Visualisation de High Speed ​​Liquid Jet impaction sur une surface en mouvement

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 <em> 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.