Исследование способов управления газодисперсными процессами в нерасчетных струях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

УДК 533.6

МИРИН Станислав Валерьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОДИСПЕРСНЫМИ ПРОЦЕССАМИ В НЕРАСЧЕТНЫХ СТРУЯХ

Специальность 01.02.05 "Механика жидкости, газа и плазмы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Московском государственном авиационном институте (техническом университете)

Научный руководитель — кандидат физико-математических наук,

доцент, В.А. Горяйнов

Официальные оппоненты — доктор физико-математических наук

О.В. Воинов

— доктор технических наук, профессор,

Г.Д. Петров

Ведущая организация — Исследовательский Центр им. М.В.Кеццышг

г

Защита диссертации состоится 6 " ^¿У^У/^У_199 6 г.

в /уО' часов на заседании диссертационного совета К.053.18.02 Московского государственного авиационного института (технического университета) по адресу: 125071, г. Москва, Волоколамское ш., д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в спецбиблиотеке Московского государственного авиационного института (технического университета).

г - г

Автореферат разослан пОь " Нике.'л_199 (- г.

Ученый секретарь диссертационного совета К.053.18.02 к. ф.-м. н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное состояние и перспективы развития науки и техники ряда отраслей ст имулируют интерес к теоретическим и экспериментальным исследованиям многофазных течений. Большую актуальность тема исследований представляет в связи с развитием технологий струнного газодинамического напыления. Такие технологии вкгаочают в себя несколько взаимосвязанных процессов, протекание каждого из которых определяется большим числом факторов. Многопараметрическая задача поиска действенных способов управления струйными процессами не позволяет простым пересчетом всех возможных вариантов находить оптимальные режимы нанесения покрытий. Это обстоятельство приводит к необходимости исследования влияния начальных параметров и геометрии системы "сопло - обтекаемое тело" на характеристики течения в газодисперсных струях. В настоящее время детально исследованы некоторые режимы истечения сверхзвуковых струй, однако, эти исследования сопряжены с ракетно-космическими приложениями и не соответствуют режимам, требуемым технологиями получения покрытий.

С технологий нанесешш покрытий тесно связана задача получения порошковых материалов. При этом важное значение имеет контроль за дисперсным составом материала и изучение способов управления им.

Таким образом, актуальность темы определяется необходимостью теоретического и экспериментального изучения процессов течения газодисперсной струи и способов управления режимом обтекания затупленного тела, а также исследование механизмов управления процессом получения порошковых материалов применительно к технологиям нанесения покрытий.

Цель работы:

- численное моделирование процессов обтекания затупленных гел газодисперсными струями, оценка способов управления ими;

- экспериментальное исследование течения газодисперсной смеси около тела;

- экспериментальное изучение механизмов получения ультрадисперсных частиц.

Научная новизна работы. Разработан алгоритм для расчета двухмерного газодисперсного сверхзвукового течения с локальными дозвуковыми зонами для многопроцессорного расчета с использованием процессора 1860. Получены зависимости, описывающие влияние начальных параметров газодисперсной струи на структуру течения в диапазоне, обусловленном технологиями напыления (число Маха от 1.8 до 3, степень нерасчетности от 0.5 до 3). Показано, что существует минимум энергетических затрат доя достижешш требуемых режимов обтекания затупленного тела. Развита методика для экспериментального изучения струйного обтекания затупленных тел газодисперсными струями. Получены экспериментальные результаты влияния отскока частиц на функцию распределения частиц по размерам перед торцом обтекаемого тела Получены зависимости влияния параметров струи и концентрации рас твора на размер и концентрацию аэрозолей ультрадисперсных частиц получаемых путем распыливания соляных растворов.

Практическая значимость. В рамках изучения процессов I струйных технологиях получения материалов и нанесения покрыта разработаны способы управления этими процессами. Сформулирован ные рекомендации могут быть использованы при разработке газодина мических технологических установок для струйного напыления мелке дисперсных порошков.

Основные положения, выносимые на защиту.

- Получение зависимости влияния начальных параметров стру на ее структуру и на процесс взаимодействия дисперсной фазы с обп каемым телом.

- Результаты исследования механизмов управления газоди перепой струей с целью достижения параметров, обусловленных техн

огнями получения покрытий. Рекомендации по управлению характери-тиками газодисперсных струй.

