Wizualizacja zaparcia strumienia cieczy o dużej prędkości na ruchomej powierzchni

Yuchen Guo; Sheldon Green

doi:10.3791/52603

Artykuł metodologiczny

Wizualizacja zaparcia strumienia cieczy o dużej prędkości na ruchomej powierzchni

11K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/52603

⸱

17 kwietnia 2015

Yuchen Guo¹ , Sheldon Green¹

¹Department of Mechanical Engineering, University of British Columbia

W tym artykule

Podsumowanie

Opisano dwa eksperymentalne urządzenia do badania uderzenia strumienia cieczy w poruszającą się powierzchnię o dużej prędkości: urządzenie z armatą powietrzną i urządzenie z wirującym dyskiem. Aparatura służy do określania optymalnych podejść do stosowania płynnego modyfikatora tarcia (LFM) na torach kolejowych w celu kontroli tarcia na szczycie szyny.

Streszczenie

Opisano dwa urządzenia do badania uderzeń strumienia cieczy na szybko poruszającą się powierzchnię: armatę powietrzną (do badania prędkości powierzchniowych między 0 a 25 m/s) i urządzenie do obracania dysku (do badania prędkości powierzchniowych między 15 a 100 m/s). Liniowy trawers armaty powietrznej to pneumatyczny system zasilany energią, który ma na celu rozpędzenie metalowej powierzchni szyny zamontowanej na drewnianym pocisku. Butla ciśnieniowa wyposażona w zawór elektromagnetyczny szybko uwalnia sprężone powietrze do lufy, wpychając pocisk w dół lufy armaty. Pocisk przechodzi pod dyszą natryskową, która uderza strumieniem cieczy w jej metalową górną powierzchnię, a następnie pocisk uderza w mechanizm zatrzymujący. Kamera rejestruje uderzenie strumienia, a przetwornik ciśnienia rejestruje ciśnienie wsteczne dyszy natryskowej. Układ wirującej tarczy składa się ze stalowego dysku, który osiąga prędkość od 500 do 3 000 obr./min za pośrednictwem silnika z napędem o zmiennej częstotliwości (VFD). System rozpylania podobny do tego z armaty powietrznej generuje strumień cieczy, który uderza w obracający się dysk, a kamery umieszczone w kilku optycznych punktach dostępowych rejestrują uderzenie strumienia. Nagrania wideo procesów uderzenia strumienia są rejestrowane i badane w celu określenia, czy wynikiem uderzenia jest rozpryskiwanie, rozpryskiwanie czy osadzanie. Aparaty te są pierwszymi, które polegają na szybkim oddziaływaniu strumieni cieczy o niskiej liczbie Reynoldsa na poruszające się powierzchnie o dużej prędkości. Oprócz zastosowań w przemyśle kolejowym, opisana technika może być wykorzystywana do celów technicznych i przemysłowych, takich jak produkcja stali, i może być odpowiednia dla szybkiego druku 3D.

Wprowadzenie

To badanie ma na celu określenie strategii stosowania LFM (Liquid Friction Modifier) w formie płynnego strumienia na ruchomej powierzchni, przy jednoczesnym osiągnięciu wysokiego stopnia efektywności transferu i jednolitych wyników osadzania. Osiągnięcie tego celu wymaga wszechstronnego zrozumienia czynników, które wpływają na uderzenie strumienia cieczy w ruchome powierzchnie.

Projekt jest motywowany potrzebą poprawy efektywności technik aplikacji smarowania stosowanych w sektorze kolejowym. W celu zmniejszenia zużycia paliwa i kosztów utrzymania lokomotyw, na górną powierzchnię torów kolejowych nakłada się obecnie cienką warstwę środka modyfikującego tarcie. Ostatnie badania wykazały, że zastosowanie jednego rodzaju LFM na bazie wody do kontroli tarcia w górnej części szyny (TOR) zmniejszyło poziom zużycia energii o 6%, a zużycie szyn i obrzeży kół o ponad 50%^1,2. Inne badania wykazały, że zastosowanie LFM na torach kolejowych zmniejsza siłę boczną i poziom hałasu, a także, co ważniejsze, pofałdowanie torów i uszkodzenia spowodowane zmęczeniem styku tocznego, co jest główną przyczyną wykolejeń^3,4. Wyniki te zostały następnie potwierdzone w testach terenowych na systemie metra^{w Tokio 5}.

