تصور عالية السرعة السائل جيت الانحشار على السطح المتحرك

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

ووصف اثنان من الأجهزة لفحص السائل اصطدام طائرة على سطح تتحرك بسرعة عالية: جهاز مدفع الهواء (لفحص السرعات السطح بين 0 و 25 م / ثانية) وجهاز قرص الغزل (لفحص السرعات السطح بين 15 و 100 م / ثانية). اجتياز الخطي مدفع الهواء هو نظام يعمل بالطاقة الطاقة الهوائية التي تم تصميمها لتسريع سطح المعدن السكك الحديدية التي شنت على رأس قذيفة خشبية. ألف اسطوانة مضغوطة مزودة صمام الملف اللولبي بسرعة يطلق الهواء المضغوط في برميل، مما اضطر قذيفة أسفل برميل مدفع. قذيفة يسافر تحت فوهة الرذاذ، والذي يصطدم طائرة السائلة على سطح المعدن العلوي، وقذيفة ثم يضرب آلية وقف. تسجل الكاميرا في اصطدام طائرة، ومحول الضغط يسجل احداهما رذاذ فوهة. يتكون القرص الغزل انشاء قرص الصلب التي تصل بسرعة 500 إلى 3،000 دورة في الدقيقة عن طريق محرك التردد المتغير (VFD) المحرك. والاشتراكية نظام الرشMILAR إلى أن من مدفع الهواء يولد طائرة السائلة التي تمس على القرص الغزل، وكاميرات وضعت في عدة نقاط وصول البصرية تسجل اصطدام طائرة. وتسجل تسجيلات فيديو لعمليات اصطدام طائرة وفحصها لتحديد ما إذا كانت نتائج اصطدام هي البداية، بقع، أو الترسيب. الأجهزة هي الأولى التي تنطوي على اصطدام سرعة عالية من الاسعار المنخفضة للرينولدز-عدد طائرات السائلة على الأسطح المتحركة عالية السرعة. بالإضافة إلى تطبيقات صناعة السكك الحديدية لها، ويمكن استخدام تقنية الموضحة لأغراض الفنية والصناعية مثل صناعة الصلب ويمكن أن تكون ذات صلة عالية السرعة 3D الطباعة.

Introduction

يهدف هذا البحث إلى تحديد استراتيجيات لتطبيق LFM (الاحتكاك معدل السائل) في شكل طائرة السائل على سطح تتحرك حين تحقيق درجة عالية من الكفاءة نقل والنتائج ترسب موحدة. تحقيق هذا الهدف ينطوي على تطوير فهم شامل للعوامل التي تؤثر على السائل اصطدام طائرة على التحرك السطوح.

والدافع وراء هذا المشروع من قبل حاجة إلى تحسين كفاءة تقنيات تطبيق التشحيم المستخدمة في قطاع السكك الحديدية. كوسيلة للحد من استهلاك الوقود وتكاليف الصيانة قاطرة، طبقة رقيقة من الاحتكاك وكيل تعديل يجري الآن تطبيقها على سطح السكك الحديدية العلوي من خطوط السكك الحديدية التقليدية. وقد أظهرت الدراسات الحديثة أن تطبيق نوع واحد من LFM المياه القائمة لأعلى السكك الحديدية (TOR) التحكم في الاحتكاك خفض مستويات استهلاك الطاقة بنسبة 6٪ والسكك الحديدية وعجلة شفة ارتداء قبل ما يزيد على 50٪ ^1،2. وأظهرت دراسات أخرى أن تطبيق LFM لخطوط السكك الحديدية يقللالصورة الجانبية القوة ومستويات الضوضاء وكذلك، وهو الأهم، تمويج المسار والأضرار الناجمة عن التعب الاتصال المتداول، والذي هو السبب الرئيسي لالخروج عن القضبان ^3،4. وتأكدت هذه النتائج زيادة في الاختبارات الميدانية على نظام مترو طوكيو ^5.

