Visualisatie van High Speed ​​Liquid Jet Impactie op een bewegend oppervlak

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

Twee inrichtingen voor de behandeling vloeistofstraal botsen op een hoge snelheid bewegend oppervlak worden beschreven: een luchtkanon inrichting (voor de behandeling omtreksnelheden tussen 0 en 25 m / sec) en een draaiende schijf inrichting (voor het onderzoeken oppervlak snelheden tussen 15 en 100 m / sec). De lucht kanon lineaire traverse is een pneumatische energie aangedreven systeem dat is ontworpen om een ​​metalen rail oppervlak gemonteerd op de top van een houten projectiel versnellen. Een onder druk cilinder voorzien van een elektromagnetische klep snel vrijgeeft perslucht in het vat, waardoor het projectiel naar beneden het kanon vat. Het projectiel reist onder een sproeikop, die een vloeistof jet botst op zijn metalen bovenkant, en het projectiel dan raakt een stoppen-mechanisme. Een camera registreert de straal impingement en een drukomzetter registreert de sproeikop tegendruk. De draaiende schijf set-up bestaat uit een stalen schijf die met een snelheid van 500 tot 3000 tpm bereikt via een frequentieregelaar (VFD) motor. Een spray systeem siMilar die van de lucht kanon genereert een vloeistofstraal die botst op de draaiende schijf en camera geplaatst op verschillende optische toegangspunten noteer jet impingement. Video-opnames van jet impingement processen worden geregistreerd en onderzocht om te bepalen of de uitkomst van impingement is plons, ploeter, of afzetting. De apparaten zijn de eerste die de hoge snelheid botsing van lage Reynolds-getal vloeistofstralen op hoge snelheid bewegende oppervlakken te betrekken. Naast de spoorwegindustrie toepassingen kunnen de beschreven techniek worden gebruikt voor technische en industriële doeleinden, zoals staalproductie en kunnen met hoge snelheid 3D printing relevant zijn.

Introduction

Dit onderzoek heeft als doel om strategieën te bepalen voor de toepassing van LFM (Liquid frictiemodificator) in vloeibare vorm jet op een bewegend oppervlak, terwijl het bereiken van een hoge mate van overdracht efficiëntie en uniforme afzetting resultaten. Het bereiken van dit doel het ontwikkelen van een beter begrip van de factoren die van invloed vloeistof jet botsen op bewegende oppervlakken.

Het project is ingegeven door de noodzaak om de efficiëntie van de smering applicatie technieken die worden gebruikt in de spoorwegsector te verbeteren. Als een middel om het brandstofverbruik en de locomotief onderhoudskosten, een dunne film van wrijvingsmodificerend middel wordt nu toegepast op de bovenste rail oppervlak van conventionele spoorlijn. Recente studies hebben aangetoond dat de toepassing van één type waterbasis LFM voor de bovenkant van de spoorstaaf (TEM) wrijving controle verminderd energieverbruik met 6% en het spoor en wielflens dragen door meer dan 50% ^1,2. Andere studies hebben aangetoond dat het toepassen van LFM om sporen te verminderens laterale kracht en het geluidsniveau, alsmede, nog belangrijker, spoor golving en schade door rolcontact vermoeidheid, dat is een belangrijke oorzaak van de ontsporingen ^3,4. Deze resultaten werden verder bevestigd in veldproeven op de metro van Tokio ^5.

