Deux dispositifs expérimentaux pour examiner l’impact d’un jet de liquide sur une surface mobile à grande vitesse sont décrits : un dispositif de canon à air et un dispositif à disque rotatif. Les appareils sont utilisés pour déterminer les approches optimales pour l’application du modificateur de friction de liquide (LFM) sur les voies ferrées pour le contrôle de la friction sur le dessus du rail.
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Article de méthode
Visualisation de High Speed Liquid Jet impaction sur une surface en mouvement
Dans cet article
Résumé
Résumé
Deux appareils d'examen impact des jets de liquide sur une surface en mouvement à grande vitesse sont décrits: un dispositif de canon à air (de l'examen d'une vitesse de surface comprise entre 0 et 25 m / s) et un dispositif à disque tournant (de l'examen d'une vitesse de surface comprise entre 15 et 100 m / sec). Le canon à air traverse linéaire est un système alimenté en énergie pneumatique qui est conçu pour accélérer une surface de rail métallique monté sur le dessus d'un projectile en bois. Cylindre sous pression équipé d'une valve solénoïde libère rapidement de l'air sous pression dans le cylindre, ce qui oblige le projectile dans le canon de canon. Le projectile se déplace en dessous d'une buse de pulvérisation, qui frappe un jet de liquide sur sa surface supérieure métallique, et ensuite le projectile frappe un mécanisme d'arrêt. Une caméra enregistre l'impact de jet, et un capteur de pression enregistre la contre-pression de buse de pulvérisation. Le disque rotatif set-up se compose d'un disque en acier qui atteint des vitesses de 500 à 3000 rpm via un entraînement à fréquence variable (VFD) moteur. Un SI système de pulvérisationmilar à celle du canon à air génère un jet de liquide qui empiète sur le disque tournant, et des caméras placées à plusieurs points d'accès optique enregistrer la impact de jet. Les enregistrements vidéo des processus d'impact de jet sont enregistrées et examinées afin de déterminer si le résultat d'impact est splash, éclaboussures, ou dépôt. Les appareils sont les premiers qui impliquent l'impact à grande vitesse des jets de liquide à faible nombre de Reynolds sur des surfaces se déplaçant à grande vitesse. En plus de ses applications de l'industrie ferroviaire, la technique décrite peut être utilisé à des fins techniques et industriels tels que la production d'acier et peut être pertinent à l'impression 3D à haute vitesse.
Introduction
Cette recherche vise à déterminer des stratégies pour appliquer LFM (Liquid modificateur de friction) sous forme de jet de liquide sur une surface en mouvement tout en atteignant de hauts degrés d'efficacité de transfert et les résultats de dépôt uniformes. Pour atteindre cet objectif consiste à développer une compréhension approfondie des facteurs qui influent sur les jets de liquide sur les surfaces mobiles.
Le projet est motivé par la nécessité d'améliorer l'efficacité des techniques d'application de lubrification utilisés dans le secteur ferroviaire. Dans le but de réduire la consommation de carburant et des coûts de maintenance de locomotives, un film mince d'agent de modification de frottement est maintenant appliquée à la surface supérieure du rail de voie ferrée classiques. Des études récentes ont montré que l'application d'un type de LFM à base d'eau pour le haut du rail (TOR) contrôle de la friction des niveaux de consommation d'énergie réduite de 6% et le rail et la roue bride porter par plus de 50% de 1,2. D'autres études ont montré que l'application de LFM pour voies ferrées réduires force latérale et niveaux de bruit ainsi que, plus important encore, l'ondulation de la piste et les dommages causés par la fatigue de contact de roulement, ce qui est une cause majeure de déraillements 3,4. Ces résultats ont ensuite été confirmés lors de tests sur le terrain sur le système de métro de Tokyo cinq.
