ויזואליזציה של High Speed ​​Liquid Jet Impaction על משטח העברה

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

שני מנגנונים לבחינת פגיעה סילון נוזל על משטח נע במהירות גבוהה מתוארים: מכשיר תותח אוויר (לבחינת מהירויות פנים בין 0 ו -25 מ '/ שנייה) ומכשיר דיסק מסתובב (לבחינת מהירויות פנים בין 15 ל- 100 מ' / שניות). החוצה ליניארי תותח האוויר היא מערכת המונעת באנרגית פנאומטי שנועד להאיץ משטח מסילת מתכת רכוב על גבי טיל מעץ. גליל לחץ מצויד בשסתום סולנואיד במהירות משחרר אוויר דחוס לתוך החבית, ואילץ את הקליע לתוך קנה התותח. הקליע נוסע מתחת זרבובית תרסיס, אשר פוגעת סילון נוזל על פני השטח העליונים המתכת שלו, ולאחר מכן הקליע פוגע מנגנון עצירה. מצלמה מתעדת את הפגיעה המטוס, ומתמר לחץ מתעד את backpressure זרבובית תרסיס. הגדרת הדיסק מסתובב מורכבת מדיסק פלדה המגיע למהירות של 500 עד 3,000 סל"ד באמצעות מנוע כונן משתנה בתדירות (VFD). Si מערכת תרסיסמילר לזה של תותח האוויר יוצר סילון נוזל שפוגע על הדיסק מסתובב, ומצלמות הוצבו במספר נקודות גישה האופטית להקליט את הפגיעה המטוס. הקלטות וידאו של תהליכי פגיעה סילון נרשמות ובדקה כדי לקבוע אם התוצאה של פגיעה זו היא סנסציה, מתיז, או בתצהיר. המנגנונים הם הראשונים שכרוכים בפגיעה במהירות הגבוהה של מטוסים נוזלי ריינולדס-מספר הנמוך על משטחים נעים במהירות גבוהה. בנוסף ליישומים בתעשיית הרכבות שלה, הטכניקה המתוארת עשויה לשמש למטרות טכניות ותעשייתיות כגון ייצור פלדה ועשויה להיות רלוונטי להדפסת 3D במהירות גבוהה.

Introduction

מחקר זה נועד לקבוע אסטרטגיות ליישום LFM (המשתנה חיכוך נוזלי) בצורת סילון נוזל על משטח מרגש תוך השגת מעלות גבוהות של יעילות העברה ותוצאות בתצהיר אחידה. השגת מטרה זו כרוכה בפיתוח הבנה מקיפה של גורמים המשפיעים על פגיעה סילון נוזל על העברת משטחים.

הפרויקט מונע על ידי צורך לשפר את היעילות של טכניקות יישום שימון נהוגות בענף הרכבות. עכשיו כאמצעי להפחתת צריכת דלק ועלויות תחזוקת קטר, סרט דק סוכן שינוי חיכוך של מיושם על פני השטח העליונים של רכבת פסי רכבת קונבנציונליות. מחקרים שנעשה לאחרונה הראו כי החלת סוג אחד של LFM על בסיס מים לחלק עליון של מעקה (TOR) שליטת חיכוך מופחתת רמות צריכת אנרגיה בכ -6% ומקורבים רכבת וגלגל ללבוש על ידי העולה על 50% ^1,2. מחקרים אחרים הראו כי LFM החלים על פסי רכבת להפחיתכוח לרוחב ורמות רעש, כמו גם, וחשוב יותר, קמטי מסלול ונזק מעייפות קשר מתגלגלת, שהוא גורם עיקרי לderailments ^3,4 s. תוצאות אלו אושר גם בבדיקות שדה במערכת הרכבת התחתית של טוקיו ^5.

