WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||

Таким образом, определение значений указанных выше температур сводится к решению задачи газовой динамики и теплообмена при течении в канале с большой скоростью неизотермической гетерогенной смеси.

В главе 5 проведен анализ влияния параметров сверхзвукового гетерогенного потока на эффективность процесса формирования покрытий. В качестве критерия эффективности выбран коэффициент использования порошка представляющий собой отношение массового расхода порошка, сформировавшего покрытие, к массовому расходу порошка, выданного дозатором.

Влияние температуры и давления гетерогенной смеси в форкамере ускорителя. На первом этапе расчет скорости газа-носителя по длине ускорителя для сопла Лаваля с геометрией dкр/dср = 0,25 и L/dср = 70, проводился с применением общей и приближенной математических моделей для случая изоэнтропического течения. Параметры газа-носителя в форкамере составляли: температура газа 700К, давление газа 2,8 МПа. Результаты расчета представлены на рис11. Видна удовлетворительная корреляция результатов расчета по общей и приближенной математическим моделям. Результаты расчета изменения на сверхзвуковом участке сопла скорости и температуры частиц из алюминия dp =40 мкм в зависимости от давления в форкамере pк при фиксированном уровне температуры Тк приведены на рис 12.

Из приведенных данных следует, что для рассматриваемого случая увеличение рк слабо влияет на изменение скорости частиц Vp (кр.1 рис12) и практически не вызывает заметного повышения температуры частицы (кр.2 рис12). При этом экспериментальные данные удовлетворительно (с погрешностью 5...7%) коррелируются с расчетными.

На рис. 13 представлены расчетные и экспериментальные данные изменения VP и TP частиц в зависимости от роста температуры в форкамере Тк при фиксированном уровне давления рк. Видно, что вариация температуры смеси оказывает заметное влияние как на изменение скорости частицы, так и на увеличение ее температуры. Например, увеличение температуры смеси в форкамере на 36% вызывает рост скорости частицы на 17,5%. Аналогичное влияние оказывает изменение температуры смеси в форкамере на рост температуры частицы. Например, увеличение Тк на 36% вызывает рост температуры частицы на 22% на длине сверхзвукового участка сопла.

Влияние температуры в форкамере на коэффициент использования порошка

Влияние температуры в форкамере Тк на коэффициент р исследовалось экспериментально. Покрытия наносились двумя типами алюминиевых порошков с дисперсностью 5...20 мкм и 40...70 мкм. При этом превалирующая доля 70% в первом порошке составляла фракция 10мкм.

Во втором порошке с долей 65% составляла фракция 40мкм. Использовалось коническое сопло: dкр/dср = 0,25 и L/dср = 70. Давление в форкамере РК = 2,8 МПа. Температура ТК варьировалась от 400К до 700К. На рисунке 16 приведены экспериментальные данные влияния температуры в форкамере Тк на коэффициент р. Коэффициенты р определялись экспериментально. Из представленных на рис.16 данных следует, что на величину коэффициента р сильно влияет как уровень температуры смеси в форкамере Тк, так и его дисперсность (см. кривые 1 и 2).

Влияние дисперсности гетерогенной смеси на коэффициент р На рис.15 представлены экспериментальные данные по исследованию влияния дисперсности на коэффициент р. Параметры гетерогенной смеси в форкамере выдерживались постоянными и равными: давление рк = 2,8МПа, температура Тк = 700К.

В эксперименте применялись порошки из алюминия с превалирующими фракциями ~ 10 мкм, ~15 мкм, ~ 20 мкм, ~ 25 мкм, ~ 30 мкм, ~ 35 мкм, ~ 50 мкм, ~ 70 мкм и ~ 100 мкм. Анализ полученных данных показал, что коэффициент р для порошка из алюминия имеет оптимум. Его величина может достигать уровня ~ 100% при указанных выше параметрах гетерогенной смеси в форкамере. Очевидно, различие р для разных порошков объясняется тем, что частицы порошка меньшей дисперсностью, ускоряется в сопле до более высоких скоростей, чем частицы с большей дисперсностью. Например, для условий эксперимента частицы диаметром 10 мкм имели скорость на срезе сопла Vp = 900 м/с, в то время как частицы с dp = 40 мкм всего 650 м/с. С такими скоростями частицы достигают ударной волны и сжатого слоя, преодолевая которые, частицы малых размеров меньше тормозятся в отличие от частиц больших размеров. Кроме того, в момент удара о подложку, частицы малых размеров имеют большую удельную энергию (энергия на ед. площади контакта), чем частицы больших диаметров. Поэтому эффективность (коэффициент р) и качество покрытий при их формировании частицами малых размеров значительно выше, чем для порошков высокой дисперсности.

