ויזואליזציה של High Speed Liquid Jet Impaction על משטח העברה
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
שני מנגנונים לבחינת פגיעה סילון נוזל על משטח נע במהירות גבוהה מתוארים: מכשיר תותח אוויר (לבחינת מהירויות פנים בין 0 ו -25 מ '/ שנייה) ומכשיר דיסק מסתובב (לבחינת מהירויות פנים בין 15 ל- 100 מ' / שניות). החוצה ליניארי תותח האוויר היא מערכת המונעת באנרגית פנאומטי שנועד להאיץ משטח מסילת מתכת רכוב על גבי טיל מעץ. גליל לחץ מצויד בשסתום סולנואיד במהירות משחרר אוויר דחוס לתוך החבית, ואילץ את הקליע לתוך קנה התותח. הקליע נוסע מתחת זרבובית תרסיס, אשר פוגעת סילון נוזל על פני השטח העליונים המתכת שלו, ולאחר מכן הקליע פוגע מנגנון עצירה. מצלמה מתעדת את הפגיעה המטוס, ומתמר לחץ מתעד את backpressure זרבובית תרסיס. הגדרת הדיסק מסתובב מורכבת מדיסק פלדה המגיע למהירות של 500 עד 3,000 סל"ד באמצעות מנוע כונן משתנה בתדירות (VFD). Si מערכת תרסיסמילר לזה של תותח האוויר יוצר סילון נוזל שפוגע על הדיסק מסתובב, ומצלמות הוצבו במספר נקודות גישה האופטית להקליט את הפגיעה המטוס. הקלטות וידאו של תהליכי פגיעה סילון נרשמות ובדקה כדי לקבוע אם התוצאה של פגיעה זו היא סנסציה, מתיז, או בתצהיר. המנגנונים הם הראשונים שכרוכים בפגיעה במהירות הגבוהה של מטוסים נוזלי ריינולדס-מספר הנמוך על משטחים נעים במהירות גבוהה. בנוסף ליישומים בתעשיית הרכבות שלה, הטכניקה המתוארת עשויה לשמש למטרות טכניות ותעשייתיות כגון ייצור פלדה ועשויה להיות רלוונטי להדפסת 3D במהירות גבוהה.
Introduction
מחקר זה נועד לקבוע אסטרטגיות ליישום LFM (המשתנה חיכוך נוזלי) בצורת סילון נוזל על משטח מרגש תוך השגת מעלות גבוהות של יעילות העברה ותוצאות בתצהיר אחידה. השגת מטרה זו כרוכה בפיתוח הבנה מקיפה של גורמים המשפיעים על פגיעה סילון נוזל על העברת משטחים.
הפרויקט מונע על ידי צורך לשפר את היעילות של טכניקות יישום שימון נהוגות בענף הרכבות. עכשיו כאמצעי להפחתת צריכת דלק ועלויות תחזוקת קטר, סרט דק סוכן שינוי חיכוך של מיושם על פני השטח העליונים של רכבת פסי רכבת קונבנציונליות. מחקרים שנעשה לאחרונה הראו כי החלת סוג אחד של LFM על בסיס מים לחלק עליון של מעקה (TOR) שליטת חיכוך מופחתת רמות צריכת אנרגיה בכ -6% ומקורבים רכבת וגלגל ללבוש על ידי העולה על 50% 1,2. מחקרים אחרים הראו כי LFM החלים על פסי רכבת להפחיתכוח לרוחב ורמות רעש, כמו גם, וחשוב יותר, קמטי מסלול ונזק מעייפות קשר מתגלגלת, שהוא גורם עיקרי לderailments 3,4 s. תוצאות אלו אושר גם בבדיקות שדה במערכת הרכבת התחתית של טוקיו 5.
