Visualisering av High Speed ​​Flytende Jet Impaction på en Moving 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 innretninger for å undersøke væskestråle kontakt på en høyhastighets bevegelige flate er beskrevet: en luftkanon-enhet (for å undersøke overflatehastigheter mellom 0 og 25 m / sek) og en roterende disk anordning (for å undersøke overflatehastigheter mellom 15 og 100 m / sek). Luften kanon lineær traversen er en pneumatisk energi-drevet system som er utviklet for å akselerere en metallskinne utenpåliggende på toppen av et tre prosjektil. En trykksylinder utstyrt med en magnetventil frigjør hurtig trykksatt luft inn i sylinderen, å tvinge prosjektilet ned kanonen fat. Prosjektilet reiser under et sprøytemunnstykke, som treffer en væskestråle mot metall øvre flate, og at prosjektilet deretter treffer en stoppmekanisme. Et kamera registrerer stråleanslags, og en trykkomformer registrerer sprøytedysen mottrykk. Spinning disk oppsett består av en stål disk som når hastigheter på 500 til 3000 rpm via en frekvensomformer (VFD) motor. En spray system siMilar til den av luftkanon genererer en væskestråle som støter mot den roterende skive, og kameraer plassert på flere optiske aksesspunkter posten stråleanslags. Videoopptak av jet impingement prosesser blir registrert og undersøkt for å finne ut om utfallet av impingement er splash, splatter, eller deponering. Apparatene er den første som involverer høy hastighet impingement av lave Reynolds-tall væskestråler med høy hastighet på bevegelige flater. I tillegg til sine rail industri applikasjoner, kan den beskrevne teknikken brukes til tekniske og industrielle formål som for eksempel produksjon av stål og kan være relevant for høyhastighets 3D-utskrift.

Introduction

Denne forskningen har som mål å finne ut strategier for å bruke LFM (Liquid Friction Modifier) ​​i flytende jet skjema på et bevegelig underlag mens oppnå høy grad av overføringseffektivitet og enhetlig deponering resultater. Å nå dette målet innebærer å utvikle en helhetlig forståelse av faktorer som påvirker væske jet impingement på bevegelige flater.

Prosjektet er motivert av et behov for å effektivisere smøre søknad teknikker som brukes i jernbanesektoren. Som et middel for å redusere drivstofforbruket og lokomotivvedlikeholdskostnader, en tynn film av friksjonsmodifiserende middel blir nå påført på den øvre overflate av skinnen konvensjonelle jernbanespor. Nyere studier har vist at bruk av en type vannbasert LFM for toppen av skinnen (TOR) friksjon kontroll redusert energiforbruk kan med 6% og jernbane og hjul flens slites av i overkant av 50% ^1,2. Andre studier har vist at bruk av LFM til rail spor reduseres lateral kraft og støynivåer, så vel som, enda viktigere, spor korrugering og skader fra rullekontakt tretthet, noe som er en vesentlig årsak til avsporinger ^3,4. Disse resultatene ble ytterligere bekreftet i felttester på Tokyo subway system ^5.

LFMs er for tiden utlevert fra luftblåse atomizers knyttet til dusinvis av lokomotiver hele Canada og USA. I denne formen for programmet, LFM brukes på toppen av jernbanesporene ved atomizers montert under flytting jernbanevogner. Denne modusen for LFM programmet er vanskelig å gjennomføre på mange jernbane lokomotiver fordi det kreves høy-volum og høyt trykk luft rekvisitanivåene ikke kan være oppnåelige. Luft-blast spraydyser er også antatt å produsere svært uregelmessig rail dekning når operert i sidevind, som vind forårsake fin spray dråper til å avvike fra sin opprinnelige bane. Sidevind er også kjent for å være innblandet i dysen begroing, sannsynligvis for det sammegrunn. På grunn av problemer knyttet til luftblåse atomizers, er jernbanesektoren for tiden søker alternative tilnærminger til LFM program på skinner. En mulig løsning omfatter utleverings LFM ved hjelp av en kontinuerlig (ikke-forstøvet) væskestråle, som væskestråler er mindre utsatt for sidevind effekter på grunn av deres lavere motstand-til-treghetsforhold. I tillegg, fordi de høye lufttrykket og volumnivåer som trengs for forstøvningsdyser ikke er pålagt i likvide jet spray teknologi, sistnevnte fungerer som mer strømlinjeformet og robust sprøyting mekanismene som opprettholder effektiv kontroll over frekvensen av LFM søknad.

Et område av tilsvarende fysikk, dråpe impingement, har blitt studert intenst. Det ble funnet av flere forskere som for dråpekontakt på et bevegelig tørr glatt overflate, spruting oppførsel er avhengig av mange parametere inkludert viskositet, tetthet, overflatespenning og normalkomponenten av støthastigheten ^14,15. Bird <em> et al., viste at både de normale og tangentielle hastigheter var av avgjørende betydning ^16. Range et al., Og Crooks et al., Har vist at for dråpekontakt på en stasjonær tørr overflate, overflateruhet senker sprutgrensen vesentlig (dvs. gjør den dråpe mer tilbøyelig til å sprute) ^17,18.