Влияние профилей сопл Лаваля на эффективность формирования сверхзвуковых гетерогенных потоков. В качестве критерия оценки влияния профилей сопл на эффективность формирования сверхзвуковых гетерогенных потоков был выбран комплекс параметров, где газа,i плотность газа-носителя, Vгаза,i - скорость газа-носителя, Fi – площадь сечения сопла. Выбор такого критерия обусловлен тем, что физический смысл комплекса рсопл представляет некоторую силу, которая пропорциональна газодинамической силе, действующей в ускорителе на частицу. Задача решалась численным методом. Анализировался случай, когда в эксперименте использовались два конических ускорителя с разными критическими сечениями, но одинаковыми диаметрами их срезов. Так диаметр критического сечения одного из них составлял d1, кр = 2 мм, другого - d2, кр = 3 мм. В обоих расчетных вариантах параметры гетерогенной смеси в форкамерах сопл равнялись: давление рк = 2,0 МПа, температура Тк = 700К.

Из приведенных на рис.16 данных следует, что при прочих равных условиях, потенциал ускорения частиц в соплах с малым критическим сечением значительно выше, чем аналогичный параметр для сопл с большим критическим сечением.

Таким образом, при формировании сверхзвуковых гетерогенных потоков с целью получения более высокой скорости частиц, формирующих покрытие, необходимо площадь критического сечения сопла выбирать как можно меньшей.

Влияние расстояния от среза сопла до подложки на процесс формирования покрытий Расстояние от среза сопла до поверхности подложки в работе названо «дистанцией» нанесения покрытия hраб. «Дистанция» hраб является важным параметром, определяющим не только эффективность технологии, но и свойства покрытий. На «дистанции» реализуется процесс натекания сверхзвукового гетерогенного потока на преграду, который определяет скорость частиц в момент удара о подложку. Поэтому предметом данного исследования являлись две задачи: расчет скорости частиц разных диаметров по длине конического сопла Лаваля и на участке «дистанции» hраб, экспериментальное исследования зависимости р = f(h раб).

Решение первой задачи проводилось с использованием математической модели, представленной в главе 3. Решение второй задачи проводилось экспериментально с использованием методики, изложенной в главе 4. Результат решения первой задачи приведен на рис.17 в виде зависимости Vр= f(X/Н). Численный эксперимент проводился использованием частиц из алюминия разных диаметров при вариации h раб и следующих параметрах в форкамере: Рк = 2,8МПа, Тк = 700К.Геометрические размеры сопла приведены ранее.

Анализ результатов численного эксперимента показал, что частицы субмикронного диапазона dр < 2 мкм из-за резкого торможения в ударной волне и сжатом слое практически не достигают поверхности подложки, т.е. не участвуют в процессе формирования покрытия (см. рис. 17, кр.1). При использовании в технологическом процессе частиц с размерами 2 < dр < 10...15 мкм изменении скорости заметное, но достаточное, чтобы сформировать покрытие (см. рис. 17, кр. 2 и 3). Наконец, частицы с dр > 15 мкм незначительно теряют свою скорость.

Результаты экспериментального исследования второй задачи приведены на рис. 18. Видно, что увеличение «дистанции» в пределах 10 h раб 40 мм слабо влияет на изменение коэффициента использования порошка р., но дисперсность порошка сильно влияет на коэффициент р. Установлено, что эффективность НТГДМ–технологии при формировании покрытий из алюминия и его сплавов оптимальна, если дисперсность порошков будет изменяться в пределах 3< dр< 20 мкм, а рабочая «дистанция» в пределах 10 hраб 40 мм. Предложенный в работе алгоритм позволяет оценить эффективность технологии для порошка любого рода.

Влияние шероховатости рабочих поверхностей сопла на качество наносимых покрытий. Анализ выполнен с использованием как экспериментальных, так и теоретических данных. Экспериментальная часть работы представляет собой демонстрацию факта влияния шероховатости рабочих поверхностей сопла на качество наносимого покрытия. Эксперимент проведен с использованием плоского сопла, выходное сечение которого показано на рис.19, позиции а) и б)

Качество медного покрытия при использовании в эксперименте сопл с гладкими и шероховатыми поверхностями несравнимо отличается. Физическая интерпретация выявленной особенности дана в работе с привлечением результатов исследований газодинамики течения и теплообмена, при обтекании газовым потоком гладкой и шероховатой поверхностей. Она выражается искусственной турбулизацией гетерогенного потока шероховатой поверхностью, что ухудшает эффективность процесса формирования покрытий. Разработана математическая модель и проведен численный эксперимент для оценки влияния шероховатости стенок на динамику течения гетерогенной смеси в ускорителе Анализ полученных данных показал, что высота шероховатостей до 10мкм практически не влияет режим течения гетерогенной смеси по длине сопла. Если высота шероховатостей превышает 10 мкм, то режим течения меняется, что следует учитывать при формировании покрытий.