LFMs כיום הם ויתרו מפיצוץ באוויר מרססים המצורפים לעשרות קטרים ברחבי קנדה ובארצות הברית. בצורה זו של יישום, LFM מוחל על החלק העליון של פסי רכבת על ידי מרססים רכובים מתחת נע קרונות. מצב זה של יישום LFM הוא קשה ליישום בקטרי רכבת רבים משום שהנפח גבוה הנדרש ורמות אספקת אוויר בלחץ גבוה לא יכולים להיות בר-השגה. חרירי תרסיס אוויר-פיצוץ גם הם האמינו לייצר כיסוי רכבת סדיר מאוד כאשר פעלו ברוח צולבת, כרוחות צולבות לגרום טיפות תרסיס עדינות לסטות מהמסלול המקורי שלהם. Crosswinds ידוע גם להיות מעורבים בעכירות זרבובית, סביר להניח לאותוסיבה שהיא. בשל בעיות הקשורות למרססי פיצוץ באוויר, מגזר הרכבת מבקש כיום גישות חלופיות ליישום LFM על פסי רכבת. פתרון בר קיימא אחת כרוך מחלק LFM באמצעות סילון נוזלי (לא לאטומים-) רציף, כמו מטוסים נוזליים הם פחות רגישים להשפעות צולבות בשל יחסם הנמוך גרור לאינרציה. בנוסף, מאחר שרמות לחץ אוויר והנפח הגבוהים הנדרשות לחרירי תרסיסים אינן נדרשות בטכנולוגיות תרסיס סילון נוזל, המעשה האחרון כמנגנוני ריסוס יותר יעילים וחזקים ששומרים על שליטה אפקטיבית בשיעור של יישום LFM.
אזור של פיסיקה דומה, פגיעה אגל, נחקר באינטנסיביות. נמצא על ידי מספר חוקרים שלפגיעת טיפה על משטח חלק יבש נע, מתיז התנהגות תלויה בפרמטרים רבים, כולל צמיגות, צפיפות, מתח פנים והמרכיב הנורמלי של מהירות השפעת 14,15. ציפור <eמ 'הפגין> et al. ששני המהירויות נורמליות ומשיקות היו בעלי חשיבות קריטית 16. טווח et al. ונוכלי et al. הראו כי לפגיעת טיפה על משטח יבש נייח, חספוס פני השטח מקטין את סף סנסציה באופן משמעותי (כלומר, זה עושה הטיפה יותר נוטה להתיז) 17,18.
למרות חשיבותה המעשית, פגיעה מטוס על משטחים נעים זכתה לתשומת לב מועטת בספרות האקדמית. צ'יו-ובסטר ויסטר ביצעו סדרה מקיפה של ניסויים שבחנו פגיעה סילון צמיג יציבה ולא יציבה על משטח מרגש, והמחברים פיתחו מודל לזרימת המקרה היציב 6. Hlod et al. מודל הזרימה באמצעות יודה סדר שלישי בתחום של אורך ידוע תחת מצב נפרד נוסף והשוואת תצורות חזו עם תוצאות ניסוי 7. עם זאת, מספרי ריינולדס בדקובשני המחקרים הללו הם נמוכים בהרבה מאלה הקשורים ליישומי LFM רכבת טיפוסיים. Gradeck et al. מבחינה מספרית וניסיוני חקר את שדה הזרימה של פגיעה סילון מים על מצע נע תחת מהירות שונות סילון, משטח מהירות, ותנאי קוטר נחיר 8. פוג'ימוטו et al. מאפייני זרימה חקרו בנוסף של סילון מים מעגלי לפגוע על מצע נע מכוסה על ידי השכבה דקה של מים 9. עם זאת, שני פרויקטים אלה משמשים בקטרים גדולים יחסית זרבובית ומשטח תחתון ומהירויות סילון בהשוואה לאלו שהועסקו בעבודה הנוכחית. יתר על כן, למרות שמחקרי ניסויים, מספריים, ואנליטיות קודמים לספק לגוף גדול של נתונים, רוב התמקדו בפרמטרי העברת חום ולא על זרימת תהליכים נוזליים כגון מתיז סילון התנהגות. השיטה הניסיונית שנקבעה במחקר הנוכחי ובכך תורמת לטכנולוגיות יישום סילון נוזל על ידי מחדשקנס כגון טכניקות בתנאים מעורבים קטרי נחיר סילון קטן ומהירויות סילון ומשטח במהירות גבוהה. השיטה הנוכחית מזקקת גם ידע על בעיות מכניקת נוזלים בסיסיות הקשורים בהעברת קווים ליצירת קשר.
