Bir Hareketli Yüzeyde Yüksek Hızlı Sıvı Jet birikiminin Görselleştirme

Özet

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.

Özet

Yüksek hızlı bir hareket eden yüzey üzerine bir sıvı jetinin incelenmesi için iki cihaz tarif edilmektedir: Bir hava top cihazı 15 ve 100 m arasında yüzey hızları incelenmesi için bir döner disk cihazı ((0 ile 25 m / san arasında yüzey hızları incelenmesi için) / sn). Hava topu doğrusal hareket ahşap merminin üstüne monte edilmiş bir metal ray yüzeyi hızlandırmak için tasarlanmış bir pnömatik enerji güç bir sistemdir. Bir selenoid vana ile donatılmış bir basınçlı silindir hızla top namlusu aşağı merminin zorlayarak, varil içine basınçlı hava bültenleri. Mermi metal üst yüzey üzerine bir sıvı jetinin çarpar bir püskürtme memesi altından geçecek ve mermi daha sonra bir durdurma mekanizması vurur. Bir kamera jet sıkışma kaydeder ve bir basınç dönüştürücü püskürtme memesi backpressure kaydeder. döner disk set-up değişken frekanslı sürücü (VFD) motor ile 500 rpm 3000 hızlarına ulaşan bir çelik disk oluşur. Bir püskürtme sistemi siHava topu o kadar Milar dönen diske impinges bir sıvı jet üretir, ve birkaç optik erişim noktalarında yerleştirilen kameralar jet sıkışma kaydedin. Jet sıkışma süreçlerinin video kayıtları kaydedildi ve sıkışma sonucu sıçrama, sıçramak, ya da çökelme olup olmadığını belirlemek için incelenir. aparatları yüksek hızlı hareketli yüzeylerde düşük Reynolds numarası sıvı jetleri yüksek hızda çarpmasını içeren ilk bulunmaktadır. Ray sanayi uygulamalara ek olarak, açıklanan teknik gibi çelik üretim gibi teknik ve endüstriyel amaçlar için de kullanılıyor olabilir ve yüksek hızlı 3D baskı ile ilgili olabilir.

Giriş

Bu araştırma transferi verimliliği ve düzgün birikim sonuçlarının yüksek derecelerde elde ederken hareketli yüzeye sıvı jet formunda LFM (Sıvı Sürtünme Değiştirici) uygulanması için stratejiler belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu hedefe ulaşmada yüzeyleri hareketli sıvı jet sıkışma etkileyen faktörler kapsamlı bir anlayış geliştirme içerir.

Proje demiryolu sektöründe kullanılan yağlama uygulama tekniklerinin etkinliğini artırmak için bir ihtiyaç motive edilir. Yakıt tüketimi ve lokomotif bakım maliyetleri, sürtünme modifiye edici maddenin, ince bir film tabakası azaltmanın bir yolu olarak, klasik rayların üst ray yüzeyine tatbik edilmektedir. Son zamanlarda yapılan çalışmalar, rayın üst için su bazlı LFM bir tür uygulama (Devri) sürtünme kontrolü 50,% ^1,2 aşan göre aşınma% 6 ve demiryolu tekerlek flanşı ile enerji tüketim seviyelerini azalttığını göstermiştir. Diğer çalışmalar demiryolu parça için geçerli LFM azalttığını göstermiştirlateral kuvvet ve gürültü seviyeleri yanı sıra, daha da önemlisi, parça oluk ve raydan ^3,4 önemli bir nedenidir haddeleme temas yorgunluğu, gelen hasar. Bu sonuçlar daha Tokyo metro sistemi ⁵ saha testleri teyit edilmiştir.