LFMs zijn momenteel vrijgesteld van luchtstroom verstuivers gehecht aan tientallen locomotieven in heel Canada en de Verenigde Staten. In deze vorm van de aanvraag, wordt LFM toegepast op de top van de spoorlijn door verstuivers onder bewegen treinwagons gemonteerd. Deze wijze van LFM applicatie is moeilijk uit te voeren op veel spoorweglocomotieven omdat de vereiste hoge volume en hoge druk luchttoevoer niveaus mogen niet haalbaar zijn. Luchtstraalapparatuur sproeiers worden ook verondersteld om zeer onregelmatige dekking spoor te produceren bij gebruik in een zijwind, zoals zijwind veroorzaken fijne nevel druppeltjes af te wijken van hun oorspronkelijke traject. Zijwind zijn ook bekend betrokken te zijn in mondstuk vervuiling, waarschijnlijk om dezelfdereden. Als gevolg van problemen in verband met lucht blast verstuivers, wordt de spoorwegsector momenteel op zoek naar alternatieve benaderingen van LFM toepassing op sporen. Een levensvatbare oplossing bestaat afgifte LFM via een continue (niet-verstoven) vloeistofstraal, vloeibare stralen zijn minder gevoelig voor effecten zijwind vanwege het lagere slepen naar traagheidsverhouding. Bovendien, omdat de hoge luchtdruk en volume nodig voor verstuivers niet nodig zijn in vloeibare waterstraal technologieën, de laatste daad als meer gestroomlijnde en robuuste spuiten mechanismen die effectieve controle over de snelheid van LFM applicatie te behouden.

Een gebied van soortgelijke natuurkunde, druppel impingement, is intensief bestudeerd. Het werd gevonden door diverse onderzoekers dat druppel botsing op een bewegend droge glad oppervlak, spatten gedrag is afhankelijk van vele parameters zoals viscositeit, dichtheid, oppervlaktespanning en de normale component van de botssnelheid ^14,15. Vogel <em> et al. toonden aan dat zowel de normale en tangentiële snelheden waren van cruciaal belang ^16. Range et al. En Crooks et al. Hebben aangetoond dat voor druppel botsing op een stationaire droge ondergrond, ruwheid van het oppervlak vermindert de splash drempel aanzienlijk (dat wil zeggen, het maakt de druppel meer vatbaar voor spatten) ^17,18.

Ondanks zijn praktisch belang, heeft jet botsen op bewegende oppervlakken weinig aandacht gekregen in de wetenschappelijke literatuur. Chiu-Webster en Lister voerde een uitgebreide reeks experimenten die permanente en niet viskeuze jet botsing onderzocht op een bewegend oppervlak, en de auteurs ontwikkelde een model voor de gestage stroom geval ^6. Hlod et al. Gemodelleerd de stroom via een derde-orde ODE op een domein van onbekende lengte kleiner dan een extra integraal toestand en vergeleken voorspelde configuraties met experimentele resultaten ^7. De Reynoldsgetallen onderzochtIn beide studies zijn veel lager dan in geval van typische spoorweg LFM toepassingen. Gradeck et al., Numeriek en experimenteel onderzoek op het gebied stroming van het water jet botsen op een bewegende ondergrond onder verschillende straalsnelheid, oppervlakte snelheid en voorwaarden nozzle diameter ^8. Fujimoto et al. Onderzochten bovendien stroomeigenschappen van een cirkelvormige waterstraal botst op een bewegend substraat bedekt met een dunne waterfilm ^9. Echter, deze twee projecten gebruikt relatief grote nozzle diameters en onderkant en jet snelheden in vergelijking met degenen die in het huidige werk. Bovendien, hoewel eerdere experimenten, numerieke en analytische studies een grote hoeveelheid gegevens, de meeste zijn gericht op warmteoverdracht parameters in plaats van vloeistofstroom processen zoals jet spatten gedrag. De experimentele methode die in het huidige onderzoek draagt ​​zo bij aan vloeibare jet toepassing technologieën door rebeboeten dergelijke technieken onder omstandigheden waarbij kleinere jet nozzle diameters en high-speed jet en het oppervlak snelheden. De huidige methode verfijnt ook kennis over fundamentele stromingsleer problemen in verband met bewegende contact lijnen.

