Se describen dos dispositivos experimentales para examinar el impacto del chorro de líquido en una superficie móvil de alta velocidad: un dispositivo de cañón de aire y un dispositivo de disco giratorio. Los aparatos se utilizan para determinar los enfoques óptimos para la aplicación de un modificador de fricción líquido (LFM) en las vías férreas para el control de la fricción en la parte superior del riel.
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Artículo de método
Visualización de alta velocidad Liquid Jet impactación sobre una superficie móvil
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Resumen
Resumen
Dos aparatos para el examen de pinzamiento chorro de líquido sobre una superficie móvil de alta velocidad se describen: un dispositivo de cañón de aire (para el examen de las velocidades de superficie entre 0 y 25 m / seg) y un dispositivo de disco giratorio (para el examen de velocidades de superficie entre 15 y 100 m / sec). El recorrido lineal cañón de aire es un sistema alimentado por energía neumática que está diseñado para acelerar una superficie del carril de metal montados en la parte superior de un proyectil de madera. Un cilindro presurizado equipado con una válvula de solenoide libera rápidamente el aire a presión en el cilindro, obligando al proyectil por el cañón cañón. El proyectil viaja debajo de una boquilla de pulverización, que incide un chorro de líquido sobre su superficie superior del metal, y el proyectil a continuación, realiza un mecanismo de parada. Una cámara graba el choque de chorro, y un transductor de presión registra la contrapresión de la boquilla de pulverización. El disco giratorio de configuración consta de un disco de acero que alcanza velocidades de 500 a 3000 rpm a través de un motor de accionamiento de frecuencia variable (VFD). A si sistema de pulverizaciónmilar a la del cañón de aire genera un chorro de líquido que incide sobre el disco giratorio, y cámaras colocadas en varios puntos de acceso óptico grabar el choque del chorro. Las grabaciones de vídeo de los procesos de impacto de chorro se registran y se examinan para determinar si el resultado del choque es salpicadura, salpicadura, o deposición. Los aparatos son los primeros que involucran la alta velocidad de impacto de chorros de líquido bajo número de Reynolds en superficies móviles de alta velocidad. Además de sus aplicaciones de la industria ferroviaria, la técnica descrita puede ser usada para fines técnicos e industriales, tales como la fabricación de acero y puede ser relevante para la impresión en 3D de alta velocidad.
Introducción
Esta investigación tiene como objetivo determinar las estrategias para la aplicación de LFM (modificador de fricción líquida) en forma de chorro de líquido sobre una superficie en movimiento, mientras que el logro de un alto grado de eficiencia de la transferencia y los resultados de deposición uniforme. El logro de este objetivo implica el desarrollo de una comprensión global de los factores que afectan el choque chorro de líquido en las superficies en movimiento.
El proyecto está motivado por la necesidad de mejorar la eficiencia de las técnicas de aplicación de lubricación utilizados en el sector ferroviario. Como un medio de reducir el consumo de combustible y costes de mantenimiento de la locomotora, una película delgada de agente modificador de fricción está siendo aplicada a la superficie superior del carril de vías férreas convencionales. Estudios recientes han demostrado que la aplicación de un tipo de LFM a base de agua para la parte superior del carril (TOR) de control de fricción reduce los niveles de consumo de energía en un 6% y el patín del riel y la rueda de desgaste por encima del 50% 1,2. Otros estudios han demostrado que la aplicación de LFM para vías de ferrocarril a reducirs fuerza lateral y los niveles de ruido, así como, más importante, la pista de ondulación y daños por fatiga de contacto por rodadura, que es una causa importante de descarrilamientos 3,4. Estos resultados fueron confirmados en pruebas de campo en el metro de Tokio 5.