LFMs sont actuellement dispensés de atomiseurs de souffle d'air attachés à des dizaines de locomotives au Canada et aux États-Unis. Dans cette forme d'application, LFM est appliquée au sommet de la voie ferrée par atomiseurs monté sous déplacer les wagons. Ce mode d'application LFM est difficile à mettre en œuvre sur de nombreuses locomotives de chemin de fer parce que le niveau d'alimentation en air à haute pression de haut-volume et requise peuvent ne pas être réalisable. Buses de pulvérisation Air-fourneaux sont également soupçonnés de produire une couverture ferroviaire très irrégulière lorsqu'il est utilisé dans un vent de travers, comme les vents latéraux provoquent fines gouttelettes de se écarter de leur trajectoire initiale. Les vents latéraux sont également connus pour être impliqués dans la buse encrassement, probablement pour la mêmeraison. En raison de problèmes liés à atomiseurs de souffle de l'air, le secteur ferroviaire est présentement à la recherche des approches alternatives à l'application de LFM sur les pistes de chemin de fer. Une solution viable implique LFM distribution au moyen d'une (non atomisé) jet continu de liquide, comme des jets de liquide sont moins sensibles aux effets de vent de travers en raison de leur rapport traînée inférieur à inertie. En outre, parce que les niveaux élevés de pression d'air et le volume nécessaires pour les buses de pulvérisation ne sont pas tenus de liquides technologies jet de pulvérisation, ce dernier acte en tant que mécanismes de pulvérisation plus simples et robustes qui maintiennent un contrôle effectif sur le taux d'application de LFM.
Un domaine de la physique similaire, gouttelettes impact, a été étudiée de manière intensive. Il a été constaté par plusieurs chercheurs que pour un empiétement gouttelettes sur une surface lisse sec déplacer, éclaboussant le comportement dépend de nombreux paramètres, dont la viscosité, la densité, la tension de surface et la composante normale de la vitesse d'impact 14,15. Oiseau et al. a démontré que les deux vitesses normales et tangentielles étaient d'une importance cruciale 16. Range et al. Et Crooks et al. Ont montré que des gouttelettes impact sur une surface sèche stationnaire, rugosité de surface diminue le seuil de démarrage de manière significative (ie, il fait la gouttelette plus enclins à éclabousser) 17,18.
Malgré son importance pratique, les jets sur les surfaces mobiles a reçu peu d'attention dans la littérature académique. Chiu-Webster et Lister effectué une vaste série d'expériences qui a examiné jet visqueux impact permanent et transitoire sur une surface mobile, et les auteurs ont élaboré un modèle pour le cas de flux constant 6. Hlod et al. A modélisé les flux au moyen d'un ODE troisième ordre sur un domaine de longueur inconnue dans une condition intégrante supplémentaires et configurations prédites par rapport aux résultats expérimentaux 7. Cependant, les nombres de Reynolds examinésdans ces deux études sont beaucoup plus faibles que ceux associés aux applications typiques chemin de fer de LFM. Gradeck et al. Étudié expérimentalement et numériquement le domaine de l'impact de jet d'eau d'écoulement sur un substrat mobile sous divers vitesse du jet, la vitesse de surface, et des conditions de diamètre de buse 8. Fujimoto et al. Caractéristiques d'écoulement en outre une enquête d'un jet d'eau circulaire empiéter sur un substrat mobile recouvert d'une mince pellicule d'eau neuf. Cependant, ces deux projets ont utilisé relativement grands diamètres de buse et surface inférieure et des vitesses de réaction par rapport à ceux utilisés dans le présent ouvrage. En outre, bien que les études expérimentales, numériques et analytiques précédentes fournissent une grande quantité de données, la majorité ont mis l'accent sur les paramètres de transfert de chaleur plutôt que sur les processus d'écoulement de liquide tels que le comportement jet d'éclaboussures. La méthode expérimentale prévu dans la présente recherche contribue ainsi à liquides technologies d'application de jet de REla sanction de telles techniques dans des conditions impliquant des diamètres de buses petit jet et jet et de surface vitesses à grande vitesse. Le présent procédé permet également d'affiner les connaissances sur les problèmes fondamentaux de la mécanique des fluides liés au déplacement des lignes de contact.
