高速喷液嵌塞对移动表面的可视化
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
两个装置用于检查液体射流冲击在高速移动表面进行了说明：空气炮装置（用于检查在0至25米/秒的表面速度）和一个旋转盘装置（用于检查在15和100m的表面速度/秒）。空气炮线性横动是旨在加速金属轨道表面安装在一木制弹丸顶部气动能量供电系统。一个增压缸装有一个电磁阀快速释放加压空气进入桶内，迫使弹下来炮筒。弹丸行进的喷雾喷嘴，其撞击液体喷射到它的金属上表面的下方，并且弹丸然后击中一个止动机构。一种照相机记录了射流冲击，以及一个压力传感器记录下喷嘴背压。旋转盘设置由钢盘是通过可变频率驱动（VFD）马达速度达到500至3000转的。喷雾系统SImilar到空气炮产生的液体射流撞击到所述旋转盘，并放置在多个光纤接入点摄像机记录射流冲击。射流冲击过程的录像记录和检查，以确定撞击的结果是否飞溅，飞溅，或沉积。该设备是第一个涉及低雷诺数液体射流在高速移动的表面高速撞击。除了它的铁路行业应用中，所描述的技术可以用于技术和工业用途，如炼钢和可能有关的高速三维打印。
Introduction
这项研究的目的是确定应用LFM（液体摩擦改进剂）的液体射流形式到移动表面，同时实现高程度的传输效率和均匀沉积成果的战略。实现这一目标需要开发的影响对移动表面的液体射流冲击因素的全面了解。
该项目由需要提高铁路部门使用的润滑应用技术的效率动机。作为减少燃料消耗和机车的维护成本，摩擦改性剂的薄膜的方法，现在被应用到常规铁路轨道的上轨道表面。最近的研究已经表明，将一种类型的水基LFM对于导轨的顶（TOR），摩擦控制降低能耗水平6％和钢轨和车轮凸缘超过50％的1,2-穿通过。其他的研究表明，采用LFM到铁轨减少s横向力和噪音水平，以及，更重要的是，轨道波纹和滚动接触疲劳，这是出轨3,4的一个主要原因的损害。这些结果进一步证实了在东京地铁系统的5场测试。
LFMs目前从连接到几十个机车在整个加拿大和美国的鼓风雾化器分配。在这种形式应用中，线性调频由雾化器安装下方移动轨道车施加到铁轨的顶部。 LFM应用这个模式是难以实施的许多铁路机车，因为所需的高容量和高压空气供给水平可能无法实现。气喷喷嘴也被认为当在侧风操作产生高度不规则的轨道覆盖范围，侧风造成细小雾滴从原来的轨迹偏离。侧风也已知在喷嘴结垢受到牵连，可能对于相同的原因。由于与鼓风雾化器相关的问题，铁路部门目前正在寻找替代办法LFM应用到铁轨。一个可行的解决方案涉及配药LFM通过连续（未雾化）液体喷射的手段，因为液体射流是侧风的影响较不敏感，由于其较低的拖动以惯性比。此外，由于需要的雾化喷嘴的高气压和音量级别不需要在液体射流喷射技术，后者充当维持有效控制LFM应用率更精简和强大的喷涂机制。
类似物理，液滴撞击的区域，已被广泛研究。我们发现通过几个研究者，对于在移动干光滑表面的液滴撞击，溅行为取决于许多参数，包括粘度，密度，表面张力和冲击速度14,15的正常组成部分。鸟<e米>等人证明，无论是正常和切向速度是至关重要16。范围等人和克鲁克斯等人已经表明，用于在静止的干表面的液滴撞击，表面粗糙度显著降低飞溅的阈值（ 即 ，它使液滴更容易产生飞溅）17,18。
