Visualizzazione di Liquid High Speed ​​Jet Occlusione su una superficie mobile

Riepilogo

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

Due apparati per l'esame impingement getto di liquido su una superficie in movimento ad alta velocità sono descritti: un dispositivo cannone ad aria (per l'esame velocità superficiali tra 0 e 25 m / sec) e un dispositivo di disco rotante (per l'esame velocità superficiali fra 15 e 100 m / sec). La traslazione lineare cannone ad aria è un sistema alimentato a energia pneumatica che è progettato per accelerare una superficie guida metallica montata sulla parte superiore di un proiettile in legno. Un cilindro pressurizzato provvisto di elettrovalvola rilascia rapidamente l'aria in pressione nel cilindro, forzando il proiettile lungo la canna cannone. Il proiettile viaggia sotto un ugello di spruzzo, che incide un getto di liquido sulla sua superficie superiore di metallo, e il proiettile poi colpisce un meccanismo di arresto. Una telecamera registra il impingement jet, e un trasduttore di pressione registra la contropressione ugello. Il disco rotante set-up è costituito da un disco in acciaio che raggiunge una velocità di 500 a 3.000 rpm tramite un variatore di frequenza (VFD) del motore. Un si sistema a spruzzomilar a quella del cannone dell'aria genera un getto di liquido che incide sul disco rotante, e telecamere poste in diversi punti di accesso ottico registrare il impingement jet. Le registrazioni video dei processi urto jet vengono registrati ed esaminati per stabilire se l'esito del conflitto è spruzzi, splatter, o la deposizione. Gli apparati sono il primo che coinvolgono l'urto ad alta velocità di-Reynolds-basso numero getti di liquido su superfici in movimento ad alta velocità. Oltre alle sue applicazioni industriali ferroviario, la tecnica descritta può essere utilizzata per fini tecnici e industriali quali siderurgia e può essere rilevante per la stampa 3D ad alta velocità.

Introduzione

Questa ricerca mira a determinare le strategie per l'applicazione LFM (Modifier attrito liquido) in forma getto liquido su una superficie in movimento mentre raggiungono un alto grado di efficienza di trasferimento e di risultati deposizione uniformi. Il raggiungimento di questo obiettivo comporta lo sviluppo di una comprensione globale dei fattori che influenzano impingement getto liquido sulle superfici in movimento.

Il progetto è motivata da una necessità di migliorare l'efficienza delle tecniche applicative lubrificazione utilizzati nel settore ferroviario. Come mezzo per ridurre il consumo di carburante e costi di manutenzione locomotive, una pellicola sottile di attrito agente modificante viene ora applicato alla superficie superiore della rotaia ferrovia convenzionali. Recenti studi hanno dimostrato che l'applicazione di un tipo di LFM all'acqua per piano del ferro (TOR) controllo dell'attrito ridotto i livelli di consumo di energia del 6% e la flangia rotaia e ruota l'usura da superiore al 50% ^1,2. Altri studi hanno dimostrato che l'applicazione di LFM a binari ridurres forza laterale e livelli di rumore e, cosa ancora più importante, pista ondulazione e danni da rotolamento stanchezza contatto, che è una delle principali cause di deragliamenti ^3,4. Questi risultati sono stati ulteriormente confermati da test sul campo del sistema di metropolitana di Tokyo ^5.