De bovengenoemde studies hebben doorgaans betrekking op de interactie van een lage snelheid straal met een lage snelheid bewegend oppervlak. Er zijn relatief weinig studies van laminaire hoge snelheid jet botsing geweest op hoge snelheid bewegende oppervlakken. Bij hoge snelheid vloeistofstraal impactie verspreidt de straal vloeistof radiaal in de nabijheid van de botsing plaats, vormen van een dunne lamel. Deze lamel wordt vervolgens stroomafwaarts convectie door de viskeuze forceren opgelegd door het bewegend oppervlak, waardoor een karakteristiek U-vormige lamellen. Keshavarz et al. Hebben gerapporteerd over experimenten in dienst Newtoniaanse en elastisch vloeistofstralen botst op hoge snelheid oppervlakken. Ze geclassificeerd impingement processen in twee verschillende types: "depositie &# 8221; en "splash" ^10. Voor impingement worden ingedeeld als depositie moet de straal vloeistof hechten aan het oppervlak, terwijl splash gekenmerkt door een vloeistof lamel die scheidt van het oppervlak, en vervolgens breekt in druppels. Een derde regime impingement is ook beschreven – "splatter". Hierin betrekkelijk zeldzaam, regime de lamellen bevestigd blijft aan het oppervlak, als voor "depositie", maar fijne druppeltjes worden uitgestoten bij bovenrand van de lamel. In een volgende studie van niet-Newtoniaanse vloeistof effecten, Keshavarz et al. Concludeerden dat de splash / depositie drempel voornamelijk wordt bepaald door de Reynolds en Deborah nummers, terwijl de jet impingement hoek en straalsnelheid om velocity ratio oppervlakte hebben slechts een gering effect ¹¹ . In experimenten uitgevoerd onder variabele druk van de omgeving lucht, Moulson et al. Ontdekten dat de splash / depositie drempel Reynoldsgetal dramatischtoeneemt bij afnemende omgevingsluchtdruk (dwz hogere druk ambient maken jets meer kans op spatten) met minder lucht druk beneden een bepaalde drempel onderdrukt splash volledig ^12. Deze bevinding suggereert sterk dat de aërodynamische krachten die op de lamel een cruciale rol spelen bij het ontstaan ​​van lamellen lift-off en de daaropvolgende splash. In recent werk op hoge snelheid botsen op een high-speed substraat, Sterling bleek dat voor substraat snelheid en jet voorwaarden dicht bij de splash drempel, splash kan worden veroorzaakt door een zeer kleine lokale ruwheid van het oppervlak en kleine jet wankel. Hij toonde ook aan dat onder deze omstandigheden lamellen lift-off en herbevestiging is een stochastisch proces ^13.

Het experimentele protocol beschreven kunnen worden gebruikt om andere fysische situaties van interactie van een fluïdum met een hoge snelheid bewegend oppervlak te bestuderen. Zo kan dezelfde benadering worden gebruikt om de helikopter blad studerene-vortex interactie (mits de vortex vloeistof werd gekleurd met tracer deeltjes) en robotica spuiten van oppervlakken.

Protocol

1. Spinning Disk Device Identificeren gewenste testomstandigheden en opnemen testomstandigheden in een tabel (bijvoorbeeld, omgevingstemperatuur, vloeistof eigenschappen, jet en oppervlakte snelheid, enz.). Voorbereiding van Materialen Bereid glycerine-water of PEO-glycerine-water-oplossingen voor de botsing testen. Bij PEO-glycerine-watertesten geleidelijk los 4,5 g PEO poeder (viscositeit-gemiddeld molecuulgewicht van een miljoen en vier miljoen) in 1495,5 g ged…

Representative Results

Zoals besproken in de inleiding, de drie belangrijkste gedragingen in verband met vloeibare jet impingement zijn afzetting, ploeteren en splash. Deze jet impingement gedragingen worden waargenomen met behulp van video-gegevens opgenomen met hoge snelheid cine camera's geplaatst op verschillende optische punten. Voorbeelden van stilstaande beelden, verkregen uit de video-opnamen, waarin de drie vloeistofstraal resultaten afgebeeld zijn in figuur 3. Figuur 3A toont vloeistofstraal afzetting, waa…

Discussion

Het projectiel voor het luchtkanon set-up bestaat uit een lichtgewicht, houten basis. Hoewel het houten materiaal chips iets na talrijke tests is gebleken kinetische energie effectiever te absorberen dan projectielen samengesteld uit materialen zoals kunststof of metaal, die meestal breken bij impact het stopmechanisme. De afmetingen van de houten projectiel zijn ontworpen om nauw aan het stalen vat interieur, waardoor luchtlekkage beperkt. Een 1/8 "dik rubber bevestigd tussen twee lagen multiplex is aan de achterk…

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)