尽管它的实际意义，对移动表面射流冲击很少受到关注的学术文献。照韦伯斯特和利斯特进行了大量的实验证明对移动表面检查稳定和不稳定粘性射流冲击和作者开发了一款型号为源源不断的情况下6。 HLOD 等建模的附加 积分条件下通过对未知长度的域三阶的ODE的装置的流动和进行比较的预测配置，与实验结果7。然而，雷诺数审查在这两个研究中比用典型的铁路LFM应用相关联的要低得多。 Gradeck 等数值和实验研究水射流冲击的流场到下各种喷射速度，表面速度，和喷嘴直径条件8移动基板。 Fujimoto 等人的圆形水射流撞击到覆盖的水9的薄膜移动基板的另外研究了流动特性。然而，这两个项目中使用相对较大的喷嘴直径和下表面并与那些在目前的工作中使用的射流速度。而且，尽管前面的实验，数值，和分析研究提供了大量数据中，多数都集中在传热参数，而不是在液体流动过程，如喷溅行为。在本研究中提供的实验方法，从而有助于通过重新液体喷射的应用技术澄清涉及较小喷嘴直径和高速喷射和表面速度条件下这样的技术。本方法也提炼与移动接触线相关的基本流体力学问题的认识。
上述的研究已经通常涉及用低速移动表面低速射流的相互作用。已经有层流高速射流冲击相对较少的研究到高速移动的表面。在高速液体喷射嵌塞射流液体径向地散布在冲击地点的附近，形成了薄的薄片。此薄片然后通过下游的粘性强迫施加的移动表面，产生特征为U形薄片对流。 Keshavarz 等人已报告了实验采用牛顿和弹性液体射流撞击到高速表面。他们分为撞击过程分为两个不同的类型：“沉积＆＃8221;和“飞溅”10。对于撞击到被分类为沉积，喷射液体必须粘附到表面，而飞溅的特征在于液体薄片用于分隔的表面上，并随后分解成液滴。第三个冲击的制度也被形容 – “飞溅”。在此，比较罕见，政权薄片仍然附着在表面，作为“沉积”，但细液滴从靠近薄片的前缘喷出。在随后的非牛顿流体的影响的研究中，Keshavarz 等人的结论是，飞溅/沉积阈主要由雷诺数和Deborah号码确定的，而喷射冲击角度和喷射速度进行表面速度比仅具有较小的影响11 。在根据可变空气压力下进行的实验中，Moulson 等人发现，飞溅/沉积门槛雷诺数显着与降低环境空气压力的增加（ 即 ，较高的环境压力使射流更容易发生飞溅），同时减少环境空气的压力低于某一阈值抑制飞溅完全12。这一发现有力地表明，作用在薄片气动力在使薄片剥离和随后溅起到至关重要的作用。在高速撞击在高速基板最近的工作，斯特林表明，对于基底速度和喷射条件接近溅阈值时，飞溅可能由非常小的局部的表面粗糙度和次要喷射不稳触发。他还表明，在这些条件下的薄片剥离和再附着是一个随机过程13。
这里所描述的实验方案，可以用于研究涉及的流体与运动高速表面的相互作用等物理的情况。例如，相同的方法可以用于研究直升机BLAD电子涡流相互作用（其中，涡旋流体被着色用示踪粒子）和表面的机器人喷涂。
Protocol
Representative Results
Discussion
用于空气炮建立弹丸是由一个轻便，木碱。虽然木材料片略经多次试验，已经发现，更有效地吸收动能比弹丸的材料，如塑料或金属，这往往在冲击止动机构粉碎组成。木弹丸的尺寸被设计为紧密地匹配的钢桶内，从而限制了空气泄漏。胶合板的两层之间固定一个1/8“厚橡胶片附连到抛射体的背面进一步收紧围绕筒的内部的密封。装在射弹的顶部的金属撞击表面被紧固不同粗糙度高度的三个独立?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
自然科学和加拿大（NSERC）和LB福斯特铁技术，公司的工程研究理事会共同支持这项研究通过NSERC协作研究及发展资助计划。
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
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