Visualisierung von High-Speed-Flüssigkeitsstrahl-Impaction auf einer sich bewegenden Oberfläche

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

Zwei Vorrichtungen zur Prüfung von flüssigem Strahlbeaufschlagungsplatte auf einem Hochgeschwindigkeits-Bewegungsfläche beschrieben: eine Luftkanonenvorrichtung (für die Prüfung Gleitgeschwindigkeiten zwischen 0 und 25 m / sec) und einer Spinnplattenvorrichtung (für die Prüfung Oberflächengeschwindigkeiten zwischen 15 und 100 m / sec). Die Luftkanone Linearbewegung ist ein pneumatischer Energie betriebene System, das ausgelegt ist, um eine Metallschiene Oberfläche auf einem Holz Projektils montiert beschleunigen. Druckbeaufschlagtes Zylinder mit einem Magnetventil ausgestattet schnell frei von Druckluft in den Zylinder und zwingt das Projektil auf der Kanonenrohr. Das Geschoß bewegt unter einer Sprühdüse, die einen Flüssigkeitsstrahl auf seinem oberen Metalloberfläche auftrifft, und das Projektil trifft dann auf einen Stoppmechanismus. Eine Kamera zeichnet die Strahlbeaufschlagungsplatte, und ein Druckwandler erfasst die Sprühdüse Gegendruck. Die sich drehende Scheibe Set-up besteht aus einer Stahlplatte, die Geschwindigkeiten von 500 bis 3000 Umdrehungen pro Minute über einen Frequenzumrichter (VFD) Motor erreicht. Ein Sprühsystem similar derjenigen der Luftkanone erzeugt einen Flüssigkeitsstrahl, der auf die sich drehende Scheibe auftrifft und Kameras an mehreren optischen Zugangspunkte gelegt aufzuzeichnen Strahlbeaufschlagungsplatte. Videoaufnahmen von Strahlaufprallverfahren werden aufgezeichnet und untersucht, um festzustellen, ob das Ergebnis der Aufprall ist Splash, Splatter, oder Ablagerung. Die Geräte sind die ersten, die die Hochgeschwindigkeits Auftreffen des Nieder Reynolds-Zahl Flüssigkeitsstrahlen mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Oberflächen beinhalten. Zusätzlich zu ihrer Bahnindustrie Anwendungen kann die beschriebene Technik für technische und industrielle Zwecke, wie etwa Stahl verwendet werden und können relevante Hochgeschwindigkeits-3D-Drucken.

Introduction

Diese Forschung zielt darauf ab, Strategien für die Anwendung LFM (Liquid Friction Modifier) ​​in Flüssigkeitsstrahl-Form auf eine sich bewegende Oberfläche, während die Erreichung hoher Grad der Auftragswirkungsgrad und gleichmäßige Abscheidung Ergebnisse zu bestimmen. Die Verwirklichung dieses Ziels beinhaltet die Entwicklung eines umfassenden Verständnis der Faktoren, die Flüssigkeitsstrahl Auftreffen auf bewegten Oberflächen beeinflussen.

Das Projekt wird von der Notwendigkeit, die Effizienz der Schmierung Anwendungstechniken im Eisenbahnsektor verwendet verbessern motiviert. Als Mittel zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und des Bewegungswartungskosten, einen dünnen Film aus die Reibung modifizierenden Mittel wird nun auf der oberen Schienenfläche der herkömmlichen Eisenbahnschienen eingesetzt. Jüngste Studien haben gezeigt, dass die Anwendung einer Art von Wasserbasis LFM für Schienenoberkante (TOR) Friktion reduziert Energieverbrauch um 6% und Schiene und Spurkranz tragen von mehr als 50% ^1,2. Andere Studien haben gezeigt, dass die Anwendung LFM auf Schienen reduzierens Querkraft und Geräuschentwicklung als auch, was noch wichtiger ist, zu verfolgen und Wellenschäden durch Rollkontaktermüdung, die eine der Hauptursachen von Entgleisungen ^3,4 ist. Diese Ergebnisse wurden im Feldversuch an der Tokioter U-Bahn ⁵ bestätigt.

