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.
Två anordningar för prövning av vätske strålträffande på en höghastighets rörliga ytan beskrivs: en luftkanon anordning (för att undersöka ythastigheter mellan 0 och 25 m / sek) och en roterande skiva anordning (för att undersöka ythastigheter mellan 15 och 100 m / sek). Luft kanon linjära travers är en pneumatisk energidrivna system som är utformat för att accelerera en metallskena yta monterad ovanpå en trä projektil. En tryckcylinder försedd med en magnetventil släpper snabbt tryckluft in i pipan, tvingar projektilen ner kanonen fat. Projektilen färdas under ett sprutmunstycke, som träffar en vätskestråle på dess metall övre yta, och projektilen träffar sedan en stoppmekanism. En kamera registrerar strålträffande, och en tryckomvandlare registrerar sprutmunstycket mottrycket. Den snurrande skiva set-up består av en skiva av stål som når hastigheter på 500 till 3000 rpm via en frekvensomformare (VFD) motor. Ett spraysystem siMilar den hos luftkanon genererar en vätskestråle som träffar på det snurrande skiva, och kameror placerade vid flera optiska accesspunkter registrera strålträffande. Videoinspelningar av strålträffande processer registreras och kontrolleras om utfallet av impingement är stänk, splatter, eller deponering. Apparaterna är den första som involverar hög hastighet impingement av lågprisflyg Reynolds-nummer vätskestrålar på höghastighets rörliga ytor. Utöver sin järnväg industriapplikationer, kan den beskrivna tekniken användas för tekniska och industriella ändamål, såsom ståltillverkning och kan vara relevant för höghastighets 3D-utskrifter.
Forskningen syftar till att fastställa strategier för tillämpning LFM (Liquid Friction Modifier) i vätskestråle formen på en rörlig yta samtidigt uppnå en hög grad av överföringseffektivitet och enhetliga deponeringsresultat. Att uppnå detta mål är att utveckla en övergripande förståelse av faktorer som påverkar vätske strålträffande på rörliga ytor.
Projektet motiveras av ett behov av att förbättra effektiviteten i smörjappliceringstekniker som används inom järnvägssektorn. Som ett sätt att minska bränsleförbrukningen och lokomotivunderhållskostnader, en tunn film av friktionsmodifieringsmedel tillämpas nu på den övre skenan yta konventionella järnvägsspår. Nyligen genomförda studier har visat att tillämpa en typ av vattenbaserade LFM för rälsöverkant (TOR) friktionskontroll Minskad energiförbrukning nivåer med 6% och järnväg och hjulflänsen slitage med över 50% 1,2. Andra studier har visat att tillämpa LFM till räls minskars sidokraft och bullernivåer samt, ännu viktigare, spår korrugering och skador från rullkontaktutmattning, vilket är en viktig orsak till urspårningar 3,4. Dessa resultat bekräftades ytterligare i fälttester på Tokyos tunnelbanesystem 5.
LFMs närvarande ut från luftspräng atomizers knutna till dussintals lok hela Kanada och USA. I denna form av ansökan, LFM appliceras på toppen av järnvägsspår genom sprejanordningar monterade nedanför flytta järnvägsvagnar. Detta läge i LFM ansökan är svårt att genomföra på många järnvägs lok eftersom krävs stora volymer och luftförsörjningsnivåerna högtrycks kanske inte uppnås. Luftspräng dysor tros också producera mycket oregelbundna järnväg täckning när den drivs i en sidvind, som sidvind orsakar fina sprutdroppar att avvika från sin ursprungliga bana. Sidvindar är också kända för att vara inblandade i munstycket fouling, troligen för sammaanledning. På grund av problem i samband med luftspräng atomizers, är järnvägssektorn för närvarande söker alternativa metoder för LFM applicering på räls. En hållbar lösning involverar dispense LFM med hjälp av en kontinuerlig (icke finfördelade) vätskestråle, som sprutade vätskor är mindre känsliga för sidvind effekter på grund av deras lägre drag-till-tröghetsförhållande. Dessutom, eftersom de höga lufttryck och volymnivåer som behövs för atomiseringsmunstycken inte krävs i teknik flytande jet spray, den senare agerar som mer rationella och robusta sprut mekanismer som upprätthåller en effektiv kontroll över graden av LFM ansökan.
Ett område med liknande fysik, dropp impingement, har studerats intensivt. Det konstaterades av flera forskare som för dropp impingement på en rörlig torr slät yta, beror på många parametrar inklusive viskositet, densitet, ytspänning och den normala komponenten på islagshastighetens 14,15 stänk beteende. Fågel <em> et al. visade att både de normala och tangentiella hastigheter var av avgörande betydelse 16. Intervall et al., Och Crooks et al. Har visat att för dropp impingement på en stationär torr yta, ytjämnhet minskar tröskel stänk signifikant (dvs., det gör droppen mer benägna att plaska) 17,18.
