WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Решение задачи межфазного теплообмена в гетерогенном потоке сводится к нахождению закономерности изменения температуры частиц Тр по длине тракта. Алгоритм расчета теплообмена в движущейся неизотермической гетерогенной среде строится на базе постулата первого закона термодинамики, записанного для твердого термодинамического рабочего тела (частицы). При этом учитывалось, что в НТГДМ-технологии частицы при ускорении в канале не претерпевают фазовых переходов. Тогда имеем:, (7)

где - конвективный тепловой поток, на единицу боковой поверхности частицы массой mр за время пролета частицей i-го расчетного участка длиной Li. Согласно закону конвективного теплообмена Ньютона представляется в виде:

, (8)

где Тгаз.i - температура газа-носителя на длине расчетного i-го участка длиной Li, - средняя температура частицы на длине i-го участка, i- коэффициент теплоотдачи на расчетном i-ом участке, ср,i – удельная теплоемкость материала частицы при средней температуре.

Уравнение (7) принимает вид:. (9)

Коэффициент теплоотдачи i между газовой фазой и частицами определяется из критерия Нуссельта, который для частиц микронного диапазона представляется критериальным соотношением типа:, (10)

где критерий Рейнольдса, критерий Прандтля, dр – диаметр частицы.

Из уравнения (9) следует:, (11)

где - температура частицы на предыдущем расчетном участке. Поскольку в выражении (11) все параметры зависят от искомой температуры поверхности, то расчетпроводится методом последовательных приближений.

Результаты расчета с использованием общей и предложенной упрощенной математическими моделями изменения скорости газа-носителя uгаз, а также Vр и температуры Tр твердой фазы по длине ускорителя приведены на рис.5. Газовая фаза– воздух, твердая фаза – частицы Al d=40 мкм. Форма ускорителя – коническое сопло Лаваля. Видно удовлетворительное соответствие результатов расчета по общей и приближенной моделям. Из приведенных данных также следует, что максимальный темп нагрева частиц реализуется в докритической части сопла, т.е. в области максимальной температуры и плотности газа-носителя. Кроме того, на интенсивность нагрева частицы в докритической части сопла сильное влияние оказывает то обстоятельство, что частницы находятся в этой области достаточно долго, вследствие малой относительной скорости газовой uгаз и твердой Vр фаз (кр.1 и 3, рис.5).

Течение гетерогенной смеси в микросоплах с большим удлинением

Из задач, которые приходится решать при формировании защитных покрытий НТГДМ – технологией, следует выделить две проблемные, играющие определяющую роль в получении покрытий высокого качества. Таковыми являются:

- формирование течения гетерогенной смеси в микросоплах с большим удлинением;

-взаимодействие высокоскоростной частицы субмикронного диаметра с твердой поверхностью.

Решение первой задачи связано с динамикой ускорения твердых частиц, формирующих покрытие. Скорость частиц определяет важнейшие технико-экономические показатели технологического процесса нанесения покрытий, такие как качество покрытия, производительность, коэффициент использования порошка.

В установках применяются удлиненные ускорители с малыми площадями критических сечений (dкр = 1...5 мм). Относительное удлинение таких каналов может изменяться в широких пределах (L/dкр = 50...200).

Основная особенность течений вязких газов в соплах удлиненных форм заключается в том, что образовавшийся на поверхности стенок канала пограничный слой существенно уменьшает фактическое проходное сечение сопла по сравнению с расчетным, технологическим сечением. Это снижает массовый секундный расход потока, т.е. его скорость. Поэтому появилась необходимость оценки влияния пограничного слоя на динамику течения гетерогенной смеси в каналах удлиненной формы. При проведении такого анализа принимался ряд допущений. Вследствие малости размеров частиц перепад температуры в их объеме не учитывался. Кроме того, считалось, что вязкостные эффекты, которые, зависят от температуры поверхности, в связи с низкими уровнями величин температуры частиц не оказывают существенного влияния на аэродинамическое сопротивление частицы. Это позволило при анализе рассматривать динамическую и тепловую задачи, как две независимые. В такой постановке алгоритм расчета параметров потока вязкого газа был составлен на базе использования классической модели плоского пограничного слоя. При этом динамическая задача представлялась системой интегро-дифференциальных уравнений импульса и толщины вытеснения. Исходными данными для расчета являлись параметры газа в форкамере ускорителя рк, Тк и геометрические размеры сопл. В таблице 1 приведены некоторые результаты расчетов. Для сравнения в таблице последние две строки представляют данные других авторов.