- Метод измерения генерируемых аэрозолей посредством дааг-юстического комплекса на базе анализатора дифференциальной элек-роподвижности частиц.

- Методика управления процессом получения ультра дисперсных астиц из растворов.

Достоверность работы обеспечивалась обоснованным выбором [атематической модели, сравнением результатов численного моделиро-ания с результатами других авторов и экспериментальными результатами, проведением тестовых измерений.

Апробация работы. Основные результаты представленной рабо-ы докладывались на Всероссийских и международных конференциях: 2nd International Aerosol Symposium IAS" (Москва, 1994 г.), International »chool-Seminar "Nonequilibrium Processes And Their Applications" (Минск, 994 г.), "Вычислительные технологии - 94" (Новосибирск, 1994 г.), XII Международная конференция "Взаимодействие ионов с поверхностью" Звенигород, 1995 г.), "Гагаринские чтения" (Москва, 1995 г.), 1st nternational Conference on Nonequilibrium Processes in Nozzles and Jets Москва, 1995 г.).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 7 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введе-шя, трех глав, заключения, содержит 200 страниц, 126 рисунков, 6 таб-шц и список литературы из 93 названий.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяет« цель работы, охарактеризована новизна и практическая значимое! результатов исследований.

Первая глава содержит физико-техническую и математичесху постановки задачи, описание математической модели газодисперсно! течения. Приводится описание приборов для проведения эксиериме. тальных исследований газодисперсных струй.

В разделе 1.1 рассматриваются струйные технологии, использу мые для получения мелкодисперсных порошков и нанесения покрыта Из общего числа газодинамических процессов выделены те, которь изучаются в работе.

Раздел 1.2 посвящен математической постановке задачи. Движ ние газодисперсной смеси рассматривается при следующих допущения:

• Собственное давление "газа" частиц, обусловленное их хаотически движением, мало по сравнению с давлением газа.

• Эффекты вязкости и теплопроводности газа учитываются лишь процессах взаимодействия газа и частиц.

• Объем, занимаемый частицами пренебрежимо мал.

В силу принятых предположений процессы в газовой струе оп сываются двумерными уравнениями Эйлера газовой динамики в цили дрических координатах. Выпишем их в интегральной форме:

§а<Ыу+лЛу&+Ъ&4х = + \bdydt (\)

а £1

где

р ри ру ру "о"

рк ру ,а = р+ри2 р«у ,Ь = рну р+рУ2 рИУ РУ2 Рх

е (е+р)ы (е+р)у (е+р)у .2.

, у - осевая и радиальная составляющие вектора скорости у.

(®-1)р

(4)

(5)

1

(6)

(7)

се С} и С, - аэродинамический и тепловой коэффициенты, р5 - плот-)сгь облака частиц б-ой фракции, у„ Т, - компоненты скорости и мпература частиц.

В случае расчета струи расчетная область течения газа ограни-на срезом сопла, внешней границей струи, осью симметрии и поверх-1СТыо тела. При расчете течения в сопле внешняя граница ограничена 'верхностыо сопла.

При расчете быстро релаксирующих частиц влияние частиц тено изменением показателя адиабаты ж. Вместо эе, соответствую-:го чистому газу взят ае5, равный показателю адиабаты равновес-й смеси:

5 С, - теплоемкость вещества частиц, Су - теплоемкость газа, IV - от-

В конце раздела приводится обзор моделей дробления частиц,

(8)

шение объемных расходов частиц и газа, Я - газовая постоянная.

В разделе 1.3 приводится описание метода Годунова, модифни рованного для расчета газа с обратным влиянием частиц со втор! порядком аппроксимации по пространственным переменным. Прга. няется принцип минимальной производной Колгана, усовершенсп ванный Ван Лиром и A.B. Родионовым. Рассматривается модификаи методики вычисления задачи о распаде разрыва с учетом различных поз затеяей адиабаты на границах разрывов. В разделе кратко излагается i прос об устойчивости расчетной схемы и приведен алгоритм расчета границах расчетной области.

Раздел 1.3.2 посвящен описанию метода расчета дисперсн фазы. Расчет траекторий выполняется по явной схеме методом Рун Кутты-Мерсона, который позволяет оценивать погрешность вычис ний на каждом шаге и принимать решение об изменении шага. По< расчета всех траекторий производится пересчет параметров обратно воздействия частиц на газ.

