Визуализация Высокоскоростной струи жидкости столкновение на движущейся поверхности

Резюме

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.

Аннотация

Два аппараты для исследования жидкой струи покушение на высокой скорости движущейся поверхности описаны: воздух пушки устройство (для изучения скорости поверхности между 0 и 25 м / сек) и вращающийся диск устройства (для изучения скорости поверхности между 15 и 100 м / сек). Воздух пушки линейного перемещения является энергия питанием пневматическая система, которая предназначена для ускорения металла поверхности рельса, установленного на вершине деревянной снаряда. Под давлением баллона с электромагнитным клапаном быстро выпускает сжатый воздух в цилиндр, заставляя снаряд вниз ствол пушки. Снаряда проходит под распылительным соплом, которое падает струи жидкости на его верхней поверхности металла, а затем снаряд попадает в механизм останова. Камера записывает реактивный покушение, и датчик давления регистрирует противодавление форсунку. Вращающийся диск настройки состоит из стального диска, который достигает скорости 500 до 3000 оборотов в минуту с помощью частотно-регулируемого привода (VFD) двигателя. Система распыления сиMilar к тому, что из воздуха пушки генерирует струю жидкости, что посягает на вращающийся диск, и камеры, размещенные в нескольких точках оптического доступа записи реактивный покушение. Видеозаписи процессов струи с преградой записываются и исследован, чтобы определить является ли результат соударения всплеск, брызги, или осаждения. Аппараты сначала, что связаны с высокой скоростью соударения по недорогим числа Рейнольдса струи жидкости на высокой скорости движущихся поверхностей. В дополнение к его применения железнодорожной отрасли, описаны методика может быть использована для технических и промышленных целей, таких как выплавке стали и может иметь отношение к высокоскоростной 3D-печати.

Введение

Это исследование направлено на определение стратегии для применения LFM (жидкостного трения модификатор) в жидком виде струи на движущейся поверхности при достижении высоких степеней эффективности передачи и единых результатов осаждения. Достижение этой цели предполагает разработку полного понимания факторов, которые влияют на струю жидкости покушение на движущихся поверхностях.

Проект мотивируется необходимостью повышения эффективности методов нанесения смазки, используемых в железнодорожном секторе. В качестве средства снижения потребления топлива и локомотивов расходы на техническое обслуживание, тонкую пленку трения модификатором в настоящее время применяется к верхней поверхности рельса обычных железнодорожных путей. Недавние исследования показали, что применение одного типа МЛС на водной основе для головки рельса (ТЗ) от трения уменьшается уровень потребления энергии на 6% и железнодорожного и фланца колеса износу более 50% ^1,2. Другие исследования показали, что применение ЛЧМ для железнодорожных путей сниженияс поперечная сила и уровень шума, а также, что более важно, отслеживать гофра и ущерб от качения усталости, которая является основной причиной схода с рельсов ^3,4. Эти результаты были дополнительно подтверждены в полевых испытаний в системе ⁵ токийском метро.

НЧМ в настоящее время освобождены от Air Blast форсунок, прикрепленных к десяткам локомотивов по всей Канаде и Соединенных Штатах. В этой форме применения, ЛЧМ применяется к верхней части железной дороги с форсунок, установленных под перемещении железнодорожных вагонов. Этот способ применения ЛЧМ трудно реализовать на многих железнодорожных локомотивов, так как требует большого объема и уровень подачи воздуха под высоким давлением может быть достижимы. Распылительные форсунки с помощью воздушных Считается также, что для получения высокой неправильную освещение железнодорожных при работе с боковым ветром, а ветры вызывают мелкие капельки аэрозоля отклоняться от своей первоначальной траектории. Crosswinds также известно, вовлечены в сопла обрастания, вероятно, за то же самоепричина. Из-за проблем, связанных с Air Blast форсунок, железнодорожной отрасли в настоящее время ищет альтернативные подходы к ЛЧМ приложение на железнодорожных путях. Один жизнеспособным решением включает в себя выдачи LFM посредством непрерывного (не распыленного) струи жидкости, как струи жидкости менее восприимчивы к боковым ветром эффекты, связанные с их низким коэффициентом сопротивления-к-инерции. Кроме того, поскольку высокий уровень давления воздуха и объема, необходимые для распылителей не требуется в жидких технологий струя, последний акт как более рациональной и эффективных механизмов распыления, что обеспечить эффективный контроль за скоростью ЛЧМ применения.

