表面移動に高速液体ジェット宿便の可視化

Yuchen Guo; Sheldon Green

doi:10.3791/52603

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方法論記事

表面移動に高速液体ジェット宿便の可視化

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DOI：

10.3791/52603

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2015年4月17日

Yuchen Guo¹ , Sheldon Green¹

¹Department of Mechanical Engineering, University of British Columbia

この記事について

サマリー

高速移動面への液体ジェットの衝突を調べるための2つの実験装置、すなわちエアキャノン装置と回転ディスク装置が説明されています。これらの装置は、トップオブレール摩擦制御のために、液体摩擦調整剤(LFM)を線路に適用するための最適なアプローチを決定するために使用されます。

要約

高速移動する表面に液体ジェット衝突を調べるための2つの装置が記載されている：（0および25メートル/秒の間の表面速度を調べるための）空気砲装置及びスピニングディスク装置（15と100メートルの間の表面速度を調べるための/秒）。空気砲線形トラバース木製発射体の上部に取り付けられた金属レール面を加速するために設計された空気圧式エネルギー給電システムである。ソレノイドバルブを備えた加圧シリンダが急速に大砲バレルダウン発射を強制的に、バレルに加圧された空気を放出する。発射体は、金属上部表面上に液体ジェットを衝突スプレーノズルの下に移動し、発射体は、その後停止機構に当たる。カメラは、ジェット衝突を記録し、圧力変換器は、噴霧ノズルの背圧を記録する。スピニングディスクセットアップは、可変周波数ドライブ（VFD）を介して、モータ500回転〜3000の速度に達するスチールディスクから成る。スプレーシステムシ空気砲とmilarは、回転するディスク上に衝突する液体ジェットを生成し、いくつかの光学アクセスポイントに配置されたカメラは、ジェット衝突を記録する。ジェット衝突過程のビデオ記録を記録し、衝突の結果は、スプラッシュ、スプラッター、または堆積であるかどうかを決定するために調べられる。装置は、高速移動表面上の低レイノルズ数液体ジェットの高速衝突を伴うことが最初である。その鉄道産業用途に加えて、記載された技術は、製鋼のような技術的および工業目的に使用することができ、高速な3Dプリンティングに関連し得る。

概要

本研究では、転写効率及び均一な堆積結果の高度を実現しつつ移動する表面に液体ジェットの形でLFM（液体摩擦調整剤）を塗布するための戦略を決定することを目的とする。この目的を達成するには、表面を移動する上で液体ジェット衝突に影響を与える要因の包括的な理解を開発することを含む。

プロジェクトは、鉄道部門で使用される潤滑適用技術の効率を改善する必要性によって動機付けされる。燃料消費量と機関車メンテナンスコスト、摩擦改質剤の薄膜を低減する手段として、現在、従来の鉄道の線路の上レール表面に適用されている。最近の研究では、6％のエネルギー消費量が減少し、レールと車輪フランジレール上面用水性LFMの一種（TOR）摩擦制御を適用することは、50％ ^の1,2-超えてによる着用することを示した。他の研究では、レールトラックにLFMを適用することが減らすことが示されているの横力とノイズレベルも、より重要なこととして、トラックコルゲーションと脱線^3,4の主な原因である転動疲労による損傷。これらの結果はさらに、東京地下鉄システム⁵上のフィールドテストで確認された。

LFMsは現在、カナダと米国全体で機関車の数十に装着エアーブラスト噴霧器から分配されている。この応用形態では、LFMは鉄道車両を移動させるの下に取り付けられた噴霧器により、線路の上部に適用される。必要な大容量高圧空気供給レベルが達成できない場合があるため、LFMアプリケーションのこのモードは、多くの鉄道機関車に実装するのは困難である。横風が元の軌道から逸脱する微細な噴霧液滴を生じさせるようにエア·ブラスト噴霧ノズルはまた、横風で操作された場合、高度に不規則なレールカバレッジを生成すると考えられている。横風も同じ可能性が高いため、ノズルファウリングに関与することが知られている理由。エアーブラスト噴霧器に関連する問題に起因して、鉄道部門は、現在、レールトラックにLFMアプリケーションへの代替アプローチを求めている。液体ジェットは、それらの低ドラッグ対慣性比にエフェクトを横風の影響を受けにくいですように、1つ実行可能な解決策は、（ - 霧状ではない）連続液体ジェットを用いてLFMを分配することを含む。さらに、噴霧ノズルに必要な高い空気圧と音量レベルが液体ジェット噴霧技術で必要とされないため、LFMアプリケーションの速度に対する効果的な制御を維持し、より合理的で堅牢な噴霧機構は、後者の行為。