LFMs sono attualmente dispensati da atomizzatori ad aria soffiata collegati a dozzine di locomotive in tutto il Canada e gli Stati Uniti. In questa forma di applicazione, LFM viene applicato all'inizio della ferrovia da atomizzatori montati sotto movimento vagoni ferroviari. Questa modalità di applicazione LFM è difficile da implementare su molte locomotive ferrovia perché l'alta volume richiesto e livelli di alimentazione d'aria ad alta pressione potrebbe non essere raggiungibile. Ugelli aria esplosione sono anche creduto di produrre la copertura ferroviario molto irregolare quando operato in un vento di traverso, come venti trasversali causano goccioline spruzzo fini di deviare dalla loro traiettoria originale. Crosswinds sono anche noti per essere implicati in ugello sottomarina, probabilmente per lo stessoragione. A causa di problemi connessi con atomizzatori ad aria soffiata, settore ferroviario è attualmente alla ricerca di approcci alternativi alla applicazione LFM sui binari. Una soluzione possibile consiste erogazione LFM mediante (non-atomizzata) getto liquido continuo, come getti di liquido sono meno suscettibili a vento di traverso effetti dovuti alla loro minore rapporto di trascinamento per inerzia. Inoltre, perché i livelli elevati di pressione dell'aria e di volume necessari per ugelli di polverizzazione non sono necessari in tecnologie getto liquido, queste ultime agiscono come meccanismi a spruzzo più snelle e robuste che mantengono il controllo efficace sul tasso di applicazione LFM.

Un'area di fisica simile, gocciolina conflitto, è stato studiato intensamente. È stato trovato da diversi ricercatori che per impingement gocciolina su una superficie liscia asciutta movimento, spruzzi comportamento dipende da molti parametri tra cui viscosità, densità, tensione superficiale e la componente normale della velocità d'impatto ^14,15. Uccello et al. hanno dimostrato che entrambe le velocità normali e tangenziali sono di importanza critica ^16. Gamma et al. E Crooks et al. Hanno dimostrato che per la gocciolina urto su una superficie asciutta stazionaria, rugosità superficiale diminuisce la soglia spruzzata in modo significativo (cioè, fa la goccia più inclini a spruzzi) ^17,18.

Nonostante la sua importanza pratica, jet impingement su superfici in movimento ha ricevuto scarsa attenzione nella letteratura accademica. Chiu-Webster e Lister eseguito una vasta serie di esperimenti che ha esaminato costante e instabile jet viscoso urto su una superficie in movimento, e gli autori hanno sviluppato un modello per il caso flusso costante ^6. Hlod et al. Modellare il flusso mediante una ODE terzo ordine su un dominio di lunghezza sconosciuta sotto una condizione integrante aggiuntiva e configurazioni previsti rispetto ai risultati sperimentali ^7. Tuttavia, i numeri di Reynolds esaminatiin entrambi questi studi sono molto inferiori a quelli associati con le applicazioni tipiche ferrovia LFM. Gradeck et al. Numericamente e sperimentalmente studiato il campo di moto del getto d'acqua conflitto su un substrato in movimento sotto varie velocità del getto, la velocità di superficie e le condizioni di diametro ugello ^8. Fujimoto et al. Caratteristiche di flusso inoltre esaminati un getto d'acqua circolare che incide su un substrato in movimento ricoperta da un film sottile di acqua ^9. Tuttavia, questi due progetti utilizzati relativamente grandi diametri degli ugelli e superficie inferiore e velocità del getto rispetto a quelli impiegati nel presente lavoro. Inoltre, anche se precedenti studi sperimentali, numerici e di analisi forniscono una grande quantità di dati, la maggior parte sono concentrati su parametri di trasferimento di calore piuttosto che sui processi di flusso di liquidi come il comportamento jet spruzzi. Il metodo sperimentale previsto nella presente ricerca contribuisce pertanto a liquidi tecnologie applicative jet da reaffinamento tali tecniche in condizioni che comportano diametri ugelli a getto più piccolo e ad alta velocità a getto e di superficie velocità. Il presente metodo affina anche la conoscenza su problemi fondamentali della meccanica dei fluidi associati al movimento linee di contatto.