LFMs actualmente están dispensados de atomizadores de chorro de aire conectados a decenas de locomotoras a través de Canadá y los Estados Unidos. En esta forma de aplicación, LFM se aplica a la parte superior de las vías del ferrocarril por atomizadores montados debajo de movimiento vagones de ferrocarril. Este modo de aplicación LFM es difícil de aplicar en muchas locomotoras del ferrocarril porque el nivel de suministro de aire de alta presión y de gran volumen requerido pueden no ser alcanzadas. Boquillas de chorro de aire también se creen para producir la cobertura ferroviaria muy irregular cuando se opera en un viento de costado, como los vientos cruzados producen gotas de pulverización fina para desviarse de su trayectoria inicial. Crosswinds también se sabe que están implicados en el ensuciamiento de la boquilla, probablemente por la mismarazón. Debido a los problemas asociados con atomizadores de chorro de aire, el sector ferroviario está actualmente buscando enfoques alternativos a la aplicación LFM en las pistas de ferrocarril. Una solución viable implica dispensar LFM por medio de un continuo (no atomizado-) chorro de líquido, como chorros de líquido son menos susceptibles a los efectos viento de costado debido a su menor relación de arrastrar a la inercia. Además, debido a los altos niveles de presión de aire y volumen necesarios para boquillas de atomización no son necesarios en las tecnologías de pulverización por chorros de líquido, este último acto como mecanismos de pulverización más ágiles y robustos que mantienen un control efectivo sobre la tasa de aplicación LFM.
Un área de la física similares, choque de las gotas, se ha estudiado intensamente. Se encontró por varios investigadores para que choque gotita sobre una superficie lisa seca en movimiento, salpicando el comportamiento depende de muchos parámetros, incluyendo la viscosidad, la densidad, tensión superficial y la componente normal de la velocidad de impacto 14,15. Pájaro et al. demostró que tanto las velocidades normales y tangenciales eran de importancia crítica 16. Rango et al. Y Maleantes et al., Han demostrado que para el choque de gotas sobre una superficie seca estacionaria, rugosidad de la superficie disminuye el umbral splash significativamente (es decir, que hace que la gota más propenso a salpicar) 17,18.
A pesar de su importancia práctica, el choque de chorro de superficies móviles ha recibido poca atención en la literatura académica. Chiu-Webster y Lister realizaron una extensa serie de experimentos que examinaron estable e inestable pinzamiento chorro viscoso sobre una superficie en movimiento, y los autores desarrollaron un modelo para el caso de flujo constante 6. Hlod et al., Modeladas al flujo por medio de un ODE de tercer orden en un dominio de longitud desconocida bajo una condición integral adicional y configuraciones predichas en comparación con los resultados experimentales 7. Sin embargo, los números de Reynolds examinaronEn ambos de estos estudios son mucho más bajos que los asociados con las aplicaciones típicas LFM ferrocarril. Gradeck et al. Numérica y experimentalmente investigó el campo de flujo de chorro de agua de impacto sobre un sustrato en movimiento bajo diferentes velocidad de chorro, velocidad superficial, y las condiciones de diámetro boquilla 8. Fujimoto et al. Investigados adicionalmente características de flujo de un chorro de agua circular que incide sobre un sustrato en movimiento cubierto por una delgada película de agua 9. Sin embargo, estos dos proyectos utilizan relativamente grandes diámetros de la boquilla y la superficie inferior y velocidades de chorro en comparación con las empleadas en el presente trabajo. Además, aunque los estudios experimentales, numéricos y analíticos anteriores proporcionan una gran cantidad de datos, la mayoría se han centrado en los parámetros de transferencia de calor en lugar de en los procesos de flujo de líquido tales como el comportamiento de chorro de salpicaduras. El método experimental dispuesto en la presente investigación contribuye así a tecnologías de aplicación de chorros de líquido por reclarificación tales técnicas en virtud de las condiciones que implican diámetros de boquilla más pequeño chorro y chorro de velocidades y de la superficie de alta velocidad. El presente método también refina el conocimiento sobre los problemas de mecánica de fluidos fundamentales asociados con el movimiento de las líneas de contacto.