LFMs כיום הם ויתרו מפיצוץ באוויר מרססים המצורפים לעשרות קטרים ​​ברחבי קנדה ובארצות הברית. בצורה זו של יישום, LFM מוחל על החלק העליון של פסי רכבת על ידי מרססים רכובים מתחת נע קרונות. מצב זה של יישום LFM הוא קשה ליישום בקטרי רכבת רבים משום שהנפח גבוה הנדרש ורמות אספקת אוויר בלחץ גבוה לא יכולים להיות בר-השגה. חרירי תרסיס אוויר-פיצוץ גם הם האמינו לייצר כיסוי רכבת סדיר מאוד כאשר פעלו ברוח צולבת, כרוחות צולבות לגרום טיפות תרסיס עדינות לסטות מהמסלול המקורי שלהם. Crosswinds ידוע גם להיות מעורבים בעכירות זרבובית, סביר להניח לאותוסיבה שהיא. בשל בעיות הקשורות למרססי פיצוץ באוויר, מגזר הרכבת מבקש כיום גישות חלופיות ליישום LFM על פסי רכבת. פתרון בר קיימא אחת כרוך מחלק LFM באמצעות סילון נוזלי (לא לאטומים-) רציף, כמו מטוסים נוזליים הם פחות רגישים להשפעות צולבות בשל יחסם הנמוך גרור לאינרציה. בנוסף, מאחר שרמות לחץ אוויר והנפח הגבוהים הנדרשות לחרירי תרסיסים אינן נדרשות בטכנולוגיות תרסיס סילון נוזל, המעשה האחרון כמנגנוני ריסוס יותר יעילים וחזקים ששומרים על שליטה אפקטיבית בשיעור של יישום LFM.

אזור של פיסיקה דומה, פגיעה אגל, נחקר באינטנסיביות. נמצא על ידי מספר חוקרים שלפגיעת טיפה על משטח חלק יבש נע, מתיז התנהגות תלויה בפרמטרים רבים, כולל צמיגות, צפיפות, מתח פנים והמרכיב הנורמלי של מהירות השפעת ^14,15. ציפור et al. ששני המהירויות נורמליות ומשיקות היו בעלי חשיבות קריטית ^16. טווח et al. ונוכלי et al. הראו כי לפגיעת טיפה על משטח יבש נייח, חספוס פני השטח מקטין את סף סנסציה באופן משמעותי (כלומר, זה עושה הטיפה יותר נוטה להתיז) ^17,18.

למרות חשיבותה המעשית, פגיעה מטוס על משטחים נעים זכתה לתשומת לב מועטת בספרות האקדמית. צ'יו-ובסטר ויסטר ביצעו סדרה מקיפה של ניסויים שבחנו פגיעה סילון צמיג יציבה ולא יציבה על משטח מרגש, והמחברים פיתחו מודל לזרימת המקרה היציב ^6. Hlod et al. מודל הזרימה באמצעות יודה סדר שלישי בתחום של אורך ידוע תחת מצב נפרד נוסף והשוואת תצורות חזו עם תוצאות ניסוי ^7. עם זאת, מספרי ריינולדס בדקובשני המחקרים הללו הם נמוכים בהרבה מאלה הקשורים ליישומי LFM רכבת טיפוסיים. Gradeck et al. מבחינה מספרית וניסיוני חקר את שדה הזרימה של פגיעה סילון מים על מצע נע תחת מהירות שונות סילון, משטח מהירות, ותנאי קוטר נחיר ^8. פוג'ימוטו et al. מאפייני זרימה חקרו בנוסף של סילון מים מעגלי לפגוע על מצע נע מכוסה על ידי השכבה דקה של מים ^9. עם זאת, שני פרויקטים אלה משמשים בקטרים ​​גדולים יחסית זרבובית ומשטח תחתון ומהירויות סילון בהשוואה לאלו שהועסקו בעבודה הנוכחית. יתר על כן, למרות שמחקרי ניסויים, מספריים, ואנליטיות קודמים לספק לגוף גדול של נתונים, רוב התמקדו בפרמטרי העברת חום ולא על זרימת תהליכים נוזליים כגון מתיז סילון התנהגות. השיטה הניסיונית שנקבעה במחקר הנוכחי ובכך תורמת לטכנולוגיות יישום סילון נוזל על ידי מחדשקנס כגון טכניקות בתנאים מעורבים קטרי נחיר סילון קטן ומהירויות סילון ומשטח במהירות גבוהה. השיטה הנוכחית מזקקת גם ידע על בעיות מכניקת נוזלים בסיסיות הקשורים בהעברת קווים ליצירת קשר.

