表面移動に高速液体ジェット宿便の可視化

要約

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.

要約

高速移動する表面に液体ジェット衝突を調べるための2つの装置が記載されている：（0および25メートル/秒の間の表面速度を調べるための）空気砲装置及びスピニングディスク装置（15と100メートルの間の表面速度を調べるための/秒）。空気砲線形トラバース木製発射体の上部に取り付けられた金属レール面を加速するために設計された空気圧式エネルギー給電システムである。ソレノイドバルブを備えた加圧シリンダが急速に大砲バレルダウン発射を強制的に、バレルに加圧された空気を放出する。発射体は、金属上部表面上に液体ジェットを衝突スプレーノズルの下に移動し、発射体は、その後停止機構に当たる。カメラは、ジェット衝突を記録し、圧力変換器は、噴霧ノズルの背圧を記録する。スピニングディスクセットアップは、可変周波数ドライブ（VFD）を介して、モータ500回転〜3000の速度に達するスチールディスクから成る。スプレーシステムシ空気砲とmilarは、回転するディスク上に衝突する液体ジェットを生成し、いくつかの光学アクセスポイントに配置されたカメラは、ジェット衝突を記録する。ジェット衝突過程のビデオ記録を記録し、衝突の結果は、スプラッシュ、スプラッター、または堆積であるかどうかを決定するために調べられる。装置は、高速移動表面上の低レイノルズ数液体ジェットの高速衝突を伴うことが最初である。その鉄道産業用途に加えて、記載された技術は、製鋼のような技術的および工業目的に使用することができ、高速な3Dプリンティングに関連し得る。

概要

本研究では、転写効率及び均一な堆積結果の高度を実現しつつ移動する表面に液体ジェットの形でLFM（液体摩擦調整剤）を塗布するための戦略を決定することを目的とする。この目的を達成するには、表面を移動する上で液体ジェット衝突に影響を与える要因の包括的な理解を開発することを含む。

プロジェクトは、鉄道部門で使用される潤滑適用技術の効率を改善する必要性によって動機付けされる。燃料消費量と機関車メンテナンスコスト、摩擦改質剤の薄膜を低減する手段として、現在、従来の鉄道の線路の上レール表面に適用されている。最近の研究では、6％のエネルギー消費量が減少し、レールと車輪フランジレール上面用水性LFMの一種（TOR）摩擦制御を適用することは、50％ ^の1,2-超えてによる着用することを示した。他の研究では、レールトラックにLFMを適用することが減らすことが示されているの横力とノイズレベルも、より重要なこととして、トラックコルゲーションと脱線^3,4の主な原因である転動疲労による損傷。これらの結果はさらに、東京地下鉄システム⁵上のフィールドテストで確認された。

LFMsは現在、カナダと米国全体で機関車の数十に装着エアーブラスト噴霧器から分配されている。この応用形態では、LFMは鉄道車両を移動させるの下に取り付けられた噴霧器により、線路の上部に適用される。必要な大容量高圧空気供給レベルが達成できない場合があるため、LFMアプリケーションのこのモードは、多くの鉄道機関車に実装するのは困難である。横風が元の軌道から逸脱する微細な噴霧液滴を生じさせるようにエア·ブラスト噴霧ノズルはまた、横風で操作された場合、高度に不規則なレールカバレッジを生成すると考えられている。横風も同じ可能性が高いため、ノズルファウリングに関与することが知られている理由。エアーブラスト噴霧器に関連する問題に起因して、鉄道部門は、現在、レールトラックにLFMアプリケーションへの代替アプローチを求めている。液体ジェットは、それらの低ドラッグ対慣性比にエフェクトを横風の影響を受けにくいですように、1つ実行可能な解決策は、（ - 霧状ではない）連続液体ジェットを用いてLFMを分配することを含む。さらに、噴霧ノズルに必要な高い空気圧と音量レベルが液体ジェット噴霧技術で必要とされないため、LFMアプリケーションの速度に対する効果的な制御を維持し、より合理的で堅牢な噴霧機構は、後者の行為。

