Bir Hareketli Yüzeyde Yüksek Hızlı Sıvı Jet birikiminin Görselleştirme
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
Yüksek hızlı bir hareket eden yüzey üzerine bir sıvı jetinin incelenmesi için iki cihaz tarif edilmektedir: Bir hava top cihazı 15 ve 100 m arasında yüzey hızları incelenmesi için bir döner disk cihazı ((0 ile 25 m / san arasında yüzey hızları incelenmesi için) / sn). Hava topu doğrusal hareket ahşap merminin üstüne monte edilmiş bir metal ray yüzeyi hızlandırmak için tasarlanmış bir pnömatik enerji güç bir sistemdir. Bir selenoid vana ile donatılmış bir basınçlı silindir hızla top namlusu aşağı merminin zorlayarak, varil içine basınçlı hava bültenleri. Mermi metal üst yüzey üzerine bir sıvı jetinin çarpar bir püskürtme memesi altından geçecek ve mermi daha sonra bir durdurma mekanizması vurur. Bir kamera jet sıkışma kaydeder ve bir basınç dönüştürücü püskürtme memesi backpressure kaydeder. döner disk set-up değişken frekanslı sürücü (VFD) motor ile 500 rpm 3000 hızlarına ulaşan bir çelik disk oluşur. Bir püskürtme sistemi siHava topu o kadar Milar dönen diske impinges bir sıvı jet üretir, ve birkaç optik erişim noktalarında yerleştirilen kameralar jet sıkışma kaydedin. Jet sıkışma süreçlerinin video kayıtları kaydedildi ve sıkışma sonucu sıçrama, sıçramak, ya da çökelme olup olmadığını belirlemek için incelenir. aparatları yüksek hızlı hareketli yüzeylerde düşük Reynolds numarası sıvı jetleri yüksek hızda çarpmasını içeren ilk bulunmaktadır. Ray sanayi uygulamalara ek olarak, açıklanan teknik gibi çelik üretim gibi teknik ve endüstriyel amaçlar için de kullanılıyor olabilir ve yüksek hızlı 3D baskı ile ilgili olabilir.
Introduction
Bu araştırma transferi verimliliği ve düzgün birikim sonuçlarının yüksek derecelerde elde ederken hareketli yüzeye sıvı jet formunda LFM (Sıvı Sürtünme Değiştirici) uygulanması için stratejiler belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu hedefe ulaşmada yüzeyleri hareketli sıvı jet sıkışma etkileyen faktörler kapsamlı bir anlayış geliştirme içerir.
Proje demiryolu sektöründe kullanılan yağlama uygulama tekniklerinin etkinliğini artırmak için bir ihtiyaç motive edilir. Yakıt tüketimi ve lokomotif bakım maliyetleri, sürtünme modifiye edici maddenin, ince bir film tabakası azaltmanın bir yolu olarak, klasik rayların üst ray yüzeyine tatbik edilmektedir. Son zamanlarda yapılan çalışmalar, rayın üst için su bazlı LFM bir tür uygulama (Devri) sürtünme kontrolü 50,% 1,2 aşan göre aşınma% 6 ve demiryolu tekerlek flanşı ile enerji tüketim seviyelerini azalttığını göstermiştir. Diğer çalışmalar demiryolu parça için geçerli LFM azalttığını göstermiştirlateral kuvvet ve gürültü seviyeleri yanı sıra, daha da önemlisi, parça oluk ve raydan 3,4 önemli bir nedenidir haddeleme temas yorgunluğu, gelen hasar. Bu sonuçlar daha Tokyo metro sistemi 5 saha testleri teyit edilmiştir.