Gli studi di cui sopra hanno generalmente coinvolto l'interazione di un jet a bassa velocità con una superficie a bassa velocità in movimento. Ci sono stati relativamente pochi studi di laminare ad alta velocità jet impingement su superfici in movimento ad alta velocità. Durante l'alta velocità impaction getto liquido liquido jet diffonde radialmente in prossimità della posizione impingement, formando una lamella sottile. Questo lamelle viene poi convected valle dal viscoso forcing imposto dalla superficie in movimento, producendo un caratteristico lamelle a forma di U. Keshavarz et al. Hanno riportato su esperimenti che impiegano getti liquidi newtoniani ed elastiche che influiscono sulle superfici ad alta velocità. Sono classificati processi urto in due tipi distinti: "deposizione &# 8221; e "splash" ^10. Per impingement essere classificato come la deposizione, il liquido jet deve aderire alla superficie, mentre spruzzata è caratterizzata da una lamella liquido che separa dalla superficie, e successivamente rompe in goccioline. Un terzo regime conflitto è stato anche descritto - "splatter". In questo, relativamente rare, regime lamella rimane attaccato alla superficie, come per "deposizione", ma goccioline vengono espulse dalla prossimità del bordo anteriore della lamella. In un successivo studio di effetti fluidi non newtoniani, Keshavarz et al. Ha concluso che la spruzzata / soglia deposizione è determinata principalmente dai numeri di Reynolds e Deborah, mentre l'angolo di jet impingement e velocità del getto ad emergere rapporti di velocità hanno solo un effetto secondario ¹¹ . In esperimenti condotti sotto pressione dell'aria ambiente variabili, Moulson et al. Scoperto che il / la deposizione soglia numero di Reynolds spruzzata drammaticamenteaumenta al diminuire della pressione dell'aria ambiente (cioè, pressioni ambiente elevate rendono getti più inclini a splash), diminuendo la pressione dell'aria ambiente sotto di una certa soglia sopprime completamente spruzzata ^12. Questa scoperta suggerisce che le forze aerodinamiche che agiscono sul lamelle giocano un ruolo fondamentale nel causare lamelle lift-off e successiva spruzzi. Nel recente lavoro sul conflitto ad alta velocità su un substrato ad alta velocità, Sterling ha dimostrato che per la velocità del substrato e le condizioni jet vicino alla soglia di schizzi, spruzzi può essere innescato da molto piccola rugosità superficiale localizzato e minore instabilità jet. Egli ha anche mostrato che in queste condizioni lamella lift-off e riattacco è un processo stocastico ^13.

Il protocollo sperimentale qui descritto può essere usato per studiare altre situazioni fisiche che coinvolgono l'interazione di un fluido con una superficie ad alta velocità in movimento. Ad esempio, lo stesso approccio potrebbe essere utilizzato per studiare elicottero fogliainterazione e-vortice (a condizione che il fluido è stato colorato con vortex particelle traccianti) e spruzzatura robotizzata di superfici.