類似の物理学、液滴衝突の面積は、集中的に研究されている。これは、移動乾燥滑らかな表面上の液滴の衝突のために、動作を飛散する粘度、密度、表面張力および衝突速度^​​14,15の通常の成分を含む多くのパラメータに依存していることをいくつかの研究者によって発見された。バードら両方正常および接線速度は非常に重要で¹⁶であったことを実証した。範囲らおよびクルックスらは ^17,18（ すなわち 、それが飛散する液滴やすくなる）定常乾燥表面上の液滴の衝突のために、表面粗さが著しくスプラッシュ閾値を低下させることが示されている。

その実用的な重要性にもかかわらず、移動表面のジェット衝突は、学術文献ではほとんど注目されている。チウ·ウェブスターとリスターは、移動する表面に安定的かつ非定常粘性ジェット衝突を調べた実験の大規模な一連を行った、と著者は定常流ケース⁶のためのモデルを開発しました。 HLOD らは、追加の整数条件で未知の長さのドメイン上の三次ODEによって流れをモデル化し、実験結果⁷と予測構成を比較した。しかし、レイノルズ数を調べこれらの研究の双方に典型的な鉄道LFMアプリケーションに関連付けられたものよりもはるかに低い。 Gradeck らは、数値的及び実験的に各種の噴射速度、表面速度、及びノズル径条件⁸の下で移動する基板上にウォータージェット衝突の流れ場を調べた。藤本らは、さらに水⁹の薄膜で覆われて移動する基板に衝突する円形の水ジェットの流動特性を調べた。しかし、これら二つのプロジェクトは、本研究で用いたものに比べて比較的大きなノズル径と下面とジェット速度を使用。以前の実験数値、および分析研究は大量のデータを提供してもまた、大部分は、熱伝達パラメータではなく、ジェット飛散挙動液流プロセスに焦点を当てている。本研究で提供実験方法は、このように再液体ジェット応用技術に寄与する小さいジェットノズル直径および高速噴流および表面速度を含む条件下で、そのような技術を清澄。本発明の方法はまた、可動接触線に関連付けられた基本的な流体力学の問題についての知識を洗練する。

上記の研究は、一般的に、低速移動面と低速ジェットの相互作用が関与している。高速移動表面に層状の高速ジェット衝突の比較的少数の研究がなされている。高速液体ジェット衝突時に噴射液が薄いラメラを形成し、入射位置の近傍で半径方向に広がる。このラメラは、その後、粘性は、特性U字状薄板の製造、表面移動によって課される強制力により下流対流れる。 Keshavarz ら高速表面に衝突ニュートン弾性液体ジェットを用いた実験で報告されている。 「堆積＆：彼らは、2つの異なるタイプに衝突プロセスを分類した＃8221;そして「スプラッシュ^」10。衝突が堆積として分類されるためには、スプラッシュが液滴に分裂する、その後、表面から分離し、液体ラメラことを特徴としているのに対し、ジェット液は、表面に付着している必要があります。第三の衝突政権も記載されている - 「スプラッタ」。これでは、ラメラが残る比較的まれ、レジームは「堆積」に関しては、表面に付着するが、微細な液滴は、薄板の前縁付近から吐出される。非ニュートン流体の効果のその後の研究では、Keshavarz らは、表面速度比が噴流衝突角とジェット速度はわずかな効果^11を有しているのに対して、スプラッシュ/堆積閾値は、主に、レイノルズおよびデボラ数で決定されると結論。可変周囲圧力下で実施された実験では、Moulson らは発見したスプラッシュ/堆積閾値レイノルズ数は劇的にその周囲の空気の圧力の減少に伴って増加する（ すなわち 、より高い周囲圧力が飛散するジェットやすくする）、一定の閾値を下回る周囲圧力を減少させると完全に¹²スプラッシュを抑制している。この知見は、強くラメラに作用する空気力をラメラリフトオフおよびその後のスプラッシュの原因に重要な役割を果たしていることを示唆している。高速基板上に高速衝突に関する最近の研究では、スターリングスプラッシュ閾値に近い基板の速度及び噴射条件に対して、スプラッシュが非常に小さい局所的な表面粗さとマイナージェット不安定によってトリガされることを示した。彼はまた、これらの条件下でラメラリフトオフ及び再付着が確率過程¹³であることを示した。