Trots sin praktiska betydelse, har strålträffande på rörliga ytor fått lite uppmärksamhet i den akademiska litteraturen. Chiu-Webster och Lister utförde en omfattande serie experiment som undersökte stadig och ostadig viskösa strålträffande på en rörlig yta, och författarna utvecklat en modell för jämn ström fallet 6. Hlod et al., Modelle flödet med hjälp av en tredje ordningens ODE på en domän av okänd längd vid en kompletterande integrerad tillstånd och jämfört förutsedda konfigurationer med experimentella resultat 7. Men de Reynoldstal granskadei båda dessa studier är mycket lägre än de som förknippas med typiska järnvägen LFM applikationer. Gradeck et al., Numeriskt och experimentellt undersökt området vattenflödet strålträffande på ett rörligt underlag enligt olika strålhastighet, ythastighet, och villkor 8 munstycksdiameter. Fujimoto et al., Dessutom undersökta flödesegenskaper hos en cirkulär vattenstråle som träffar på ett rörligt underlag täckt av en tunn film av vatten 9. Men dessa två projekt som används relativt stora munstycksdiametrar och undre yta och strålhastigheter jämfört med dem som används i detta arbete. Dessutom, även om tidigare experimentella, numeriska och analytiska studier ger en stor mängd data, har majoriteten fokuserat på värmeöverföringsparametrarna snarare än på vätskeflödesprocesser såsom jet stänk beteende. Den experimentella metod som i det aktuella forskningen bidrar därmed till teknik flytande jet ansökan genom rebötfälla sådana tekniker under förhållanden som innebär mindre jet munstycksdiametrar och höghastighets jet och ythastigheter. Föreliggande metod förädlar också kunskap om grundläggande strömningsmekaniska problem förknippade med rörliga kontaktledningar.
Studierna ovan nämnda har i allmänhet involverat interaktionen av en lågvarvsmunstycket med en låg hastighet rörlig yta. Det har varit förhållandevis få studier av laminär höghastighets strålträffande på höghastighets rörliga ytor. Under höghastighetsvätskestråle impac jet vätskan sprids radiellt i närheten av anslags plats, bildar en tunn lamell. Denna lamell sedan konvekteras nedströms genom den viskösa forcering ut av rörliga ytan, vilket skapar ett typiskt U-formade lameller. Keshavarz et al., Har rapporterat om experiment använder newtonska och elastiska sprutade vätskor som träffar på höghastighets ytor. De klassificeras anslagsprocesser i två distinkta typer: "nedfall &# 8221; och "splash" 10. För impingement ska klassificeras som deponering, måste strålen vätskan vidhäfta till ytan, medan stänk kännetecknas av en vätske lamell som separerar från ytan, och därefter bryts upp i små droppar. En tredje impingement regimen har också beskrivits – "splatter". I denna, relativt sällsynt, regim lamellen förblir fäst till ytan, som för "avsättning", men fina droppar utstöts från nära den främre kanten av lamellen. I en senare studie av icke-newtonska vätskor effekter, Keshavarz et al. Slutsatsen att splash / nedfall tröskeln bestäms huvudsakligen av Reynolds och Deborah siffror, medan strålträffande vinkel och strålhastighet till ytan hastighetsförhållanden endast ha en mindre effekt 11 . I försök utförda under variabla omgivande lufttryck, Moulson et al. Upptäckte att splash / depositionströskel Reynolds tal dramatisktökar med minskande omgivande lufttryck (dvs högre omgivningstryck gör jetplan mer benägna att plaska), samtidigt som man minskar omgivande lufttryck under en viss nivå trycker stänk helt 12. Detta fynd tyder starkt på att aerodynamiska krafter som verkar på lamellen spelar en avgörande roll i att orsaka lameller lift-off och efterföljande stänk. I senaste arbetet om höghastighets impingement på en höghastighets substrat, Sterling visade att för substrathastighet och jet förhållanden nära tröskeln splash, kan plaska utlösas av mycket små lokaliserade grovhet yta och mindre jet ostadighet. Han visade också att det under dessa förhållanden lameller lift-off och återfastsättning är en stokastisk process 13.
Det experimentella protokoll som beskrivs här kan användas för att studera andra fysikaliska situationer omfattar interaktion av en fluid med en rörlig höghastighets yta. Till exempel kan samma tillvägagångssätt användas för att studera helikopter blade-virvel interaktion (förutsatt att virvelvätskan färgades med spårpartiklar) och robot sprutning av ytor.
Projektilen som används för luftkanonen set-up består av en lätt, trä bas. Även de trämaterial chips något efter många tester, har det visat sig att absorbera rörelseenergi mer effektivt än projektiler sammansatta av material som plast eller metall, som tenderar att splittras när den slår i stoppmekanismen. Dimensionerna på trä projektil är utformade för att bättre matcha stål fat interiör, vilket begränsar luftläckage. En 8/1 "tjockt gummiark fäst mellan två skikt av plywood är fäst på b…
The authors have nothing to disclose.
De naturvetenskaplig och teknisk forskning Council of Canada (NSERC) och LB Foster Rail Technologies, Corp. gemensamt stöd denna forskning genom NSERC Collaborative Research and Development Grant programmet.
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) |