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连续（非雾化）液流喷射方式施加LFM，因为液流喷射的阻力与惯性比更低，受侧风影响较小。此外，液流喷射技术无需雾化喷嘴所需的高气压和大流量气源，因而是一种更简洁、更坚固的喷洒机制，能够有效控制LFM的施加速率。

一个物理机制类似的领域——液滴撞击，已被广泛研究。多位研究人员发现，液滴撞击移动的干燥光滑表面时，飞溅行为取决于多种参数，包括黏度、密度、表面张力以及撞击速度的法向分量^14,15。Bird et al. 证明，法向速度和切向速度均具有关键作用¹⁶。Range et al. 和 Crooks et al. 的研究表明，对于液滴撞击静止干燥表面的情况，表面粗糙度会显著降低飞溅阈值（即，使液滴更容易发生飞溅）^17,18。

尽管射流冲击在运动表面上具有重要的实际意义，但在学术文献中对此现象的研究却较少。Chiu-Webster 和 Lister 开展了一系列广泛的实验，研究了黏性射流在运动表面上的稳态与非稳态冲击行为，并针对稳态流动情况建立了一个理论模型⁶。Hlod 等通过在未知长度区域上引入附加积分条件的三阶常微分方程对流动进行了建模，并将预测的形态与实验结果进行了比较⁷。然而，这两项研究所涉及的雷诺数远低于典型的铁路线路维护（LFM）应用中的雷诺数。Gradeck 等在不同射流速度、表面速度和喷嘴直径条件下，通过数值模拟和实验方法研究了水射流冲击运动基底时的流场特性⁸。Fujimoto 等进一步研究了圆形水射流冲击覆盖有薄水膜的运动基底时的流动特性⁹。然而，这两项研究使用的喷嘴直径相对较大，且表面速度和射流速度均低于本研究中所采用的参数。此外，尽管以往的实验、数值和理论研究积累了大量数据，但大多数研究集中于传热参数，而非射流飞溅行为等液相流动过程。因此，本研究提供的实验方法通过在更小的射流喷嘴直径以及更高的射流和表面速度条件下优化相关技术，推动了液态射流应用技术的发展。本方法还深化了对与运动接触线相关的基础流体力学问题的认识。

上述研究通常涉及低速射流与低速运动表面之间的相互作用。关于层流高速射流冲击高速运动表面的研究则相对较少。在高速液态射流冲击过程中，射流液体在冲击点附近呈径向扩展，形成一层薄液膜（lamella）。该液膜随后受到运动表面施加的黏性力作用而被向下游输运，形成特征性的U形液膜。Keshavarz 等 报道了采用牛顿流体和弹性液体射流冲击高速运动表面的实验研究，他们将冲击过程分为两种不同类型：“沉积”（deposition）和“飞溅”（splash）¹⁰。若要将冲击归类为沉积，射流液体必须附着在表面上；而飞溅则表现为液膜从表面分离，并随后破碎成液滴。还有一种冲击状态被描述为“溅射”（splatter）。在这种相对罕见的状态下，液膜仍如“沉积”情况一样附着在表面上，但在液膜前缘附近会喷射出微小液滴。在后续关于非牛顿流体效应的研究中，Keshavarz 等 得出结论：飞溅/沉积的临界阈值主要由雷诺数（Reynolds number）和德博拉数（Deborah number）决定，而射流冲击角度以及射流速度与表面速度之比仅具有较小影响¹¹。Moulson 等 在不同环境气压条件下的实验中发现，飞溅/沉积临界雷诺数随环境气压降低而显著升高（即，较高的环境压力使射流更易发生飞溅），而当环境气压降至某一阈值以下时，飞溅现象完全被抑制¹²。该发现强烈表明，作用在液膜上的空气动力学力在导致液膜脱离及后续飞溅过程中起着关键作用。在最近关于高速射流冲击高速基底的研究中，Sterling 表明，当基底速度和射流条件接近飞溅阈值时，极微小的局部表面粗糙度或微弱的射流不稳定性均可能触发飞溅。他还指出，在这些条件下，液膜的脱离与再附着是一个随机过程¹³。

本文所述实验方案可用于研究其他涉及流体与高速运动表面相互作用的物理现象。例如，采用相同方法可研究直升机桨叶与涡流的相互作用（前提是涡流流体中已加入示踪粒子）以及机器人对表面的喷涂过程。