המחקרים שהוזכרו לעיל יש בדרך כלל מעורבים האינטראקציה של סילון מהירות נמוך עם משטח מרגש במהירות נמוך. היו מעט יחסית מחקרים של פגיעה מטוס במהירות גבוהה למינרית על משטחים נעים במהירות גבוהה. במהלך נעיץ סילון נוזל במהירות גבוהה נוזלי הסילון מתפשט רדיאלית בקרבת מקום הפגיעה, ויצר lamella דק. lamella זה אז convected במורד הזרם על ידי צמיג מכריח שהוטל על ידי המשטח המרגש, ייצור lamella בצורת U אופייני. Keshavarz et al. דיווח על ניסויי העסקת מטוסי נוזל הניוטונית ואלסטי לפגוע על גבי משטחים במהירות גבוהה. הם מסווגים תהליכי פגיעה בשני סוגים שונים: "בתצהיר ו# 8221; ו" להתיז ^"10. לפגיעה לסיווג כתצהיר, נוזל הסילון חייב לדבוק פני השטח, ואילו פתיחה מאופיינת בlamella נוזל שמפריד מפני השטח, ולאחר מכן שובר את טיפות לתוך. משטר פגיעה שלישי גם תואר - "מתיז". בזה, יחסית נדיר, משטר lamella נשאר מחובר אל פני השטח, כמו ל" תצהיר ", אבל טיפות בסדר נפלטות מן ליד הקצה המוביל של lamella. במחקר הבא של השפעות נוזל שאינו הניוטונית, Keshavarz סיכם et al., כי הפתיחה / הסף בתצהיר נקבע בעיקר על ידי מספרי ריינולדס ודבורה, ואילו זווית הפגיעה מטוס ומהירות סילון לעלות על פני השטח יחסי מהירות יש השפעה מועטת בלבד ¹¹ . בניסויים שנערכו תחת לחצים אוויר סביבה משתנים, Moulson et al. גילה שפתיחה / מספר ריינולדס סף בתצהיר באופן דרמטיעולה עם ירידה בלחץ אוויר בסביבה (כלומר, לחצים סביבתיים גבוהים יותר להפוך את המטוסים נוטים יותר להתיז), תוך הפחתת לחץ אוויר סביבה מתחת לסף מסוים מדכא סנסציה לחלוטין ^12. ממצא זה מצביע על כך כוחות אווירודינמיים הפועלים על lamella לשחק תפקיד מכריע בגרימת lamella המראה וסנסציה שלאחר מכן. בשנים האחרונה עבודה על פגיעה במהירות גבוהה על מצע במהירות גבוהה, סטרלינג הראה כי למהירות מצע ותנאי סילון קרובים לסף סנסציה, התז עשויה להיות מופעל על ידי חספוס פני השטח קטן מאוד מקומי וחוסר יציבות מטוס קל. הוא גם הראה שתחת אלה lamella תנאי ההמראה וחיבור מחדש הוא תהליך סטוכסטיים ^13.

פרוטוקול הניסוי המתואר כאן ניתן להשתמש כדי ללמוד מצבים פיזיים אחרים המערבים את האינטראקציה של נוזלים עם משטח נע במהירות גבוהה. לדוגמא, באותה הגישה יכולה לשמש כדי ללמוד blad מסוקאינטראקציה דואר מערבולת (ובלבד שנוזל המערבולת היה צבעוני עם חלקיקים נותב) וריסוס רובוטית של משטחים.

