استهلاك الوقود وتكاليف الصيانة قاطرة، طبقة رقيقة من الاحتكاك وكيل تعديل يجري الآن تطبيقها على سطح السكك الحديدية العلوي من خطوط السكك الحديدية التقليدية. وقد أظهرت الدراسات الحديثة أن تطبيق نوع واحد من LFM المياه القائمة لأعلى السكك الحديدية (TOR) التحكم في الاحتكاك خفض مستويات استهلاك الطاقة بنسبة 6٪ والسكك الحديدية وعجلة شفة ارتداء قبل ما يزيد على 50٪ 1،2. وأظهرت دراسات أخرى أن تطبيق LFM لخطوط السكك الحديدية يقللالصورة الجانبية القوة ومستويات الضوضاء وكذلك، وهو الأهم، تمويج المسار والأضرار الناجمة عن التعب الاتصال المتداول، والذي هو السبب الرئيسي لالخروج عن القضبان 3،4. وتأكدت هذه النتائج زيادة في الاختبارات الميدانية على نظام مترو طوكيو 5.
والاستغناء LFMs حاليا من محاقن الانفجار الهواء تعلق على عشرات القاطرات في جميع أنحاء كندا والولايات المتحدة. في هذا النوع من التطبيق، يتم تطبيق LFM إلى الأعلى خطوط السكك الحديدية التي شنت محاقن تحت تتحرك عربات السكك الحديدية. هذا النمط من تطبيق LFM من الصعب تنفيذ على العديد من قاطرات السكك الحديدية لأن المطلوبة ارتفاع حجم ومستويات العرض الجوي الضغط العالي قد لا تكون قابلة للتحقيق. ويعتقد أن فوهات الرش الجوي الانفجار أيضا لإنتاج تغطية السكك الحديدية غير النظامية للغاية عندما كانت تعمل في المتقاطعة، كما الاحوال الجوية تسبب قطرات الرذاذ غرامة لتحيد عن مسارها الأصلي. ومن المعروف أن الرياح المتعامدة أيضا أن المتورطين في فوهة قاذورات، على الأرجح لنفسهسبب. بسبب المشاكل المرتبطة محاقن الانفجار الهواء، وقطاع السكك الحديدية تسعى حاليا أساليب بديلة لتطبيق LFM على خطوط السكك الحديدية. واحد حل ناجع يشمل الاستغناء LFM عن طريق متواصلة (وليس صغار) طائرة السائل، وطائرات السائلة هي أقل عرضة للمقابله الآثار الناجمة عن نسبتهم أقل السحب إلى الجمود. بالإضافة إلى ذلك، لأن مستويات عالية الضغط الجوي وحجم اللازمة لفوهات التفتيت ليست مطلوبة في تقنيات الرش طائرة السائلة، والعمل الأخير عن آليات الرش أكثر انسيابية وقوية التي تحافظ على سيطرة فعالة على معدل الطلب LFM.
مساحة الفيزياء مماثل، قطرة اصطدام، وقد درست بشكل مكثف. وقد وجد عدد من الباحثين أن للاصطدام القطيرات على التحرك سطح أملس الجاف، والرش السلوك تعتمد على الكثير من العوامل بما في ذلك اللزوجة والكثافة والتوتر السطحي والمكون الطبيعي للسرعة تأثير 14،15. عصفور <eم> وآخرون أظهرت أن كلا من السرعات العادية وعرضية كانت ذات أهمية حاسمة 16. مجموعة وآخرون. والمحتالون وآخرون قد أظهرت أن للقطيرة اصطدام على سطح جاف ثابتة، خشونة السطح تنخفض عتبة البداية بشكل ملحوظ (أي أنه يجعل الحبرية أكثر عرضة لطخة) 17،18.
