एक चलती भूतल पर उच्च गति तरल जेट कसाव के दृश्य
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
एक उच्च गति से चलती सतह पर तरल जेट चोट की जांच के लिए दो apparatuses वर्णित हैं: एक हवाई तोप डिवाइस 15 और 100 मीटर के बीच सतह की गति की जांच के लिए और एक कताई डिस्क डिवाइस ((0 और 25 मीटर / सेकंड के बीच सतह की गति की जांच के लिए) / एसईसी)। हवा तोप रैखिक पार एक लकड़ी फेंकने के शीर्ष पर रखा एक धातु रेल सतह में तेजी लाने के लिए बनाया गया है कि एक साँस ऊर्जा संचालित प्रणाली है। एक solenoid वाल्व के साथ लगे एक दबाव सिलेंडर तेजी तोप प्रति बैरल से नीचे फेंकने के लिए मजबूर, बैरल में दबाव हवा विज्ञप्ति। फेंकने इसकी धातु ऊपरी सतह पर एक तरल जेट impinges जो एक स्प्रे नोजल, नीचे यात्रा, और फेंकने तो एक रोक तंत्र पूरी करता है। एक कैमरा जेट ठोकर रिकॉर्ड है, और एक दबाव transducer स्प्रे नोक backpressure रिकॉर्ड। कताई डिस्क सेट अप एक चर आवृत्ति ड्राइव (VFD) मोटर के माध्यम से 500 आरपीएम 3000 की गति तक पहुँच जाता है कि एक इस्पात डिस्क के होते हैं। एक स्प्रे प्रणाली एसआईहवा तोप की है कि milar कताई डिस्क पर impinges कि एक तरल जेट उत्पन्न करता है, और कई ऑप्टिकल पहुंच बिंदुओं पर रखा कैमरों जेट ठोकर रिकॉर्ड है। जेट ठोकर प्रक्रियाओं की वीडियो रिकॉर्डिंग दर्ज की गई और चोट के परिणाम छप, छींटे, या बयान है कि क्या यह निर्धारित करने के लिए जांच कर रहे हैं। apparatuses उच्च गति से आगे बढ़ सतहों पर कम रेनॉल्ड्स-संख्या तरल जेट विमानों की उच्च गति ठोकर शामिल है कि पहली बार कर रहे हैं। अपने रेल उद्योग अनुप्रयोगों के अलावा, वर्णित तकनीक ऐसी इस्पात निर्माण के रूप में तकनीकी और औद्योगिक उद्देश्यों के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है और उच्च गति 3 डी मुद्रण के लिए प्रासंगिक हो सकता है।
Introduction
इस शोध स्थानांतरण क्षमता और वर्दी बयान परिणामों के उच्च डिग्री प्राप्त है, जबकि एक चलती सतह पर तरल जेट रूप में LFM (लिक्विड घर्षण संशोधक) को लागू करने के लिए रणनीति का निर्धारण करना है। इस उद्देश्य को प्राप्त करने की सतहों जाने पर तरल जेट ठोकर को प्रभावित करने वाले कारकों की एक व्यापक समझ विकसित करना शामिल है।
परियोजना रेल क्षेत्र में इस्तेमाल स्नेहन आवेदन तकनीक की दक्षता में सुधार करने की जरूरत से प्रेरित है। ईंधन की खपत और लोकोमोटिव रखरखाव की लागत, घर्षण को संशोधित करने के एजेंट की एक पतली फिल्म को कम करने का एक साधन के रूप में अब परंपरागत रेल पटरियों के ऊपरी रेल सतह पर लागू किया जा रहा है। हाल के अध्ययनों से रेल के शीर्ष के लिए पानी आधारित LFM में से एक प्रकार के आवेदन (टीओआर) घर्षण नियंत्रण 50% 1,2 से अधिक से पहनने के लिए 6% और रेल और पहिया निकला हुआ किनारा से ऊर्जा की खपत के स्तर को कम कर दिखाया है। अन्य अध्ययनों से रेल पटरियों को लागू करने LFM कि कम से पता चला हैएस पार्श्व बल और शोर के स्तर के साथ ही, और अधिक महत्वपूर्ण बात, ट्रैक चलि और derailments 3,4 का एक प्रमुख कारण है, जो रोलिंग संपर्क थकान से नुकसान। इन परिणामों के आगे टोक्यो मेट्रो प्रणाली 5 पर क्षेत्र परीक्षण में पुष्टि की गई।