Les études mentionnées ci-dessus ont généralement impliqué l'interaction d'un jet à basse vitesse avec une surface à faible vitesse de déplacement. Il ya eu relativement peu d'études sur l'impact des jets laminaire à haute vitesse sur les surfaces mobiles à haut débit. Pendant jet liquide impaction à haute vitesse du liquide de jet se étend radialement au voisinage de l'emplacement d'impact, formant une lamelle mince. Cette lamelle est ensuite par convection en aval par le forçage visqueux prélevée par la surface en mouvement, produisant une lamelle en forme de U caractéristique. Keshavarz et al. Ont rapporté des expériences utilisant des jets de liquide newtoniens et élastiques empiétant sur des surfaces à haute vitesse. Ils ont classé les processus de collision en deux types distincts: "dépôt &# 8221; et "Splash" 10. Pour collision être considéré comme le dépôt, le liquide de jet doit adhérer à la surface, tandis que les projections se caractérise par une lamelle liquide qui se sépare de la surface et ensuite se décompose en gouttelettes. Un troisième régime d'impact a également été décrite - "éclaboussures". En cela, relativement rare, le régime lamelle reste attachée à la surface, comme par «dépôt», mais fines gouttelettes soient éjectées à partir de près du bord d'attaque de la lamelle. Dans une étude ultérieure des effets de fluides non-newtoniens, Keshavarz et al. A conclu que le / seuil de dépôt de démarrage est principalement déterminée par les nombres de Reynolds et Deborah, alors que l'angle d'impact de jet et de la vitesse du jet de surface rapports de vitesse ne ont qu'un effet mineur 11 . Dans les expériences menées dans le cadre des pressions ambiantes d'air variable, Moulson et al. Découvert que le splash / dépôt seuil nombre de Reynolds de façon spectaculaireaugmente avec la diminution de pression de l'air ambiant (ce est à dire, la hausse des pressions ambiantes font jets plus enclins à éclabousser), tout en diminuant la pression de l'air ambiant en dessous d'un certain seuil supprime complètement splash 12. Cette constatation suggère fortement que les forces aérodynamiques agissant sur la lamelle jouent un rôle crucial dans l'apparition de lamelles lift-off et les éclaboussures ultérieure. Dans les travaux récents sur impact à haute vitesse sur un substrat à haute vitesse, Sterling a montré que pour la vitesse de substrat et des conditions de jet proches du seuil de démarrage, éclaboussure peut être déclenchée par une très faible rugosité de surface localisée et mineure instabilité du jet. Il a également montré que, dans ces conditions lamelles lift-off et le rattachement est un processus stochastique 13.
Le protocole expérimental est décrit ici peut être utilisé pour étudier d'autres situations physiques impliquant l'interaction d'un fluide avec une surface en mouvement à grande vitesse. Par exemple, la même approche pourrait être utilisée pour étudier hélicoptère bladinteraction e-vortex (à condition que le fluide à tourbillons a été coloré avec des particules de traceur) et la pulvérisation des surfaces robotique.
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Protocole
Dispositif de disque 1. Spinning
- Identifier les conditions de test souhaités et conditions d'essai d'enregistrement dans une table (par exemple, la température ambiante, les propriétés des fluides, jet et la vitesse de surface, etc.).
- Préparation des matériaux
- Préparer des solutions dans l'eau ou de la glycérine PEO-glycérine-eau pour les essais d'impact.
- Dans le cas de tests PEO-glycérine-eau, dissoudre progressivement 4,5 g de poudre PEO (poids moléculaire moyenne en viscosité de un million et quatre millions d'euros) dans 1495,5 g d'eau distillée sous agitation magnétique douce sur une période de 24 heures. Évitez agitation excessive l'échantillon PEO pour empêcher la dégradation mécanique.
- Ajouter graduellement 1,5 kg de glycérine USP-grade à la solution aqueuse de PEO sur une période de 24 heures pour atteindre une solution aqueuse de 0,15% la concentration de PEO et 50% la concentration de glycérine.
- Stocker les liquides d'essai séparément dans des contenants hermétiques sous RT avant et après chaque test pour mini-Mize évaporation, l'absorption de l'eau de l'air ambiant et de la contamination. Caractériser et pulvériser des liquides dans les cinq jours de préparation.
- Préparer des solutions dans l'eau ou de la glycérine PEO-glycérine-eau pour les essais d'impact.
- Performance d'expériences
- Assurez-vous que la valve d'alimentation en air du coussin d'air à disque tournant est ouverte et la lecture de la jauge de pression est dans la plage de fonctionnement correct (60-80 psig). Effacer tout ce qui pourrait entraver le mouvement de disque et tourner le disque à la main dans les deux sens 5 rotations pour vérifier tous les problèmes avec le disque et les roulements.
- Le gaz comprimé propre et sécuritaire fermé accumulateur pour fluide d'essai sous pression. Verser 3 kg de liquide d'essai dans l'orifice de fluide de l'accumulateur de 1 gallon.
- Connecter le port de gaz de l'accumulateur vers le réservoir d'azote par l'intermédiaire d'un régulateur de pression. Connecter le port de fluide de l'accumulateur vers la buse jet de pulvérisation.
- Mettre en place le système de contrôle et un système d'imagerie à haute vitesse.
- Démarrez le logiciel de commande de disque de filage et logiciel de contrôle VFD.Position deux ciné caméras 35 cm de distance du point d'impact à haute vitesse et ajuster les verres à fort grossissement pour capturer le point d'impact sous deux angles.