وعلى الرغم من أهميتها العملية، تلقت اصطدام طائرة على الأسطح المتحركة القليل من الاهتمام في الأدبيات الأكاديمية. يقوم تشيو وبستر ويستر سلسلة واسعة من التجارب التي درست ثابت ومتقلب اصطدام طائرة لزجة على سطح متحرك، وضعت الكتاب نموذجا لحالة التدفق المطرد 6. Hlod آخرون على غرار تدفق عن طريق ODE ثالث ترتيب على مجال من طول مجهولة تحت شرط يتجزأ إضافية وتكوينات توقع بالمقارنة مع النتائج التجريبية 7. ومع ذلك، فإن أرقام رينولدز فحصتفي كل من هذه الدراسات هي أقل بكثير من تلك المرتبطة نموذجية تطبيقات السكك الحديدية LFM. Gradeck وآخرون. عدديا وتجريبيا حققت في مجال تدفق من اصطدام طائرة المياه على ركيزة تتحرك تحت مختلف سرعة الطائرة، سرعة السطح، والظروف فوهة قطرها 8. فوجيموتو وآخرون. خصائص التدفقات التحقيق بالإضافة لطائرة المياه الدائرية التي تؤثر على ركيزة الانتقال من طبقة رقيقة من الماء 9 تغطيتها. ومع ذلك، استخدمت هذين المشروعين أقطار فوهة كبيرة نسبيا وانخفاض السطحية والسرعات طائرة مقارنة مع تلك المستخدمة في العمل الحالي. وعلاوة على ذلك، على الرغم من الدراسات التجريبية والرقمية، والتحليلية السابقة وتوفر مجموعة كبيرة من البيانات، وركزت غالبية المعلمات على نقل الحرارة بدلا من التركيز على عمليات تدفق السائل مثل السلوك الرش طائرة. المنهج التجريبي المقدمة في هذا البحث وبالتالي يساهم في تطبيق التقنيات طائرة السائلة بنسبة اعادةتغريم هذه التقنيات في ظل ظروف تنطوي على أقطار فوهة نفاثة صغيرة وعالية السرعة النفاثة والسطحية السرعات. هذا الأسلوب أيضا تهذب المعرفة على المشاكل الأساسية ميكانيكا الموائع المرتبطة تتحرك خطوط التماس.
الدراسات المذكورة أعلاه وقد انطوت عموما تفاعل سرعة طائرة منخفضة مع انخفاض سطح سرعة الحركة. كان هناك عدد قليل نسبيا من الدراسات صفائحي سرعة عالية طائرة اصطدام على السطوح المتحركة عالية السرعة. خلال السرعة العالية السائل الانحشار طائرة السائل طائرة ينتشر شعاعيا في محيط موقع الإصطدام، وتشكيل الصفيحة رقيقة. ثم يتم convected هذه الصفيحة المصب من قبل لزج إجبار التي تفرضها على سطح متحرك، مما ينتج عنه الصفيحة مميزة على شكل حرف U. كيشافارز وآخرون. وقد ذكرت في التجارب التي تستخدم طائرات نيوتن ومرنة السائلة التي تؤثر على السطوح العالية السرعة. أنها تصنف عمليات اصطدام إلى نوعين مختلفين: "ترسب &# 8221؛ و "لطخة" 10. لاصطدام لتصنيفها الترسيب، ويجب على السائل طائرة التمسك السطح، في حين يتميز دفقة من قبل الصفيحة السائل الذي يفصل من السطح، وتتكسر إلى قطرات في وقت لاحق. كما تم وصف النظام اصطدام الثالث – "بقع". في هذا، نادر نسبيا، النظام لا يزال تعلق الصفيحة إلى السطح، ول "ترسب"، ولكن يتم طرد قطرات دقيقة من قرب حافة الرائدة في الصفيحة. في دراسة لاحقة من آثار السوائل غير النيوتونية، كيشافارز وآخرون خلصت إلى أن دفقة / عتبة ترسب يتحدد أساسا من أرقام رينولدز وديبورا، في حين أن زاوية اصطدام طائرة وسرعة طائرة تطفو على السطح نسب سرعة يكون لها سوى تأثير بسيط 11 . في التجارب التي أجريت تحت ضغوط الهواء المحيط المتغير، Moulson وآخرون اكتشف أن دفقة / ترسب عتبة رقم رينولدز بشكل كبيرالزيادات مع تناقص ضغط الهواء المحيط (أي ضغوط المحيطة أعلى تجعل طائرات أكثر عرضة لطخة)، بينما تتناقص ضغط الهواء المحيط اقل من عتبة معينة يقمع البداية تماما (12). هذه النتيجة تشير بقوة إلى أن القوات الهوائية المؤثرة على الصفيحة تلعب دورا حاسما في التسبب في الصفيحة انطلاقه ودفقة اللاحقة. في العمل الأخير على سرعة عالية في اصطدام على ركيزة عالية السرعة، وأظهرت أن الجنيه الاسترليني لسرعة الركيزة والشروط طائرة قريبة من عتبة البداية، قد يكون أثار النبأ من قبل صغيرة جدا خشونة السطح محلية وطفيفة عدم الثبات طائرة. وقال انه تبين أيضا أنه في ظل هذه الظروف الصفيحة انطلاقه وإعادة المرتكز هو عملية مؤشر ستوكاستيك 13.