Los estudios mencionados anteriormente generalmente han implicado la interacción de un chorro de baja velocidad con una superficie de baja velocidad de movimiento. Ha habido relativamente pocos estudios de laminar chorro de choque de alta velocidad sobre las superficies móviles de alta velocidad. Durante alta velocidad de impactación chorro de líquido el líquido de chorro se extiende radialmente en las proximidades de la ubicación de choque, formando una lámina delgada. Esta lámina es entonces por convección aguas abajo por el forzamiento viscoso impuestas por la superficie en movimiento, produciendo una lámina en forma de U característica. Keshavarz et al. Han informado sobre los experimentos que emplean chorros de líquidos newtonianos y elásticas que inciden sobre las superficies de alta velocidad. Se clasifican los procesos de choque en dos tipos distintos: "deposición y# 8221; y "salpicar" 10. Para pinzamiento para ser clasificado como deposición, el chorro de líquido debe adherirse a la superficie, mientras que el chapoteo se caracteriza por una lámina de líquido que se separa de la superficie y, posteriormente, se rompe en gotitas. Un tercer régimen de choque también se ha descrito - "de la salpicadura". En esta, relativamente rara, el régimen de la laminilla permanece unido a la superficie, como para "deposición", pero finas gotitas son expulsadas desde cerca del borde de ataque de la lámina. En un estudio posterior de los efectos de fluidos no newtonianos, Keshavarz et al. Concluyó que el / umbral de deposición de bienvenida está determinada principalmente por los números de Reynolds y Deborah, mientras que el ángulo de chorro de choque y la velocidad del chorro a la superficie relaciones de velocidad sólo tienen un efecto menor 11 . En experimentos llevados a cabo bajo las presiones del aire ambiente variables, Moulson et al. Descubrió que el / la deposición umbral de número de Reynolds splash dramáticamenteaumenta al disminuir la presión del aire ambiente (es decir, las presiones ambiente más altas hacen chorros más propensos a salpicar), mientras que disminuye la presión del aire ambiente por debajo de un cierto umbral suprime completamente splash 12. Este hallazgo sugiere que las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre la lámina juegan un papel crucial en la causa de la laminilla de despegue y posterior salpicadura. En trabajos recientes sobre el choque de alta velocidad sobre un sustrato de alta velocidad, Sterling mostró que para la velocidad del sustrato y las condiciones de chorro cercanas al umbral splash, splash puede ser desencadenada por muy pequeña rugosidad superficial localizada e inestabilidad jet menor. También demostró que bajo estas condiciones lamela despegue y reinserción es un proceso estocástico 13.
El protocolo experimental descrito aquí puede ser usado para estudiar otras situaciones físicas que implican la interacción de un fluido con una superficie de alta velocidad de movimiento. Por ejemplo, el mismo enfoque podría ser utilizado para estudiar helicóptero bladinteracción e-vórtice (siempre que el fluido de vórtice fue coloreado con partículas trazadoras) y pulverización robótico de superficies.
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Protocolo
1. Spinning dispositivos de disco
- Identificar las condiciones de ensayo deseadas y condiciones de prueba registro en una tabla (por ejemplo, temperatura ambiente, las propiedades del fluido, jet y la superficie de velocidad, etc.).
- Preparación de Materiales
- Preparar soluciones de agua-glicerina glicerina o agua-PEO para las pruebas de choque.
- En el caso de las pruebas-glicerina-agua PEO, disolver gradualmente 4,5 g de polvo PEO (pesos moleculares promedio en viscosidad de un millón y cuatro millones de dólares) en 1495,5 g de agua destilada con agitación magnética suave durante un período de 24 horas. Evitar excesivamente agitar la muestra PEO para prevenir la degradación mecánica.
- Añadir poco a poco 1,5 kg de glicerina USP-grado para la solución de PEO acuosa durante un período de 24 horas para llegar a una solución acuosa de concentración PEO 0,15% y la concentración de glicerina 50%.
- Almacene los líquidos de ensayo por separado en recipientes herméticos bajo RT antes y después de cada prueba para mini-Mize evaporación, absorción de agua del aire ambiente y la contaminación. Caracterizar y rociar líquidos dentro de los cinco días de preparación.
- Preparar soluciones de agua-glicerina glicerina o agua-PEO para las pruebas de choque.
- Realización de experimentos
- Asegúrese de que la válvula de suministro de aire del cojinete de aire de disco giratorio está abierta y la lectura del manómetro está en el rango correcto funcionamiento (60-80 psig). Nada claro que pueda impedir el movimiento del disco y apague el disco con la mano en ambas direcciones 5 rotaciones para comprobar si hay algún problema con el disco y los cojinetes.
- Limpio y seguro del gas comprimido cerrado acumulador para presurización fluido de prueba. Vierta 3 kg de líquido de prueba en el puerto de fluido del acumulador de 1 galón.
- Conectar el puerto de gas del acumulador al depósito de nitrógeno a través de un regulador de presión. Conectar el puerto de fluido del acumulador a la boquilla de rociado a chorro.
- Establecer un sistema de control y sistema de imágenes de alta velocidad.
- Inicie el software de control de disco giratorio y software de control VFD.Posición dos cámaras de cine de alta velocidad de 35 cm de distancia del punto de incidencia y ajustar las lentes de gran aumento para capturar el punto de incidencia desde dos ángulos.