Protocollo

1. Spinning dispositivo Disk

1. Identificare le condizioni di prova desiderati e le condizioni di prova record di una tabella (ad esempio, la temperatura ambiente, proprietà dei fluidi, jet e la superficie di velocità, etc.).
2. Preparazione dei materiali
   1. Preparare soluzioni glicerina acqua o PEO-glicerina-acqua per le prove di urto.
      1. Nel caso delle prove PEO-glicerina-acqua, dissolverà gradualmente 4,5 g di polvere (PEO pesi molecolari viscosità media di un milione e quattro milioni) in 1495,5 g di acqua distillata sotto leggera agitazione magnetica per un periodo di 24 ore. Evitare eccessivamente agitando il campione PEO per prevenire il degrado meccanico.
      2. Aggiungere gradualmente 1,5 kg di USP-grade glicerina alla soluzione acquosa PEO nelle 24 ore per raggiungere una soluzione acquosa del 0,15% concentrazione di PEO e concentrazione di glicerina 50%.
   2. Conservare i liquidi di prova separatamente in contenitori ermetici sotto RT prima e dopo ogni test per miniMize evaporazione, assorbimento d'acqua da aria ambiente e la contaminazione. Caratterizzare e spruzzare liquidi entro cinque giorni di preparazione.
3. Prestazioni di esperimenti
   1. Assicurarsi che la valvola di alimentazione dell'aria del cuscinetto d'aria disco rotante è aperto e la lettura del manometro è nel campo di lavoro corretta (60-80 psig). Chiaro tutto ciò che potrebbe impedire il movimento del disco e girare il disco a mano in entrambe le direzioni 5 rotazioni per verificare eventuali problemi con il disco e cuscinetti.
   2. Pulire e fissare il gas compresso accumulatore chiuso per il fluido di prova pressurizzazione. Versare 3 kg di prova liquido nella valvola liquido dell'accumulatore 1-gallone.
   3. Collegare la porta gas dell'accumulatore al serbatoio di azoto tramite un regolatore di pressione. Collegare la porta fluido dell'accumulatore all'ugello getto.
4. Impostare sistema di controllo e sistema di imaging ad alta velocità.
   1. Avviare il software di controllo disco rotante e il software di controllo VFD.Posizione due cineprese ad alta velocità 35 centimetri di distanza dal punto di urto e regolare le lenti ad alto ingrandimento per catturare il punto di urto da due angolazioni.
   2. Regolare la sorgente luminosa 150 W fibra ottica per ottenere uno sfondo illuminato uniformemente per una migliore qualità dell'immagine (Figura 1). Accendere il sistema di controllo a questo punto per facilitare la regolazione della fotocamera.
   3. Eseguire la routine di controllo facendo clic sul pulsante 'Self-check' nel software di controllo per assicurarsi che il sistema funzioni come previsto.
5. Eseguire un test jet impingement
   1. Impostare la velocità del disco sul valore desiderato con il software di controllo VFD (500-3.000 rpm).
   2. Per eseguire un test, avviare la sequenza sperimentale automatizzato dal software di controllo facendo clic sul pulsante 'Sequenza di prova'. Il software determina automaticamente i parametri ottimali e coordinare ciascun componente del sistema per eseguire il test di conseguenza.
   3. Salvare il video di prova impingement risultante (vedi, per esempio, la schermata della Figura 2). Leggere e velocità superficie del disco, dell'ugello pressione e la temperatura dal software di controllo.
      Nota: Dopo ogni prova, una sequenza di pulizia del disco viene eseguito automaticamente per sciacquare e asciugare la superficie del disco. Ripetere il ciclo di pulizia necessaria fino a quando tutti i residui del liquido di prova è stato rimosso.
      ATTENZIONE: Mentre i fluidi di prova soluzione di acqua e glicerina possono essere puliti con la sequenza di pulizia, altri LFMs devono essere puliti con solventi organici come acetone. In tali casi, applicare il materiale di pulizia per un panno, non spruzzare direttamente il disco.
6. Analisi Dei Dati
   1. Preparare un foglio contenente informazioni su ogni condizione di test (ad esempio, proprietà del fluido, temperatura ambiente, rugosità superficiale, ecc).
   2. Aprire le immagini jet impingement registrate con il software di visualizzazione cine, riprodurre le registrazioni complete di video alla normaleaccelerare e osservare i comportamenti jet urto.
   3. Registra caratteristiche di comportamento impingement (schizzi / spruzzi / deposizione; vedi figura 3) nel foglio preparato, registrando qualsiasi tendenze insoliti che potrebbero indicare complicazioni con il set-up sperimentale.
   4. Salvare i risultati e le condizioni di prova in un foglio di calcolo. Record risultati notevoli ed eventi insoliti resoconto della prova (ad esempio, spruzzata / deposizione punto di soglia, transizioni spruzzi / deposizione, etc.). Salvare screenshot quando necessario.
   5. Condurre misure di analisi delle immagini e registrare i dati.
      1. Avviare lo strumento su schermo di misura pixel. Aperto immagini urto, e calibrare la scala dell'immagine misurando un micro-sovrano nelle immagini con lo strumento su schermo di misura pixel (Figura 4).
      2. Dimensioni Misura di interesse (ad esempio, larghezza diffusione lamelle, W, e lamelle radio punto di stagnazione, R; vedi figura 5) con la misura di pixel tool in un punto dove il getto sembra essere più stabile nei dati video e registrare nel foglio preparato. Poi prendere un altro gruppo di misurazioni 100 fotogrammi dopo il primo gruppo di misure per confermare che sia il getto e le lamelle sono stabili. Punti dati Plot su un grafico e completano la curva raccordo.