بروتوكول تجريبي الموصوفة هنا يمكن أن تستخدم لدراسة الأوضاع المادية الأخرى التي تنطوي على تفاعل السائل مع تحريك سطح ارتفاع سرعة. على سبيل المثال، يمكن استخدام نفس النهج لدراسة هليكوبتر BLADالتفاعل دوامة ه (شريطة أن السائل كان دوامة الملونة مع جزيئات التتبع) والرش الآلي من السطوح.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتتكون القذيفة المستخدمة لمدفع الهواء انشاء وخفيفة الوزن، قاعدة خشبية. على الرغم من أن رقائق المواد الخشبية قليلا بعد العديد من الاختبارات، فقد وجد لاستيعاب الطاقة الحركية أكثر فعالية من مقذوفات تتألف من مواد مثل البلاستيك أو المعدن، والتي تميل لتحطيم على التأثير ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
العلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث كندا (NSERC) وLB فوستر السكك الحديدية تكنولوجيز، وشركة بدعم مشترك هذا البحث من خلال برنامج NSERC التعاونية للبحوث والتنمية غرانت.
Materials
| Equipment for Air Cannon Set-Up | |||
| 30-gallon air tank | Steel Fab | A10028 | |
| Solenoid actuated poppet valve | Parker Hannifin Corp. | #16F24C2164A3F4C80 | |
| 1.5"NPT rubber hose | |||
| Rectangular steel tubing | |||
| Stop mechanism | Customized | N/A | |
| Stainless steel plates | Customized | N/A | |
| Wooden projectile | Customized | N/A | |
| 1kw high-intensity incandescent light | Photographic Analysis Ltd. | T986851 | |
| Light diffuser sheet | |||
| Optic sensor | BANNER | SM312LV | |
| Equipment for Spinning Disc Set-Up | |||
| Motor | WEG | TEFC-W22 | |
| Bearings | |||
| Disk | Customized | N/A | |
| Fiber optic light source | Fiberoptics Technology Incorporated | MO150AC | |
| High intensity LED array | Torshare Ltd. | TF10CA | |
| Vacuum | Ridge Tool Company | WD09450 | |
| Interrupter | Customized | N/A | |
| Shared Equipment for Both Devices | |||
| Phantom v611 high-speed cine camera | Vision Research Inc. | V611 | |
| Phantom v12 high-speed cine camera | Vision Research Inc. | V12 | |
| Zoom 7000 lens | Navitar Inc. | Zoom 7000 | |
| Zoom 6000 lens | Navitar Inc. | Zoom 6000 | |
| Compressed nitrogen tank | Praxair Technology, Inc. | ||
| Pressure regulator | Praxair Technology, Inc. | PRS20124351CGA | |
| Hose for compressed nitrogen | Swagelok Company | SS-CT8SL8SL8-12 | |
| Hose for liquid | Swagelok Company | SS-7R8TA8TA8 | |
| Accumulator | Accumulators, Inc. | A131003XS | |
| Solenoid Valve | Solenoid Solutions Inc. | 2223X-A440-00 | |
| Pressure transducer | WIKA Instruments Ltd | #50398083 | |
| Nozzle assembly | Customized | N/A | |
| Glycerin | |||
| Poly(ethylene oxide) | |||
References
- Cotter, J., et al. Top of Rail Friction Control: Reductions in Fuel and Greenhouse Gas Emissions. Proc. Of the 2005 Conference of the International Heavy Haul Association (Rio de Janeiro). , 327-334 (2005).