والاستغناء LFMs حاليا من محاقن الانفجار الهواء تعلق على عشرات القاطرات في جميع أنحاء كندا والولايات المتحدة. في هذا النوع من التطبيق، يتم تطبيق LFM إلى الأعلى خطوط السكك الحديدية التي شنت محاقن تحت تتحرك عربات السكك الحديدية. هذا النمط من تطبيق LFM من الصعب تنفيذ على العديد من قاطرات السكك الحديدية لأن المطلوبة ارتفاع حجم ومستويات العرض الجوي الضغط العالي قد لا تكون قابلة للتحقيق. ويعتقد أن فوهات الرش الجوي الانفجار أيضا لإنتاج تغطية السكك الحديدية غير النظامية للغاية عندما كانت تعمل في المتقاطعة، كما الاحوال الجوية تسبب قطرات الرذاذ غرامة لتحيد عن مسارها الأصلي. ومن المعروف أن الرياح المتعامدة أيضا أن المتورطين في فوهة قاذورات، على الأرجح لنفسهسبب. بسبب المشاكل المرتبطة محاقن الانفجار الهواء، وقطاع السكك الحديدية تسعى حاليا أساليب بديلة لتطبيق LFM على خطوط السكك الحديدية. واحد حل ناجع يشمل الاستغناء LFM عن طريق متواصلة (وليس صغار) طائرة السائل، وطائرات السائلة هي أقل عرضة للمقابله الآثار الناجمة عن نسبتهم أقل السحب إلى الجمود. بالإضافة إلى ذلك، لأن مستويات عالية الضغط الجوي وحجم اللازمة لفوهات التفتيت ليست مطلوبة في تقنيات الرش طائرة السائلة، والعمل الأخير عن آليات الرش أكثر انسيابية وقوية التي تحافظ على سيطرة فعالة على معدل الطلب LFM.

مساحة الفيزياء مماثل، قطرة اصطدام، وقد درست بشكل مكثف. وقد وجد عدد من الباحثين أن للاصطدام القطيرات على التحرك سطح أملس الجاف، والرش السلوك تعتمد على الكثير من العوامل بما في ذلك اللزوجة والكثافة والتوتر السطحي والمكون الطبيعي للسرعة تأثير ^14،15. عصفور وآخرون أظهرت أن كلا من السرعات العادية وعرضية كانت ذات أهمية حاسمة ^16. مجموعة وآخرون. والمحتالون وآخرون قد أظهرت أن للقطيرة اصطدام على سطح جاف ثابتة، خشونة السطح تنخفض عتبة البداية بشكل ملحوظ (أي أنه يجعل الحبرية أكثر عرضة لطخة) ^17،18.