LFMs वर्तमान में कनाडा और संयुक्त राज्य भर में रेल इंजनों के दर्जनों से जुड़ी हवा विस्फोट atomizers से तिरस्कृत कर रहे हैं। आवेदन के इस रूप में, LFM रेल कारों से आगे बढ़ नीचे घुड़सवार atomizers द्वारा रेल पटरियों के ऊपर से लागू किया जाता है। आवश्यक उच्च मात्रा और उच्च दबाव हवा की आपूर्ति के स्तर को प्राप्त करने योग्य नहीं हो सकता है क्योंकि LFM आवेदन की यह विधा कई रेल इंजनों पर लागू करने के लिए मुश्किल है। एयर विस्फोट स्प्रे नलिका भी एक crosswind में संचालित जब crosswinds उनके मूल प्रक्षेपवक्र से विचलित करने के लिए ठीक स्प्रे बूंदों कारण के रूप में, अत्यधिक अनियमित रेल कवरेज का उत्पादन करने के लिए माना जाता है। उसी के लिए crosswinds भी नोक दूषण में फंसा होने के लिए जाना जाता है, की संभावनाकारण। हवा विस्फोट atomizers से जुड़ी समस्याओं के कारण, रेल क्षेत्र में वर्तमान में रेल पटरियों पर LFM आवेदन करने के लिए वैकल्पिक तरीकों की तलाश है। एक व्यवहार्य समाधान तरल जेट विमानों की वजह से उनके कम खींचें करने वाली जड़ता अनुपात करने के लिए प्रभाव crosswind कम करने के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं, के रूप में एक सतत (-atomized नहीं) तरल जेट के माध्यम से LFM वितरण शामिल है। इसके अतिरिक्त, atomizing नलिका के लिए आवश्यक उच्च हवा का दबाव और मात्रा के स्तर तरल जेट स्प्रे प्रौद्योगिकियों में आवश्यक नहीं कर रहे हैं, क्योंकि LFM आवेदन की दर पर प्रभावी नियंत्रण बनाए रखने के लिए है कि और अधिक सुव्यवस्थित और मजबूत छिड़काव तंत्र के रूप में बाद में कार्य।
इसी तरह भौतिकी, छोटी बूंद ठोकर के एक क्षेत्र, अधिकता अध्ययन किया गया है। यह एक चलती सूखा चिकनी सतह पर छोटी बूंद ठोकर के लिए, व्यवहार splashing चिपचिपापन, घनत्व, सतह तनाव और प्रभाव वेग 14,15 के सामान्य घटक सहित कई मापदंडों पर निर्भर है कि कई शोधकर्ताओं द्वारा पाया गया था। पक्षी <eएम> एट अल। दोनों सामान्य और स्पर्शरेखा वेग महत्व 16 के थे कि प्रदर्शन किया। रेंज एट अल। और बदमाश एट अल। एक स्थिर शुष्क सतह पर छोटी बूंद ठोकर के लिए, सतह खुरदरापन काफी छप दहलीज कम हो जाती है पता चला है कि 17,18 (यानी, यह छोटी बूंद अधिक प्रवण छिड़काव करने के लिए आता है)।
इसके व्यावहारिक महत्व के बावजूद, चलती सतहों पर जेट ठोकर शैक्षिक साहित्य में बहुत कम ध्यान दिया गया है। चिऊ-वेबस्टर और लिस्टर एक चलती सतह पर स्थिर और अस्थिर चिपचिपा जेट चोट की जांच की है कि प्रयोगों की एक व्यापक श्रृंखला का प्रदर्शन किया है, और लेखकों के सतत प्रवाह के मामले में छह के लिए एक मॉडल विकसित किया है। Hlod एट अल। प्रयोगात्मक परिणामों 7 के साथ एक अतिरिक्त अभिन्न शर्त के तहत अज्ञात लंबाई की एक डोमेन पर एक तीसरे क्रम स्तोत्र के माध्यम से प्रवाह और तुलना भविष्यवाणी विन्यास मॉडलिंग की। हालांकि, रेनॉल्ड्स संख्या की जांच कीइन अध्ययनों से दोनों में ठेठ रेल LFM अनुप्रयोगों के साथ जुड़े उन लोगों की तुलना में काफी कम हैं। Gradeck एट अल। संख्यानुसार और प्रयोगात्मक विभिन्न जेट वेग, सतह वेग, और नोजल व्यास शर्तों 8 के तहत एक चलती सब्सट्रेट पर पानी जेट चोट के प्रवाह क्षेत्र की जांच की। Fujimoto एट अल। पानी 9 की एक पतली फिल्म के द्वारा कवर एक चलती सब्सट्रेट पर impinging एक परिपत्र पानी जेट के साथ ही जांच प्रवाह विशेषताओं। हालांकि, इन दो परियोजनाओं के अपेक्षाकृत बड़े नोक व्यास और निचली सतह और वर्तमान कार्य में नियोजित उन लोगों की तुलना जेट वेग का इस्तेमाल किया। पिछले प्रयोगात्मक संख्यात्मक, और विश्लेषणात्मक अध्ययन डेटा की एक बड़ी शरीर प्रदान हालांकि इसके अलावा, बहुमत गर्मी हस्तांतरण मानकों के आधार पर करने के बजाय इस तरह के जेट splashing के व्यवहार के रूप में तरल प्रवाह की प्रक्रिया पर ध्यान केंद्रित किया है। वर्तमान अनुसंधान के क्षेत्र में प्रदान की प्रयोगात्मक विधि इस प्रकार फिर से तरल जेट आवेदन प्रौद्योगिकियों के लिए योगदानछोटे जेट नोजल व्यास और उच्च गति विमान और सतह वेग को शामिल शर्तों के तहत इस तरह की तकनीक fining। वर्तमान विधि भी संपर्क लाइनों हिल के साथ जुड़े मौलिक द्रव यांत्रिकी समस्याओं पर ज्ञान को परिष्कृत।