LFMs şu anda Kanada ve Amerika Birleşik Devletleri boyunca lokomotif onlarca bağlı hava üflemeli atomizörler dağıtılır. Bu uygulama biçiminde, LFM demiryolu araba hareket altına monte atomizörler ile rayların üstüne uygulanır. Gerekli yüksek hacimli ve yüksek basınçlı hava besleme düzeyleri ulaşılabilir olmayabilir çünkü LFM uygulama Bu mod, birçok demiryolu lokomotif uygulamak zordur. Hava püskürtmeli sprey memeleri, aynı zamanda, bir crosswind çalıştırıldığında rüzgar var orijinal yoldan sapmaya ince damlacıkları neden olarak, yüksek ölçüde düzensiz ray kapsama üretmek inanılmaktadır. Aynı için rüzgar var da meme kirlenme dahil olduğu bilinmektedir, büyük olasılıklanedeni. Hava üflemeli atomizerlerine ile ilişkili sorunlar nedeniyle, demiryolu sektörü şu anda ray parçaları üzerine LFM uygulamasına alternatif yaklaşımlar arıyor. Geçerli bir çözüm, sıvı jetleri nedeniyle düşük sürükleme kadar atalet oranı etkileri crosswind karşı daha az hassas olduğundan, kesintisiz bir (atomize olan) bir sıvı jet ile LFM dağıtma içerir. Ayrıca, atomize memeleri için gerekli olan yüksek hava basıncı ve ses seviyeleri sıvı jet püskürtme teknolojileri gerekli değildir, çünkü LFM uygulama oranı üzerinde etkili kontrolünü sürdürmek daha akıcı ve sağlam püskürtme mekanizmaları olarak ikinci hareket.

Benzer fizik, damlacık sıkışma bir alan, yoğun çalışılmıştır. Bu hareket, kuru düz bir yüzeye damlacık sıkışma için, davranış sıçramasına viskozite, yoğunluk, yüzey gerilimi ve darbe hızı ^14,15 normal bileşeni içeren birçok parametreye bağlı olduğunu birçok araştırmacı tarafından bulundu. Kuş ve diğ., normal ve teğetsel hızlar kritik önem ¹⁶ olduğunu gösterdi. Sınıf ve ark. Ve Crooks ve diğ., Bir sabit kuru bir yüzey üzerinde damlacık çarpması için, yüzey pürüzlülüğü önemli ölçüde sıçrama sınırını düşürür göstermiştir ^17,18 (yani, damlacık daha yatkın sıçrama sağlar).

Pratik önemine rağmen, hareketli yüzeylerde jet sıkışma akademik literatürde çok az ilgi görmüştür. Chiu-Webster ve Lister hareketli bir yüzey üzerinde kararlı ve kararsız viskoz jet sıkışma incelenen deneylerin geniş bir dizi gerçekleştirilen ve yazarlar sürekli akış halinde ⁶ için bir model geliştirdi. Hlod ark. Deneysel sonuçlarla ⁷ ile ek ayrılmaz koşullarda uzunluğu bilinmeyen bir etki alanındaki bir üçüncü dereceden ODE vasıtasıyla akışını ve karşılaştırılmıştır tahmin yapılandırmaları modellenmiştir. Ancak, Reynolds sayıları incelendiğindeBu çalışmaların hem tipik demiryolu LFM uygulamaları ile ilgili çok daha düşüktür. Gradeck ark. Sayısal ve deneysel çeşitli jet hızı, yüzey hızı ve meme çapı koşulları ⁸ altında hareket eden alt tabaka üzerine su jeti çarpma akış alanını araştırdık. Fujimoto ve arkadaşları., Su ⁹ ince bir film ile kaplı bir hareket eden alt-tabaka üzerine çarpan bir dairesel su jetinin ilave incelenmiştir akış özellikleri. Bununla birlikte, bu iki proje nispeten büyük meme çapları ve bir alt yüzeye ve bu çalışmada kullanılanlara göre püskürtme hızları kullanılır. Önceki deneysel sayısal ve analitik çalışmalar büyük bir veri vücut sağlamak olsa Dahası, çoğunluk ısı transferi parametreleri ziyade, jet sıçramasına davranış olarak sıvı akış süreçleri üzerine odaklanmıştır. Bu araştırmada verilen deneysel yöntem, böylece yeniden sıvı jet uygulama teknolojileri katkıdaküçük jet nozul çapları ve yüksek hızlı jet ve yüzey hızları içeren koşullar altında böyle teknikler inceltme. Bu yöntem ayrıca irtibat hatları hareketli ilişkili temel akışkanlar mekaniği problemleri hakkında bilgi geliştirir.

