Visualização de alta velocidade líquido Jet impactação sobre uma superfície móvel

Resumo

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.

Resumo

Dois aparelhos de análise do impacto do jato líquido sobre uma superfície móvel de alta velocidade são descritos: um dispositivo de canhão de ar (para examinar velocidades de superfície entre 0 e 25 m / s) e um dispositivo de disco giratório (pela análise de velocidades de superfície entre 15 e 100 m / seg). A deslocação linear canhão de ar é um sistema movido a energia pneumática que é concebido para acelerar uma superfície de metal trilho montado em cima de um projéctil de madeira. Um cilindro pressurizado equipado com uma válvula de solenóide liberta rapidamente o ar pressurizado para dentro do cilindro, obrigando o projéctil para o cano do canhão. O projétil viaja abaixo de um bico de pulverização, o que colide com um jato de líquido sobre o seu metal superfície superior, e, em seguida, o projétil atinge um mecanismo de parada. A câmera registra o choque do jato, e um transdutor de pressão registra a contrapressão bico de pulverização. O disco giratório set-up consiste em um disco de aço que atinge velocidades de 500 a 3.000 rpm através de um motor de acionamento de freqüência variável (VFD). A si sistema de pulverizaçãomelhantes para que o canhão de ar gera um jacto de líquido que colide com o disco rotativo, e câmaras colocadas em vários pontos de acesso óptico gravar o impacto de jacto. As gravações de vídeo de processos de síndrome do impacto do jato são registrados e examinados para determinar se o resultado do choque é respingo, splatter, ou deposição. Os aparelhos são os primeiros que envolvem a alta velocidade de impacto de baixa Reynolds-número jatos líquidos em superfícies móveis de alta velocidade. Para além das suas aplicações na indústria ferroviária, a técnica descrita pode ser usada para fins técnicos e industriais, tais como a produção de aço e pode ser relevante para a impressão em 3D de alta-velocidade.

Introdução

Esta pesquisa tem como objetivo determinar estratégias para a aplicação de LFM (modificador de fricção Líquido) em forma de jato líquido sobre uma superfície móvel enquanto atingir altos graus de eficiência de transferência e os resultados de deposição uniformes. A concretização deste objectivo implica o desenvolvimento de uma compreensão abrangente dos fatores que afetam o choque do jato líquido em superfícies em movimento.

O projeto é motivado pela necessidade de melhorar a eficiência das técnicas de aplicação de lubrificantes usados ​​no sector ferroviário. Como um meio de reduzir o consumo de combustível e custos de manutenção de locomotivas, uma película fina de agente modificador de atrito está agora a ser aplicada à superfície superior do carril da via férrea convencionais. Estudos recentes têm mostrado que a aplicação de um tipo de LFM à base de água para a parte superior do trilho (TOR) de controle de fricção reduzida níveis de consumo de energia em 6% e ferroviário e roda flange desgaste por mais de 50% ^1,2. Outros estudos mostraram que a aplicação de LFM para trilhos reduzirs níveis de ruído força lateral e, assim como, mais importante, corrugation pista e danos causados ​​por fadiga de contato de rolamento, que é uma das principais causas de descarrilamentos ^3,4. Estes resultados foram confirmados em testes de campo sobre o sistema de metrô de Tóquio ^5.

LFMs está dispensado de atomizadores de ar comprimido ligados a dezenas de locomotivas em todo o Canadá e os Estados Unidos. Nesta forma de aplicação, LFM é aplicado para o topo da linha férrea por atomizadores montados sob movendo vagões. Este modo de aplicação LFM é difícil de implementar em muitas locomotivas porque o high-volume e os níveis de fornecimento de ar de alta pressão necessária pode não ser atingível. Bicos de pulverização com ar-explosão também são acreditados para produzir cobertura ferroviário altamente irregular quando operado em um vento cruzado, como ventos causam finas gotas de pulverização para se desviar de sua trajetória inicial. Os ventos laterais também são conhecidos por estarem implicados em bico de incrustação, provável para a mesmarazão. Devido a problemas associados com atomizadores de ar comprimido, o setor ferroviário está actualmente a procurar abordagens alternativas para a aplicação LFM em trilhas ferroviários. Uma solução viável envolve LFM distribuição por meio de um processo contínuo (não-atomizado) jacto de líquido, tal como jactos de líquido são menos susceptíveis ao vento laterals efeitos devido à sua menor razão de arraste até inércia. Além disso, porque os níveis elevados de pressão de ar e volume necessário para bicos de pulverização não são necessários em tecnologias de jato de pulverização de líquido, o último ato como mecanismos de pulverização mais ágeis e robustas que mantêm o controle efetivo sobre a taxa de aplicação LFM.