Protocol

התקן דיסק 1. ספינינג

1. לזהות תנאי בדיקה רצויים ותנאי בדיקת שיא בטבלה (למשל, מהירות טמפרטורת הסביבה, תכונות נוזלים, סילון ופני שטח, וכו ').
2. הכנה של חומרים
   1. הכן פתרונות גליצרין-מים או PEO-גליצרין-מים לבדיקות הפגיעה.
      1. במקרה של בדיקות PEO-גליצרין-מים, מתמוסס בהדרגה, 4.5 גרם של אבקת PEO (משקולות מולקולריות צמיגות-הממוצעת של מיליון וארבעה מ') ל1,495.5 גרם של מים מזוקקים תחת בחישה מגנטית עדינה פני תקופה של 24 שעות. הימנע מוגזם התססה מדגם PEO כדי למנוע השפלה מכאנית.
      2. מוסיף בהדרגה 1.5 קילוגרם של גליצרין כיתה USP לפתרון PEO המימי פני תקופה של 24 שעות כדי להגיע לפתרון המימי של 0.15% ריכוז PEO ו -50% ריכוז גליצרין.
   2. אחסן את נוזלי בדיקה בנפרד במיכלים אטומים תחת RT לפני ואחרי כל בדיקה למיניאידוי מייז, ספיגת מים מאוויר וזיהום סביבה. לאפיין ותרססו נוזלים בתוך חמישה ימים של הכנה.
3. ביצועים של ניסויים
   1. ודא שסתום אספקת האוויר של נושאות אוויר הדיסק מסתובב פתוח וקריאת מד לחץ היא בטווח הנכון העבודה (60-80 psig). דבר ברור שעלולים להפריע לתנועת הדיסק ולהפוך את הדיסק ביד בשני הכיוונים 5 סיבובים כדי לבדוק בעיות עם הדיסק ומסבים.
   2. הגז הדחוס הנקי ובטוח סגור מצברים לשמירת לחץ בדיקת נוזל. יוצקים 3 קילוגרם של נוזל בדיקה ליציאת נוזלים ממצברי 1 ליטר.
   3. חבר את יציאת הגז של מצברים למכל החנקן באמצעות ווסת לחץ. חבר את יציאת נוזלים של מצברים לזרבובית תרסיס סילון.
4. מערכת הדמיה במהירות גבוהה מערכת בקרה שהוקמה ו.
   1. הפעל את תוכנת שליטת הדיסק מסתובב ותוכנת שליטת VFD.עמדת שתי מצלמות מהירות גבוהה cine 35 סנטימטרים מנקודת הפגיעה ולהתאים את העדשות בהגדלה גבוהות כדי ללכוד את נקודת הפגיעה משתי זוויות.
   2. התאם את מקור אור 150 W סיבים האופטיים כדי להשיג רקע מואר באופן שווה לאיכות תמונה הטובה ביותר (איור 1). הפעל את מערכת השליטה בשלב זה כדי להקל על התאמת מצלמה.
   3. בצע את שגרת בדיקה העצמית על ידי לחיצה על כפתור "עצמי לבדוק" בתוכנת הבקרה כדי לוודא שהמערכת פועלת כצפוי.
5. לבצע בדיקת פגיעה מטוס
   1. קבע את מהירות הדיסק לערך הרצוי עם תוכנת שליטת VFD (500-3,000 סל"ד).
   2. כדי לבצע בדיקה, להפעיל את הרצף הניסיוני האוטומטי מהתוכנה השליטה על ידי לחיצה על הכפתור "רצף מבחן". התוכנה תקבע את הפרמטרים אופטימליים באופן אוטומטי ולתאם כל רכיב של המערכת לבצע את הבדיקה בהתאם.
   3. שמור את וידאו מבחן פגיעה כתוצאה (ראה, למשל, צילום המסך באיור 2). קראו ומהירות משטח שיא, זרבובית בחזרה לחץ וטמפרטורה מהתוכנה השליטה.
      הערה: לאחר כל בדיקה, רצף ניקוי דיסק פועל באופן אוטומטי כדי לשטוף ולייבש את פני השטח הדיסק. חזור על פעולת הניקוי צריך, עד שכל שאריות בדיקת הנוזל הוסרו.
      זהירות: בעוד נוזלי מבחן פתרון מים וגליצרין ניתן לנקות עם רצף הניקוי, LFMs אחר צריכה לנקות עם ממסים אורגניים כגון אצטון. במקרים כאלה, להחיל את חומר הניקוי לבד ולא ריסוס הדיסק ישירות.
6. ניתוח נתונים
   1. הכן גיליון אלקטרוני המכיל מידע על כל תנאי מבחן (לדוגמא, מאפייני נוזל, טמפרטורת הסביבה, חספוס פני השטח, וכו ').
   2. פתח את תמונות פגיעה מטוס נרשמו עם תוכנת הצפייה cine, לשחק הקלטות וידאו מלאים בנורמלילהאיץ ולבחון התנהגויות פגיעה מטוס.
   3. מאפייני פגיעה התנהגות שיא (פתיחה / ניתזים / בתצהיר; ראו איור 3) בגיליון האלקטרוני מוכן, כניסה כל מגמות חריגות שעשוי להצביע על סיבוכים עם הסט-אפ ניסיוני.
   4. שמירת תוצאות בדיקה ותנאים בגיליון אלקטרוני. ממצאי שיא בולטים וחריג ביומן בדיקה (לדוגמא, נקודת סף סנסציה / בתצהיר, מעברי פתיחה / בתצהיר, וכו '). לשמור צילומי מסך בעת צורך.
   5. לנהל מדידות ניתוח תמונה ונתונים שיא.
      1. הפעל את כלי מדידת פיקסל על המסך. תמונות פגיעה פתוחות, ולכייל את קנה המידה של תמונה על ידי מדידת מיקרו-שליט בתמונות עם כלי המדידה על מסך פיקסל (איור 4).
      2. ממדי מידה של עניין (למשל, רוחב lamella התפשטות, W, ורדיוס lamella נקודת קיפאון, R; ראה איור 5) עם t מדידת פיקסלOOL בנקודה שבה המטוס נראה יציב ביותר בנתוני וידאו ולהקליט בגיליון האלקטרוני מוכן. אז קח עוד קבוצה של מדידות 100 פריימים אחרי הקבוצה הראשונה של מדידות כדי לוודא ששני הסילון וlamella יציבים. נקודות נתונים עלילה על גרף ולהשלים את העקומה הולמת.