وعلى الرغم من أهميتها العملية، تلقت اصطدام طائرة على الأسطح المتحركة القليل من الاهتمام في الأدبيات الأكاديمية. يقوم تشيو وبستر ويستر سلسلة واسعة من التجارب التي درست ثابت ومتقلب اصطدام طائرة لزجة على سطح متحرك، وضعت الكتاب نموذجا لحالة التدفق المطرد ^6. Hlod آخرون على غرار تدفق عن طريق ODE ثالث ترتيب على مجال من طول مجهولة تحت شرط يتجزأ إضافية وتكوينات توقع بالمقارنة مع النتائج التجريبية ^7. ومع ذلك، فإن أرقام رينولدز فحصتفي كل من هذه الدراسات هي أقل بكثير من تلك المرتبطة نموذجية تطبيقات السكك الحديدية LFM. Gradeck وآخرون. عدديا وتجريبيا حققت في مجال تدفق من اصطدام طائرة المياه على ركيزة تتحرك تحت مختلف سرعة الطائرة، سرعة السطح، والظروف فوهة قطرها ^8. فوجيموتو وآخرون. خصائص التدفقات التحقيق بالإضافة لطائرة المياه الدائرية التي تؤثر على ركيزة الانتقال من طبقة رقيقة من الماء ⁹ تغطيتها. ومع ذلك، استخدمت هذين المشروعين أقطار فوهة كبيرة نسبيا وانخفاض السطحية والسرعات طائرة مقارنة مع تلك المستخدمة في العمل الحالي. وعلاوة على ذلك، على الرغم من الدراسات التجريبية والرقمية، والتحليلية السابقة وتوفر مجموعة كبيرة من البيانات، وركزت غالبية المعلمات على نقل الحرارة بدلا من التركيز على عمليات تدفق السائل مثل السلوك الرش طائرة. المنهج التجريبي المقدمة في هذا البحث وبالتالي يساهم في تطبيق التقنيات طائرة السائلة بنسبة اعادةتغريم هذه التقنيات في ظل ظروف تنطوي على أقطار فوهة نفاثة صغيرة وعالية السرعة النفاثة والسطحية السرعات. هذا الأسلوب أيضا تهذب المعرفة على المشاكل الأساسية ميكانيكا الموائع المرتبطة تتحرك خطوط التماس.

الدراسات المذكورة أعلاه وقد انطوت عموما تفاعل سرعة طائرة منخفضة مع انخفاض سطح سرعة الحركة. كان هناك عدد قليل نسبيا من الدراسات صفائحي سرعة عالية طائرة اصطدام على السطوح المتحركة عالية السرعة. خلال السرعة العالية السائل الانحشار طائرة السائل طائرة ينتشر شعاعيا في محيط موقع الإصطدام، وتشكيل الصفيحة رقيقة. ثم يتم convected هذه الصفيحة المصب من قبل لزج إجبار التي تفرضها على سطح متحرك، مما ينتج عنه الصفيحة مميزة على شكل حرف U. كيشافارز وآخرون. وقد ذكرت في التجارب التي تستخدم طائرات نيوتن ومرنة السائلة التي تؤثر على السطوح العالية السرعة. أنها تصنف عمليات اصطدام إلى نوعين مختلفين: "ترسب &# 8221؛ و "لطخة" ^10. لاصطدام لتصنيفها الترسيب، ويجب على السائل طائرة التمسك السطح، في حين يتميز دفقة من قبل الصفيحة السائل الذي يفصل من السطح، وتتكسر إلى قطرات في وقت لاحق. كما تم وصف النظام اصطدام الثالث - "بقع". في هذا، نادر نسبيا، النظام لا يزال تعلق الصفيحة إلى السطح، ول "ترسب"، ولكن يتم طرد قطرات دقيقة من قرب حافة الرائدة في الصفيحة. في دراسة لاحقة من آثار السوائل غير النيوتونية، كيشافارز وآخرون خلصت إلى أن دفقة / عتبة ترسب يتحدد أساسا من أرقام رينولدز وديبورا، في حين أن زاوية اصطدام طائرة وسرعة طائرة تطفو على السطح نسب سرعة يكون لها سوى تأثير بسيط ¹¹ . في التجارب التي أجريت تحت ضغوط الهواء المحيط المتغير، Moulson وآخرون اكتشف أن دفقة / ترسب عتبة رقم رينولدز بشكل كبيرالزيادات مع تناقص ضغط الهواء المحيط (أي ضغوط المحيطة أعلى تجعل طائرات أكثر عرضة لطخة)، بينما تتناقص ضغط الهواء المحيط اقل من عتبة معينة يقمع البداية تماما ^(12). هذه النتيجة تشير بقوة إلى أن القوات الهوائية المؤثرة على الصفيحة تلعب دورا حاسما في التسبب في الصفيحة انطلاقه ودفقة اللاحقة. في العمل الأخير على سرعة عالية في اصطدام على ركيزة عالية السرعة، وأظهرت أن الجنيه الاسترليني لسرعة الركيزة والشروط طائرة قريبة من عتبة البداية، قد يكون أثار النبأ من قبل صغيرة جدا خشونة السطح محلية وطفيفة عدم الثبات طائرة. وقال انه تبين أيضا أنه في ظل هذه الظروف الصفيحة انطلاقه وإعادة المرتكز هو عملية مؤشر ستوكاستيك ^13.