LFMs şu anda Kanada ve Amerika Birleşik Devletleri boyunca lokomotif onlarca bağlı hava üflemeli atomizörler dağıtılır. Bu uygulama biçiminde, LFM demiryolu araba hareket altına monte atomizörler ile rayların üstüne uygulanır. Gerekli yüksek hacimli ve yüksek basınçlı hava besleme düzeyleri ulaşılabilir olmayabilir çünkü LFM uygulama Bu mod, birçok demiryolu lokomotif uygulamak zordur. Hava püskürtmeli sprey memeleri, aynı zamanda, bir crosswind çalıştırıldığında rüzgar var orijinal yoldan sapmaya ince damlacıkları neden olarak, yüksek ölçüde düzensiz ray kapsama üretmek inanılmaktadır. Aynı için rüzgar var da meme kirlenme dahil olduğu bilinmektedir, büyük olasılıklanedeni. Hava üflemeli atomizerlerine ile ilişkili sorunlar nedeniyle, demiryolu sektörü şu anda ray parçaları üzerine LFM uygulamasına alternatif yaklaşımlar arıyor. Geçerli bir çözüm, sıvı jetleri nedeniyle düşük sürükleme kadar atalet oranı etkileri crosswind karşı daha az hassas olduğundan, kesintisiz bir (atomize olan) bir sıvı jet ile LFM dağıtma içerir. Ayrıca, atomize memeleri için gerekli olan yüksek hava basıncı ve ses seviyeleri sıvı jet püskürtme teknolojileri gerekli değildir, çünkü LFM uygulama oranı üzerinde etkili kontrolünü sürdürmek daha akıcı ve sağlam püskürtme mekanizmaları olarak ikinci hareket.
Benzer fizik, damlacık sıkışma bir alan, yoğun çalışılmıştır. Bu hareket, kuru düz bir yüzeye damlacık sıkışma için, davranış sıçramasına viskozite, yoğunluk, yüzey gerilimi ve darbe hızı 14,15 normal bileşeni içeren birçok parametreye bağlı olduğunu birçok araştırmacı tarafından bulundu. Kuş <em> ve diğ., normal ve teğetsel hızlar kritik önem 16 olduğunu gösterdi. Sınıf ve ark. Ve Crooks ve diğ., Bir sabit kuru bir yüzey üzerinde damlacık çarpması için, yüzey pürüzlülüğü önemli ölçüde sıçrama sınırını düşürür göstermiştir 17,18 (yani, damlacık daha yatkın sıçrama sağlar).
Pratik önemine rağmen, hareketli yüzeylerde jet sıkışma akademik literatürde çok az ilgi görmüştür. Chiu-Webster ve Lister hareketli bir yüzey üzerinde kararlı ve kararsız viskoz jet sıkışma incelenen deneylerin geniş bir dizi gerçekleştirilen ve yazarlar sürekli akış halinde 6 için bir model geliştirdi. Hlod ark. Deneysel sonuçlarla 7 ile ek ayrılmaz koşullarda uzunluğu bilinmeyen bir etki alanındaki bir üçüncü dereceden ODE vasıtasıyla akışını ve karşılaştırılmıştır tahmin yapılandırmaları modellenmiştir. Ancak, Reynolds sayıları incelendiğindeBu çalışmaların hem tipik demiryolu LFM uygulamaları ile ilgili çok daha düşüktür. Gradeck ark. Sayısal ve deneysel çeşitli jet hızı, yüzey hızı ve meme çapı koşulları 8 altında hareket eden alt tabaka üzerine su jeti çarpma akış alanını araştırdık. Fujimoto ve arkadaşları., Su 9 ince bir film ile kaplı bir hareket eden alt-tabaka üzerine çarpan bir dairesel su jetinin ilave incelenmiştir akış özellikleri. Bununla birlikte, bu iki proje nispeten büyük meme çapları ve bir alt yüzeye ve bu çalışmada kullanılanlara göre püskürtme hızları kullanılır. Önceki deneysel sayısal ve analitik çalışmalar büyük bir veri vücut sağlamak olsa Dahası, çoğunluk ısı transferi parametreleri ziyade, jet sıçramasına davranış olarak sıvı akış süreçleri üzerine odaklanmıştır. Bu araştırmada verilen deneysel yöntem, böylece yeniden sıvı jet uygulama teknolojileri katkıdaküçük jet nozul çapları ve yüksek hızlı jet ve yüzey hızları içeren koşullar altında böyle teknikler inceltme. Bu yöntem ayrıca irtibat hatları hareketli ilişkili temel akışkanlar mekaniği problemleri hakkında bilgi geliştirir.