ここに記載の実験プロトコルは、高速移動表面と流体との相互作用に関与する他の物理的な状況を研究するために使用することができる。例えば、同じアプローチは、ヘリコプターの宣伝ちらしを研究するために使用することができる電子ボルテックス（渦流体がトレーサ粒子で着色している​​場合）との相互作用表面のロボットのスプレー。

プロトコル

1.スピニングディスクデバイス

1. 表中の所望の試験条件及び記録試験条件（ 例えば、周囲温度、流体特性、ジェット及び表面速度など ） を識別する。
2. 材料の調整
   1. 衝突試験用のグリセリン - 水またはPEO-グリセリン水溶液を調製する。
      1. PEO-グリセリンと水の試験の場合には、徐々に、24時間にわたって穏やかに磁気攪拌下で蒸留水1495.5グラムにPEO粉末（百万四百万、粘度平均分子量）4.5gを溶解する。過度の機械的劣化を防止するためにPEO試料を攪拌避ける。
      2. 次第に0.15％のPEOの濃度および50％グリセリン濃度の水溶液に到達するために24時間にわたって水溶液PEO溶液に、USPグレードのグリセリン1.5kgのを追加。
   2. ミニへの各テストの前と後のRT下の気密容器内に別々に試験液を保存するマイズ蒸発、周囲の空気と汚染から吸水。特徴づけ、準備の5日以内に液体を噴霧する。
3. 実験のパフォーマンス
   1. ことを確認しスピニングディスクエアベアリングの空気供給バルブが開いており、圧力ゲージの読みは正しい動作範囲（60〜80）まで加圧している。ディスクとベアリングに問題をチェックするために5回転をディスクの動きを妨げ、両方の方向に手でディスクを回すかもしれないクリア何​​でも。
   2. クリーンで安全な圧縮ガスは、試験流体の加圧にアキュムレータを閉じた。 1ガロンアキュムレータの流体ポートに試験液の3キロを注ぐ。
   3. 圧力調整器を経由して窒素タンクにアキュムレータのガスポートを接続します。ジェットスプレーノズルにアキュムレータの流体ポートに接続します。
4. 制御システムは、高速イメージングシステムをセットアップする。
   1. スピニングディスク制御ソフトウェア及びVFD制御ソフトウェアを起動する。位置2つの高速シネ35センチメートル離れ衝突点からカメラやつの角度からの衝突点をキャプチャするために高倍率レンズを調整する。
   2. 最高の画質（ 図1）のために均等に点灯してバックグラウンドを達成するために、150 Wの光ファイバ光源を調整します。この時点で、制御システムの電源は、カメラ調整を容易にする。
   3. 期待通りにシステムが機能していることを確認するために、制御ソフトウェアで「セルフチェック」ボタンをクリックすることにより、セルフチェックルーチンを実行します。
5. ジェット衝突テストを実行します
   1. VFD制御ソフトウェア（500〜3,000 RPM）で所望の値にディスク速度を設定します。
   2. テストを実行するには、「テストシーケンス」ボタンをクリックすることにより、制御ソフトウェアから自動化された実験的なシーケンスを起動します。ソフトウェアは、自動的に最適なパラメータを決定し、それに応じてテストを実行するためのシステムの各コンポーネントを調整する。
   3. （例えば、 図2のスクリーンショットを参照）、得られた衝突テスト映像を保存します。読み取りおよび記録面速度制御ソフトウェアからの圧力と温度をバックてノズル。
      注：各試験の後、ディスククリーニングシーケンスは、ディスク表面をすすぎ、乾燥させるために自動的に実行されます。すべての試験流体残基が除去されるまで、必要に応じて洗浄サイクルを繰り返す。
      注意：水、グリセリン溶液試験流体は、クリーニングシーケンスを用いて洗浄することができるが、他のLFMsは、アセトンなどの有機溶媒で洗浄する必要がある。このような場合には、ディスクに直接噴霧するのではなく、布に洗​​浄剤を適用する。
6. データ分析
   1. 各試験条件（ 例えば 、流体特性、周囲温度、表面粗さなど ）に関する情報を含むスプレッドシートを準備する。
   2. シネ閲覧ソフトで記録されたジェット衝突イメージを開き、正常な時にフルビデオ録画を再生スピードとジェット衝突挙動を観察する。
   3. レコードの衝突の行動特性、実験設備との合併症を示すことが異常な傾向を記録する、準備されたスプレッドシートの（スプラッシュ/スパッタリング/堆積は図3を参照）。
   4. スプレッドシートにテスト結果と条件を保存します。レコードの注目すべき所見およびテストログ（ 例えば、スプラッシュ/蒸着閾値点、スプラッシュ/堆積遷移など ） の中で珍しい出現。必要なときにスクリーンショットを保存します。
   5. 画像分析測定および記録データを行う。
      1. 画面上のピクセルの測定ツールを起動します。オープン衝突画像は、画面上のピクセルの測定ツール（ 図4）を使用して画像におけるマイクロルーラーを測定することにより、画像スケールを較正する。
      2. 関心の寸法測定（ 例えば 、ラメラ広がり幅W、およびラメラよどみ点半径Rを、 図5を参照）、画素測定tと共にジェットが準備されたスプレッドシートで、ビデオおよび記録データに最も安定であるように思われるポイントでOOL。次にジェットラメラの両方が安定していることを確認するために100フレームの測定の最初のグループの後の測定値の別のグループを取る。グラフ上のプロットのデータ点とフィッティングカーブを完了します。