2. Air Cannon dispositivo

1. Identificare le condizioni di prova desiderate e preparare i materiali, come al punto 1.1 e punto 1.2.
2. Prestazioni di esperimenti
   1. Accendere il software del sistema di controllo.
   2. Inserire il proiettile in canna cannone. Spostare il meccanismo di arresto vicino all'uscita canna per catturare correttamente il proiettile dopo un test (Figura 6).
   3. Aprire la linea dell'aria pressurizzata costruzione conduce al serbatoio dell'aria. Pressurizzare il serbatoio compreso tra 30 e 70 psi psi, a seconda della velocità del proiettile desiderato. 30 psi pressione del serbatoio offre una velocità di un proiettile di circa 5m / sec, e 70 psi dà una velocità di circa 25 m / sec.
   4. Preparare il gas accumulatore chiuso compresso per il fluido di prova pressurizzazione.
      1. Versare 3 kg di prova liquido nella valvola liquido dell'accumulatore. Collegare tubo dalla valvola gas dell'accumulatore all'ugello getto di liquido, e impostare la pressione dell'accumulatore fino a 300 psig.
   5. Collegare la fotocamera alla presa a forbice. Fissare la presa forbice alla piattaforma posizionata accanto al ugello getto.
   6. Fissare la sorgente di luce ad alta intensità per la piattaforma posizionata di fronte alla telecamera e dietro il foglio di diffusione. Controllare illuminazione e telecamera posizionamento utilizzando la funzione di visualizzazione videocamera dell'interfaccia controllo software, e regolare la posizione come necessario (Figura 7).
   7. Indossare cuffie per la protezione dal cannone ad aria esplosione sonora.
   8. Sbloccare il pannello di controllo di cannone, e premere il pulsante di allarme sul pannello di controllo più volte per segnalarel'inizio di un esperimento.
   9. Premi il pulsante del pannello di controllo che apre la valvola solenoide che collega il serbatoio d'aria con la canna cannone ad aria.
   10. Dopo che il dispositivo è stato sparato e il proiettile catturato, pulire il dispositivo passandolo con fluido ed una spugna per rimuovere il liquido in esame residua pulizia. Infine, asciugare la superficie urto del proiettile.
3. Misurare la velocità del proiettile nel video ad alta velocità registrata misurando la quantità di tempo richiesto per il proiettile di viaggiare (10 cm) distanza fissa. Analizzare i dati come al punto 1.5.

Risultati

Come discusso nella sezione introduttiva, i tre comportamenti principali associati impingement getto liquido sono deposizione, splatter e schizzi. Questi comportamenti jet impingement sono osservate utilizzando dati video registrati dalle cineprese ad alta velocità posizionati in vari punti ottici. Esempi di immagini fisse, ottenuti dalle registrazioni video, che raffigurano tre risultati getto liquido sono mostrati in Figura 3. Figura 3A illustra la deposizione a getto di liquido, in cui il gett...

Discussione

Il proiettile utilizzato per il cannone ad aria set-up è composto da una base in legno leggero. Sebbene i trucioli di legno materiali leggermente dopo numerose prove, è stato trovato per assorbire l'energia cinetica più efficacemente di proiettili composti di materiali come plastica o metallo, che tendono a frantumarsi sul impattare il meccanismo di arresto. Le dimensioni del proiettile di legno sono progettati per corrispondere al meglio l'interno canna in acciaio, limitando così le perdite d'aria. Un f...

Materiali

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)