Площадь аналогичным физики, капли, ударам, интенсивно изучался. Было установлено, несколькими исследователями, что для капель покушение на движущийся сухой гладкой поверхности, разбрызгивая поведение зависит от многих параметров, включая вязкости, плотности, поверхностного натяжения и нормальной составляющей скорости удара ^14,15. Птица и др. показали, что оба нормальные и касательные скорости были критически важное значение ^16. Диапазон др. И Крукс и др. Показали, что для капель покушение на стационарном сухой поверхности, шероховатость поверхности существенно снижает порог заставки (то есть, он делает капли более склонны к брызгам) ^17,18.

Несмотря на практическое значение, водные покушение на движущихся поверхностях уделяется мало внимания в научной литературе. Чиу-Webster и Листер провели обширную серию экспериментов, которые рассмотрев стационарных и нестационарных вязких реактивный покушение на движущейся поверхности, и авторы разработали модель для случая установившегося течения ^6. Hlod др. Моделировали поток с помощью третьего порядка ОДУ на домене неизвестной длины по дополнительному интегральным условием и по сравнению предсказанные конфигурации с экспериментальными результатами ^7. Тем не менее, рассматривается числа РейнольдсаВ обоих этих исследований значительно ниже, чем те, которые связаны с типичными приложениями железнодорожных ЛЧМ. Gradeck др. Численно и экспериментально исследованы поле потока струи воды, ударам на движущуюся подложку под различной скорости струи, скорость поверхности, а также условий диаметр сопла ^8. Fujimoto и др. Кроме того, исследуемые характеристики потока круговой струи воды, падающей на движущуюся подложку, покрытую тонкой пленкой воды ^9. Тем не менее, эти два проекта используются относительно большие диаметры сопел и нижнюю поверхность и скоростей струи по сравнению с занятых в данной работе. Кроме того, хотя предыдущие экспериментальные, численные и аналитические исследования дают большой объем данных, большинство из них сосредоточено на параметры теплопередачи, а не на процессах потока жидкости, такие как поведение струи брызг. Экспериментальный метод, представленная в настоящем исследовании, таким образом, способствует жидких технологий струйной приложений путем повторногоштрафовать таких методов в условиях, связанных с меньшим реактивных патрубков диаметром и высокоскоростные струи и поверхностные скорости. Данный способ также уточняет знания об основных задачах механики жидкости, связанные с перемещением контактной сети.

Исследования, упомянутые выше, как правило, участвуют взаимодействие жиклер низких оборотов с поверхности с низким коэффициентом скорости движения. Там были сравнительно мало исследований ламинарного высокоскоростной струи покушение на высокой скорости движения поверхностей. Во высокоскоростной струи жидкости столкновение струи жидкости распространяется в радиальном направлении в непосредственной близости от места соударения, образуя тонкую пластинку. Это пластинка затем convected вниз по течению вязкой воздействие, введенные движущейся поверхности, производя характерный U-образную пластинку. Кешаварз и др. Сообщили об экспериментах, использующих Ньютона и упругие струй жидкости, падающих на высокоскоростных поверхностей. Они классифицировали Покушение процессы в двух различных типов: "осаждения и# 8221; и "всплеск" ^10. Для соударения должны быть классифицированы как осаждение, струя жидкости должна прилипать к поверхности, в то время как заставка характеризуется жидкой пластинки, которая отделяет от поверхности, а затем распадается на капли. Третий режим соударения также была описана - "брызги". В этом, сравнительно редких, режима ламелями остается прикрепленной к поверхности, как и для "осаждение", но мелкие капельки вылетают из-под передней кромки пластинки. В последующем исследовании неньютоновских жидкостей эффектов, Кешаварз и др. Пришли к выводу, что всплеск / порог осаждения в основном определяется числами Рейнольдса и Дебора, в то время как угол струи покушение и скорость струи на поверхность соотношения скоростей есть только незначительный эффект ¹¹ , В экспериментах, проведенных при переменных давлениях окружающего воздуха, Moulson и др. Обнаружили, что всплеск / осаждения пороговое число Рейнольдса резкоувеличивается с уменьшением давления окружающего воздуха (то есть, более высокое давление окружающей среды делают струи более склонны к всплеск), при снижении давления окружающего воздуха ниже определенного порога подавляет всплеск полностью ^12. Этот вывод наводит на мысль, что аэродинамические силы, действующие на ламели играют решающую роль в возникновении ламелями отрыва и последующее всплеск. В недавней работе по высокоскоростной покушение на высокой скорости подложки, Стерлинг показал, что для скорости основы и реактивных условиях, близких к порогу заставки, заставки могут быть вызваны очень малым локализованным шероховатости поверхности и внутренний реактивного неустойчивости. Он также показал, что в этих условиях ламелей отрыва и присоединения является стохастический процесс ^13.