Таблица 1.

dкр

dсрр

Mср.фак

Reх

Mср.р

dср.ф/dср.р

Mср.эк

мм

мм

-

-

-

-

-

3,5

12,2

3,45

6,3х105

4,14

0,71

-

4,5

9,5

2,55

4,36х105

3,05

0,84

2,48

4,5

9,5

2,67

5,19х105

3,05

0,845

2,6

2,72

12,65

3,87

1,2х105

4,8

0,67

-

4,72

12,65

2,84

1,27х105

3,58

0,71

-

Проведенные расчеты показывают, что в коническом сопле с dкp=1 мм пограничный слой смыкается на расстоянии L = 10... 12 мм от критического сечения и далее устанавливается турбулентное течение. При увеличении dкp до 2 мм пограничный слой смыкается уже на расстоянии L = 100...120 мм. Данное обстоятельство существенно усложняет применение микросопл в технологических установках. Их проектирование необходимо осуществлять с учетом нарастания толщины пограничного слоя вдоль стенок ускорителя частиц. На рис. 6 представлены результаты расчетов и измерений относительной скорости частиц алюминия в сопоставлении с результатами данных других авторов. В экспериментах применялись промышленные порошки с дисперсностью dр = 5...50 мкм. Скорость газового потока варьировалась в пределах uгаз = 200...1200 м. Здесь же наложены результаты машинного эксперимента на ЭВМ, проведенного в МАИ по изложенной выше методике.

При Cf =1,0 наблюдается хорошая корреляция результатов, влияние нарастания пограничного слоя на уменьшение uгаз составляет порядка 16% и на Vp до 20%.

Газодинамика и математическая модель при натекании сверхзвукового гетерогенного потока на плоскую преграду. Газодинамику течения сверхзвукового гетерогенного потока над поверхностью тел разных форм при реализации НТГДМ – технологии можно классифицировать как задачу натекания сверхзвуковой осесимметричной гетерогенной струи конечных размеров на плоскую стенку. Схема течения представлена на рис. 7. В общем случае задача двухмерная, так как при переходе через отошедшую ударную волну и сжатый слой, вектора скоростей газовой и твердой фаз меняют направление. В работе предлагается приближенный подход к решению данной задачи, позволяющий рассчитать параметры частиц непосредственно перед ударом о поверхность, т.е. на начальном участке свободного гетерогенного потока от среза сопла до ударной волны. Этот участок определяется координатой вдоль оси потока Xс = H – h (рис. 7).

Газодинамика течения гетерогенного потока у поверхности стенки описывается уравнениями Прандтля-Майера. Система уравнений, представленная в работе, позволяет рассчитать угол поворота гетерогенного потока в виде:

, (12)

где - текущий угол распространения малых возмущений в потоке.

Решение системы осуществляется с использованием параметров гетерогенного потока на срезе сопла, полученных из расчета по алгоритму, изложенному выше. Расчет велся методом итераций от среза сопла до ударной волны (сечение Хс рис.7), которое рассчитывалось с использованием соотношения:

, (13)

где dср и Мср - диаметр и число Маха на срезе сопла; n = pср/pн; pн – атмосферное давление.