המחקרים שהוזכרו לעיל יש בדרך כלל מעורבים האינטראקציה של סילון מהירות נמוך עם משטח מרגש במהירות נמוך. היו מעט יחסית מחקרים של פגיעה מטוס במהירות גבוהה למינרית על משטחים נעים במהירות גבוהה. במהלך נעיץ סילון נוזל במהירות גבוהה נוזלי הסילון מתפשט רדיאלית בקרבת מקום הפגיעה, ויצר lamella דק. lamella זה אז convected במורד הזרם על ידי צמיג מכריח שהוטל על ידי המשטח המרגש, ייצור lamella בצורת U אופייני. Keshavarz et al. דיווח על ניסויי העסקת מטוסי נוזל הניוטונית ואלסטי לפגוע על גבי משטחים במהירות גבוהה. הם מסווגים תהליכי פגיעה בשני סוגים שונים: "בתצהיר ו# 8221; ו" להתיז "10. לפגיעה לסיווג כתצהיר, נוזל הסילון חייב לדבוק פני השטח, ואילו פתיחה מאופיינת בlamella נוזל שמפריד מפני השטח, ולאחר מכן שובר את טיפות לתוך. משטר פגיעה שלישי גם תואר – "מתיז". בזה, יחסית נדיר, משטר lamella נשאר מחובר אל פני השטח, כמו ל" תצהיר ", אבל טיפות בסדר נפלטות מן ליד הקצה המוביל של lamella. במחקר הבא של השפעות נוזל שאינו הניוטונית, Keshavarz סיכם et al., כי הפתיחה / הסף בתצהיר נקבע בעיקר על ידי מספרי ריינולדס ודבורה, ואילו זווית הפגיעה מטוס ומהירות סילון לעלות על פני השטח יחסי מהירות יש השפעה מועטת בלבד 11 . בניסויים שנערכו תחת לחצים אוויר סביבה משתנים, Moulson et al. גילה שפתיחה / מספר ריינולדס סף בתצהיר באופן דרמטיעולה עם ירידה בלחץ אוויר בסביבה (כלומר, לחצים סביבתיים גבוהים יותר להפוך את המטוסים נוטים יותר להתיז), תוך הפחתת לחץ אוויר סביבה מתחת לסף מסוים מדכא סנסציה לחלוטין 12. ממצא זה מצביע על כך כוחות אווירודינמיים הפועלים על lamella לשחק תפקיד מכריע בגרימת lamella המראה וסנסציה שלאחר מכן. בשנים האחרונה עבודה על פגיעה במהירות גבוהה על מצע במהירות גבוהה, סטרלינג הראה כי למהירות מצע ותנאי סילון קרובים לסף סנסציה, התז עשויה להיות מופעל על ידי חספוס פני השטח קטן מאוד מקומי וחוסר יציבות מטוס קל. הוא גם הראה שתחת אלה lamella תנאי ההמראה וחיבור מחדש הוא תהליך סטוכסטיים 13.
פרוטוקול הניסוי המתואר כאן ניתן להשתמש כדי ללמוד מצבים פיזיים אחרים המערבים את האינטראקציה של נוזלים עם משטח נע במהירות גבוהה. לדוגמא, באותה הגישה יכולה לשמש כדי ללמוד blad מסוקאינטראקציה דואר מערבולת (ובלבד שנוזל המערבולת היה צבעוני עם חלקיקים נותב) וריסוס רובוטית של משטחים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הקליע המשמש להגדרת תותח האוויר מורכב מבסיס קל, עץ. למרות שבבי חומר העץ מעט לאחר בדיקות רבות, זה כבר נמצא לספוג אנרגיה קינטית בצורה יעילה יותר מאשר קליעים מורכבים מחומרים כמו פלסטיק או מתכת, אשר נוטים לנפץ על השפעת מנגנון העצירה. הממדים של קליע העץ נועדו להתאים את הפנים…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מדעי הטבע והנדסת מועצת המחקר של קנדה (NSERC) וLB פוסטר Rail טכנולוגיות, חברה במשותף תמכו במחקר הזה באמצעות תכנית NSERC שיתופי המחקר ופיתוח גרנט.
