Visualisation de High Speed ​​Liquid Jet impaction sur une surface en mouvement

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

Deux appareils d'examen impact des jets de liquide sur une surface en mouvement à grande vitesse sont décrits: un dispositif de canon à air (de l'examen d'une vitesse de surface comprise entre 0 et 25 m / s) et un dispositif à disque tournant (de l'examen d'une vitesse de surface comprise entre 15 et 100 m / sec). Le canon à air traverse linéaire est un système alimenté en énergie pneumatique qui est conçu pour accélérer une surface de rail métallique monté sur le dessus d'un projectile en bois. Cylindre sous pression équipé d'une valve solénoïde libère rapidement de l'air sous pression dans le cylindre, ce qui oblige le projectile dans le canon de canon. Le projectile se déplace en dessous d'une buse de pulvérisation, qui frappe un jet de liquide sur sa surface supérieure métallique, et ensuite le projectile frappe un mécanisme d'arrêt. Une caméra enregistre l'impact de jet, et un capteur de pression enregistre la contre-pression de buse de pulvérisation. Le disque rotatif set-up se compose d'un disque en acier qui atteint des vitesses de 500 à 3000 rpm via un entraînement à fréquence variable (VFD) moteur. Un SI système de pulvérisationmilar à celle du canon à air génère un jet de liquide qui empiète sur le disque tournant, et des caméras placées à plusieurs points d'accès optique enregistrer la impact de jet. Les enregistrements vidéo des processus d'impact de jet sont enregistrées et examinées afin de déterminer si le résultat d'impact est splash, éclaboussures, ou dépôt. Les appareils sont les premiers qui impliquent l'impact à grande vitesse des jets de liquide à faible nombre de Reynolds sur des surfaces se déplaçant à grande vitesse. En plus de ses applications de l'industrie ferroviaire, la technique décrite peut être utilisé à des fins techniques et industriels tels que la production d'acier et peut être pertinent à l'impression 3D à haute vitesse.

Introduction

Cette recherche vise à déterminer des stratégies pour appliquer LFM (Liquid modificateur de friction) sous forme de jet de liquide sur une surface en mouvement tout en atteignant de hauts degrés d'efficacité de transfert et les résultats de dépôt uniformes. Pour atteindre cet objectif consiste à développer une compréhension approfondie des facteurs qui influent sur les jets de liquide sur les surfaces mobiles.

Le projet est motivé par la nécessité d'améliorer l'efficacité des techniques d'application de lubrification utilisés dans le secteur ferroviaire. Dans le but de réduire la consommation de carburant et des coûts de maintenance de locomotives, un film mince d'agent de modification de frottement est maintenant appliquée à la surface supérieure du rail de voie ferrée classiques. Des études récentes ont montré que l'application d'un type de LFM à base d'eau pour le haut du rail (TOR) contrôle de la friction des niveaux de consommation d'énergie réduite de 6% et le rail et la roue bride porter par plus de 50% ^{de 1,2.} D'autres études ont montré que l'application de LFM pour voies ferrées réduires force latérale et niveaux de bruit ainsi que, plus important encore, l'ondulation de la piste et les dommages causés par la fatigue de contact de roulement, ce qui est une cause majeure de déraillements ^3,4. Ces résultats ont ensuite été confirmés lors de tests sur le terrain sur le système de métro de Tokyo ^cinq.