Основные выводы по работе

1. Проведен анализ физической сущности НТГДМ. На базе результатов анализа спроектирована и смонтирована установка лабораторного типа с широким диапазоном изменения параметров. Отработаны научные основы НТГДМ - технологий нанесения разнофункциональных покрытий на поверхности разных форм.

2. Предложены и апробированы методы и средства диагностики сверхзвуковых гомогенных и гетерогенных потоков, а также теплофизических характеристик покрытий. Надежность методов подтверждена экспериментально и в сопоставлении с данными других исследователей.

3. Разработана общая математическая модель и программа расчета течения гетерогенной смеси в до- и сверхзвуковых ускорителях при наличии межфазного теплообмена. Проведены оценочные расчеты параметров сверхзвукового течения в укорителях разных профилей (осесимметричные конические, осесимметричные поворотные, плоские и др.). Сопоставление расчетных данных с результатами экспериментальных исследований, полученных с использованием ЛДИС, показало удовлетворительное соответствие результатов.

4. На базе анализа общей математической модели течения, разработана упрощенная (инженерная) математическая модель газодинамики течения и межфазного теплообмена гетерогенной смеси в ускорителях. Сопоставление параметров течения, полученных по общей и упрощенной моделям, показало удовлетворительную корреляцию.

5. Проведен анализ течения гетерогенной смеси в ускорителях (микросоплах) с большим удлинением с учетом нарастания пограничного слоя вдоль стенок канала. Отмечено, что смыкание пограничного слоя внутри канала является отрицательным фактором, оказывающим сильное влияние на термо–газодинамические параметры гетерогенного потока. Определены пути устранения этого фактора.

6. Проведен анализ газодинамики течения и межфазного теплообмена при натекании сверхзвукового гетерогенного потока на плоскую преграду (стенку). Разработана математическая модель, описывающая движение частиц при преодолении ударной волны и сжатого слоя, образующихся у обрабатываемой поверхности. Получены соотношения для оценки влияния этих участков на изменение скорости частиц перед процессом формирования покрытия.

7. Разработана математическая модель процесса взаимодействия высокоскоростных частиц с твердой поверхностью. Получено соотношение для оценки длительности удара. Составлен алгоритм расчета параметров в зоне удара частицы о подложку. Проведена оценка уровня динамического давления, реализуемого при ударе, а также величины локальных температур частиц и подложки в зоне удара.

8. С целью разработки научных основ НТГДМ-технологии проведен анализ влияния различных факторов на эффективность формирования покрытий и их качество.

Основные публикации по теме диссертации

1. Степаненко С.А., Никитин П.В. Низкотемпературный газодинамический метод формирования многофункциональных покрытий на поверхностях конструкций. Доклад на 5-ой международной конференции «Авиация и космонавтика – 2006». Москва. 23-26 октября 2006г. Тезисы доклада. М.:, изд. МАИ, C. 46.

2. П.В. Никитин, С.М. Пророков, Степаненко С.А. Особенности газодинамики и теплообмена при сверхзвуковом течении гетерогенной среды в микросоплах с большим удлинением. Доклад на 5-ой международной конференции «Авиация и космонавтика – 2006». Москва. 23-26 октября 2006г. Тезисы доклада. М.:, изд. МАИ, С. 26.

3. П.В. Никитин, А.Г. Смолин, Степаненко С.А. Тепло-массообмен при формировании разнофункциональных покрытий сверхзвуковым гетерогенным потоком. Доклад на 5-ой международной конференции «Авиация и космонавтика – 2006». Москва. 23-26 октября 2006г. Тезисы доклада. М.:, изд. МАИ, С. 32.

4. Никитин П.В., Степаненко С.А. Упрощенный алгоритм расчета межфазного теплообмена в условиях градиентного течения гетерогенной смеси. Доклад на 6-ой международной конференции «Авиация и космонавтика – 2007». Москва. 23-26 октября 2007г. Тезисы доклада. М.:,С. 12.

5. П.В. Никитин, А.А. Низовитин, С.А. Степаненко Термооптический зонд для измерения температуры гомогенных и гетерогенных потоков. //Современные проблемы науки и образования. № 6, часть 1, 2007 С. 127-130.

НТЦ “ИНФОРМРЕГИСТР”- № 0420700037/0144

6. Никитин П.В., Степаненко С.А.,Пророков С.М., Смолин А.Г. Газодинамика и тепломассообмен при формировании разнофункциональных покрытий низкотемпературным гетерогенным сверхзвуковым потоком. //Современные проблемы науки и образования. № 6, часть 2, 2007, С. 95-102. НТЦ “ИНФОРМРЕГИСТР”- № 0420700037/0169.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||






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