بروتوكول تجريبي الموصوفة هنا يمكن أن تستخدم لدراسة الأوضاع المادية الأخرى التي تنطوي على تفاعل السائل مع تحريك سطح ارتفاع سرعة. على سبيل المثال، يمكن استخدام نفس النهج لدراسة هليكوبتر BLADالتفاعل دوامة ه (شريطة أن السائل كان دوامة الملونة مع جزيئات التتبع) والرش الآلي من السطوح.

Protocol

1. غزل القرص الأجهزة

1. تحديد ظروف الاختبار المطلوب وظروف الاختبار سجل في الجدول (على سبيل المثال، والسرعة درجة الحرارة المحيطة، خصائص السوائل النفاثة والسطح، وما إلى ذلك).
2. إعداد المواد
   1. إعداد حلول المياه الجلسرين أو PEO-الجلسرين من المياه اللازمة للاختبارات اصطدام.
      1. في حالة الاختبارات PEO-الجلسرين في الماء، تذوب تدريجيا 4.5 غرام من مسحوق PEO (الأوزان الجزيئية اللزوجة متوسط ​​قدره مليون وأربعة ملايين) إلى 1495.5 غرام من الماء المقطر مع التحريك المغناطيسي لطيف على مدى فترة 24 ساعة. تجنب تهييج مفرط العينة بيو لمنع تدهور الميكانيكية.
      2. تدريجيا إضافة 1.5 كجم من USP الصف الجلسرين إلى حل PEO مائي على مدى فترة 24 ساعة للوصول إلى محلول مائي من 0.15٪ تركيز PEO و 50٪ تركيز الغليسيرين.
   2. تخزين السوائل اختبار على حدة في حاويات محكمة الإغلاق تحت RT قبل وبعد كل اختبار لالمصغرةتقليل ما أمكن من التبخر، وامتصاص الماء من الهواء المحيط والتلوث. تميز ورذاذ السوائل خلال خمسة أيام من التحضير.
3. أداء التجارب
   1. تأكد من صمام إمدادات الهواء تحمل الهواء القرص الغزل مفتوح والقراءة قياس الضغط في نطاق العمل الصحيح (60-80 رطل لكل بوصة مربعة). أي شيء واضحا التي قد تعيق حركة القرص وتحويل القرص باليد في كلا الاتجاهين 5 دورات للتحقق من أي مشاكل مع القرص والمحامل.
   2. أغلق نظيفة وتأمين الغاز المضغوط تراكم للسوائل اختبار الضغط. صب 3 كلغ من سائل الاختبار في منفذ السوائل من تراكم 1 غالون.
   3. ربط ميناء الغاز من المجمع إلى خزان النيتروجين عن طريق منظم الضغط. ربط ميناء السوائل من المجمع إلى فوهة رذاذ طائرة.
4. إعداد نظام التحكم ونظام التصوير فائق السرعة.
   1. بدء برنامج حاسوبي لمراقبة القرص الغزل وبرامج التحكم VFD.موقف اثنين عالية السرعة كاميرات سينمائية 35 سم بعيدا عن نقطة اصطدام وضبط عدسات التكبير عالية لالتقاط نقطة اصطدام من زاويتين.
   2. ضبط مصدر الضوء 150 W الألياف الضوئية لتحقيق خلفية مضاءة بشكل متساو حصول على أفضل جودة الصورة (الشكل 1). الطاقة على نظام التحكم في هذه المرحلة لتسهيل التكيف الكاميرا.
   3. أداء روتين الاختيار الذاتي عن طريق النقر على زر "الاختيار الذاتي" في برنامج حاسوبي لمراقبة للتأكد من أن النظام يعمل كما هو متوقع.