LFMs sont actuellement dispensés de atomiseurs de souffle d'air attachés à des dizaines de locomotives au Canada et aux États-Unis. Dans cette forme d'application, LFM est appliquée au sommet de la voie ferrée par atomiseurs monté sous déplacer les wagons. Ce mode d'application LFM est difficile à mettre en œuvre sur de nombreuses locomotives de chemin de fer parce que le niveau d'alimentation en air à haute pression de haut-volume et requise peuvent ne pas être réalisable. Buses de pulvérisation Air-fourneaux sont également soupçonnés de produire une couverture ferroviaire très irrégulière lorsqu'il est utilisé dans un vent de travers, comme les vents latéraux provoquent fines gouttelettes de se écarter de leur trajectoire initiale. Les vents latéraux sont également connus pour être impliqués dans la buse encrassement, probablement pour la mêmeraison. En raison de problèmes liés à atomiseurs de souffle de l'air, le secteur ferroviaire est présentement à la recherche des approches alternatives à l'application de LFM sur les pistes de chemin de fer. Une solution viable implique LFM distribution au moyen d'une (non atomisé) jet continu de liquide, comme des jets de liquide sont moins sensibles aux effets de vent de travers en raison de leur rapport traînée inférieur à inertie. En outre, parce que les niveaux élevés de pression d'air et le volume nécessaires pour les buses de pulvérisation ne sont pas tenus de liquides technologies jet de pulvérisation, ce dernier acte en tant que mécanismes de pulvérisation plus simples et robustes qui maintiennent un contrôle effectif sur le taux d'application de LFM.

Un domaine de la physique similaire, gouttelettes impact, a été étudiée de manière intensive. Il a été constaté par plusieurs chercheurs que pour un empiétement gouttelettes sur une surface lisse sec déplacer, éclaboussant le comportement dépend de nombreux paramètres, dont la viscosité, la densité, la tension de surface et la composante normale de la vitesse d'impact ^14,15. Oiseau <em> et al. a démontré que les deux vitesses normales et tangentielles étaient d'une importance cruciale ^16. Range et al. Et Crooks et al. Ont montré que des gouttelettes impact sur ​​une surface sèche stationnaire, rugosité de surface diminue le seuil de démarrage de manière significative (ie, il fait la gouttelette plus enclins à éclabousser) ^17,18.

Malgré son importance pratique, les jets sur les surfaces mobiles a reçu peu d'attention dans la littérature académique. Chiu-Webster et Lister effectué une vaste série d'expériences qui a examiné jet visqueux impact permanent et transitoire sur une surface mobile, et les auteurs ont élaboré un modèle pour le cas de flux constant ^6. Hlod et al. A modélisé les flux au moyen d'un ODE troisième ordre sur un domaine de longueur inconnue dans une condition intégrante supplémentaires et configurations prédites par rapport aux résultats expérimentaux ^7. Cependant, les nombres de Reynolds examinésdans ces deux études sont beaucoup plus faibles que ceux associés aux applications typiques chemin de fer de LFM. Gradeck et al. Étudié expérimentalement et numériquement le domaine de l'impact de jet d'eau d'écoulement sur ​​un substrat mobile sous divers vitesse du jet, la vitesse de surface, et des conditions de diamètre de buse ^8. Fujimoto et al. Caractéristiques d'écoulement en outre une enquête d'un jet d'eau circulaire empiéter sur un substrat mobile recouvert d'une mince pellicule d'eau ^neuf. Cependant, ces deux projets ont utilisé relativement grands diamètres de buse et surface inférieure et des vitesses de réaction par rapport à ceux utilisés dans le présent ouvrage. En outre, bien que les études expérimentales, numériques et analytiques précédentes fournissent une grande quantité de données, la majorité ont mis l'accent sur les paramètres de transfert de chaleur plutôt que sur les processus d'écoulement de liquide tels que le comportement jet d'éclaboussures. La méthode expérimentale prévu dans la présente recherche contribue ainsi à liquides technologies d'application de jet de REla sanction de telles techniques dans des conditions impliquant des diamètres de buses petit jet et jet et de surface vitesses à grande vitesse. Le présent procédé permet également d'affiner les connaissances sur les problèmes fondamentaux de la mécanique des fluides liés au déplacement des lignes de contact.