Yukarıda belirtilen çalışmalar genellikle düşük hızlı hareket eden yüzeyi ile düşük hızda jet etkileşimi yer var. Yüksek hızlı hareketli yüzeylere laminer yüksek hızlı jet sıkışma nispeten az sayıda çalışma bulunmaktadır. Yüksek hızlı sıvı jet impaktörü sırasında jet sıvı ince bir lamel oluşturan, darbe yerin yakınında radyal yayılır. Bu lamel sonra viskoz bir karakteristik U-şekilli lamel üreten, hareketli yüzeyi tarafından dayatılan zorlama ile mansap konveksiyonel edilir. Keshavarz ve diğ., Yüksek hızlı yüzeyler üzerine çarpan Newton ve elastik sıvı jetleri kullanan bu deneyler bildirmiştir. Bunlar iki ayrı gruba çarpma işlemlerini sınıflandırılmıştır: "biriktirme &# 8221; ¹⁰ "sıçrama". Darbe birikimi olarak sınıflandırılır için sıçrama damlacıklar halinde kırılır sonra yüzeyden ayırır ve sıvı lamel ile karakterizedir ise, jet sıvı, yüzeye uygun olmalıdır. Üçüncü sıkışma rejimi de tarif edilmiştir - "sıçramak". Bu, nispeten nadir rejiminde lamel "biriktirme" gibi, yüzeye bağlı kalır, ancak ince damlacıklar lamel ön kenarına yakın uzaklaştırılırlar. Newton tipi olmayan sıvı etkileri Takip eden bir çalışmada, Keshavarz ve ark. Sıçrama / yerleştirme barajın, hız oranı yüzey jet çarpma açısı ve püskürtü hızı, sadece küçük bir etkiye sahipken, Reynolds ve Deborah sayı ile belirlendiği sonucuna varmışlardır ¹¹ . Değişken ortam hava basınçları altında yapılan deneylerde, Moulson ark. Keşfetti sıçrama / çökelme eşik Reynolds sayısı dramatik olduğunuBelirli bir eşik ¹² tamamen sıçrama bastırır altında ortam hava basıncını düşürürken ortam hava basıncının azalması ile artar, (yani, yüksek ortam basıncı sıçrama jetleri daha eğilimli hale). Bu bulgu güçlü lamel üzerinde etkili aerodinamik kuvvetler lamel kaldırma-off ve sonraki sıçrama neden önemli bir rol oynadığını düşündürmektedir. Yüksek hızlı alt tabaka üzerinde yüksek hızlı çarpma üzerine son çalışmada, Sterling substrat hızı ve sıçrama eşiğine yakın jet koşulları için, sıçrama çok küçük lokalize yüzey pürüzlülüğü ve küçük jet dengesizlik tarafından tetiklenen olabileceğini gösterdi. O da bu koşullar lamel kaldırma-off ve yatıştırıldı altında stokastik süreç ¹³ olduğunu gösterdi.

Burada açıklanan deneysel protokol hareket eden bir yüksek hızlı yüzey ile sıvının temas içermeyen diğer fiziksel durumları incelemek için kullanılabilir. Örneğin, aynı yaklaşım helikopter blad incelemek için kullanılabilirE-girdap (vorteks sıvı izleyici parçacıkları ile renkli olması kaydıyla) etkileşim ve yüzeylerin robotik püskürtme.