- Eadie, D. T., Bovey, E., Kalousek, J. The role of friction control in effective management of the wheel/rail interface). Railway Technical Conference. , (2002).
- Stock, R., Eadie, D. T., Elvidge, D., Oldknow, K. Influencing rolling contact fatigue through top of rail friction modifier application–A full scale wheel–rail test rig study. Wear. 271 (1), 134-142 (2011).
- Eadie, D. T., Santoro, M. Top-of-rail friction control for curve noise mitigation and corrugation rate reduction. Journal of Sound and Vibration. 293 (3), 747-757 (2006).
- Tomeoka, M., Kabe, N., Tanimoto, M., Miyauchi, E., Nakata, M. Friction control between wheel and rail by means of on-board lubrication. Wear. 253 (1), 124-129 (2002).
- Chiu-Webster, S., Lister, J. R. The fall of a viscous thread onto a moving surface: a ‘fluid-mechanical sewing machine. Journal of Fluid Mechanics. 569 (1), 124-129 (2006).
- Hlod, A., Aarts, A. C. T., Van De Ven, A. A. F., Peletier, M. A. Mathematical model of falling of a viscous jet onto a moving surface. European Journal of Applied Mathematics. 18 (06), 659-677 (2007).
- Gradeck, M., Kouachi, A., Dani, A., Arnoult, D., Borean, J. L. Experimental and numerical study of the hydraulic jump of an impinging jet on a moving surface. Experimental Thermal and Fluid Science. 30 (3), 193-201 (2006).
- Fujimoto, H., Suzuki, Y., Hama, T., Takuda, H. Flow Characteristics of Circular Liquid Jet Impinging on a Moving Surface Covered with a Water Film. ISIJ international. 51 (9), 1497-1505 (2011).
- Keshavarz, B., Green, S. I., Davy, M. H., Eadie, D. T. Newtonian liquid jet impaction on a high-speed moving surface. International Journal of Heat and Fluid Flow. 32 (6), 1216-1225 (2011).
- Keshavarz, B., Green, S. I., Eadie, D. T. Elastic liquid jet impaction on a high speed moving surface. AIChE Journal. 58 (11), 3568-3577 (2012).
- Moulson, J. B. T., Green, S. I. Effect of ambient air on liquid jet impingement on a moving substrate. Physics of Fluids. 25 (10), 102106 (2013).
- Sterling, G. E. G. An experimental study on jet impingement on a very high speed moving surface. UBC M.A.Sc. Thesis. , (2012).
- Povarov, O. A., Nazarov, O. I., Ignat’evskaya, L. A., Nikol’skii, A. I. Interaction of drops with boundary layer on rotating surfaces. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 31 (6), 1453-1456 (1976).
- Fathi, S., Dickens, P., Fouchal, F. Regimes of droplet train impact on a moving surface in an additive manufacturing process. Journal of Materials Processing Technology. 210 (3), 550-559 (2010).
- Bird, J. C., Tsai, S. S., Stone, H. A. Inclined to splash: triggering and inhibiting a splash with tangential velocity. New Journal of Physics. 11 (6), 063017 (2009).
- Range, K., Feuillebois, F. Influence of surface roughness on liquid drop impact. Journal of Colloid and Interface science. 203 (1), 16-30 (1998).
- Crooks, R., Boger, D. V. Influence of fluid elasticity on drops impacting on dry surfaces. Journal of Rheology. 44 (4), 973-996 (2000).