Экспериментальный протокол, описанный здесь, может быть использован для изучения других физических ситуаций, связанных с взаимодействием жидкости с движущейся высокой поверхностной скорости. Например, тот же подход может быть использован для изучения вертолет BLADе-взаимодействия вихрей (при условии, что вихрь жидкость окрашена трассирующих частиц) и роботизированной распыление поверхностей.

протокол

1. вращающийся диск устройства

1. Определить необходимые условия испытаний и условия записи теста в таблице (например, температура окружающей среды, свойства жидкости, водные и наземные скорость и т.д.).
2. Подготовка материалов
   1. Подготовка глицерина с водой или ПЭО-глицерин-водные растворы для отбойных испытаний.
      1. В случае испытаний ПЭО-глицерин-вода, постепенно растворяется 4,5 г ПЭО порошка (вязкости средней молекулярной массой один миллион и четыре миллиона) в 1495,5 г дистиллированной воды при легком перемешивании магнитной мешалкой в ​​течение периода 24 ч. Избегайте чрезмерно перемешивания ПЭО образца для предотвращения механических деградации.
      2. Постепенно добавить 1,5 кг USP класса глицерина в водном ПЭО раствор в течение 24 ч, чтобы достичь водный раствор 0,15% -ной концентрации ПЭО и 50% концентрации глицерина.
   2. Храните тест-жидкости отдельно в герметичных контейнерах при комнатной температуре до и после каждого испытания на мини-Mize испарения, поглощения воды из окружающего воздуха и загрязнений. Охарактеризуйте и попадания жидкостей в течение пяти дней после приготовления.
3. Проведения экспериментов
   1. Убедитесь, что подача воздуха клапан воздушного подшипника вращающийся диск является открытым и чтение манометр в правильном рабочем диапазоне (60-80 фунтов на квадратный дюйм). Ясно все, что может препятствовать движению диска и повернуть диск вручную в обоих направлениях 5 оборотов, чтобы проверить наличие проблем с диском и подшипниками.
   2. Чистое и безопасное сжатый газ закрыта аккумулятор для давления испытуемой жидкости. Залить 3 кг испытательной жидкости в жидкостный порт аккумулятора в 1-литровый.
   3. Подключение газового порта аккумулятора в резервуар азота с помощью регулятора давления. Подключите порт жидкости аккумулятора в сопло струйного распыления.
4. Настройка системы управления и системы визуализации высокой скоростью печати.
   1. Запустите программу управления вращающимся диском и программное обеспечение управления частотно-регулируемого привода.Должность два высокоскоростных киносъемочная 35 см от точки соударения и настройка уровня линзы Увеличительные линзы, чтобы захватить точку соударения с двух сторон.
   2. Отрегулируйте 150 Вт волоконно-оптический источник света для достижения равномерно освещен фон для лучшего качества изображения (рисунок 1). Включение системы управления в этой точке, чтобы облегчить регулировку камеры.
   3. Выполните процедуру самодиагностики, нажав на кнопку "Самоконтроль" в программном обеспечении управления, чтобы убедиться, что система функционирует, как ожидалось.
5. Выполните проверку струи соударения
   1. Установите скорость диска до требуемого значения с программным обеспечением управления VFD (500-3000 оборотов в минуту).
   2. Чтобы выполнить тест, запустить автоматизированную экспериментальную последовательность с помощью программного обеспечения управления, нажав на кнопку "тестовую последовательность». Программное обеспечение будет определить оптимальные параметры автоматически и координат каждого компонента системы, чтобы соответствующим образом выполнить тест.
   3. Сохраните полученную тестовую покушение видео (см, например, снимок экрана на рисунке 2). Скорость чтения и записи поверхность сопла, обратное давление и температуру с помощью программного обеспечения управления.
      Примечание: После каждого испытания, последовательность очистки диска запускается автоматически, чтобы ополоснуть и высушить поверхность диска. Повторите цикл очистки по мере необходимости, пока все остатки испытательной жидкости была удалена.
      ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Во время испытаний вода и глицерин решение жидкости могут быть очищены с последовательностью очистки, другие НЧМ должны быть очищены с помощью органических растворителей, таких как ацетон. В таких случаях, применяются для очистки материала с тканью, а не распыления диск непосредственно.
6. Анализ Данных
   1. Подготовка информации таблицу, содержащую на каждом условии испытания (например, свойств жидкости, температуры окружающей среды, шероховатости поверхности и т.д.).
   2. Откройте записанные струи Покушение изображения с просмотром кино программного обеспечения, играть полные видеозаписи при нормальномускорить и наблюдать струя Покушение поведения.
   3. Запись поведения покушение характеристики (всплеск / разбрызгивание / осаждения, см рисунок 3) в готовой таблицы, войдя какие-либо необычные тенденции, которые могут указывать на осложнения с экспериментальной установки.
   4. Сохранение результатов испытаний и условия, в электронную таблицу. Запись заметные результаты и необычные явления в лог (например, всплеск / осаждения пороговой точки, переходы всплеск / осаждения и т.д.). Сохранение скриншотов в случае необходимости.
   5. Проведение измерений анализа изображений и записать данные.
      1. Запустите измерения пикселей инструмента на экране. Открытые Покушение изображений и откалибровать шкалу изображения с помощью измерения микро-правителя на изображениях с измерительным пикселей инструмента на экране (рисунок 4).
      2. Мера размеры интереса (например, ширины распространения ламель, W, и ламели радиус точки торможения, R, см рис 5) с измерительного пикселей Тоол в точке, где стру по-видимому, наиболее стабильна в видео и запись данных в подготовленную таблицу. Затем возьмите другую группу измерений 100 кадров после первой группе измерений для подтверждения, что оба струи и ламели являются стабильными. Точки данных Участок на графике и завершить подгонки кривой.

