Visualisering af High Speed Liquid Jet Impaction på en bevægende Surface
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
To apparater til behandlingen væskestråle impingement på en high-speed bevægelige overflade er beskrevet: en luft kanon enhed (for behandlingen overfladehastigheder mellem 0 og 25 m / sek) og en roterende skive enhed (for behandlingen overfladehastigheder mellem 15 og 100 m / sek). Luftkanonen lineære traverse er en pneumatisk energi-drevne system, der er designet til at fremskynde en metalskinne overflade monteret på toppen af et træ projektil. En tryksat cylinder forsynet med en magnetventil frigiver hurtigt trykluft ind i cylinderen, tvinger projektilet ned kanonen tønde. Projektilet bevæger under en sprøjtedyse, der indvirker en væskestråle på dens metal øvre overflade, og projektilet så rammer et stop mekanisme. Et kamera registrerer jet impingement, og en tryktransducer registrerer sprøjtedysen modtryk. Den roterende skive opsætning består af en stål disk, der når hastigheder på 500 til 3000 rpm via en variabel frekvens drev (VFD) motor. Et sprøjtesystem siMilar med den luft kanon genererer en flydende stråle, der indvirker på den roterende skive, og kameraer placeret på flere optiske adgangspunkter optage jet impingement. Videooptagelser af jet kollisionsvinkler processer registreres og undersøges for at afgøre, om resultatet af impingement er splash, splatter, eller aflejring. Apparaterne er de første, der involverer den høje hastighed Indfald af lavt Reynolds-tal flydende jetfly på høj hastighed bevægelige overflader. Ud over sin jernbane industri applikationer, kan den beskrevne teknik anvendes til tekniske og industrielle formål såsom stålproduktion og kan være relevante for høj hastighed 3D-print.
Introduction
Denne forskning har til formål at fastsætte strategier for anvendelse af LFM (Liquid Friction Modifier) i flydende jet formular på en bevægende overflade, mens nå høj grad af transfer effektivitet og ensartede deposition resultater. At opnå dette mål indebærer at udvikle en bred forståelse af faktorer, der påvirker væskestråle impingement om at flytte overflader.
Projektet er motiveret af et behov for at forbedre effektiviteten af smøring ansøgning teknikker, der anvendes i jernbanesektoren. Som et middel til at reducere brændstofforbruget og lokomotiv vedligeholdelsesomkostninger, en tynd film af friktion modificerende middel nu anvendes på den øverste skinne overflade af konventionelle jernbanespor. Nylige undersøgelser har vist, at anvendelsen af en type vandbaseret LFM til skinneoverkant (TOR) friktion kontrol reduceret energiforbruget med 6% og jernbane og hjul flange slid med over 50% 1,2. Andre undersøgelser har vist, at anvendelsen af LFM til jernbanespor reduceres tværgående kraft og støjniveau samt, endnu vigtigere, track korrugeringen og skader fra rullende kontakt træthed, hvilket er en væsentlig årsag til afsporinger 3,4. Disse resultater blev yderligere bekræftet i markforsøg på Tokyo subway system 5.
LFMs øjeblikket dispenseres fra luften blast forstøvere knyttet til snesevis af lokomotiver i hele Canada og USA. I denne form for anvendelse er LFM påføres til toppen af jernbanespor ved forstøvere monteret under flytte jernbanevogne. Denne tilstand af LFM ansøgning er vanskelige at gennemføre på mange railroad lokomotiver, fordi det krævede store mængder og højtryks-lufttilførsel niveauer ikke kan være opnåelige. Air-blast sprøjtedyser menes også at producere meget uregelmæssig skinne dækning, når drevet i en sidevind, som sidevind forårsager fine spray dråber at afvige fra deres oprindelige bane. Sidevinde er også kendt for at være impliceret i dysen begroning, sandsynligvis for sammegrund. På grund af problemer i forbindelse med luft blast forstøvere er jernbanesektoren øjeblikket søger alternative tilgange til LFM ansøgning til jernbane spor. En holdbar løsning indebærer dispensering LFM ved hjælp af en kontinuerlig (ikke-forstøvet) flydende jet, som flydende jetfly er mindre modtagelige for sidevind effekter på grund af deres lavere træk-til-inerti-forhold. Desuden, fordi de høje lufttryk og lydstyrke er nødvendige for forstøverdyser ikke kræves i flydende jet spray teknologi, de er udpeget som mere strømlinede og robuste sprøjtning mekanismer, der opretholder en effektiv kontrol med antallet af LFM ansøgning.
Et område med lignende fysik, dråbe impingement, er blevet undersøgt intensivt. Det blev fundet af adskillige forskere, at for små dråber impingement på en bevægende tør glat overflade, sprøjt adfærd afhænger af mange parametre, herunder viskositet, densitet, overfladespænding og den normale bestanddel af anslagshastigheden 14,15. Bird <em> et al. viste, at både de normale og tangentielle hastigheder var af afgørende betydning 16. Range et al. Og Crooks et al. Har vist, at for dråbe impingement på en stationær tør overflade, overfladeruhed nedsætter tærsklen splash signifikant (dvs. det gør dråben mere tilbøjelige til at plaske) 17,18.