- Réglez la source de lumière 150 W fibre optique de parvenir à un fond uniformément éclairé pour une meilleure qualité de l'image (Figure 1). Mettez le système de contrôle à ce stade de faciliter l'ajustement de la caméra.
- Effectuer la routine auto-contrôle en cliquant sur le bouton 'auto-contrôle »dans le logiciel de contrôle pour se assurer que le système fonctionne comme prévu.
- Effectuer un test d'impact de jet
- Réglez la vitesse du disque à la valeur désirée avec le logiciel de contrôle de VFD (500-3'000 rpm).
- Pour effectuer un test, lancer la séquence expérimentale automatisé à partir du logiciel de commande en cliquant sur le bouton 'de séquence de test'. Le logiciel va déterminer les paramètres optimaux et coordonner automatiquement chaque composant du système pour effectuer le test en conséquence.
- Enregistrez la vidéo de test d'impact qui en résulte (voir, par exemple, la capture d'écran de la figure 2). Lire et la vitesse de surface du disque, la buse-pression et de la température à partir du logiciel de commande.
Remarque: Après chaque essai, une séquence de nettoyage de disque se exécute automatiquement pour rincer et sécher la surface du disque. Répéter le cycle de nettoyage en tant que nécessaire jusqu'à ce que tous les résidus de fluide d'essai a été retiré.
ATTENTION: Bien que les fluides de test avec la solution d'eau et de la glycérine peuvent être nettoyées avec la séquence de nettoyage, d'autres LFMs besoin d'être nettoyé avec des solvants organiques tels que l'acétone. Dans de tels cas, appliquer le matériau de nettoyage pour un tissu plutôt que le disque de pulvérisation directement.
- Analyse des données
- Préparer une feuille de calcul contenant des informations sur chaque condition d'essai (par exemple, les propriétés du fluide, la température ambiante, la rugosité de surface, etc.).
- Ouvrez les images jet d'impact enregistrés avec le logiciel de visualisation ciné, lire les enregistrements vidéo illimités à la normaleaccélérer et d'observer les comportements jet d'impact.
- Enregistrer les caractéristiques de comportement d'impact (splash / projections / dépôt; voir la figure 3) dans la feuille de prêts, enregistrant tous les tendances inhabituelles qui peuvent indiquer des complications avec l'expérimental.
- Enregistrer les résultats et conditions d'essai dans un tableur. Consigner les résultats notables et événements inhabituels dans le journal de test (par exemple, splash / dépôt points de seuil, des transitions splash / de dépôt, etc.). Enregistrer screenshots lorsque cela est nécessaire.
- Effectuer des mesures d'analyse d'images et d'enregistrer des données.
- Lancez l'outil de mesure de pixel à l'écran. Images collision ouverts et calibrer l'échelle de l'image en mesurant un micro-chef dans les images avec l'outil de mesure de pixel à l'écran (Figure 4).
- Dimensions de la mesure de l'intérêt (par exemple, la largeur lamelle de propagation, W et lamelles rayon de point de stagnation, R; voir la Figure 5) avec la mesure de pixel tOOL à un point où le jet semble être plus stable dans les données vidéo et enregistre la feuille de calcul préparée. Puis prendre un autre groupe de mesures 100 images après le premier groupe de mesures pour confirmer que tant le jet et la lamelle sont stables. points de données sur un graphe et complètent la courbe d'ajustement.
2. Air Cannon périphérique
- Identifier les conditions de test souhaités et préparer le matériel que dans l'étape 1.1 et l'étape 1.2.
- Performance d'expériences
- Alimenter le logiciel système de contrôle.
- Insérer le projectile dans le canon de canon. Déplacez le mécanisme d'arrêt près de la sortie du canon de saisir correctement le projectile après un test (Figure 6).
- Ouvrir la conduite d'air sous pression de construction menant au réservoir d'air. À pressuriser le réservoir entre 30 psi et 70 psi, en fonction de la vitesse du projectile souhaité. La pression du réservoir 30 psi donne une vitesse de projectile de l'ordre de 5m / sec, et 70 psi donne une vitesse d'environ 25 m / sec.
- Préparer le gaz comprimé pour accumulateur fermé fluide d'essai sous pression.
- Verser 3 kg de liquide d'essai dans l'orifice de fluide de l'accumulateur. Connectez tuyau de la vanne de gaz de l'accumulateur au liquide buse jet de pulvérisation, et régler la pression de l'accumulateur à un maximum de 300 psi.
- Fixez la caméra à la prise de ciseaux. Fixer le cric en ciseaux de la plate-forme positionnée à côté de la buse à jet de pulvérisation.