Параметры газа за прямым скачком уплотнения, вследствие того, что параметры частиц при переходе через ударную волну не претерпевают разрыва, определялись соотношениями Ренкина – Гюгонио. В работе представлен алгоритм расчета параметров частиц (их скорость, температура, а также распределение в сверхзвуковом гетерогенном потоке). Он включает несколько последовательных этапов:- расчет распределения скорости uгаз(х) и давления р(х) газовой фазы по длине канала; - из соотношения (13) определялась координата ХС отошедшей ударной волны; - решалась система уравнений Ренкина – Гюгонио и определялись параметры газовой фазы за ударной волной. Результаты расчета скоростей газовой и твердой фаз перед ударной волной приведены на рис. 8.

Модель расчета инерционного движения частиц сверхзвукового гетерогенного потока через ударную волну и сжатый слой

Задача решалась при допущениях, сформулированных Стерниным Л.Е.: отошедшая ударная волна плоская; плотность газа, его температура и градиенты скорости в сжатом слое постоянны; коэффициенты релаксации скорости и температуры частиц постоянны и равны значениям, вычисленным по параметрам газа и частиц после прохождения ударной волны и сжатого слоя.

Из уравнения неразрывности получим выражение для поля скоростей газовой фазы за плоской ударной волной:, (14)

где x и y – текущие координаты, h – см. рис.7, для плоского и для осесимметричных случаев. При этом у = уmax = Rст – радиус потока перед ударной волной.

Уравнения движения и энергии для частиц:

уравнения движения , (15)

, (16)

начальные условия: при =0,, при =0 -, при =0, при =0

уравнение энергии (17)

при следующих начальных условиях: Tp=Tpнач, при =0. Система координат для сформулированной задачи приведена на рис.9.

Решения дифференциальных уравнений (15) и (16)имеют вид:

по направлению Х

, где (18)

по направлению Y

,где (19)

температура частицы: (20)

Коэффициенты Vp и Tp в уравнениях (18…20) зависят от режима обтекания частицы потоком газа-носителя и определяются соответствующими соотношениями.

Из анализа соотношений (18), (19) и (20) следует, что в общем случае возможны несколько режимов, которые могут реализоваться при нанесении покрытий, а температура частиц Тр монотонно стремится к температуре газа в сжатом слое. На этом факте строятся научные основы НТГДМ-технологии формирования покрытий.

Подробный анализ выявления условий, при которых возможна реализация тех или иных режимов проводится в соответствующих разделах работы. Здесь же следует отметить: расчетами установлено, что частицы, например, из Al диаметром d < 2 мкм после прохождения ударной волны откланяются от первоначальной траектории, т. е. не достигают поверхности и не участвуют в формировании покрытий. Частицы 2 <d< 5 мкм достигают поверхности, но не формируют покрытие вследствие потери кинетической энергии в результате сильного торможения при прохождении ударной волны и сжатого слоя.

В главе 4 представлена физическая модель взаимодействия сверхзвукового гетерогенного потока с твердой поверхностью. Этот механизм интегрирует комплекс физико-химических процессов, включая пластическую деформацию частиц и подложки, их нагрев, а также возможные химические и фазовые переходы материалов частиц и подложки. Из комплекса указанных процессов необходимо особо выделить два определяющих - проникновение высокоскоростной частицы в подложку, сопровождающееся их пластической деформацией, нагревом, а также возможным локальным изменением агрегатного состояния материалов частицы и подложки (механическое взаимодействие), а также сильное контактное взаимодействие, проявляющееся в образовании прочных связей.

В процессе удара высокоскоростной частицы о твердую поверхность, уравнение баланса энергии в момент удара представляется в виде:
Екин.р=Едеф.р+Едеф.под+Енаг.р+Енаг.под (21)

В первом приближении для оценки величины потребного для формирования покрытия уровня кинетической энергии частицы, используем гипотезу, считая, что не вся кинетическая энергия, приобретенная частицей при ускорении, затрачивается на ее нагрев с фазовыми переходами.

В этом случае имеем:, (22)

где kак — коэффициент аккомодации, учитывающий долю кинетической энергии частицы, перешедшей в тепловую, остальные параметры общепринятые.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»