Visualización de alta velocidad Liquid Jet impactación sobre una superficie móvil

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

Dos aparatos para el examen de pinzamiento chorro de líquido sobre una superficie móvil de alta velocidad se describen: un dispositivo de cañón de aire (para el examen de las velocidades de superficie entre 0 y 25 m / seg) y un dispositivo de disco giratorio (para el examen de velocidades de superficie entre 15 y 100 m / sec). El recorrido lineal cañón de aire es un sistema alimentado por energía neumática que está diseñado para acelerar una superficie del carril de metal montados en la parte superior de un proyectil de madera. Un cilindro presurizado equipado con una válvula de solenoide libera rápidamente el aire a presión en el cilindro, obligando al proyectil por el cañón cañón. El proyectil viaja debajo de una boquilla de pulverización, que incide un chorro de líquido sobre su superficie superior del metal, y el proyectil a continuación, realiza un mecanismo de parada. Una cámara graba el choque de chorro, y un transductor de presión registra la contrapresión de la boquilla de pulverización. El disco giratorio de configuración consta de un disco de acero que alcanza velocidades de 500 a 3000 rpm a través de un motor de accionamiento de frecuencia variable (VFD). A si sistema de pulverizaciónmilar a la del cañón de aire genera un chorro de líquido que incide sobre el disco giratorio, y cámaras colocadas en varios puntos de acceso óptico grabar el choque del chorro. Las grabaciones de vídeo de los procesos de impacto de chorro se registran y se examinan para determinar si el resultado del choque es salpicadura, salpicadura, o deposición. Los aparatos son los primeros que involucran la alta velocidad de impacto de chorros de líquido bajo número de Reynolds en superficies móviles de alta velocidad. Además de sus aplicaciones de la industria ferroviaria, la técnica descrita puede ser usada para fines técnicos e industriales, tales como la fabricación de acero y puede ser relevante para la impresión en 3D de alta velocidad.

Introduction

Esta investigación tiene como objetivo determinar las estrategias para la aplicación de LFM (modificador de fricción líquida) en forma de chorro de líquido sobre una superficie en movimiento, mientras que el logro de un alto grado de eficiencia de la transferencia y los resultados de deposición uniforme. El logro de este objetivo implica el desarrollo de una comprensión global de los factores que afectan el choque chorro de líquido en las superficies en movimiento.

El proyecto está motivado por la necesidad de mejorar la eficiencia de las técnicas de aplicación de lubricación utilizados en el sector ferroviario. Como un medio de reducir el consumo de combustible y costes de mantenimiento de la locomotora, una película delgada de agente modificador de fricción está siendo aplicada a la superficie superior del carril de vías férreas convencionales. Estudios recientes han demostrado que la aplicación de un tipo de LFM a base de agua para la parte superior del carril (TOR) de control de fricción reduce los niveles de consumo de energía en un 6% y el patín del riel y la rueda de desgaste por encima del 50% ^1,2. Otros estudios han demostrado que la aplicación de LFM para vías de ferrocarril a reducirs fuerza lateral y los niveles de ruido, así como, más importante, la pista de ondulación y daños por fatiga de contacto por rodadura, que es una causa importante de descarrilamientos ^3,4. Estos resultados fueron confirmados en pruebas de campo en el metro de Tokio ^5.