Uma área da física semelhante, gota impacto, tem sido estudada intensivamente. Verificou-se por vários investigadores que a colisão de gotícula sobre uma superfície lisa movendo a seco, espirrar comportamento depende de muitos parâmetros, incluindo viscosidade, densidade, e tensão superficial do componente normal da velocidade de impacto ^14,15. Pássaro et ai. demonstraram que ambas as velocidades tangenciais e normais eram de importância crítica ^16. Gama et al. E Crooks et al. Demonstraram que a gota de choque em uma superfície seca estacionário, rugosidade da superfície diminui o limiar respingo significativamente (ou seja, faz a gota mais propensas a espirrar) ^17,18.

Apesar de sua importância prática, jet incidências sobre superfícies em movimento tem recebido pouca atenção na literatura acadêmica. Chiu-Webster e Lister realizada uma extensa série de experimentos que examinaram estável e instável choque jet viscoso sobre uma superfície móvel, e os autores desenvolveram um modelo para o caso de fluxo contínuo ^6. Hlod et al. Modelado do fluxo por meio de um ODE de terceira ordem em um domínio de comprimento desconhecido sob uma condição integrante adicional e configurações preditos comparados com os resultados experimentais ^7. No entanto, os números de Reynolds examinouem ambos os estudos são muito mais baixos do que aqueles associados com aplicações típicas ferrovia LFM. Gradeck et al. Numericamente e experimentalmente investigou o campo de fluxo de jacto de água do impacto sobre um substrato em movimento sob diversos tipos de velocidade do jato, a velocidade de superfície, e as condições de diâmetro do bocal ^8. Fujimoto et al. Adicionalmente investigadas as características de fluxo de um jacto de água circular que colide sobre um substrato em movimento coberto por uma fina película de água ^9. No entanto, esses dois projetos utilizado relativamente grandes diâmetro de bico e menor superfície e velocidades de jato em comparação com aqueles empregados no presente trabalho. Além disso, embora estudos experimentais, numéricos, e analíticos anteriores fornecem um grande corpo de dados, a maioria têm incidido sobre os parâmetros de transferência de calor, em vez de processos de fluxo de líquido, tais como comportamento de jacto salpicos. O método experimental previsto na presente pesquisa contribui, assim, para tecnologias de aplicação de jato de líquido por repunição de tais técnicas em condições que envolvem diâmetro de bico jato menor e jet e de superfície velocidades de alta velocidade. O presente método também aprimora os conhecimentos fundamentais em mecânica dos fluidos problemas associados com o movimento das linhas de contacto.

Os estudos mencionados acima têm geralmente envolveu a interação de um jato de baixa velocidade, com uma superfície de baixo movimento velocidade. Tem havido relativamente poucos estudos de impacto laminar jacto de alta velocidade sobre superfícies em movimento de alta velocidade. Durante a alta velocidade de impacto do jacto de líquido de jacto de líquido se espalha radialmente na vizinhança do local do impacto, formando uma fina lamela. Esta lamela é então convecção a jusante pela viscoso forçamento imposta por a superfície em movimento, produzindo uma característica lamela em forma de U. Keshavarz et al. Relataram em experimentos que utilizam jatos líquidos newtonianos e elásticas que incidem sobre superfícies de alta velocidade. Eles classificaram os processos de síndrome do impacto em dois tipos distintos: "deposição &# 8221; e "splash" ^10. Para choque para ser classificada como deposição, o jacto de líquido deve aderir à superfície, enquanto inicial é caracterizada por uma lamela de líquido que se separa da superfície, e, subsequentemente, rompe-se em gotículas. Um terceiro regime de impacto também tem sido descrita - "respingos". Neste, relativamente raras, o regime de lamela permanecer ligado à superfície, como de "deposição", mas pequenas gotículas são ejectadas a partir de perto da borda principal da lamela. Em um estudo posterior de efeitos de fluidos não-newtonianos, Keshavarz et al. Concluíram que o respingo / limiar deposição é determinada principalmente pelos números de Reynolds e Deborah, enquanto o ângulo de jet impacto e velocidade do jato à tona relações de velocidade só tem um efeito menor ¹¹ . Em experimentos realizados sob pressões do ar ambiente variáveis, Moulson et al. Descobriu que o respingo / deposição limite de número de Reynolds dramaticamenteaumenta com a diminuição da pressão do ar ambiente (ou seja, as pressões ambientais mais elevados tornam jatos mais propensas a espirrar), enquanto diminui a pressão do ar ambiente abaixo de um determinado limiar suprime respingo completamente ^12. Esse achado sugere fortemente que as forças aerodinâmicas exercidas sobre a lamela desempenham um papel crucial em causar lamela lift-off e respingo subseqüente. Em trabalhos recentes sobre o choque de alta velocidade sobre um substrato de alta velocidade, Sterling mostrou que para a velocidade do substrato e as condições de jato perto do limiar de respingo, respingo pode ser desencadeada por muito pequena rugosidade superficial localizada e menor instabilidade jet. Ele também mostrou que, nessas condições lamela lift-off e religação é um processo estocástico ^13.