2.エアキャノンデバイス

1. 所望の試験条件を特定し、ステップ1.1およびステップ1.2のように材料を準備します。
2. 実験のパフォーマンス
   1. システム·制御ソフトウェアをパワーアップ。
   2. 大砲バレルに発射を挿入します。適切にテストします（ 図6）の後に発射体をキャプチャするバレル出口に近いストップ機構を移動します。
   3. 空気タンクに通じる加圧された建物のエアラインを開きます。希望発射速度に応じて、30 PSIと70 psiの間にタンクを加圧する。 30 PSIタンク圧力は約5の発射速度を提供します1m /秒、および70 PSIは周り25メートル/秒の速度を提供します。
   4. 試験流体の加圧用の圧縮ガスクローズアキュムレータを準備します。
      1. アキュムレータの流体ポートに試験液の3キロを注ぐ。液体ジェットスプレーノズルにアキュムレータガスバルブからチューブを接続し、最大300 PSIGにアキュムレータ圧を設定します。
   5. シザーズジャッキにカメラを取り付けます。ジェットスプレーノズルの次に位置プラットフォームにシザーズジャッキを固定します。
   6. カメラから横切って拡散シートの背後に配置プラットフォームに高輝度の光源を固定する。ソフトウェア制御インターフェースのビデオカメラのビューイング機能を使用して照明とカメラの位置を確認し、必要に応じて位置（ 図7）を調整する。
   7. 空気砲音爆風からの保護のためにイヤーマフを着用。
   8. 信号を複数回大砲のコントロールパネルのロックを解除し、操作パネル上の警告ボタンを押す実験開始。
   9. 空気砲バレルとの空気タンクを接続する電磁弁を開き、コントロールパネルのボタンを押してください。
   10. デバイスが発射と発射体が捕捉された後、流体および残留試験流体を除去するためのスポンジのクリーニングでそれを拭いてデバイスをクリーニング。最終的に、発射体の衝突面を乾燥させる。
3. 固定（10cm）に距離を移動するための発射に必要な時間の量を測定することによって記録された高速ビデオに発射体の速度を測定する。ステップ1.5のようにデータを分析します。

結果

導入部分で説明したように、液体ジェット衝突に関連する3つの主要な行動は、蒸着、スプラッタスプラッシュある。これらのジェット衝突挙動は、種々の光の点に位置する高速シネカメラによって記録された映像データを用いて観察される。 3枚の噴射の結果を図3に示す描写ビデオ記録から得られた静止画の例としては、 図3（a）は、ジェットが衝突面に向か?...

ディスカッション

空気砲のセットアップに使用される発射体は、軽量、木製ベースで構成されている。わずかに多数の試験後の木材チップが​​、それはより効果的に停止機構に影響を与える際に粉々にする傾向があり、プラスチックまたは金属などの材料からなる発射、より運動エネルギーを吸収することが見出されている。木製の発射体の寸法は、空気の漏れを制限する、密接にスチールバレル内部に適?...

資料

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)