LFMs werden derzeit von Luftstoß Zerstäuber, um Dutzende von Lokomotiven in Kanada und den Vereinigten Staaten angebracht verzichtet. Bei dieser Form der Anwendung wird LFM an die Spitze der Eisenbahnschienen durch Düsen unterhalb bewegten Schienenfahrzeugen montiert angewendet. Diese Art der LFM Anwendung ist schwierig, auf vielen Eisenbahnlokomotiven zu implementieren, weil die erforderliche hochvolumigen und Hochdruck-Luftzufuhrniveaus nicht erreicht werden können. Luftstoßdüsen sind vermutlich auch sehr unregelmäßig Schienenabdeckung zu erzeugen, wenn bei Seitenwind betrieben wird, wie Seitenwind verursachen feinen Sprühtröpfchen von ihrer ursprünglichen Flugbahn abweichen. Seitenwind sind auch bekannt, in Düsen Fouling gebracht werden, dürfte für den gleichenGrund. Aufgrund von Problemen mit Luftstoß Zerstäuber verbunden ist, wird die Eisenbahnsektor derzeit nach Alternativen zu LFM Anwendung auf Eisenbahnschienen. Eine praktikable Lösung beinhaltet Abgabe LFM mittels einer kontinuierlichen (nicht-atomisierte) Flüssigkeitsstrahl, wie Flüssigkeitsstrahlen sind weniger anfällig für Seitenwind Wirkungen aufgrund ihrer geringeren Drag-to-Trägheitsverhältnis. Darüber hinaus, weil die hohen Luftdruck und Lautstärke, die über Sprühdüsen benötigt werden nicht in Flüssigkeit im Sprühstrahl Technologien erforderlich, letztere dienen als schlanker und robuster Spritzen Mechanismen, die eine wirksame Kontrolle über die Geschwindigkeit der LFM-Anwendung zu erhalten.

Eine Fläche von ähnlichen Physik, Tropfenschlag, ist intensiv untersucht. Es wurde von mehreren Forschern festgestellt, dass zur Tropfenaufprall auf einem sich bewegenden trockenen glatten Oberfläche spritzt Verhalten ist abhängig von vielen Parametern, einschließlich Viskosität, Dichte, Oberflächenspannung und der Normalkomponente der Aufprallgeschwindigkeit ^14,15. Vogel <em> et al., dass sowohl die normalen und tangentialen Geschwindigkeiten waren von kritischer Wichtigkeit ^16. Bereich et al. Und Crooks et al. Haben gezeigt, dass für die Tropfenschlag auf einem stationären trockene Oberfläche, verringert sich die Oberflächenrauhigkeit der Splash-Schwelle deutlich (dh, es macht die Tröpfchen anfälliger für spritzwasser) ^17,18.

Trotz seiner praktischen Bedeutung hat Strahlaufprall auf bewegten Oberflächen wenig Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Literatur erhielt. Chiu-Webster und Lister führte eine umfangreiche Reihe von Experimenten, die stationären und instationären viskose Strahlaufprall auf eine sich bewegende Oberfläche untersucht, und die Autoren ein Modell entwickelt, für den stetigen Fall ^6. Hlod et al. Modelliert die Strömung mittels einer dritter Ordnung ODE in einer Domäne unbekannter Länge unter einer zusätzlichen integralen Zustand verglichen vorhergesagten Konfigurationen mit experimentellen Ergebnissen ^7. Jedoch, untersuchten die Reynoldszahlenin beiden Studien sind viel niedriger als die mit typischen Eisen LFM Anwendungen verbunden. Gradeck et al. Numerisch und experimentell untersucht das Strömungsfeld Wasserstrahlaufprall auf ein sich bewegendes Substrat unter verschiedenen Strahlgeschwindigkeit, Oberflächengeschwindigkeit und Bedingungen Düsendurchmesser ^8. Fujimoto et al. Zusätzlich suchten Strömungseigenschaften eines kreisförmigen Wasserstrahl auftrifft, auf ein sich bewegendes Substrat mit einem dünnen Wasserfilm ⁹ bedeckt. Jedoch verwendet diese beiden Projekte relativ großen Düsendurchmesser und einer unteren Fläche und Strahlgeschwindigkeiten gegenüber den in der vorliegenden Arbeit eingesetzt. Darüber hinaus, obwohl früheren experimentellen, numerische und analytische Studien bieten eine große Menge an Daten, die meisten haben sich auf Wärmeübertragungsparameter nicht auf Flüssigkeitsstrom Prozessen wie Jet Spritzwasser Verhalten konzentriert. Der in der vorliegenden Forschung vorgesehen experimentelle Methode trägt so zur Flüssigkeitsstrahl Anwendungstechnologien durch WiederSchönung solche Techniken unter Bedingungen mit geringer Strahldüsendurchmesser und Hochgeschwindigkeitsstrahl und Oberflächengeschwindigkeiten. Das vorliegende Verfahren verfeinert auch das Wissen über die Grundprobleme der Strömungsmechanik mit beweglichen Kontaktlinien verbunden.