2. מיזוג קנון התקן

1. לזהות תנאי בדיקה רצויים ולהכין חומרים כמו בשלב 1.1 ושלב 1.2.
2. ביצועים של ניסויים
   1. שלטון את תוכנת מערכת בקרה.
   2. הכנס את הקליע לקנה התותח. הזז את מנגנון התחנה קרוב ליציאת החבית כדי ללכוד את הקליע כראוי לאחר בדיקה (איור 6).
   3. פתח את קו אוויר בניין בלחץ מוביל למכל האוויר. חצים על הטנק בין 30 psi ו -70 psi, תלוי במהירות הקליע הרצויה. לחץ טנק psi 30 נותן מהירות קליע של כ 5מ '/ שנייה, ו -70 psi נותן מהירות של כ -25 מ' / שנייה.
   4. הכן את מצברים סגורים גז הדחוס לשמירת לחץ בדיקת נוזל.
      1. יוצקים 3 קילוגרם של נוזל בדיקה ליציאת נוזלים מהמצברים. חיבור צינורות משסתום גז מצברים לזרבובית תרסיס סילון הנוזל, ולהגדיר את לחץ מצברים לעד 300 psig.
   5. צרף את המצלמה לשקע מספריים. אבטח את שקע המספריים לפלטפורמה ממוקמת ליד זרבובית תרסיס סילון.
   6. לאבטח את מקור האור בעוצמה הגבוהה לפלטפורמה ממוקמת מול המצלמה ומאחורי גיליון דיפוזיה. בדוק מיקום תאורה ומצלמה באמצעות פונקציית הצפייה מצלמת וידאו של ממשק שליטת תוכנה, ולהתאים את המיקום לפי צורך (איור 7).
   7. לשים על אטמי אוזניים להגנה מפני פיצוץ קול תותח האוויר.
   8. לפתוח את לוח בקרת תותח, ולחץ על כפתור האזהרה בלוח הבקרה מספר פעמים כדי לאותתתחילת ניסוי.
   9. הכה אותן בלוח הבקרה שפותח את שסתום סולנואיד חיבור מיכל האוויר עם קנה תותח האוויר.
   10. לאחר שהמכשיר כבר ירה והקליע שנתפס, לנקות את המכשיר על ידי ניגובו עם נוזל ניקוי וספוג כדי להסיר נוזל מבחן השיורי. לבסוף, לייבש את פני השטח הפגיעה של הקליע.
3. למדוד את המהירות של הקליע בוידאו במהירות גבוהה שנרשם על ידי מדידת משך זמן הנדרש לקליע לנסוע מרחק קבוע (10 סנטימטרים). לנתח נתונים כמו בשלב 1.5.

תוצאות

כפי שנאמר בפרק המבוא, שלוש ההתנהגויות עיקריות הקשורים לפגיעת סילון נוזל הן בתצהיר, מתיז וסנסציה. התנהגויות פגיעה סילון אלה נצפו באמצעות נתוני וידאו שהוקלטו על ידי מצלמות cine במהירות גבוהה מוצבות בנקודות אופטיות שונות. דוגמאות לתמונות סטילס, המתקבלות מקלטות וידאו,...

Discussion

הקליע המשמש להגדרת תותח האוויר מורכב מבסיס קל, עץ. למרות שבבי חומר העץ מעט לאחר בדיקות רבות, זה כבר נמצא לספוג אנרגיה קינטית בצורה יעילה יותר מאשר קליעים מורכבים מחומרים כמו פלסטיק או מתכת, אשר נוטים לנפץ על השפעת מנגנון העצירה. הממדים של קליע העץ נועדו להתאים את הפנים...

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	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)