- Ajuste la fuente de luz de 150 W de fibra óptica para lograr un fondo uniformemente iluminado para la mejor calidad de imagen (Figura 1). Encienda el sistema de control en este punto para facilitar el ajuste de la cámara.
- Realice la rutina de auto-comprobación pulsando el botón 'Self-check "en el software de control para asegurarse de que el sistema está funcionando como se esperaba.
- Realice una prueba de chorro de choque
- Ajuste la velocidad del disco al valor deseado con el software de control VFD (500-3.000 rpm).
- Para realizar una prueba, inicie la secuencia experimental automatizado desde el software de control haciendo clic en el botón 'Secuencia de prueba'. El software determinará los parámetros óptimos automáticamente y coordinar cada componente del sistema para realizar la prueba en consecuencia.
- Guarde el vídeo de la prueba de choque resultante (véase, por ejemplo, la captura de pantalla en la Figura 2). Lea y velocidad de la superficie de grabación, la boquilla de nuevo la presión y la temperatura desde el software de control.
Nota: Después de cada prueba, una secuencia de limpieza de disco se ejecuta automáticamente para enjuagar y secar la superficie del disco. Repetir el ciclo de limpieza como sea necesario hasta que todo el residuo de fluido de ensayo se ha eliminado.
PRECAUCIÓN: Mientras que los fluidos de prueba solución de agua y glicerina se pueden limpiar con la secuencia de limpieza, otros LFMs necesitan ser limpiados con disolventes orgánicos tales como acetona. En tales casos, aplicar el material de limpieza a una tela en lugar de pulverizar el disco directamente.
- Análisis De Los Datos
- Preparar una hoja de cálculo que contiene información sobre cada condición de ensayo (por ejemplo, las propiedades del fluido, la temperatura ambiente, rugosidad de la superficie, etc.).
- Abra las imágenes de chorro de choque grabados con software de visualización de cine, reproducir grabaciones de vídeo completo a la normalidadacelerar y observar comportamientos chorro de choque.
- Grabar características de comportamiento de choque (splash / salpicaduras / deposición; ver Figura 3) en la hoja de cálculo preparada, registrando cualquier tendencia inusual que pueda indicar complicaciones con el montaje experimental.
- Guardar los resultados y condiciones de ensayo en una hoja de cálculo. Hallazgos notables de Registros y sucesos inusuales en el registro de la prueba (por ejemplo, punto umbral splash / deposición, transiciones splash / deposición, etc.). Guardar imágenes cuando sea necesario.
- Realizar mediciones de análisis de imágenes y datos de registro.
- Inicie la herramienta de medición de píxeles en la pantalla. Imágenes de impacto abiertas, y calibrar la escala de la imagen mediante la medición de un micro-gobernante en las imágenes con la herramienta de medición de píxeles en pantalla (Figura 4).
- Dimensiones medida de interés (por ejemplo, el ancho de propagación lamela, W, y lamela radio punto de estancamiento, R; véase la Figura 5) con la camiseta de medición de píxelesool en un punto donde el avión parece ser más estable en los datos de vídeo y grabar en la hoja de cálculo preparada. Luego tomar otro grupo de mediciones 100 marcos después de que el primer grupo de mediciones para confirmar que tanto el chorro y la lámina son estables. Puntos de datos Parcela en un gráfico y completar el ajuste de curvas.
2. Cannon Air dispositivo
- Identificar las condiciones de prueba deseados y preparar materiales como en el paso 1.1 y paso 1.2.
- Realización de experimentos
- Encienda el software de control del sistema.
- Inserte el proyectil en el cañón cañón. Mueva el mecanismo de parada cerca de la salida del barril para capturar adecuadamente el proyectil después de una prueba (Figura 6).
- Abra la línea de aire del edificio a presión que conduce al tanque de aire. Presurizar el tanque a entre 30 psi y 70 psi, dependiendo de la velocidad del proyectil deseada. 30 psi de presión del tanque da una velocidad de proyectil de alrededor del 5m / seg, y 70 psi da una velocidad de alrededor de 25 m / seg.
- Preparar el acumulador de gas comprimido cerrado para la presurización de fluido de prueba.
- Verter 3 kg de líquido de prueba en el puerto de fluido del acumulador. Conecte el tubo de la válvula de gas del acumulador a la boquilla chorro de líquido, y ajuste la presión del acumulador de hasta 300 psig.