Die oben erwähnten Studien haben allgemein die Wechselwirkung eines Niedrigdrehzahldüse involviert mit einer niedrigen Geschwindigkeit bewegenden Oberfläche. Es gibt relativ wenige Studien laminarer Hochgeschwindigkeitsstrahlaufprall auf High-Speed-bewegenden Oberflächen. Während des Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitsstrahl Impaktion der Strahlflüssigkeit radial ausbreitet in der Nähe der Auftreffstelle, Bilden einer dünnen Lamelle. Diese Lamelle wird dann stromabwärts von der sich bewegenden Oberfläche der viskose Zwingen auferlegt, wodurch eine charakteristische U-förmigen Lamellen Konvektion. Keshavarz et al. Haben sich auf Experimente mit der Newtonschen und elastische Flüssigkeitsstrahlen Auftreffen auf High-Speed-Flächen ausgewiesen. Sie klassifiziert Auftreffen Prozesse in zwei verschiedene Arten: "Ablagerung &# 8221; und "Splash" ^10. Zur Prall als Abscheidungs ​​klassifiziert werden, muss der Flüssigkeitsstrahl auf der Oberfläche haften, wobei Spritzer durch eine Flüssigkeitslamelle, die von der Oberfläche trennt, und anschließend in Tröpfchen aufbricht, dadurch gekennzeichnet. Eine dritte Prall Regime wurde beschrieben – "Splatter". Bei dieser vergleichsweise selten, Regime die Lamelle bleibt an der Oberfläche angebracht, wie für "deposition", aber feine Tröpfchen von nahe der Vorderkante der Lamelle ausgeworfen. In einer Folgestudie von nicht-Newtonsches Fluid Effekte Keshavarz et al. Festgestellt, dass der Splash / Ablagerung Schwelle wird hauptsächlich durch die Reynolds und Deborah Zahlen bestimmt, während die Strahlaufprallwinkel und Strahlgeschwindigkeit der Oberflächengeschwindigkeitsverhältnisse nur einen geringen Einfluss haben ¹¹ . In Experimenten unter variablen Umgebungsluft Drücken durchgeführt, Moulson et al. Entdeckten, dass die Spritz / Ablagerung Schwelle Reynoldszahl drastischmit abnehmender Umgebungsluftdruck (dh, stellen höhere Umgebungsdrücken Jets anfälliger für Spritzen), bei gleichzeitiger Verringerung Umgebungsluftdruck unter einen bestimmten Schwellenwert unterdrückt Spritz komplett ^12. Dieser Befund legt nahe, dass auf der Lamelle wirkenden aerodynamischen Kräfte spielen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Lamellen Abheben und anschließende Spritzen. In den letzten Arbeiten an Hochgeschwindigkeits-Aufprall auf einem High-Speed-Substrat zeigten, dass Sterling für Substratgeschwindigkeit und Jet-Bedingungen in der Nähe der Spritz Schwelle kann Spritzwasser durch sehr kleine lokalisierte Oberflächenrauheit und Nebenstrahl Unruhe ausgelöst. Er zeigte auch, dass unter diesen Bedingungen Lamellen Abheben und Wiederbefestigung ist ein stochastischer Prozess ^13.

Die hier beschriebenen experimentellen Protokoll kann verwendet werden, um andere physikalische Situationen mit der Wechselwirkung einer Flüssigkeit mit einer hohen Geschwindigkeit bewegenden Oberfläche zu untersuchen. Beispielsweise könnte der gleiche Ansatz verwendet, um Hubschrauber blad studierenE-Wirbel-Wechselwirkung (vorausgesetzt, daß der Wirbel-Flüssigkeit wurde mit Markierungspartikeln gefärbt) und automatisierten Spritz von Oberflächen.

Protocol

1. Spinning Plattengeräte Identifizieren gewünschten Testbedingungen und Rekordtestbedingungen in einer Tabelle (zB Umgebungstemperatur, Fluideigenschaften, Jet und Oberflächengeschwindigkeit, etc.). Herstellung von Materialien Bereiten Glycerin-Wasser- oder PEO-Glycerin-Wasser-Lösungen für die Aufpralltests. Im Fall von PEO-Glycerin-Wassertests, nach auflösen 4,5 g PEO-Pulver (viskositätsmittleres Molekulargewicht von einer Million und vier Millionen) in 1…

Representative Results

Wie in der Einleitung erwähnt, die drei wichtigsten Verhaltensweisen mit flüssigen Strahlaufprall verbunden sind Abscheidung, Splatter und Spritzwasser. Diese Strahlaufprallverhalten werden mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsfilmkameras mit verschiedenen optischen Punkten positioniert zeichneten Videodaten beobachtet. Beispiele von Einzelbildern aus den Videoaufnahmen, die die drei Flüssigkeitsstrahl Ergebnisse zeigen erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 3 gezeigten Abbildung 3A z…

Discussion

Die für die Luftkanone Set-up verwendet Geschoss besteht aus einem leichten, Holzsockel zusammen. Obwohl das Holzmaterial Späne leicht nach zahlreichen Versuchen hat sich herausgestellt, um kinetische Energie wirksam zu absorbieren, als Projektile von Materialien wie Kunststoff oder Metall, die beim Auftreffen auf die Stoppmechanismus bruch neigen zusammensetzt. Die Abmessungen des Holz Geschosses sollen den Stahllauf Innenraum eng übereinstimmen, wodurch die Beschränkung Luftleckage. Eine 1/8 "dicke Kautschukf…

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)