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。
4. 设置控制系统和高速成像系统。
   1. 启动旋转圆盘控制软件和变频驱动（VFD）控制软件。将两台高速摄像机置于距撞击点35 cm的位置，并调节高倍率镜头，从两个角度捕捉撞击点。
   2. 调节150 W 光纤光源，以实现均匀照明的背景，从而获得最佳图像质量（图1此时打开控制系统电源，以便调整相机。
   3. 通过点击控制软件中的“自检”按钮执行自检程序，以确保系统正常运行。
5. 进行射流冲击试验
   1. 使用变频驱动控制软件将磁盘转速设置为所需值（500–3,000 rpm）。
   2. 进行测试时，通过点击控制软件中的“Test sequence”按钮，启动自动实验程序。软件将自动确定最佳参数，并协调系统的各个组件相应地执行测试。
   3. 保存最终的撞击测试视频（例如，参见图中的屏幕截图） 图2）。从控制软件中读取并记录表面速度、喷嘴背压和温度。
      注意：每次测试后，磁盘清洁程序将自动运行，以冲洗并干燥磁盘表面。如有必要，重复清洁循环，直至完全去除所有测试液残留。
      警告：虽然水和甘油溶液测试流体可使用清洗流程进行清洁，但其他低表面能材料（LFMs）需使用丙酮等有机溶剂清洗。在此类情况下，应将清洗剂涂抹于布料上进行擦拭，而非直接喷洒于圆盘表面。
6. 数据分析
   1. 准备一个电子表格，其中包含每个测试条件的相关信息（例如，流体性质、环境温度、表面粗糙度， 等等。).
   2. 使用视频播放软件打开记录的射流冲击图像，以正常速度播放完整视频记录，并观察射流冲击行为。
   3. 记录撞击行为特征（飞溅/喷雾/沉积；参见 图3在已准备好的电子表格中记录数据，并登记任何可能表明实验设置存在问题的异常趋势。
   4. 将测试结果和条件保存在电子表格中。在测试日志中记录重要发现和异常情况例如， 飞溅/沉积阈值点，飞溅/沉积转变过程 等。必要时保存截图。
   5. 进行图像分析测量并记录数据。
      1. 启动屏幕像素测量工具。打开撞击图像，并使用屏幕像素测量工具测量图像中的微尺，以校准图像比例。图 4).
      2. 测量感兴趣的尺寸（例如，薄层展开宽度 W 和薄层滞止点半径 R；见 图5使用像素测量工具在视频中射流看起来最稳定的点进行测量，并将数据记录在预先准备好的电子表格中。随后，在第一组测量数据的100帧之后再进行另一组测量，以确认射流和液膜均处于稳定状态。将数据点绘制在图表上，并完成曲线拟合。

2. 空气炮装置

1. 确定所需的测试条件，并按照步骤 1.1 和步骤 1.2 准备材料。
2. 实验操作
   1. 启动系统控制软件。
   2. 将弹丸插入炮管中。将止动机构移至靠近炮口的位置，以便在测试后正确捕获弹丸（图 6）。
   3. 打开通向储气罐的加压建筑气源管线。根据所需的弹丸速度，将储气罐压力加压至 30 psi 到 70 psi 之间。30 psi 的罐压可使弹丸速度约为 5 m/s，70 psi 可使速度约为 25 m/s。
   4. 准备压缩气体闭式蓄能器以用于测试液体的加压。
      1. 将 3 kg 测试液体倒入蓄能器的液体入口。将管路从蓄能器的气体阀连接至液体射流喷嘴，并将蓄能器压力设定至最高 300 psig。
   5. 将相机安装到剪式千斤顶上。将剪式千斤顶固定在位于射流喷嘴旁的平台上。
   6. 将高强度光源固定在相机对面且位于扩散板后方的平台上。使用软件控制界面的视频相机查看功能检查照明和相机位置，并根据需要进行调整（图 7）。
   7. 佩戴耳罩，以防护气动炮发射时产生的强噪声。
   8. 解锁炮控面板，并多次按下控制面板上的警告按钮，以提示实验即将开始。
   9. 按下控制面板上的按钮，打开连接储气罐与气动炮炮管的电磁阀。
   10. 设备发射并捕获弹丸后，使用清洁液和海绵擦拭设备，清除残留的测试液体。最后，将弹丸的冲击表面擦干。
3. 通过测量弹丸在录制的高速视频中行进固定距离（10 cm）所需的时间，计算其速度。数据处理方法参见步骤 1.5。

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