Раздел 1.4 включает в себя описание основных приборов и медов для изучения двухфазных струй.

Раздел 1.4.1 посвящен методу малых углов и оборудованию ; измерения распределения частиц по размерам в струях. Установка ) измерений частиц создана на основе лазерного дифрактометра фир Малверн (Malvern). Измеритель основан на явлении рассеяния плоа монохроматической световой волны частицами и методе восстанов ния функции распределения частиц по размерам ф(г) по результат измерения индикатрисы рассеяния /(ß):

f tn

<p(0=-TZv(ßi)-'.(p<Pi) Г,(Р,Р,)ДР, (<

Р т= 1

где С - аппаратурная постоянная, ß - угол рассеяния, Aßi=ßi-ßi_i, ' количество точек измерения индикатрисы. J;(pß), F;(pß) - функщш I

селя первого и второго рода, р = {2кгГк) /(т), X - дайна волны па-

дающего света,/(т) - функция поправки, у(р) =

Ф

'(Р),

/л

50 40 30

Г-| Ш Микроскоп

□Днфрактоиетр

"1

П

1.3 2.5 5 10 20 40 80 160 Размер частиц, мкм

Рис. 1.

В этом разделе приведены также данные по экспериментальной оценке точности измерений. На рис. 1 представлены примеры распределений частиц, полученных с использованием описанной методики и разновидности метода регулярных сечений.

Раздел 1.4.2 описывает способ измерения ультрадисперсных частиц с использованием классификатора дифференциальной электроподвижности частиц, который основан на изменении движения траекторий частиц в ламинарном потоке под действием электрического поля в зависимости от величины их электроподвижности. Рассматриваются вопросы чувствительности прибора и приводится описание прибора для подсчета ультрадисперсных частиц.

Глава 2 посвящена результатам численного моделирования сверхзвуковых струйных газодисперсных течений.

В разделе 2.1 приводится описание пакета программ для расчета струйного обтекания затупленных тел. Рассматривается структура пакета и особенности организации каждого модуля для расчета газовой и дисперсной фазы, подсистемы передачи данных и модуля графического представления. Описан алгоритм последовательного и параллельного расчета газодисперсного течения.

Раздел 2.2 включает в себя результаты исследований способов управления параметрами газодисперсной струи.

В разделе 2.2.1 рассматривается структура сверхзвуковой нерасчетной струи. На рис. 2 представлен пример расчета для М = 2.5, п = 0.5. Приведе-

ны результаты тестовых расчетов для перерасширенных и недорасшир* ных струй.

ао а7 04 а>

21 га за « 14 за

100

/

4

£к ■ О/

Рис. 2.

Влияние степени нерасчетности и числа Маха на срезе сопла волновую структуру струи описано в разделе 2.2.2. На рис. 3 показа изменение расстояния до центрального скачка, отнесенное к в зависимости от степени нерасчетности п для недорасши-ренных сверхзвуковых струй. Результаты приведены в сравнении с экспериментальными данными для Не и N2 (Льюис и Карлсон), воздуха (Лов, Григсби и др.) и численными расчетами (Истмэн, Радтке).

о

А ▲

Ш

О

Не (М=3.38, к= 1.66) Не (М= 1.84, к=1.66) Ш(М=2.91,к=1.4) Ы2(М=1.75, к=1.4) Воздух (М=2.5) Чнсл. расчет (М=2.5, к= 1.4)

10----Аппрокс. расчет, данных аУ.'

&

0.1

и (ОМя1*)

Рис. 3.

Раздел 2.2.3 посвящен вопросу управления длиной разгон» участка газодисперсных струй. Для частиц с малыми временами рея сации в воздушном потоке разгонная область в струе совпадает с р стоянием до точки начала торможения газа.

п

В случае перерасширенной газовой струи положение точки начала торможения совпадает с положением первого диска Маха, в недорасширен-ной струе истекающий газ продолжает ускоряться вплоть до окончания "бочки Маха". Согласно результатам моделирования оказалось, что наибольшая интенсивность изменения положения точки торможения наблюдается в области расчетности при изменении л от 0.9 до 1.1. Далее это изменение практически линейное. При этом угол наклона прямой определяется числом Маха на срезе сопла. Так при М = 1.4 коэффициент наклона к = 1.68, при М = 2.0 — = 2.21, при А/=3.0—/с = 3.11.