LFMs actualmente están dispensados ​​de atomizadores de chorro de aire conectados a decenas de locomotoras a través de Canadá y los Estados Unidos. En esta forma de aplicación, LFM se aplica a la parte superior de las vías del ferrocarril por atomizadores montados debajo de movimiento vagones de ferrocarril. Este modo de aplicación LFM es difícil de aplicar en muchas locomotoras del ferrocarril porque el nivel de suministro de aire de alta presión y de gran volumen requerido pueden no ser alcanzadas. Boquillas de chorro de aire también se creen para producir la cobertura ferroviaria muy irregular cuando se opera en un viento de costado, como los vientos cruzados producen gotas de pulverización fina para desviarse de su trayectoria inicial. Crosswinds también se sabe que están implicados en el ensuciamiento de la boquilla, probablemente por la mismarazón. Debido a los problemas asociados con atomizadores de chorro de aire, el sector ferroviario está actualmente buscando enfoques alternativos a la aplicación LFM en las pistas de ferrocarril. Una solución viable implica dispensar LFM por medio de un continuo (no atomizado-) chorro de líquido, como chorros de líquido son menos susceptibles a los efectos viento de costado debido a su menor relación de arrastrar a la inercia. Además, debido a los altos niveles de presión de aire y volumen necesarios para boquillas de atomización no son necesarios en las tecnologías de pulverización por chorros de líquido, este último acto como mecanismos de pulverización más ágiles y robustos que mantienen un control efectivo sobre la tasa de aplicación LFM.

Un área de la física similares, choque de las gotas, se ha estudiado intensamente. Se encontró por varios investigadores para que choque gotita sobre una superficie lisa seca en movimiento, salpicando el comportamiento depende de muchos parámetros, incluyendo la viscosidad, la densidad, tensión superficial y la componente normal de la velocidad de impacto ^14,15. Pájaro <em> et al. demostró que tanto las velocidades normales y tangenciales eran de importancia crítica ^16. Rango et al. Y Maleantes et al., Han demostrado que para el choque de gotas sobre una superficie seca estacionaria, rugosidad de la superficie disminuye el umbral splash significativamente (es decir, que hace que la gota más propenso a salpicar) ^17,18.

A pesar de su importancia práctica, el choque de chorro de superficies móviles ha recibido poca atención en la literatura académica. Chiu-Webster y Lister realizaron una extensa serie de experimentos que examinaron estable e inestable pinzamiento chorro viscoso sobre una superficie en movimiento, y los autores desarrollaron un modelo para el caso de flujo constante ^6. Hlod et al., Modeladas al flujo por medio de un ODE de tercer orden en un dominio de longitud desconocida bajo una condición integral adicional y configuraciones predichas en comparación con los resultados experimentales ^7. Sin embargo, los números de Reynolds examinaronEn ambos de estos estudios son mucho más bajos que los asociados con las aplicaciones típicas LFM ferrocarril. Gradeck et al. Numérica y experimentalmente investigó el campo de flujo de chorro de agua de impacto sobre un sustrato en movimiento bajo diferentes velocidad de chorro, velocidad superficial, y las condiciones de diámetro boquilla ^8. Fujimoto et al. Investigados adicionalmente características de flujo de un chorro de agua circular que incide sobre un sustrato en movimiento cubierto por una delgada película de agua ^9. Sin embargo, estos dos proyectos utilizan relativamente grandes diámetros de la boquilla y la superficie inferior y velocidades de chorro en comparación con las empleadas en el presente trabajo. Además, aunque los estudios experimentales, numéricos y analíticos anteriores proporcionan una gran cantidad de datos, la mayoría se han centrado en los parámetros de transferencia de calor en lugar de en los procesos de flujo de líquido tales como el comportamiento de chorro de salpicaduras. El método experimental dispuesto en la presente investigación contribuye así a tecnologías de aplicación de chorros de líquido por reclarificación tales técnicas en virtud de las condiciones que implican diámetros de boquilla más pequeño chorro y chorro de velocidades y de la superficie de alta velocidad. El presente método también refina el conocimiento sobre los problemas de mecánica de fluidos fundamentales asociados con el movimiento de las líneas de contacto.