O protocolo experimental descrito aqui pode ser utilizada para estudar outras situações físicas que envolvem a interacção de um fluido com uma velocidade elevada da superfície em movimento. Por exemplo, a mesma abordagem pode ser utilizada para estudar helicóptero bladinteracção e-vórtice (desde que o fluido de vórtice foi colorido com partículas marcadoras) e a pulverização de superfícies robótico.

Protocolo

1. Spinning Disk Device

1. Identificar as condições de teste desejados e condições de ensaio registro em uma tabela (por exemplo, temperatura ambiente, propriedades do fluido, jet e superfície de velocidade, etc.).
2. Preparação de Materiais
   1. Preparar soluções de água glicerina ou PEO-glicerina em água para os testes de síndrome do impacto.
      1. No caso dos testes de PEO-glicerina-água, dissolver gradualmente 4,5 g de pó de PEO (pesos moleculares da média de viscosidade de um milhão e quatro milhões) em 1495,5 g de água destilada, sob agitação magnética suave ao longo de um período de 24 horas. Evitar excessivamente agitar a amostra de PEO para evitar a degradação mecânica.
      2. Gradualmente adicionar 1,5 kg de glicerina de grau USP à solução de PEO aquoso durante um período de 24 horas para alcançar uma solução aquosa de 0,15% de concentração de PEO e de 50% de concentração de glicerina.
   2. Guarde os líquidos de teste separadamente em recipientes hermeticamente fechados sob RT antes e depois de cada teste para mini-mize evaporação, absorção de água a partir do ar ambiente e contaminação. Caracterizar e pulverizar líquidos no prazo de cinco dias de preparação.
3. Desempenho de Experimentos
   1. Certifique-se de válvula de alimentação de ar do rolamento de ar disco giratório é aberta ea leitura do medidor de pressão está na faixa de trabalho correta (60-80 psig). Limpar tudo o que possa impedir o movimento do disco e rode o disco com a mão em ambas as direções 5 rotações para verificar se há algum problema com o disco e rolamentos.
   2. Limpo e garantir o gás comprimido fechado acumulador para pressurização fluido de teste. Pour 3 kg de líquido de teste na porta de fluido do acumulador de 1 galão.
   3. Ligue a porta de gás do acumulador para o tanque de azoto, através de um regulador de pressão. Ligue a porta de fluido do acumulador para o bico de jacto de pulverização.
4. Montar um sistema de controle e sistema de imagem de alta velocidade.
   1. Inicie o software de controle de disco giratório e software de controle VFD.Posição duas câmeras de cinema de alta velocidade 35 centímetros de distância do ponto de impacto e ajustar as lentes de ampliação alta para capturar o ponto de colisão de dois ângulos.
   2. Ajuste a fonte de luz 150 W de fibra óptica para conseguir um fundo uniformemente iluminada para a melhor qualidade de imagem (Figura 1). Ligue o sistema de controle neste momento para facilitar o ajuste da câmera.
   3. Realizar a rotina de auto-seleção, clicando no botão "Auto-check" no software de controle para garantir que o sistema está funcionando conforme o esperado.
5. Realizar um teste de jet choque
   1. Defina a velocidade do disco para o valor desejado com o software de controle VFD (500-3,000 rpm).
   2. Para realizar um teste, lançar a sequência experimental automatizado do software de controle, clicando no botão 'seqüência Test'. O software determinar os parâmetros óptimos automaticamente e coordenar cada componente do sistema para executar o teste de conformidade.
   3. Salve o vídeo de teste de colisão resultante (ver, por exemplo, a captura de tela na Figura 2). Leia e velocidade de superfície recorde, bico de volta pressão e temperatura a partir do software de controle.
      Nota: Depois de cada teste, uma sequência de limpeza de disco é executado automaticamente para enxaguar e secar a superfície do disco. Repetir o ciclo de limpeza, conforme necessário, até que todos os resíduos de fluido de teste ter sido removido.
      CUIDADO: Embora fluidos de teste e solução de água de glicerina pode ser feita com a sequência de limpeza, outros LFMs precisam ser limpos com solventes orgânicos, tais como acetona. Em tais casos, aplicar o material de limpeza para um pano em vez de pulverizar directamente no disco.
6. Análise De Dados
   1. Prepara-se uma folha de cálculo que contém informações em cada condição de teste (por exemplo, as propriedades dos fluidos, temperatura ambiente, a rugosidade da superfície, etc.).
   2. Abra as imagens de jet impingement gravados com software de visualização cine, reproduzir gravações de vídeo completas em normaisacelerar e observar comportamentos jet síndrome do impacto.
   3. Grave características de comportamento de contusão (respingo / salpicos / deposição; veja a Figura 3) na planilha preparada, registrando quaisquer variações anormais que podem indicar complicações com o experimental set-up.
   4. Salve os resultados do teste e as condições em uma planilha. Grave resultados notáveis ​​e ocorrências anormais no log de ​​teste (por exemplo, Splash / deposição de ponto limite, transições respingo / deposição, etc.). Salve screenshots quando necessário.
   5. Realizar medições de análise de imagem e os dados de registro.
      1. Inicie a ferramenta de medição de pixels na tela. Imagens impingement Open, e calibrar a escala da imagem medindo um micro-governante nas imagens com a ferramenta de medição de pixels na tela (Figura 4).
      2. Dimensões medida de interesse (por exemplo, a largura lamela spread, W, e lamela raio ponto de estagnação, R; veja a Figura 5) com a medição do pixel tool em um ponto onde o jato parece ser mais estável nos dados de vídeo e gravar na planilha preparada. Então, um outro grupo de medições de 100 quadros após o primeiro grupo de medições de confirmar que tanto o jacto e a lamela são estáveis. Pontos de dados em um gráfico Plot e completar o ajuste de curva.