LFM są obecnie dostarczane z atomizerów pneumatycznych dołączonych do dziesiątek lokomotyw w Kanadzie i Stanach Zjednoczonych. W tej formie aplikacji LFM jest nakładany na górną część torów kolejowych za pomocą atomizerów zamontowanych pod poruszającymi się wagonami kolejowymi. Ten tryb aplikacji LFM jest trudny do wdrożenia w wielu lokomotywach kolejowych, ponieważ wymagane poziomy zasilania powietrzem o dużej objętości i wysokim ciśnieniu mogą być nieosiągalne. Uważa się również, że dysze natryskowe z nadmuchem powietrza wytwarzają bardzo nieregularne pokrycie szyny, gdy są używane przy bocznym wietrze, ponieważ boczne wiatry powodują, że drobne kropelki aerozolu odchylają się od ich pierwotnej trajektorii. Wiadomo również, że boczne wiatry są związane z zanieczyszczeniem dysz, prawdopodobnie z tego samego powodu. Ze względu na problemy związane z rozpylaczami nadmuchu powietrza, sektor kolejowy poszukuje obecnie alternatywnych podejść do zastosowania LFM na torach kolejowych. Jednym z realnych rozwiązań jest dozowanie LFM za pomocą ciągłego (nierozpylonego) strumienia cieczy, ponieważ strumienie cieczy są mniej podatne na efekty wiatru bocznego ze względu na niższy stosunek oporu do bezwładności. Dodatkowo, ponieważ wysokie ciśnienie powietrza i poziomy objętości potrzebne do rozpylania dysz nie są wymagane w technologiach natryskiwania strumieniem cieczy, te ostatnie działają jako bardziej usprawnione i solidne mechanizmy natryskiwania, które utrzymują skuteczną kontrolę nad szybkością aplikacji LFM.

Obszar o podobnej fizyce, uderzenia kropel, był intensywnie badany. Kilku badaczy odkryło, że w przypadku uderzenia kropel w ruchomą, suchą, gładką powierzchnię, rozpryskiwanie zależy od wielu parametrów, w tym lepkości, gęstości, napięcia powierzchniowego i składowej normalnej prędkości uderzenia^14,15. Bird i in. wykazali, że zarówno prędkość normalna, jak i styczna mają kluczowe znaczenie¹⁶. Range i wsp. oraz Crooks i wsp. wykazali, że w przypadku uderzenia kropelki w nieruchomą suchą powierzchnię, chropowatość powierzchni znacznie obniża próg rozpryskiwania (tj. sprawia, że kropla jest bardziej podatna na rozpryskiwanie)^17,18.

Pomimo swojego praktycznego znaczenia, uderzenie strumienia w ruchome powierzchnie nie spotkało się z dużym zainteresowaniem w literaturze naukowej. Chiu-Webster i Lister przeprowadzili obszerną serię eksperymentów, w których badali stałe i niestabilne uderzenie lepkiego strumienia o ruchomą powierzchnię, a autorzy opracowali model dla przypadku stałego przepływu⁶. Hlod i wsp. modelowali przepływ za pomocą ODE trzeciego rzędu na domenie o nieznanej długości w dodatkowym warunku całkowania i porównali przewidywane konfiguracje z wynikami eksperymentalnymi⁷. Jednak liczby Reynoldsa badane w obu tych badaniach są znacznie niższe niż te związane z typowymi zastosowaniami LFM w kolejnictwie. Gradeck i in. numerycznie i eksperymentalnie zbadali pole przepływu uderzenia strumienia wody w poruszające się podłoże w różnych warunkach prędkości strumienia, prędkości powierzchniowej i średnicy dyszy⁸. Fujimoto i in. dodatkowo zbadali charakterystykę przepływu kołowego strumienia wody uderzającego w ruchome podłoże pokryte cienką warstwą wody⁹. Jednak w tych dwóch projektach wykorzystano stosunkowo duże średnice dysz oraz niższe prędkości powierzchni i strumieni w porównaniu z tymi zastosowanymi w obecnych pracach. Co więcej, chociaż poprzednie badania eksperymentalne, numeryczne i analityczne dostarczają dużej ilości danych, większość z nich koncentrowała się na parametrach wymiany ciepła, a nie na procesach przepływu cieczy, takich jak rozpryskiwanie strumienia. Metoda eksperymentalna przedstawiona w niniejszym badaniu przyczynia się zatem do rozwoju technologii aplikacji strumienia cieczy poprzez udoskonalenie takich technik w warunkach obejmujących mniejsze średnice dysz strumieniowych oraz duże prędkości strumienia i prędkości powierzchniowe. Obecna metoda pogłębia również wiedzę na temat podstawowych problemów mechaniki płynów związanych z ruchomymi liniami jezdnymi.