På trods af sin praktiske betydning, har jet impingement på bevægelige flader fået lidt opmærksomhed i den akademiske litteratur. Chiu-Webster og Lister udført en omfattende række forsøg, der undersøgte stabil og ustabil tyktflydende jet impingement på en bevægende overflade, og forfatterne udviklet en model for den stadige strøm sagen 6. Hlod et al. Modelleret strømmen ved hjælp af en tredje ordens ODE på et domæne af ukendt længde under en yderligere integreret stand og sammenlignet forudsagte konfigurationer med eksperimentelle resultater 7. Undersøges imidlertid Reynolds tali begge disse undersøgelser er meget lavere end ved typiske jernbanen LFM applikationer. Gradeck et al. Numerisk og eksperimentelt undersøgt strømningsfeltet vandstråle impingement på et bevægende substrat under forskellige jet hastighed, overflade hastighed og betingelser 8 dyse diameter. Fujimoto et al. Derudover undersøgte strømningskarakteristika en cirkulær vandstråle rammer på et bevægende substrat dækket af en tynd film af vand 9. Dog brugte disse to projekter relativt store dyse diametre og nedre overflade og jet hastigheder sammenlignet med dem, der anvendes i det foreliggende arbejde. Desuden, selv om de tidligere eksperimentelle, numeriske og analytiske undersøgelser giver en stor mængde data, har de fleste fokuseret på varmeoverførsel parametre end på flydende flow processer såsom jet sprøjt adfærd. Den eksperimentelle metode, forudsat i den nuværende forskning bidrager således til flydende jet applikationsteknologier ved rebøder sådanne teknikker under vilkår, der indebærer mindre stråledyse diametre og med høj hastighed jet og overflade hastigheder. Den foreliggende fremgangsmåde også forædler viden om grundlæggende fluid mekanik problemer forbundet med at flytte kontaktlinjer.
De ovennævnte undersøgelser har generelt involveret interaktionen af en lav hastighed jet med en lav hastighed bevægelig overflade. Der har været forholdsvis få undersøgelser af laminar højomdrejningsdysen impingement på højhastigheds-bevægelige overflader. Ved høj hastighed væskestråle impaction strålevæsken spreder sig radialt i nærheden af impingement placering, danner en tynd lamel. Denne lamel derefter konvektionsvarme nedstrøms af den viskose tvinge pålagt af den bevægelige overflade, der producerer en karakteristisk U-formet lamel. Keshavarz et al. Har rapporteret om forsøg anvender newtonske og elastiske flydende jetfly der rammer på højhastighedsforbindelser overflader. De klassificerede kollisionsvinkler processer i to forskellige typer: "aflejring &# 8221; og "splash" 10. For impingement at blive klassificeret som aflejring skal strålevæske klæbe til overfladen, mens splash er kendetegnet ved en flydende lamel, der adskiller sig fra overfladen, og derefter bryder op i dråber. En tredje impingement regime er også blevet beskrevet – "splatter". I dette forholdsvis sjældne, regime lamellen forbliver fastgjort til overfladen, som for "aflejring", men fine dråber udstødes fra nær forkanten af lamellen. , Keshavarz et al. Konkluderede i en efterfølgende undersøgelse af ikke-newtonsk væske virkninger, som splash / deposition tærskel hovedsageligt bestemmes af Reynolds og Deborah numre, mens jet impingement vinkel og jet hastighed til overfladen hastighed nøgletal kun have en mindre effekt 11 . I forsøg udført under variable omgivende lufttryk, Moulson et al opdaget. At splash / deposition tærskel Reynolds nummer dramatiskstiger med faldende omgivende lufttryk (dvs. højere omgivende tryk gør jetfly mere tilbøjelige til at plaske), men med færre omgivende lufttryk under en vis grænse undertrykker splash helt 12. Dette fund antyder kraftigt, at aerodynamiske kræfter, der virker på lamellen spille en afgørende rolle i at forårsage lamel lift-off og efterfølgende stænk. I seneste arbejde på high-speed impingement på en high-speed-substrat, viste Sterling at for substrat hastighed og jet forhold tæt på grænsen splash, kan splash udløses af meget små lokaliseret overfladeruhed og mindre jet usikker. Han viste også, at under disse betingelser lamel lift-off og refiksation er en stokastisk proces 13.
Den eksperimentelle protokol er beskrevet her, kan anvendes til at studere andre fysiske situationer, hvor interaktionen af en væske med et bevægeligt højhastigheds overflade. For eksempel kunne den samme fremgangsmåde anvendes til at studere helikopter blade-vortex interaktion (forudsat at vortex væske blev farvet med tracer partikler) og robot sprøjtning af overflader.
Protocol
Representative Results
Discussion
Projektilet anvendes til luftkanonen opsætning er sammensat af en let, træ base. Selvom træmaterialet chips lidt efter talrige forsøg har det vist sig at absorbere kinetisk energi mere effektivt end projektiler består af materialer, såsom plast eller metal, som har en tendens til at splintre ved påvirker stop-mekanisme. Dimensionerne af træ projektil er designet til nøje matche stål tønde interiør, hvilket begrænser luft lækage. En 1/8 "tyk gummiplade fastgjort mellem to lag af krydsfiner er fastgjort…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De naturvidenskab og teknik Forskningsråd Canada (NSERC) og LB Foster Rail Technologies, Corp. støttet i fællesskab denne forskning gennem NSERC Collaborative forskning og udvikling Grant program.
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).