Los estudios mencionados anteriormente generalmente han implicado la interacción de un chorro de baja velocidad con una superficie de baja velocidad de movimiento. Ha habido relativamente pocos estudios de laminar chorro de choque de alta velocidad sobre las superficies móviles de alta velocidad. Durante alta velocidad de impactación chorro de líquido el líquido de chorro se extiende radialmente en las proximidades de la ubicación de choque, formando una lámina delgada. Esta lámina es entonces por convección aguas abajo por el forzamiento viscoso impuestas por la superficie en movimiento, produciendo una lámina en forma de U característica. Keshavarz et al. Han informado sobre los experimentos que emplean chorros de líquidos newtonianos y elásticas que inciden sobre las superficies de alta velocidad. Se clasifican los procesos de choque en dos tipos distintos: "deposición y# 8221; y "salpicar" ^10. Para pinzamiento para ser clasificado como deposición, el chorro de líquido debe adherirse a la superficie, mientras que el chapoteo se caracteriza por una lámina de líquido que se separa de la superficie y, posteriormente, se rompe en gotitas. Un tercer régimen de choque también se ha descrito – "de la salpicadura". En esta, relativamente rara, el régimen de la laminilla permanece unido a la superficie, como para "deposición", pero finas gotitas son expulsadas desde cerca del borde de ataque de la lámina. En un estudio posterior de los efectos de fluidos no newtonianos, Keshavarz et al. Concluyó que el / umbral de deposición de bienvenida está determinada principalmente por los números de Reynolds y Deborah, mientras que el ángulo de chorro de choque y la velocidad del chorro a la superficie relaciones de velocidad sólo tienen un efecto menor ¹¹ . En experimentos llevados a cabo bajo las presiones del aire ambiente variables, Moulson et al. Descubrió que el / la deposición umbral de número de Reynolds splash dramáticamenteaumenta al disminuir la presión del aire ambiente (es decir, las presiones ambiente más altas hacen chorros más propensos a salpicar), mientras que disminuye la presión del aire ambiente por debajo de un cierto umbral suprime completamente splash ^12. Este hallazgo sugiere que las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre la lámina juegan un papel crucial en la causa de la laminilla de despegue y posterior salpicadura. En trabajos recientes sobre el choque de alta velocidad sobre un sustrato de alta velocidad, Sterling mostró que para la velocidad del sustrato y las condiciones de chorro cercanas al umbral splash, splash puede ser desencadenada por muy pequeña rugosidad superficial localizada e inestabilidad jet menor. También demostró que bajo estas condiciones lamela despegue y reinserción es un proceso estocástico ^13.

El protocolo experimental descrito aquí puede ser usado para estudiar otras situaciones físicas que implican la interacción de un fluido con una superficie de alta velocidad de movimiento. Por ejemplo, el mismo enfoque podría ser utilizado para estudiar helicóptero bladinteracción e-vórtice (siempre que el fluido de vórtice fue coloreado con partículas trazadoras) y pulverización robótico de superficies.

Protocol

1. Spinning dispositivos de disco Identificar las condiciones de ensayo deseadas y condiciones de prueba registro en una tabla (por ejemplo, temperatura ambiente, las propiedades del fluido, jet y la superficie de velocidad, etc.). Preparación de Materiales Preparar soluciones de agua-glicerina glicerina o agua-PEO para las pruebas de choque. En el caso de las pruebas-glicerina-agua PEO, disolver gradualmente 4,5 g de polvo PEO (pesos moleculares promedi…

Representative Results

Como se discutió en la sección introductoria, los tres principales comportamientos asociados con pinzamiento chorro de líquido son la deposición, la salpicadura y salpicaduras. Estos comportamientos chorro de choque se observan a partir de datos de vídeo grabados por las cámaras de cine de alta velocidad colocados en varios puntos ópticos. Ejemplos de imágenes fijas, obtenidos a partir de las grabaciones de vídeo, que representan los tres resultados chorro de líquido se muestran en la Figura 3. L…

Discussion

El proyectil utilizado para el cañón de aire configuración se compone de una base de peso ligero, de madera. Aunque los chips de material de madera levemente después de numerosas pruebas, se ha encontrado para absorber la energía cinética más eficazmente que los proyectiles compuestos de materiales tales como plástico o metal, que tienden a romperse al impactar el mecanismo de tope. Las dimensiones de la proyectil de madera están diseñados para que coincida estrechamente el interior barril de acero, restringie…

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)