Visualisering av High Speed ​​Liquid Jet Impac på en rörlig yta

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

Två anordningar för prövning av vätske strålträffande på en höghastighets rörliga ytan beskrivs: en luftkanon anordning (för att undersöka ythastigheter mellan 0 och 25 m / sek) och en roterande skiva anordning (för att undersöka ythastigheter mellan 15 och 100 m / sek). Luft kanon linjära travers är en pneumatisk energidrivna system som är utformat för att accelerera en metallskena yta monterad ovanpå en trä projektil. En tryckcylinder försedd med en magnetventil släpper snabbt tryckluft in i pipan, tvingar projektilen ner kanonen fat. Projektilen färdas under ett sprutmunstycke, som träffar en vätskestråle på dess metall övre yta, och projektilen träffar sedan en stoppmekanism. En kamera registrerar strålträffande, och en tryckomvandlare registrerar sprutmunstycket mottrycket. Den snurrande skiva set-up består av en skiva av stål som når hastigheter på 500 till 3000 rpm via en frekvensomformare (VFD) motor. Ett spraysystem siMilar den hos luftkanon genererar en vätskestråle som träffar på det snurrande skiva, och kameror placerade vid flera optiska accesspunkter registrera strålträffande. Videoinspelningar av strålträffande processer registreras och kontrolleras om utfallet av impingement är stänk, splatter, eller deponering. Apparaterna är den första som involverar hög hastighet impingement av lågprisflyg Reynolds-nummer vätskestrålar på höghastighets rörliga ytor. Utöver sin järnväg industriapplikationer, kan den beskrivna tekniken användas för tekniska och industriella ändamål, såsom ståltillverkning och kan vara relevant för höghastighets 3D-utskrifter.

Introduction

Forskningen syftar till att fastställa strategier för tillämpning LFM (Liquid Friction Modifier) ​​i vätskestråle formen på en rörlig yta samtidigt uppnå en hög grad av överföringseffektivitet och enhetliga deponeringsresultat. Att uppnå detta mål är att utveckla en övergripande förståelse av faktorer som påverkar vätske strålträffande på rörliga ytor.

Projektet motiveras av ett behov av att förbättra effektiviteten i smörjappliceringstekniker som används inom järnvägssektorn. Som ett sätt att minska bränsleförbrukningen och lokomotivunderhållskostnader, en tunn film av friktionsmodifieringsmedel tillämpas nu på den övre skenan yta konventionella järnvägsspår. Nyligen genomförda studier har visat att tillämpa en typ av vattenbaserade LFM för rälsöverkant (TOR) friktionskontroll Minskad energiförbrukning nivåer med 6% och järnväg och hjulflänsen slitage med över 50% ^1,2. Andra studier har visat att tillämpa LFM till räls minskars sidokraft och bullernivåer samt, ännu viktigare, spår korrugering och skador från rullkontaktutmattning, vilket är en viktig orsak till urspårningar ^3,4. Dessa resultat bekräftades ytterligare i fälttester på Tokyos tunnelbanesystem ^5.

LFMs närvarande ut från luftspräng atomizers knutna till dussintals lok hela Kanada och USA. I denna form av ansökan, LFM appliceras på toppen av järnvägsspår genom sprejanordningar monterade nedanför flytta järnvägsvagnar. Detta läge i LFM ansökan är svårt att genomföra på många järnvägs lok eftersom krävs stora volymer och luftförsörjningsnivåerna högtrycks kanske inte uppnås. Luftspräng dysor tros också producera mycket oregelbundna järnväg täckning när den drivs i en sidvind, som sidvind orsakar fina sprutdroppar att avvika från sin ursprungliga bana. Sidvindar är också kända för att vara inblandade i munstycket fouling, troligen för sammaanledning. På grund av problem i samband med luftspräng atomizers, är järnvägssektorn för närvarande söker alternativa metoder för LFM applicering på räls. En hållbar lösning involverar dispense LFM med hjälp av en kontinuerlig (icke finfördelade) vätskestråle, som sprutade vätskor är mindre känsliga för sidvind effekter på grund av deras lägre drag-till-tröghetsförhållande. Dessutom, eftersom de höga lufttryck och volymnivåer som behövs för atomiseringsmunstycken inte krävs i teknik flytande jet spray, den senare agerar som mer rationella och robusta sprut mekanismer som upprätthåller en effektiv kontroll över graden av LFM ansökan.

Ett område med liknande fysik, dropp impingement, har studerats intensivt. Det konstaterades av flera forskare som för dropp impingement på en rörlig torr slät yta, beror på många parametrar inklusive viskositet, densitet, ytspänning och den normala komponenten på islagshastighetens ^14,15 stänk beteende. Fågel <em> et al. visade att både de normala och tangentiella hastigheter var av avgörande betydelse ^16. Intervall et al., Och Crooks et al. Har visat att för dropp impingement på en stationär torr yta, ytjämnhet minskar tröskel stänk signifikant (dvs., det gör droppen mer benägna att plaska) ^17,18.