- Monte la cámara en el gato de tijera. Asegure el gato de tijera a la plataforma posicionada junto a la boquilla de pulverización de chorro.
- Asegure la fuente de luz de alta intensidad para la plataforma situada al otro lado de la cámara y detrás de la lámina de difusión. Compruebe la iluminación y la cámara de posicionamiento utilizando la función de visualización de la cámara de vídeo de la interfaz de control de software, y ajustar el posicionamiento según sea necesario (Figura 7).
- Póngase orejeras para protegerse de la explosión de sonido cañón de aire.
- Desbloquear el panel de control de cañón, y presione el botón de aviso en el panel de control varias veces para señalarel inicio de un experimento.
- Pulse el botón del panel de control que se abre la válvula de solenoide conecta el tanque de aire con el cañón cañón de aire.
- Después de que el dispositivo se ha disparado y el proyectil capturado, limpiar el dispositivo frotándolo con líquido y una esponja para eliminar el líquido residual prueba de limpieza. Finalmente, se seca la superficie de choque del proyectil.
- Medir la velocidad del proyectil en el vídeo de alta velocidad registrada por la medición de la cantidad de tiempo requerido para que el proyectil para viajar a (10 cm) de distancia fija. Analizar los datos como en el paso 1.5.
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Resultados
Como se discutió en la sección introductoria, los tres principales comportamientos asociados con pinzamiento chorro de líquido son la deposición, la salpicadura y salpicaduras. Estos comportamientos chorro de choque se observan a partir de datos de vídeo grabados por las cámaras de cine de alta velocidad colocados en varios puntos ópticos. Ejemplos de imágenes fijas, obtenidos a partir de las grabaciones de vídeo, que representan los tres resultados chorro de líquido se muestran en la Figura 3. La figura 3...
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Discusión
El proyectil utilizado para el cañón de aire configuración se compone de una base de peso ligero, de madera. Aunque los chips de material de madera levemente después de numerosas pruebas, se ha encontrado para absorber la energía cinética más eficazmente que los proyectiles compuestos de materiales tales como plástico o metal, que tienden a romperse al impactar el mecanismo de tope. Las dimensiones de la proyectil de madera están diseñados para que coincida estrechamente el interior barril de acero, restringiendo así la...
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Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Las Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación de Canadá (NSERC) y LB Foster Rail Technologies, Corp. apoyado conjuntamente esta investigación a través del programa NSERC Colaboración para la Investigación y el Desarrollo Grant.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Equipo para la configuración del cañón de aire | |||
| Tanque de aire de 30 galones | Acero Fab | A10028 | |
| Válvula de asiento accionada por solenoide | Parker Hannifin Corp. | ||
| Manguera de | |||
| Tubo | |||
| Mecanismo de parada | |||
| Placas de acero inoxidable | Proyectil de | ||
| Luz | |||
| Análisis Fotográfico Ltda. | |||
| Lámina | |||
| Sensor óptico | BANNER | SM312LV | |
| Equipo para el motor de configuración del disco | |||
| giratorio WEG | TEFC-W22 | ||
| Disco de rodamientos Fuente de | |||
| de | |||
| Fibra óptica Tecnología incorporada | MO150AC | ||
| matriz de LED de alta intensidad | Torshare Ltd. | TF10CA | |
| Vacuum | Ridge Tool Company | WD09450 | |
| Interruptor | Personalizado | ||
| Equipo compartido para ambos dispositivos | |||
| Cámara de cine de alta velocidad Phantom v611 | Vision Research Inc. | V611 | |
| Phantom v12 | Vision Research Inc. | Lente V12 | |
| Zoom 7000 | Navitar Inc. | Zoom 7000 | |
| Zoom 6000 lente | Navitar Inc. | Zoom 6000 | |
| Tanque de nitrógeno comprimido | Praxair Technology, Inc. | ||
| Regulador de presión | Praxair Technology, Inc. | ||
| Manguera para nitrógeno comprimido | Swagelok Company | SS-CT8SL8SL8-12 | |
| Manguera para líquido | Swagelok Company | SS-7R8TA8TA8 | |
| Acumulador | Acumuladores, Inc. | ||
| Válvula solenoide Soluciones de | solenoide Inc. | 2223X-A440-00 | |
| Transductor de presión | WIKA Instruments Ltd | #50398083 | |
| Conjunto de boquillas | |||
Referencias
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