जैसा कि ऊपर उल्लेख अध्ययन आम तौर पर एक कम गति से चलती सतह के साथ एक कम गति जेट की बातचीत शामिल है। उच्च गति से आगे बढ़ सतहों पर लामिना उच्च गति जेट ठोकर से अपेक्षाकृत कुछ अध्ययन किए गए हैं। उच्च गति तरल जेट कसाव के दौरान जेट तरल एक पतली लामेल्ला बनाने, ठोकर स्थान के आसपास के क्षेत्र में त्रिज्यात फैलता है। इस लामेल्ला तो चिपचिपा एक विशेषता यू के आकार लामेल्ला उत्पादन, चलती सतह द्वारा लगाए गए मजबूर द्वारा नीचे की ओर convected है। Keshavarz एट अल। उच्च गति सतहों पर impinging न्यूटन और लोचदार तरल जेट विमानों को रोजगार प्रयोगों पर सूचना दी है। वे दो अलग प्रकार में ठोकर प्रक्रियाओं वर्गीकृत: "बयान और# 8221; और 10 "छप"। ठोकर बयान के रूप में वर्गीकृत किया जा करने के लिए छप बूंदों में टूटता बाद में सतह से अलग करती है, और कहा कि एक तरल लामेल्ला के द्वारा होती है, जबकि जेट तरल, सतह का पालन करना होगा। एक तिहाई ठोकर शासन भी वर्णित किया गया है – "छींटे"। यह अपेक्षाकृत दुर्लभ, शासन में लामेल्ला "बयान" के लिए के रूप में, सतह के साथ जुड़ा रहता है, लेकिन ठीक बूंदों लामेल्ला के अग्रणी धार के पास से निकली कर रहे हैं। गैर-न्यूटन द्रव प्रभाव के बाद में एक अध्ययन में, Keshavarz एट अल। छप / बयान दहलीज मुख्य रूप से वेग अनुपात सतह के लिए जेट ठोकर कोण और जेट वेग केवल एक मामूली प्रभाव है, जबकि रेनॉल्ड्स और डेबोरा संख्या से निर्धारित होता है निष्कर्ष निकाला है कि 11 । चर परिवेशी वायु दबाव के तहत किए गए प्रयोगों में, Moulson एट अल। पता चला छप / बयान दहलीज रेनॉल्ड्स संख्या में नाटकीय रूप से किएक निश्चित सीमा से 12 पूरी तरह से छप दबा नीचे परिवेश हवा के दबाव को कम करते हुए परिवेश हवा के दबाव को कम करने के साथ बढ़ जाती है, (यानी, उच्च परिवेश के दबाव छिड़काव करने के लिए जेट विमानों और अधिक होने का खतरा बना)। यह निष्कर्ष दृढ़ता से लामेल्ला पर अभिनय वायुगतिकीय बलों लामेल्ला लिफ्ट बंद और बाद में छप पैदा करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं कि पता चलता है। एक उच्च गति सब्सट्रेट पर उच्च गति ठोकर पर हाल ही में काम में, स्टर्लिंग सब्सट्रेट गति और छप सीमा के करीब जेट स्थितियों के लिए, छप बहुत छोटे स्थानीय सतह खुरदरापन और छोटे जेट अस्थिरता से शुरू हो सकता है कि पता चला है। उन्होंने यह भी कहा कि इन शर्तों लामेल्ला लिफ्ट बंद और reattachment के तहत एक stochastic प्रक्रिया 13 से पता चला कि।
यहाँ वर्णित प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल एक चलती उच्च गति सतह के साथ एक तरल पदार्थ की बातचीत से जुड़े अन्य भौतिक स्थितियों का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक ही दृष्टिकोण हेलीकाप्टर blad अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता हैई-भंवर (भंवर द्रव ट्रेसर कणों के साथ रंग का था, बशर्ते कि) बातचीत और सतहों के रोबोट छिड़काव।
Protocol
Representative Results
Discussion
हवा तोप सेट अप के लिए इस्तेमाल किया प्रक्षेप्य एक हल्के, लकड़ी के आधार से बना है। थोड़ा कई परीक्षणों के बाद लकड़ी के सामग्री चिप्स हालांकि, इसे रोकने के तंत्र को प्रभावित पर पानी फेर दिया करते हैं, जो इस ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
प्राकृतिक विज्ञान और कनाडा () NSERC और लेग फोस्टर रेल टेक्नोलॉजीज, कार्पोरेशन के इंजीनियरिंग अनुसंधान परिषद संयुक्त रूप से NSERC सहयोगात्मक अनुसंधान और विकास अनुदान कार्यक्रम के माध्यम से इस शोध का समर्थन किया।
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) | |||
References
- 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).