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) | |||
Riferimenti
- Cotter, J., et al. Top of Rail Friction Control: Reductions in Fuel and Greenhouse Gas Emissions. Proc. Of the 2005 Conference of the International Heavy Haul Association (Rio de Janeiro). , 327-334 (2005).
- Eadie, D. T., Bovey, E., Kalousek, J. The role of friction control in effective management of the wheel/rail interface). Railway Technical Conference. , (2002).
- Stock, R., Eadie, D. T., Elvidge, D., Oldknow, K. Influencing rolling contact fatigue through top of rail friction modifier application–A full scale wheel–rail test rig study. Wear. 271 (1), 134-142 (2011).
- Eadie, D. T., Santoro, M. Top-of-rail friction control for curve noise mitigation and corrugation rate reduction. Journal of Sound and Vibration. 293 (3), 747-757 (2006).
- Tomeoka, M., Kabe, N., Tanimoto, M., Miyauchi, E., Nakata, M. Friction control between wheel and rail by means of on-board lubrication. Wear. 253 (1), 124-129 (2002).
- Chiu-Webster, S., Lister, J. R. The fall of a viscous thread onto a moving surface: a ‘fluid-mechanical sewing machine. Journal of Fluid Mechanics. 569 (1), 124-129 (2006).
- Hlod, A., Aarts, A. C. T., Van De Ven, A. A. F., Peletier, M. A. Mathematical model of falling of a viscous jet onto a moving surface. European Journal of Applied Mathematics. 18 (06), 659-677 (2007).
- Gradeck, M., Kouachi, A., Dani, A., Arnoult, D., Borean, J. L. Experimental and numerical study of the hydraulic jump of an impinging jet on a moving surface. Experimental Thermal and Fluid Science. 30 (3), 193-201 (2006).
- Fujimoto, H., Suzuki, Y., Hama, T., Takuda, H. Flow Characteristics of Circular Liquid Jet Impinging on a Moving Surface Covered with a Water Film. ISIJ international. 51 (9), 1497-1505 (2011).
- Keshavarz, B., Green, S. I., Davy, M. H., Eadie, D. T. Newtonian liquid jet impaction on a high-speed moving surface. International Journal of Heat and Fluid Flow. 32 (6), 1216-1225 (2011).
- Keshavarz, B., Green, S. I., Eadie, D. T. Elastic liquid jet impaction on a high speed moving surface. AIChE Journal. 58 (11), 3568-3577 (2012).
- Moulson, J. B. T., Green, S. I. Effect of ambient air on liquid jet impingement on a moving substrate. Physics of Fluids. 25 (10), 102106 (2013).
- Sterling, G. E. G. An experimental study on jet impingement on a very high speed moving surface. UBC M.A.Sc. Thesis. , (2012).
- Povarov, O. A., Nazarov, O. I., Ignat’evskaya, L. A., Nikol’skii, A. I. Interaction of drops with boundary layer on rotating surfaces. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 31 (6), 1453-1456 (1976).
- Fathi, S., Dickens, P., Fouchal, F. Regimes of droplet train impact on a moving surface in an additive manufacturing process. Journal of Materials Processing Technology. 210 (3), 550-559 (2010).
- Bird, J. C., Tsai, S. S., Stone, H. A. Inclined to splash: triggering and inhibiting a splash with tangential velocity. New Journal of Physics. 11 (6), 063017 (2009).
- Range, K., Feuillebois, F. Influence of surface roughness on liquid drop impact. Journal of Colloid and Interface science. 203 (1), 16-30 (1998).
- Crooks, R., Boger, D. V. Influence of fluid elasticity on drops impacting on dry surfaces. Journal of Rheology. 44 (4), 973-996 (2000).