2. Air Canhão Dispositivo

1. Identificar as condições de teste desejados e preparar os materiais como no passo 1.1 e passo 1.2.
2. Desempenho de Experimentos
   1. Ligue o software de controle do sistema.
   2. Insira o projétil no cano de canhão. Mova o mecanismo de parada perto da saída barril para captar adequadamente o projétil após um teste (Figura 6).
   3. Abra a linha de edificação ar pressurizado que conduz ao tanque de ar. Pressurizar o tanque de entre 30 psi e 70 psi, dependendo da velocidade do projéctil desejado. 30 psi de pressão do tanque dá uma velocidade de projétil de cerca de 5m / seg, e 70 psi dá uma velocidade de cerca de 25 m / seg.
   4. Prepare o acumulador de gás comprimido fechado para pressurização de fluido de teste.
      1. Pour 3 kg de líquido de teste na porta de fluido do acumulador. Conecte o tubo da válvula de gás acumulador ao bico jato de spray líquido, e definir a pressão do acumulador de até 300 psig.
   5. Coloque a câmera para o jack tesoura. Prenda o jack tesoura para a plataforma posicionada próxima ao bico jato de spray.
   6. Fixe a fonte de luz de alta intensidade para a plataforma posicionada em frente à câmera e por trás da folha de difusão. Verifique iluminação e posicionamento da câmera usando a função de visualização da câmera de vídeo da interface de controle de software, e ajustar o posicionamento conforme necessário (Figura 7).
   7. Coloque em earmuffs para proteção contra a explosão de som canhão de ar.
   8. Destrave o painel de controle do canhão, e pressione o botão de alerta no painel de controle várias vezes para sinalizaro início de uma experiência.
   9. Aperte o botão do painel de controle que abre a válvula solenóide que liga o tanque de ar com o barril canhão de ar.
   10. Depois do dispositivo ter sido disparado e o projéctil capturado, o dispositivo de limpar esfregando-o com o fluido de limpeza e uma esponja para remover fluido de teste residual. Finalmente, secar a superfície do impacto do projétil.
3. Medir a velocidade do projéctil na vídeo de alta velocidade registada por medição da quantidade de tempo necessário para que o projéctil para uma viagem (10 cm) de distância fixa. Analisar dados como no passo 1.5.

Resultados

Como discutido na seção introdutória, os três principais comportamentos associados com o choque do jato de líquido são deposição, splatter e respingo. Esses comportamentos jet impingement são observados usando dados de vídeo gravados por câmeras de cinema de alta velocidade posicionados em vários pontos ópticos. Exemplos de imagens fixas, obtidos a partir das gravações de vídeo, que representam as três resultados de jacto de líquido estão representados na Figura 3. A Figura 3A d...

Discussão

O projéctil usado para o canhão de ar de configuração é composta por uma base de peso leve, de madeira. Embora os chips de materiais de madeira ligeiramente após numerosos ensaios, verificou-se a absorver a energia cinética de projécteis de forma mais eficaz compostas de materiais tais como plástico ou metal, que tendem a quebrar impacto sobre o mecanismo de paragem. As dimensões do projétil de madeira são projetados para corresponder de perto o interior barril de aço, restringindo assim o vazamento de ar. ...

Materiais

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)