Til tross for sin praktisk betydning, har jet impingement på bevegelige flater fått liten oppmerksomhet i den akademiske litteraturen. Chiu-Webster og Lister utført en omfattende serie eksperimenter som undersøkte jevn og ustø tyktflytende jet impingement på en overflate i bevegelse, og forfatterne utviklet en modell for jevn flyt sak ^6. Hlod et al. Modellert strømmen ved hjelp av en tredje ordens ODE på et domene av ukjent lengde under en ekstra integrert tilstand og sammenlignet spådd konfigurasjoner med eksperimentelle resultater ^7. Imidlertid er Reynolds-tall undersøkti begge disse studiene er mye lavere enn de som er assosiert med typiske anvendelser av LFM. Gradeck et al. Tallmessig og eksperimentelt undersøkt strømningsfeltet i vannstråleanslags på et bevegelig substrat under forskjellige strålehastighet, overflatehastighet, og en dyse med diameter ⁸ forhold. Fujimoto et al. I tillegg undersøkt strømningskarakteristikker av en sirkulær vannstråle som støter mot et bevegelig substrat dekket av en tynn film av vann ^9. Men disse to prosjekter brukt relativt store dysediameter og nedre overflaten og strålehastigheter sammenlignet med de som anvendes i det foreliggende arbeid. Videre, selv om tidligere eksperimentelle, numeriske og analytiske studier gir en stor mengde data, har de fleste fokusert på varmeoverføringsparametre snarere enn på flytende strømningsprosesser som jet sprut atferd. Den eksperimentelle metoden fastsatt i denne forskningen bidrar dermed til flytende jet applikasjons teknologier av refining slike teknikker under forhold som involverer mindre jet dysediameter og høyhastighets jet og overflatehastigheter. Den nåværende metoden foredler også kunnskap om grunnleggende fluidmekanikk problemer forbundet med å flytte kontaktlinjer.

Studiene som er nevnt ovenfor er generelt involvert i vekselvirkningen mellom en lav hastighet stråle med en lav hastighet bevegelige flate. Det har vært relativt få studier av laminær høy hastighet jet impingement på høyhastighets bevegelige overflater. Under høyhastighets væskestråle else jet væsken sprer seg radialt i nærheten av anslags plassering, danner en tynn lamell. Denne lamell blir deretter konveksjons- nedstrøms av det viskøse pådrivet pålagt av den bevegelige flate, gir en karakteristisk U-formede lameller. Keshavarz et al. Har rapportert på eksperimenter ansette Newtons og elastiske væskestråler som treffer på høyhastighets overflater. De klassifiseres impingement prosesser i to forskjellige typer: "deponering &# 8221; og "splash" ^10. For anslags å bli klassifisert som avsetning, må strålen væske fester seg til overflaten, mens sprut er kjennetegnet ved en væskelamell som skiller fra overflaten, og deretter brytes opp i dråper. En tredje impingement regimet har også blitt beskrevet – "splatter". I dette forholdsvis sjeldne, regime lamellen forblir festet til overflaten, som for "avsetning", men fine dråper som slynges ut fra i nærheten av den fremre kant av lamellen. I en etterfølgende undersøkelse av ikke-newtonske fluid effekter, Keshavarz et al., Konkluderte med at sprut / avsetningsterskel er i hovedsak bestemt av Reynolds tall og Deborah, mens stråleanslagsvinkel og strålehastighet til overflaten hastighetsforhold bare har en liten virkning ¹¹ . I forsøk utført under variable omgivelses lufttrykk, Moulson et al. Oppdaget at splash / deponering terskel Reynolds tall dramatiskøker med minkomgivelseslufttrykket (dvs. høyere omgivelsestrykk gjøre jets mer tilbøyelige til å sprute), samtidig redusere omgivelseslufttrykket under en viss terskel undertrykker splash helt ^12. Dette funnet tyder på at aerodynamiske krefter som virker på lamellen spille en avgjørende rolle i å forårsake lamell lift-off og påfølgende plask. I nyere arbeid med høyhastighets impingement på en high-speed substrat, Sterling viste at for underlaget fart og jet forhold nær splash terskelen, kan splash utløses av veldig små lokaliserte overflateruhet og mindre jet ustøhet. Han viste også at under disse forholdene lamell lift-off og reattachment er en stokastisk prosess ^13.

Den eksperimentelle protokollen beskrevet her, kan brukes til å studere andre fysiske situasjoner som involverer interaksjon av et fluid med et bevegelig høy hastighet overflate. For eksempel kan den samme tilnærmingen brukes til å studere helikopter blade-virvel interaksjon (forutsatt at virvelfluid ble farget med sporstoffpartikler) og robot sprøyting av flater.

Protocol

1. Spinning Disk Device Identifisere ønskede testbetingelser og testforhold posten i en tabell (for eksempel omgivelsestemperatur, fluidegenskaper, jet og overflatehastighet, etc.). Utarbeidelse av materialer Forberede glyserin-vann eller PEO-glyserin-vannløsninger for impingement tester. I tilfelle av PEO-glycerin-vannprøver, gradvis oppløses 4,5 g PEO-pulver (viskositets-gjennomsnittlig molekylvekter på én million og fire millioner) til 1495,5 g destillert…

Representative Results

Som omtalt i den innledende delen, de tre viktigste atferd assosiert med væske jet impingement er deponering, splatter og plask. Disse jet impingement atferd er observert ved bruk av videodata registrert av høyhastighets cine kameraer plassert på ulike optiske poeng. Eksempler på stillbilder, oppnådd fra videoopptak, som viser de tre væskestråle resultater er vist i figur 3. Fig. 3A viser væskestråleavsetning, hvor strålen strømmer i en helt rett og jevn strøm mot anslagsflaten. Strål…

Discussion

Prosjektilet som brukes for luftkanon oppsett består av en lett, tre base. Selv trematerialet chips noe etter tallrike tester, er det blitt funnet å absorbere kinetisk energi mer effektivt enn prosjektiler sammensatt av materialer som for eksempel plast eller metall, som har tendens til å smuldre opp ved støt mot stoppemekanismen. Dimensjonene av tre prosjektilet er utformet for å være svært lik den innvendige stålfatet, og dermed begrense luftlekkasje. En 1/8 "tykk gummiplate festet mellom to lag av kryssf…

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)