5. إجراء اختبار اصطدام طائرة
   1. ضبط سرعة القرص إلى القيمة المطلوبة مع برنامج حاسوبي لمراقبة VFD (500-3،000 دورة في الدقيقة).
   2. لإجراء اختبار، وإطلاق تسلسل التجريبي الآلي من برامج التحكم عن طريق النقر على زر 'تسلسل اختبار'. يقوم البرنامج بتحديد المعايير المثلى تلقائيا وتنسيق كل عنصر من عناصر النظام لأداء الاختبار وفقا لذلك.
   3. حفظ الناتجة فيديو اختبار اصطدام (انظر، على سبيل المثال، لقطة الشاشة في الشكل 2). القراءة وسرعة سطح قياسية، فوهة يعود الضغط ودرجة الحرارة من برامج التحكم.
      ملاحظة: بعد كل اختبار، سلسلة التنظيف القرص يعمل تلقائيا لشطف وتجفيف سطح القرص. كرر دورة التنظيف عند الضرورة حتى تمت إزالة جميع بقايا سائل الاختبار.
      تنبيه: على الرغم من السوائل اختبار حل الماء والجلسرين يمكن تنظيفها مع تسلسل التنظيف، والحاجة LFMs البعض لتنظيفها مع المذيبات العضوية مثل الأسيتون. في مثل هذه الحالات، وتطبيق مواد التنظيف إلى قطعة من القماش بدلا من الرش القرص مباشرة.
6. تحليل البيانات
   1. إعداد جدول يحتوي على معلومات على كل حالة اختبار (على سبيل المثال، خصائص السوائل، ودرجة الحرارة المحيطة، وخشونة السطح، وما إلى ذلك).
   2. فتح الصور اصطدام طائرة مسجلة مع برنامج عرض سينمائية، وتلعب تسجيلات الفيديو الكاملة في وضعها الطبيعيتسريع ومراقبة السلوكيات اصطدام طائرة.
   3. سجل خصائص السلوك اصطدام (البداية / يتناثر / الترسيب، وانظر الشكل 3) في جدول البيانات استعداد، تسجيل أي اتجاهات غير عادية التي قد تشير إلى مضاعفات مع التجريبية مجموعة المتابعة.
   4. حفظ نتائج الاختبار، والأوضاع في جدول بيانات. سجل النتائج البارزة والأحداث غير عادية في سجل اختبار (على سبيل المثال، دفقة / ترسب نقطة عتبة، والتحولات دفقة / الترسيب، وما إلى ذلك). حفظ لقطات عند الضرورة.
   5. إجراء قياسات تحليل الصور وتسجيل البيانات.
      1. إطلاق أداة قياس بكسل على الشاشة. صور اصطدام مفتوحة، ومعايرة مقياس الصورة عن طريق قياس حاكم الصغير في الصور مع أداة قياس بكسل على الشاشة (الشكل 4).
      2. أبعاد مقياس الفائدة (على سبيل المثال، عرض انتشار الصفيحة، W، والصفيحة دائرة نصف قطرها نقطة الركود، R؛ انظر الشكل 5) مع ر قياس بكسلمونغوشيفيتش في نقطة حيث تظهر طائرة لتكون الأكثر استقرارا في بيانات الفيديو وسجل في جدول البيانات المعدة. ثم أخذ مجموعة أخرى من القياسات 100 لقطة بعد المجموعة الأولى من قياسات للتأكد من أن كل من الطائرة والصفيحة مستقرة. نقاط البيانات مؤامرة على الرسم البياني وتكمل منحنى المناسب.