- Fixer la source de lumière de haute intensité à la plate-forme positionnée en face de la caméra et derrière la feuille de diffusion. Vérifiez l'éclairage et la caméra positionnement en utilisant la fonction de visualisation de la caméra vidéo de l'interface de configuration du logiciel, et ajuster le positionnement si nécessaire (figure 7).
- Mettez cache-oreilles pour se protéger du canon à air souffle sonore.
- Déverrouillez le panneau de commande de canon, et appuyez sur le bouton d'alerte sur le panneau de commande plusieurs fois pour signalerle début d'une expérience.
- Appuyez sur le bouton du panneau de commande qui ouvre l'électrovanne reliant le réservoir d'air avec le canon de canon à air.
- Après que le dispositif a été tiré et capturé le projectile, nettoyer l'appareil en l'essuyant avec de fluide et une éponge pour enlever fluide d'essai résiduelle nettoyage. Enfin, sécher la surface d'impact du projectile.
- Mesurer la vitesse du projectile dans la vidéo à grande vitesse enregistrée en mesurant la quantité de temps nécessaire pour que le projectile pour parcourir une distance fixe (10 cm). Analyser les données comme dans l'étape 1.5.
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Résultats
Comme indiqué dans l'introduction, les trois principaux comportements associés à l'impact des jets de liquide sont dépôt, les éclaboussures et les éclaboussures. Ces comportements jet d'impact sont observées en utilisant des données vidéo enregistrées par les caméras de ciné à grande vitesse positionnés à différents points optiques. Exemples d'images fixes, obtenus à partir des enregistrements vidéo, qui représentent les trois résultats liquides de jet sont présentés dans la figure 3. Figur...
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Discussion
Le projectile utilisé pour le canon à air set-up est composé de, une base en bois léger. Bien que les rognures de bois légèrement après de nombreux essais, il a été trouvé à absorber l'énergie cinétique de projectiles de manière plus efficace sont constitués de matières telles que le plastique ou le métal, qui ont tendance à se briser lors de l'impact du mécanisme d'arrêt. Les dimensions du projectile en bois sont conçus pour correspondre étroitement à l'intérieur du canon de l'acier, limitant ainsi ...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs ne ont rien à divulguer.
Remerciements
Le Conseil de recherches en génie du Canada (CRSNG) et LB Foster ferroviaires Technologies, Corp. sciences naturelles et soutenu conjointement cette recherche à travers le programme de recherche et développement coopérative du CRSNG Grant.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Équipement pour la configuration du canon à air comprimé Réservoir d’air | |||
| 30 gallons | Steel Fab | A10028 | |
| Vanne à clapet actionnée par solénoïde | Parker Hannifin Corp. | ||
| Tuyau | |||
| Tube en acier rectangulaire Mécanisme d’arrêt | |||
| Plaques en | |||
| Projectile en bois | personnalisé | ||
| Analyse photographique ltée | |||
| Feuille | |||
| Capteur optique | BANNER | SM312LV | |
| Equipement pour le réglage du disque rotatif | |||
| Moteur | WEG | TEFC-W22 | |
| Roulements | |||
| Disque | Personnalisé | ||
| Source lumineuse à fibre optique | Fibre optique Technologie Incorporée | MO150AC | |
| Réseau de LED à haute intensité | Torshare Ltd. | TF10CA | |
| Vacuum | Ridge Tool Company | WD09450 | |
| Interrupter | Customized | ||
| Équipement partagé pour les deux appareils | |||
| Phantom v611 caméra cinéma haute vitesse | Vision Research Inc. | V611 | |
| Phantom v12 caméra cinéma haute vitesse | Vision Research Inc. | Objectif V12 | |
| Zoom 7000 | Navitar Inc. | Zoom 7000 | |
| Objectif Zoom 6000 | Navitar Inc. | Zoom 6000 | |
| Réservoir d’azote comprimé | Praxair Technology, Inc. | ||
| Régulateur | de pression Praxair Technology, Inc. | ||
| Tuyau pour azote comprimé | Swagelok Company | SS-CT8SL8SL8-12 | |
| Tuyau pour accumulateur liquide | Swagelok Company | SS-7R8TA8TA8 | |
| Accumulator | Accumulators, Inc. | ||
| Solénoïde Solutions | d’électrovanne Inc. | 2223X-A440-00 | |
| Transducteur de pression | WIKA Instruments Ltd | #50398083 | |
| Assemblage de la buse | Glycérine personnalisée | ||
| Poly(oxyde d’éthylène) | |||
Références
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Réimpressions et autorisations