Yukarıda belirtilen çalışmalar genellikle düşük hızlı hareket eden yüzeyi ile düşük hızda jet etkileşimi yer var. Yüksek hızlı hareketli yüzeylere laminer yüksek hızlı jet sıkışma nispeten az sayıda çalışma bulunmaktadır. Yüksek hızlı sıvı jet impaktörü sırasında jet sıvı ince bir lamel oluşturan, darbe yerin yakınında radyal yayılır. Bu lamel sonra viskoz bir karakteristik U-şekilli lamel üreten, hareketli yüzeyi tarafından dayatılan zorlama ile mansap konveksiyonel edilir. Keshavarz ve diğ., Yüksek hızlı yüzeyler üzerine çarpan Newton ve elastik sıvı jetleri kullanan bu deneyler bildirmiştir. Bunlar iki ayrı gruba çarpma işlemlerini sınıflandırılmıştır: "biriktirme &# 8221; 10 "sıçrama". Darbe birikimi olarak sınıflandırılır için sıçrama damlacıklar halinde kırılır sonra yüzeyden ayırır ve sıvı lamel ile karakterizedir ise, jet sıvı, yüzeye uygun olmalıdır. Üçüncü sıkışma rejimi de tarif edilmiştir – "sıçramak". Bu, nispeten nadir rejiminde lamel "biriktirme" gibi, yüzeye bağlı kalır, ancak ince damlacıklar lamel ön kenarına yakın uzaklaştırılırlar. Newton tipi olmayan sıvı etkileri Takip eden bir çalışmada, Keshavarz ve ark. Sıçrama / yerleştirme barajın, hız oranı yüzey jet çarpma açısı ve püskürtü hızı, sadece küçük bir etkiye sahipken, Reynolds ve Deborah sayı ile belirlendiği sonucuna varmışlardır 11 . Değişken ortam hava basınçları altında yapılan deneylerde, Moulson ark. Keşfetti sıçrama / çökelme eşik Reynolds sayısı dramatik olduğunuBelirli bir eşik 12 tamamen sıçrama bastırır altında ortam hava basıncını düşürürken ortam hava basıncının azalması ile artar, (yani, yüksek ortam basıncı sıçrama jetleri daha eğilimli hale). Bu bulgu güçlü lamel üzerinde etkili aerodinamik kuvvetler lamel kaldırma-off ve sonraki sıçrama neden önemli bir rol oynadığını düşündürmektedir. Yüksek hızlı alt tabaka üzerinde yüksek hızlı çarpma üzerine son çalışmada, Sterling substrat hızı ve sıçrama eşiğine yakın jet koşulları için, sıçrama çok küçük lokalize yüzey pürüzlülüğü ve küçük jet dengesizlik tarafından tetiklenen olabileceğini gösterdi. O da bu koşullar lamel kaldırma-off ve yatıştırıldı altında stokastik süreç 13 olduğunu gösterdi.
Burada açıklanan deneysel protokol hareket eden bir yüksek hızlı yüzey ile sıvının temas içermeyen diğer fiziksel durumları incelemek için kullanılabilir. Örneğin, aynı yaklaşım helikopter blad incelemek için kullanılabilirE-girdap (vorteks sıvı izleyici parçacıkları ile renkli olması kaydıyla) etkileşim ve yüzeylerin robotik püskürtme.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hava topu set-up için kullanılan mermi hafif, ahşap taban oluşur. Hafif çok testlerinden sonra ahşap malzemenin fiş rağmen, bu durdurma mekanizmasının etki üzerine kırılmaya eğilimi, plastik veya metal gibi malzemelerin oluşan mermi daha etkili bir şekilde kinetik enerjiyi emmek için tespit edilmiştir. Ahşap merminin boyutları dolayısıyla hava kaçağı kısıtlayan, yakından çelik namlu içini maç için tasarlanmıştır. Kontrplak iki tabaka arasında sabitlenmiş bir 1/8 "kalın kauçuk …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Doğa Bilimleri ve Kanada'nın (NSERC) ve LB Foster Rail Technologies Corp. Mühendislik Araştırma Konseyi ortaklaşa NSERC İşbirlikçi Araştırma ve Geliştirme Hibe programı aracılığıyla bu araştırmayı destekledi.
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).