2. الهواء المدفع جهاز

1. تحديد ظروف الاختبار المطلوب وإعداد المواد كما في الخطوة 1.1 و 1.2 خطوة.
2. أداء التجارب
   1. السلطة حتى برنامج للسيطرة على النظام.
   2. أدخل قذيفة في برميل مدفع. تحريك آلية وقف قريبة من الخروج برميل لالتقاط قذيفة بشكل صحيح بعد اختبار (الشكل 6).
   3. فتح خط مبنى الهواء المضغوط المؤدية إلى خزان الهواء. ضغط خزان الى ما بين 30 و 70 رطل رطل، وهذا يتوقف على سرعة المقذوف المطلوب. 30 ضغط خزان رطل يعطي سرعة المقذوف من حوالي 5م / ثانية، و 70 رطل يعطي سرعة حوالي 25 م / ثانية.
   4. تحضير غاز المجمع مغلق مضغوط للسوائل اختبار الضغط.
      1. صب 3 كلغ من سائل الاختبار في منفذ السوائل من المجمع. قم بتوصيل أنابيب من صمام الغاز تراكم السائل إلى فوهة رذاذ طائرة، وتعيين ضغط تراكم ليصل إلى 300 رطل لكل بوصة مربعة.
   5. نعلق الكاميرا إلى جاك مقص. تأمين جاك مقص لمنصة وضعه بجانب فوهة رذاذ طائرة.
   6. تأمين مصدر ضوء عالي الكثافة إلى منصة وضعه على الجانب الآخر من الكاميرا وراء ورقة نشرها. تحقق الإضاءة والكاميرا تحديد المواقع باستخدام وظيفة عرض كاميرا فيديو للمراقبة واجهة البرنامج، وضبط وتحديد المواقع حسب الضرورة (الشكل 7).
   7. وضعت على غطاء للأذنين للحماية من الانفجار الصوت مدفع الهواء.
   8. فتح لوحة التحكم مدفع، ثم اضغط على زر التحذير على لوحة التحكم عدة مرات للإشارة إلىبدء التجربة.
   9. اضغط على زر لوحة التحكم التي يفتح صمام الملف اللولبي الذي يربط بين خزان الهواء مع برميل مدفع الهواء.
   10. بعد أن أطلقت الجهاز واستولت على قذيفة، وتنظيف الجهاز عن طريق مسحه مع سائل تنظيف والإسفنج لإزالة بقايا السائل الاختبار. وأخيرا، تجف على سطح اصطدام من قذيفة.
3. قياس سرعة المقذوف في تسجيل الفيديو عالية السرعة عن طريق قياس مقدار الوقت اللازم لقذيفة على السفر (10 سم) المسافة ثابتة. تحليل البيانات كما في الخطوة 1.5.

النتائج

كما نوقش في القسم التمهيدي، والسلوكيات الثلاثة الرئيسية المرتبطة السائل اصطدام طائرة هي الترسيب، وبقع البداية. ويلاحظ هذه السلوكيات اصطدام طائرة باستخدام بيانات الفيديو التي سجلتها كاميرات سينمائية عالية السرعة المتمركزة على مختلف النقاط الضوئية. وتظهر أمثلة ...

Discussion

وتتكون القذيفة المستخدمة لمدفع الهواء انشاء وخفيفة الوزن، قاعدة خشبية. على الرغم من أن رقائق المواد الخشبية قليلا بعد العديد من الاختبارات، فقد وجد لاستيعاب الطاقة الحركية أكثر فعالية من مقذوفات تتألف من مواد مثل البلاستيك أو المعدن، والتي تميل لتحطيم على التأثير ?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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
Stainless steel plates	Customized
Wooden projectile	Customized
1 kW 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
Fiber optic light source	Fiberoptics Technology Incorporated	MO150AC
High intensity LED array	Torshare Ltd.	TF10CA
Vacuum	Ridge Tool Company	WD09450
Interrupter	Customized
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
Glycerin
Poly(ethylene oxide)