2. Воздух Кэннон устройства

1. Определить необходимые условия испытаний и подготовки материалов, как в шаге 1.1 и шагу 1.2.
2. Проведения экспериментов
   1. Мощность до программного обеспечения системы управления.
   2. Вставьте снаряд в ствол пушки. Перемещение механизм остановки, расположенной рядом с выходом баррель правильно захватить снаряд после испытания (рисунок 6).
   3. Откройте линии под давлением воздуха в здание, ведущую к резервуара воздуха. Давление в резервуар в пределах от 30 фунтов на квадратный дюйм и 70 фунтов на квадратный дюйм, в зависимости от желаемой скорости снаряда. 30 Давление PSI бак дает скорость снаряда около 5м / сек и 70 фунтов на квадратный дюйм дает скорость около 25 м / сек.
   4. Подготовка сжатого газа закрытым аккумулятор для давления испытуемой жидкости.
      1. Налейте 3 кг исследуемой жидкости в жидкостный порт аккумулятора. Подключите трубку от аккумулятора газовый клапан сопла струи жидкости распыления и установите давление в аккумуляторе до 300 фунтов на квадратный дюйм.
   5. Прикрепите камеру к гнезду ножницами. Закрепите разъем ножниц для платформы, расположенной рядом с соплом струйного распыления.
   6. Закрепите интенсивный источник света с платформы, расположенной через дорогу от камеры и за диффузии листа. Проверьте освещение и положение камеры, используя функцию просмотра видео камеры интерфейса управления программное обеспечение и настроить расположение по мере необходимости (рисунок 7).
   7. Положите на наушники для защиты от воздушного пушечного звука взрыва.
   8. Разблокировать панель управления пушка, а затем нажмите кнопку предупреждения, на панели управления несколько раз, чтобы сигнализироватьНачало эксперимента.
   9. Нажмите кнопку на панели управления, открывается электромагнитный клапан, соединяющий бак воздуха с воздухом ствол пушки.
   10. После того, как устройство было выпущено и снаряд в плен, чистки устройства, протерев его чистящей жидкости и губку для удаления остаточных испытательной жидкости. И, наконец, сушат в соударения поверхности снаряда.
3. Измерение скорости снаряда в записанном высокоскоростной видео путем измерения количества времени, необходимого для снаряда для поездки фиксированное (10 см) расстояние. Анализ данных, как на этапе 1.5.

Результаты

Как уже говорилось в вводной части, три основные модели поведения, связанные с жидкой струи соударения являются отложения, брызги и всплеск. Эти струи Покушение поведения наблюдаются с помощью видео файлы, записанные на высокоскоростных киношных камер, расположенных в различных оп...

Обсуждение

Снаряд для воздушной пушки настройке состоит из легкого, но деревянной основе. Хотя деревянных материалов чипов слабо после многочисленных испытаний, было обнаружено, чтобы поглотить кинетическую энергию более эффективно, чем снарядов, состоящих из материалов, таких как пластмассы и?...

Материалы

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)