Les études mentionnées ci-dessus ont généralement impliqué l'interaction d'un jet à basse vitesse avec une surface à faible vitesse de déplacement. Il ya eu relativement peu d'études sur l'impact des jets laminaire à haute vitesse sur les surfaces mobiles à haut débit. Pendant jet liquide impaction à haute vitesse du liquide de jet se étend radialement au voisinage de l'emplacement d'impact, formant une lamelle mince. Cette lamelle est ensuite par convection en aval par le forçage visqueux prélevée par la surface en mouvement, produisant une lamelle en forme de U caractéristique. Keshavarz et al. Ont rapporté des expériences utilisant des jets de liquide newtoniens et élastiques empiétant sur ​​des surfaces à haute vitesse. Ils ont classé les processus de collision en deux types distincts: "dépôt &# 8221; et "Splash" ^10. Pour collision être considéré comme le dépôt, le liquide de jet doit adhérer à la surface, tandis que les projections se caractérise par une lamelle liquide qui se sépare de la surface et ensuite se décompose en gouttelettes. Un troisième régime d'impact a également été décrite – "éclaboussures". En cela, relativement rare, le régime lamelle reste attachée à la surface, comme par «dépôt», mais fines gouttelettes soient éjectées à partir de près du bord d'attaque de la lamelle. Dans une étude ultérieure des effets de fluides non-newtoniens, Keshavarz et al. A conclu que le / seuil de dépôt de démarrage est principalement déterminée par les nombres de Reynolds et Deborah, alors que l'angle d'impact de jet et de la vitesse du jet de surface rapports de vitesse ne ont qu'un effet mineur ¹¹ . Dans les expériences menées dans le cadre des pressions ambiantes d'air variable, Moulson et al. Découvert que le splash / dépôt seuil nombre de Reynolds de façon spectaculaireaugmente avec la diminution de pression de l'air ambiant (ce est à dire, la hausse des pressions ambiantes font jets plus enclins à éclabousser), tout en diminuant la pression de l'air ambiant en dessous d'un certain seuil supprime complètement splash ^12. Cette constatation suggère fortement que les forces aérodynamiques agissant sur la lamelle jouent un rôle crucial dans l'apparition de lamelles lift-off et les éclaboussures ultérieure. Dans les travaux récents sur impact à haute vitesse sur un substrat à haute vitesse, Sterling a montré que pour la vitesse de substrat et des conditions de jet proches du seuil de démarrage, éclaboussure peut être déclenchée par une très faible rugosité de surface localisée et mineure instabilité du jet. Il a également montré que, dans ces conditions lamelles lift-off et le rattachement est un processus stochastique ^13.

Le protocole expérimental est décrit ici peut être utilisé pour étudier d'autres situations physiques impliquant l'interaction d'un fluide avec une surface en mouvement à grande vitesse. Par exemple, la même approche pourrait être utilisée pour étudier hélicoptère bladinteraction e-vortex (à condition que le fluide à tourbillons a été coloré avec des particules de traceur) et la pulvérisation des surfaces robotique.

Protocol

Dispositif de disque 1. Spinning Identifier les conditions de test souhaités et conditions d'essai d'enregistrement dans une table (par exemple, la température ambiante, les propriétés des fluides, jet et la vitesse de surface, etc.). Préparation des matériaux Préparer des solutions dans l'eau ou de la glycérine PEO-glycérine-eau pour les essais d'impact. Dans le cas de tests PEO-glycérine-eau, dissoudre progressivement 4,5 g de poudre PE…

Representative Results

Comme indiqué dans l'introduction, les trois principaux comportements associés à l'impact des jets de liquide sont dépôt, les éclaboussures et les éclaboussures. Ces comportements jet d'impact sont observées en utilisant des données vidéo enregistrées par les caméras de ciné à grande vitesse positionnés à différents points optiques. Exemples d'images fixes, obtenus à partir des enregistrements vidéo, qui représentent les trois résultats liquides de jet sont présentés dans <st…

Discussion

Le projectile utilisé pour le canon à air set-up est composé de, une base en bois léger. Bien que les rognures de bois légèrement après de nombreux essais, il a été trouvé à absorber l'énergie cinétique de projectiles de manière plus efficace sont constitués de matières telles que le plastique ou le métal, qui ont tendance à se briser lors de l'impact du mécanisme d'arrêt. Les dimensions du projectile en bois sont conçus pour correspondre étroitement à l'intérieur du canon de l&#3…

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)