高速液流冲击运动表面的可视化

摘要

介绍了两种用于研究液体射流冲击高速运动表面的实验装置：气炮装置和旋转圆盘装置。这些装置用于确定将液体摩擦调节剂（LFM）施加到铁轨顶部以控制摩擦力的最佳方法。

摘要

本文描述了两种用于研究液体射流冲击高速运动表面的装置：一种是气动炮装置（用于研究表面速度在0至25 m/s范围内的冲击情况），另一种是旋转圆盘装置（用于研究表面速度在15至100 m/s范围内的冲击情况）。气动炮直线运动系统是一种由气压能量驱动的装置，设计用于加速安装在木质弹丸顶部的金属轨道表面。一个装有电磁阀的加压气缸迅速将压缩空气释放到炮管中，推动弹丸沿炮管前进。弹丸在喷嘴下方通过，喷嘴将液体射流冲击到弹丸的金属上表面，随后弹丸撞击至停止机构。相机记录射流冲击过程，压力传感器记录喷嘴的反压。旋转圆盘装置由一个钢制圆盘组成，通过变频驱动（VFD）电机驱动，转速可达500至3,000 rpm。喷射系统与气动炮类似，产生冲击旋转圆盘的液体射流，多个光学观测点处设置的相机记录射流冲击过程。通过记录和分析射流冲击过程的视频，判断冲击结果为飞溅、溅射还是沉积。这两种装置首次实现了低雷诺数液体射流在高速运动表面上的高速冲击。除铁路工业应用外，该技术还可用于钢铁制造等工业与技术领域，并可能适用于高速3D打印。

引言

本研究旨在确定将液态摩擦改进剂（LFM）以液态射流形式施加到运动表面的策略，同时实现高转移效率和均匀沉积效果。实现这一目标需要全面了解影响液态射流在运动表面上撞击行为的各种因素。

该项目旨在改进铁路行业润滑应用技术的效率。作为一种降低燃料消耗和机车维护成本的手段，目前正将一层薄薄的摩擦调节剂涂覆于传统铁路轨道的轨顶表面。近期研究表明，使用一种水基轨顶摩擦控制剂（LFM）进行涂覆，可使能耗降低6%，并使钢轨和车轮轮缘磨损减少50%以上^1,2。其他研究还表明，在铁轨上施加LFM能够降低横向力和噪声水平，更重要的是，还能减少轨道波磨以及滚动接触疲劳造成的损伤，而后者是导致列车脱轨的主要原因之一^3,4。这些结果在日本东京地铁系统的实地测试中得到了进一步验证⁵。

目前，润滑摩擦调节剂（LFM）通过安装在加拿大和美国数十台机车上的气流雾化器进行喷洒。在这种应用方式中，LFM由安装在行驶中轨道车辆下方的雾化器喷洒至铁轨顶部。由于所需的大流量和高压力气源在许多机车上难以实现，这种LFM施加方式在多数铁路机车上实施困难。此外，据信在侧风条件下运行时，气流喷雾喷嘴会产生极不均匀的轨道覆盖，因为侧风会使细小的喷雾液滴偏离其原始轨迹。侧风还可能导致喷嘴堵塞，原因很可能与此相同。由于气流雾化器存在上述问题，铁路行业目前正在寻求将LFM施加到轨道上的替代方法。一种可行的解决方案是采用....

方案

1. 旋转圆盘装置

1. 确定所需的测试条件，并将测试条件记录在表格中例如， 环境温度、流体性质、射流速度和表面速度 等等。).
2. 材料制备
   1. 为撞击测试制备甘油-水或PEO-甘油-水溶液。
      1. 对于聚环氧乙烷-甘油-水测试，将4.5 g聚环氧乙烷粉末（粘均分子量分别为一百万和四百万）缓慢加入1495.5 g蒸馏水中，在24小时内轻轻磁力搅拌使其逐渐溶解。避免剧烈搅动聚环氧乙烷样品，以防止机械降解。
      2. 在24小时内，将1.5 kg药用级甘油逐渐加入水相PEO溶液中，最终得到含0.15% PEO浓度和50%甘油浓度的水溶液。
   2. 将待测液体在每次测试前后均分别储存于密闭容器中，并置于室温下，以尽量减少蒸发、从空气中吸水以及污染。液体应在配制后五天内完成表征和喷雾操作。
3. 实验操作
   1. 确保旋转盘空气轴承的供气阀已打开，压力表读数处于正常工作范围（60–80 psig）。清除可能阻碍圆盘转动的物体，用手沿正反两个方向各旋转圆盘5圈，以检查圆盘和轴承是否存在异常。
   2. 清洁并固定用于测试流体加压的压缩气体闭式蓄能器。将3 kg测试液体倒入1加仑蓄能器的流体入口。
   3. 通过压力调节器将蓄能器的气体端口连接至氮气罐。将蓄能器的液体端口连接至喷射喷嘴。

