Visualización de alta velocidad Liquid Jet impactación sobre una superficie móvil

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 <em> 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.