Protokol

1. İplik Disk Cihazı

1. (Örneğin, ortam sıcaklığı, akışkan özellikleri, jet ve yüzey hızı, vs.) bir tablo istenen test koşullarını ve kayıt test koşulları belirleyin.
2. Malzemelerinin Hazırlanması
   1. Sıkışma testleri için gliserin-su ya da PEO-gliserin-su çözümleri hazırlayın.
      1. PEO gliserin su testi durumunda, yavaş yavaş, 24 saatlik bir süre boyunca hafif bir manyetik karıştırma altında damıtılmış su 1495,5 g 'ı içerisine PEO tozu (bir milyon ile dört milyon viskozite-ortalama moleküler ağırlığı) 4.5 g çözülür. Aşırı mekanik bozulmayı önlemek için PEO örnek ajitasyon kaçının.
      2. Yavaş yavaş 0.15% PEO konsantrasyon ve% 50 gliserin konsantrasyonunun sulu bir çözüme ulaşmak için, 24 saatlik bir süre boyunca sulu bir PEO çözeltisine USP dereceli gliserin, 1.5 kg ekleyin.
   2. Önce ve mini her testten sonra RT altında hava geçirmez kaplarda ayrı ayrı deney sıvıları MağazaMize buharlaşma, ortam hava ve kirden su emme. Karakterize ve hazırlık beş gün içinde sıvıları sprey.
3. Deneylerin Performans
   1. Emin olun dönen disk hava rulmanın hava besleme vanasının açık olduğunu ve manometre okuma doğru çalışma aralığı (60-80 psi) olduğunu. Disk ve yatakları ile herhangi bir sorun olup olmadığını kontrol etmek 5 rotasyonlar, disk hareketini engelleyen ve her iki yönde elle diski dönüşebilir Temizle şey.
   2. Temiz ve güvenli sıkıştırılmış gaz test sıvısı basınçlandırması için akümülatör kapalı. 1-galon akümülatör sıvı portuna test sıvısı 3 kg dökün.
   3. Bir basınç regülatörü aracılığı ile azot tankına akümülatör gaz noktasını bağlayın. Jet püskürtme memesine akümülatör sıvı portuna bağlayın.
4. Set up kontrol sistemi ve yüksek hızda görüntüleme sistemi.
   1. Dönen disk kontrol yazılımı ve VFD kontrol yazılımı başlatın.Pozisyon iki yüksek hızlı sine 35 cm uzakta darbe noktasından kamera ve iki açıdan sıkışma noktasını yakalamak için yüksek büyütme lensleri ayarlayın.
   2. En iyi görüntü kalitesi (Şekil 1) için bir eşit aydınlatılmış arka plan elde etmek için 150 W fiber optik ışık kaynağı ayarlayın. Bu noktada kontrol sistemi Güç kamera ayarı kolaylaştırmak için.
   3. Beklendiği gibi sistem çalıştığından emin olmak için kontrol yazılımı 'Öz-kontrol' butonuna tıklayarak kendini kontrol rutin gerçekleştirin.
5. Bir jet sıkışma testi yapın
   1. VFD kontrol yazılımı (500-3,000 rpm) ile istenilen değere disk hızı ayarlayın.
   2. Bir testi gerçekleştirmek için, 'Testi dizisi' butonuna tıklayarak kontrol yazılımı otomatik deneysel dizisi başlatmak. Yazılım otomatik olarak optimal parametrelerini belirlemek ve buna göre testi gerçekleştirmek için sistemin her bileşenini koordine edecektir.
   3. (Örneğin, Şekil 2'de ekran görüntüsünü bakınız) Ortaya çıkan sıkışma testi video kaydetmek. Okuyun ve kayıt yüzey hızı, kontrol yazılımı basıncı ve sıcaklığı geri püskürtme memesine.
      Not: Her testten sonra, bir disk temizleme dizisi durulayın ve disk yüzeyine kurumasını otomatik olarak çalışır. Tüm test sıvısı kalıntı kaldırıldı kadar temizleme döngüsü gerektiği kadar tekrarlayın.
      DİKKAT: su ve gliserin çözeltisi deney sıvıları temizleme dizisi ile temizlenebilir, diğer LFMs aseton gibi organik çözücüler ile temizlenmesi gerekir. Bu gibi durumlarda, doğrudan diski püskürtme yerine bir keçe ile temizlik malzemesi uygulanır.
6. Veri Analizi
   1. Her test koşulu (örneğin, sıvı özellikleri, ortam sıcaklığı, yüzey pürüzlülüğü, vs.) bir elektronik tablo içeren bilgi hazırlayın.
   2. Sine görüntüleme yazılımı ile kaydedilen jet çarpma görüntüleri açın, normal olarak tam video kayıtları oynatmakhızlandırmak ve jet darbe davranışlarını gözlemlemek.
   3. Kayıt sıkışma davranış özellikleri, deney set-up ile komplikasyonları gösterebilir herhangi bir olağandışı trendleri günlüğü, hazırlanan elektronik tabloda (sıçrama / sıçrama / çökelme bakınız Şekil 3).
   4. Bir elektronik test sonuçları ve şartları kaydedin. Tutanak önemli bulgular ve test günlüğüne (örneğin, sıçrama / çökelme eşik noktası, sıçrama / çökelme geçişleri, vb) olağandışı olaylar. Gerektiğinde ekran görüntülerini kaydetmek.
   5. Görüntü analiz ölçümleri ve kayıt verilerini Davranış.
      1. Ekrandaki piksel ölçüm aracı başlatın. Açık sıkışma görüntüleri ve ekrandaki piksel ölçüm aracı (Şekil 4) ile görüntülerde bir mikro-cetvel ölçerek görüntü ölçeğini kalibre.
      2. Piksel ölçüm t (bakınız Şekil 5, örneğin, lamel yayılmış genişliği, W, ve lamel durgunluk noktası yarıçapı, R) ilgi Tedbir boyutlarıjet hazırlanan e-tabloya video ve kayıt verileri en istikrarlı gibi görünen bir noktada ool. Sonra jet ve lamel hem kararlı olduklarını teyit etmek için 100 kare ölçümlerin ilk grup sonra ölçümlerin başka bir grup alır. Bir grafikteki veri noktaları ve eğri uydurma tamamlayın.