Wyżej wymienione badania zazwyczaj dotyczyły interakcji strumienia o niskiej prędkości z poruszającą się powierzchnią o niskiej prędkości. Przeprowadzono stosunkowo niewiele badań nad laminarnym uderzeniem strumienia o dużej prędkości w poruszające się powierzchnie. Podczas zaklinania strumienia cieczy z dużą prędkością ciecz strumieniowa rozprzestrzenia się promieniście w pobliżu miejsca uderzenia, tworząc cienką blaszkę. Blaszka ta jest następnie konwekowana w dół przez lepkie naciskanie narzucone przez ruchomą powierzchnię, tworząc charakterystyczną blaszkę w kształcie litery U. Keshavarz i in. donieśli o eksperymentach wykorzystujących newtonowskie i elastyczne strumienie cieczy uderzające w powierzchnie o dużej prędkości. Podzielili oni procesy uderzeniowe na dwa odrębne typy: "osadzanie" i "rozpryskiwanie"¹⁰. Aby uderzenie można było sklasyfikować jako osadzanie, ciecz strumieniowa musi przylegać do powierzchni, podczas gdy rozprysk charakteryzuje się płynną blaszką, która oddziela się od powierzchni, a następnie rozpada się na kropelki. Opisano również trzeci reżim uderzeniowy – "rozpryskiwanie". W tym, stosunkowo rzadkim, reżimie blaszka pozostaje przyczepiona do powierzchni, tak jak w przypadku "osadzania", ale drobne kropelki są wyrzucane z okolic przedniej krawędzi blaszki. W późniejszych badaniach nad nienewtonowskimi efektami płynów, Keshavarz i in. doszli do wniosku, że próg rozprysku/osadzania jest głównie określany przez liczby Reynoldsa i Deborah, podczas gdy kąt uderzenia strumienia i stosunek prędkości dżetu do prędkości powierzchniowej mają tylko niewielki wpływ¹¹. W eksperymentach przeprowadzonych przy zmiennym ciśnieniu powietrza otoczenia Moulson i in. odkryli, że próg rozprysku/osadzania Reynoldsa dramatycznie wzrasta wraz ze spadkiem ciśnienia powietrza otoczenia (tj. wyższe ciśnienie otoczenia sprawia, że strumienie są bardziej podatne na rozpryskiwanie), podczas gdy spadek ciśnienia powietrza otoczenia poniżej pewnego progu całkowicie tłumi rozpryskiwanie¹². Odkrycie to silnie sugeruje, że siły aerodynamiczne działające na lamelę odgrywają kluczową rolę w powodowaniu unoszenia się lameli i późniejszego rozpryskiwania. W ostatnich pracach nad uderzeniem z dużą prędkością w podłoże o dużej prędkości, Sterling wykazał, że w przypadku prędkości podłoża i warunków strumienia zbliżonych do progu rozprysku, rozpryski mogą być wywołane przez bardzo małą zlokalizowaną chropowatość powierzchni i niewielką niestabilność strumienia. Wykazał również, że w tych warunkach podnoszenie się i ponowne przyczepianie lameli jest procesem stochastycznym¹³.

Opisany tutaj eksperymentalny protokół może być wykorzystany do badania innych sytuacji fizycznych związanych z oddziaływaniem płynu z poruszającą się powierzchnią o dużej prędkości. Na przykład, to samo podejście można zastosować do badania interakcji łopata-wir helikoptera (pod warunkiem, że płyn wirowy był zabarwiony cząstkami znacznikowymi) i zrobotyzowanego natryskiwania powierzchni.