類似の物理学、液滴衝突の面積は、集中的に研究されている。これは、移動乾燥滑らかな表面上の液滴の衝突のために、動作を飛散する粘度、密度、表面張力および衝突速度^14,15の通常の成分を含む多くのパラメータに依存していることをいくつかの研究者によって発見された。バードら両方正常および接線速度は非常に重要で¹⁶であったことを実証した。範囲らおよびクルックスらは ^17,18（ すなわち 、それが飛散する液滴やすくなる）定常乾燥表面上の液滴の衝突のために、表面粗さが著しくスプラッシュ閾値を低下させることが示されている。

その実用的な重要性にもかかわらず、移動表面のジェット衝突は、学術文献ではほとんど注目されている。チウ·ウェブスターとリスターは、移動する表面に安定的かつ非定常粘性ジェット衝突を調べた実験の大規模な一連を行った、と著者は定常流ケース⁶のためのモデルを開発しました。 HLOD らは、追加の整数条件で未知の長さのドメイン上の三次ODEによって流れをモデル化し、実験結果⁷と予測構成を比較した。しかし、レイノルズ数を調べこれらの研究の双方に典型的な鉄道LFMアプリケーションに関連付けられたものよりもはるかに低い。 Gradeck らは、数値的及び実験的に各種の噴射速度、表面速度、及びノズル径条件⁸の下で移動する基板上にウォータージェット衝突の流れ場を調べた。藤本らは、さらに水⁹の薄膜で覆われて移動する基板に衝突する円形の水ジェットの流動特性を調べた。しかし、これら二つのプロジェクトは、本研究で用いたものに比べて比較的大きなノズル径と下面とジェット速度を使用。以前の実験数値、および分析研究は大量のデータを提供してもまた、大部分は、熱伝達パラメータではなく、ジェット飛散挙動液流プロセスに焦点を当てている。本研究で提供実験方法は、このように再液体ジェット応用技術に寄与する小さいジェットノズル直径および高速噴流および表面速度を含む条件下で、そのような技術を清澄。本発明の方法はまた、可動接触線に関連付けられた基本的な流体力学の問題についての知識を洗練する。

上記の研究は、一般的に、低速移動面と低速ジェットの相互作用が関与している。高速移動表面に層状の高速ジェット衝突の比較的少数の研究がなされている。高速液体ジェット衝突時に噴射液が薄いラメラを形成し、入射位置の近傍で半径方向に広がる。このラメラは、その後、粘性は、特性U字状薄板の製造、表面移動によって課される強制力により下流対流れる。 Keshavarz ら高速表面に衝突ニュートン弾性液体ジェットを用いた実験で報告されている。「堆積＆：彼らは、2つの異なるタイプに衝突プロセスを分類した＃8221;そして「スプラッシュ^」10。衝突が堆積として分類されるためには、スプラッシュが液滴に分裂する、その後、表面から分離し、液体ラメラことを特徴としているのに対し、ジェット液は、表面に付着している必要があります。第三の衝突政権も記載されている - 「スプラッタ」。これでは、ラメラが残る比較的まれ、レジームは「堆積」に関しては、表面に付着するが、微細な液滴は、薄板の前縁付近から吐出される。非ニュートン流体の効果のその後の研究では、Keshavarz らは、表面速度比が噴流衝突角とジェット速度はわずかな効果^11を有しているのに対して、スプラッシュ/堆積閾値は、主に、レイノルズおよびデボラ数で決定されると結論。可変周囲圧力下で実施された実験では、Moulson らは発見したスプラッシュ/堆積閾値レイノルズ数は劇的にその周囲の空気の圧力の減少に伴って増加する（ すなわち 、より高い周囲圧力が飛散するジェットやすくする）、一定の閾値を下回る周囲圧力を減少させると完全に¹²スプラッシュを抑制している。この知見は、強くラメラに作用する空気力をラメラリフトオフおよびその後のスプラッシュの原因に重要な役割を果たしていることを示唆している。高速基板上に高速衝突に関する最近の研究では、スターリングスプラッシュ閾値に近い基板の速度及び噴射条件に対して、スプラッシュが非常に小さい局所的な表面粗さとマイナージェット不安定によってトリガされることを示した。彼はまた、これらの条件下でラメラリフトオフ及び再付着が確率過程¹³であることを示した。

ここに記載の実験プロトコルは、高速移動表面と流体との相互作用に関与する他の物理的な状況を研究するために使用することができる。例えば、同じアプローチは、ヘリコプターの宣伝ちらしを研究するために使用することができる電子ボルテックス（渦流体がトレーサ粒子で着色している場合）との相互作用表面のロボットのスプレー。