结果

如引言部分所述，液体射流撞击相关的三种主要行为是沉积、飞溅和溅射。这些射流撞击行为通过在不同光学位置布置的高速摄影机记录的视频数据进行观察。从视频记录中提取的、描绘这三种液体射流结果的静态图像示例如图3所示。图3A展示了液体射流的沉积现象，其中射流以完全笔直且稳定的流束流向撞击表面，射流附着在表面上，并在整个实验过程中持续保留在该表面。图3B和图3C则展示了较不理想的结果，其中液体射流仅部分附着于撞击表面，其余部分在撞击时发生飞溅（图3B）或溅射（图3C）。

鉴于所提供的视频数据相对直观，结果不明确的情况较为罕见，且两种实验装置均获得了可重复的结果。然而，在极少数情况下，通常涉及表面粗糙度非常小的条件时，液流射流的液膜可能会与表面上的液滴或粗糙结构相互作用，导致其从撞击表面脱离（图8）。在同样罕见的情形下，流动中的微小扰动可能在射流中产生不规则性，.......

讨论

用于气炮装置的弹丸由轻质木制基座构成。尽管经过多次测试后木材表面会出现轻微碎裂，但其吸收动能的效果明显优于塑料或金属等材料制成的弹丸，后者在撞击止动机构时容易发生破碎。木制弹丸的尺寸设计为与钢制炮管内径高度匹配，从而减少漏气。在弹丸后部固定有一层1/8英寸厚的橡胶片，该橡胶片夹在两层胶合板之间，以进一步增强弹丸与炮管内壁之间的密封性。安装在弹丸顶部的金属撞击表面由三个粗糙度不同的金属板组成，彼此间隔2.5 cm，固定为独立的三块，使得液态射流在一次测试中可依次撞击这三个表面，且相互干扰最小。弹丸前端被塑造成空气动力学鼻锥形状，鼻锥底部带有倒钩结构，以便与止动机构牢固连接。该止动机构内部设有锁紧装置，外壳为重型铝制结构，在弹丸撞击时能够可靠地捕获弹丸。止动机构并非固定不动，而是在捕获弹丸后向后滑动约60 cm。这一功能可有效耗散弹丸的动能，防止材料损坏。

连接至空气炮装置的高速摄像机可对射流冲击弹丸表面的过程进行可视化。该摄像机的宽屏CMOS传感器能够以极高的帧率和分辨率捕捉图像。使用1 kW的高强度白炽光源照亮视场，并在光源与冲击点之间放置一张漫射片，以实现均匀照明的背景。在旋转圆.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
空气炮装置设备
30加仑储气罐	Steel Fab	A10028
电磁阀驱动的提升阀	Parker Hannifin Corp.	#16F24C2164A3F4C80
1.5" NPT橡胶软管
矩形钢制管材
停止机构	定制
不锈钢板	定制
木质弹丸	定制
1 kW高强度白炽灯	Photographic Analysis Ltd.	T986851
光学扩散板
光电传感器	BANNER	SM312LV
旋转圆盘装置设备
电机	WEG	TEFC-W22
轴承
圆盘	定制
光纤光源	Fiberoptics Technology Incorporated	MO150AC
高亮度LED阵列	Torshare Ltd.	TF10CA
真空泵	Ridge Tool Company	WD09450
断续器	定制
两种装置共用设备
Phantom v611高速摄像机	Vision Research Inc.	V611
Phantom v12高速摄像机	Vision Research Inc.	V12
Zoom 7000镜头	Navitar Inc.	Zoom 7000
Zoom 6000镜头	Navitar Inc.	Zoom 6000
压缩氮气罐	Praxair Technology, Inc.
压力调节器	Praxair Technology, Inc.	PRS20124351CGA
压缩氮气用软管	Swagelok Company	SS-CT8SL8SL8-12
液体用软管	Swagelok Company	SS-7R8TA8TA8
蓄能器	Accumulators, Inc.	A131003XS
电磁阀	Solenoid Solutions Inc.	2223X-A440-00
压力传感器	WIKA Instruments Ltd	#50398083
喷嘴组件	定制
甘油
聚环氧乙烷