Trots sin praktiska betydelse, har strålträffande på rörliga ytor fått lite uppmärksamhet i den akademiska litteraturen. Chiu-Webster och Lister utförde en omfattande serie experiment som undersökte stadig och ostadig viskösa strålträffande på en rörlig yta, och författarna utvecklat en modell för jämn ström fallet ^6. Hlod et al., Modelle flödet med hjälp av en tredje ordningens ODE på en domän av okänd längd vid en kompletterande integrerad tillstånd och jämfört förutsedda konfigurationer med experimentella resultat ^7. Men de Reynoldstal granskadei båda dessa studier är mycket lägre än de som förknippas med typiska järnvägen LFM applikationer. Gradeck et al., Numeriskt och experimentellt undersökt området vattenflödet strålträffande på ett rörligt underlag enligt olika strålhastighet, ythastighet, och villkor ⁸ munstycksdiameter. Fujimoto et al., Dessutom undersökta flödesegenskaper hos en cirkulär vattenstråle som träffar på ett rörligt underlag täckt av en tunn film av vatten ^9. Men dessa två projekt som används relativt stora munstycksdiametrar och undre yta och strålhastigheter jämfört med dem som används i detta arbete. Dessutom, även om tidigare experimentella, numeriska och analytiska studier ger en stor mängd data, har majoriteten fokuserat på värmeöverföringsparametrarna snarare än på vätskeflödesprocesser såsom jet stänk beteende. Den experimentella metod som i det aktuella forskningen bidrar därmed till teknik flytande jet ansökan genom rebötfälla sådana tekniker under förhållanden som innebär mindre jet munstycksdiametrar och höghastighets jet och ythastigheter. Föreliggande metod förädlar också kunskap om grundläggande strömningsmekaniska problem förknippade med rörliga kontaktledningar.

Studierna ovan nämnda har i allmänhet involverat interaktionen av en lågvarvsmunstycket med en låg hastighet rörlig yta. Det har varit förhållandevis få studier av laminär höghastighets strålträffande på höghastighets rörliga ytor. Under höghastighetsvätskestråle impac jet vätskan sprids radiellt i närheten av anslags plats, bildar en tunn lamell. Denna lamell sedan konvekteras nedströms genom den viskösa forcering ut av rörliga ytan, vilket skapar ett typiskt U-formade lameller. Keshavarz et al., Har rapporterat om experiment använder newtonska och elastiska sprutade vätskor som träffar på höghastighets ytor. De klassificeras anslagsprocesser i två distinkta typer: "nedfall &# 8221; och "splash" ^10. För impingement ska klassificeras som deponering, måste strålen vätskan vidhäfta till ytan, medan stänk kännetecknas av en vätske lamell som separerar från ytan, och därefter bryts upp i små droppar. En tredje impingement regimen har också beskrivits – "splatter". I denna, relativt sällsynt, regim lamellen förblir fäst till ytan, som för "avsättning", men fina droppar utstöts från nära den främre kanten av lamellen. I en senare studie av icke-newtonska vätskor effekter, Keshavarz et al. Slutsatsen att splash / nedfall tröskeln bestäms huvudsakligen av Reynolds och Deborah siffror, medan strålträffande vinkel och strålhastighet till ytan hastighetsförhållanden endast ha en mindre effekt ¹¹ . I försök utförda under variabla omgivande lufttryck, Moulson et al. Upptäckte att splash / depositionströskel Reynolds tal dramatisktökar med minskande omgivande lufttryck (dvs högre omgivningstryck gör jetplan mer benägna att plaska), samtidigt som man minskar omgivande lufttryck under en viss nivå trycker stänk helt ^12. Detta fynd tyder starkt på att aerodynamiska krafter som verkar på lamellen spelar en avgörande roll i att orsaka lameller lift-off och efterföljande stänk. I senaste arbetet om höghastighets impingement på en höghastighets substrat, Sterling visade att för substrathastighet och jet förhållanden nära tröskeln splash, kan plaska utlösas av mycket små lokaliserade grovhet yta och mindre jet ostadighet. Han visade också att det under dessa förhållanden lameller lift-off och återfastsättning är en stokastisk process ^13.

Det experimentella protokoll som beskrivs här kan användas för att studera andra fysikaliska situationer omfattar interaktion av en fluid med en rörlig höghastighets yta. Till exempel kan samma tillvägagångssätt användas för att studera helikopter blade-virvel interaktion (förutsatt att virvelvätskan färgades med spårpartiklar) och robot sprutning av ytor.

Protocol

1. Spinning Disk Device Identifiera önskade testvillkor och spela testförhållanden i en tabell (t.ex. omgivningstemperatur, vätske egenskaper, jet och skärhastighet, etc.). Beredning av material Förbered glycerin-vatten eller PEO-glycerin-vattenlösningar för stöttester. I fallet med PEO-glycerol-vattentest, gradvis upplösa 4,5 g av PEO-pulver (viskositetsmedelmolekylvikter av miljoner och fyra miljoner) i 1495,5 g destillerat vatten under försiktig magn…

Representative Results

Som diskuterats i det inledande avsnittet, de tre viktigaste beteenden som är förknippade med flytande strålträffande är nedfall, splatter och stänk. Dessa strålträffande beteenden observeras med hjälp av videodata som spelats in med höghastighets cine kameror placerade på olika optiska punkter. Exempel på stillbilder, som utvinns ur videoinspelningar, som skildrar de tre vätskestrålen resultat visas i Figur 3. Figur 3A visar vätskestråle avsättning, där strålen strömmar i en h…

Discussion

Projektilen som används för luftkanonen set-up består av en lätt, trä bas. Även de trämaterial chips något efter många tester, har det visat sig att absorbera rörelseenergi mer effektivt än projektiler sammansatta av material som plast eller metall, som tenderar att splittras när den slår i stoppmekanismen. Dimensionerna på trä projektil är utformade för att bättre matcha stål fat interiör, vilket begränsar luftläckage. En 8/1 "tjockt gummiark fäst mellan två skikt av plywood är fäst på b…

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)