2. Hava Topu Cihazı

1. Istenilen test koşullarını belirlemek ve adım 1.1 gibi materyalleri hazırlamak ve 1.2 adım.
2. Deneylerin Performans
   1. Sistem kontrol yazılımı kadar güç.
   2. Top namlu içine mermi yerleştirin. Düzgün bir testte (Şekil 6) sonra mermi yakalamak için varil çıkmak yakın durma mekanizması taşıyın.
   3. Hava tankı giden basınçlı bina hava hattı açın. İstenen mermi hızına bağlı olarak, 30 psi ile 70 psi arasında tankın basınç. 30 psi basınç tankı yaklaşık 5 bir mermi hızını verirm / sn ve 70 psi yaklaşık 25 m / sn'lik bir hıza verir.
   4. Test sıvısı basınçlandırma için sıkıştırılmış gaz kapalı akümülatör hazırlayın.
      1. Akümülatör sıvı portuna test sıvısı 3 kg dökün. Sıvı jet püskürtme memesine akümülatör gaz vanasından boru bağlayın, ve 300 psig akümülatör basıncını ayarlamak.
   5. Makas jack kamerayı takın. Jet püskürtme memesi yanında konumlandırılmış platforma makas jack sabitleyin.
   6. Kamera karşısında ve difüzyon tabakasının arkasına yerleştirilmiş platform, yüksek yoğunluklu ışık kaynağı sabitleyin. Yazılım kontrol arayüzü video kamera izleme işlevini kullanarak aydınlatma ve kamera konumlandırma kontrol edin ve gerekirse (Şekil 7) konumlandırma ayarlayın.
   7. Hava topu ses patlamanın korunmak için earmuffs koyun.
   8. Sinyal birden çok kez topu kontrol paneli kilidini, ve kontrol panelindeki uyarı düğmesine basınBir deney başlangıcı.
   9. Hava topu varil hava tankı bağlayan selenoid vana açılır kontrol paneli düğmesine tıklayın.
   10. Cihaz ateş ve mermi ele sonra, sıvıyı ve artık bir test sıvısını çıkarmak için bir sünger temizlik ile silerek Cihazı temizlemek. Son olarak, merminin çarpma yüzeyini kurulayın.
3. Sabit (10 cm) bir mesafe hareket etmesi merminin için gereken süreyi ölçmek suretiyle kaydedilmiş yüksek hızlı video merminin hızını ölçer. Adım 1.5 gibi verileri analiz.

Sonuçlar

Giriş bölümünde tartışıldığı gibi, sıvı jet sıkışma ile ilişkili üç ana davranışları biriktirme, sıçramak ve sıçrama vardır. Bu jet çarpma davranışları çeşitli optik noktalarda konumlandırılmış yüksek hızda sine kameralar tarafından kaydedilen video verileri kullanılarak gözlenir. Üç sıvı püskürtme sonuçlarını tasvir video kayıtları elde edilen hareketsiz görüntüler, örnekleri, Şekil gösterilmiştir 3. Şekil 3A, püskürtm...

Tartışmalar

Hava topu set-up için kullanılan mermi hafif, ahşap taban oluşur. Hafif çok testlerinden sonra ahşap malzemenin fiş rağmen, bu durdurma mekanizmasının etki üzerine kırılmaya eğilimi, plastik veya metal gibi malzemelerin oluşan mermi daha etkili bir şekilde kinetik enerjiyi emmek için tespit edilmiştir. Ahşap merminin boyutları dolayısıyla hava kaçağı kısıtlayan, yakından çelik namlu içini maç için tasarlanmıştır. Kontrplak iki tabaka arasında sabitlenmiş bir 1/8 "kalın kauçuk ...

Malzemeler

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)