Раздел 2.2.4 посвящен выбору параметров управления разгонным участком сверхзвуковой струи с учетом энергозатрат. Рассматривается распределение приведенной скорости вдоль оси симметрии при различных начальных параметрах струи. Приводятся данные для максимальной приведенной скорости (для быстрорелаксирующих частиц) и скорости, усредненной на 10 радиусах струи (для тяжелых части). Представленные данные показывают, что для достижения наивысшей максимальной скорости при заданной температуре в камере сгорания и заданном давлении экономичнее использовать нерасчетные режимы истечения струи.

3.1

0.5

1.5

2

2.5

3

Степень нерасчетности, п

Рис. 4.

Для достижения максимальной средней скорости при тех же ограничениях предпочтительнее использование расчетного или близкого к расчетному режима. На рис. 4 представлен обобщенный график для выбора оптимальных параметров управления струей.

В конце раздела приводятся сравнительные результаты расчетов разгона частиц в соплах с экспериментальными данными (А.Н.Папы-рин, Р.И.Солоухин и др.) и численные расчеты, демонстрирующие разгонные свойства струи.

Раздел 2.2.5 посвящен вопросу влияния геометрии системы на структуру течения вблизи поверхности напыления. Приводится описание методики для первичной оценки распределения скорости в струе перед затупленным телом на основании априорных данных о распределении параметров в струе без тела и положении отошедшей ударной волны перед телом. Методика заключается в суперпозиции распределений продольной скорости.

Раздел 2.2.6 включает в себя результаты исследования влияния локальных газодинамических возмущений на структуру течения перед затупленным телом. Рассматриваются чистые и газодисперсные струи. Локальные возмущения на срезе сопла вблизи оси симметрии, источником которых является тонкая струйка мелкодисперсных частиц, влияют на структуру струи: изменяется форма отошедшей ударной волны (рис. 5) и градиент скорости перед затупленным телом. Так при плотности газа в

Рис. 5

точке возмущения на срезе сопла р, равном 0.7 рс градиент на 31% меньше по сравнению с невозмущенным на границе течением, при рв = 0.9 рс — на 8%. В некоторых случаях (при рв < 0.85 рс наблюдается вихревое течение перед обтекаемым телом.

В разделе 2.2.7 описаны результаты исследования осаждения частиц на поверхности затупленного тела. При удалении от оси симметрии наблюдается уменьшение скорости соударения, так как увеличивается касательная составляющая скорости газа, и траектории частиц сильнее разворачиваются вдоль обтекаемой поверхности. При дальнейшем увеличении расстояния от оси симметрии скорость соударения частиц снова возрастает (рис. 6). Такое возрастание объясняется тем, что в эту область попадают частицы, двигающиеся по менее искривленной траектории. Отошедшая ударная волна при удалении от оси симметрии подходит ближе к обтекаемому телу и градиент нормальной скорости при этом возрастает.

«00

0 0.1 0.2 0.3 0.4 Расстояние от оси скмиетркв, см

ЗИ; Ю0

Рис. 6. Рис. 7.

На рис. 7 приводятся зависимости коэффициента осаждения частиц от числа Стокса (ЛЛ: = gгad(У) г2рв/ц). Проведенные исследования позволяют предложить методику для выбора параметров газодинамической установки по нанесению покрытий. На основании данных о дисперсном составе порошка и данных о теплофизических свойствах несущей фазы, определяется число Стокса, обеспечивающее заданный коэффициент осаждения. Отсюда вычисляется требуемый градиент скорости перед затупленным телом. По результатам исследований о влиянии управ-

ляющих параметров на срезе сопла на течение в сверхзвуковой струе определяются такие значения этих параметров, которые обеспечивают требуемый градиент скорости при наиболее экономичных, с точки зрения энергетики, параметрах газодинамической установки. Далее проводятся уточняющие численные расчеты.

Глава 3 посвящена результатам экспериментального моделирования газодисперсных струйных процессов.

В разделе 3.1.1 приводится описание установки на базе лазерного дифрактометра для изучения распределения частиц в струе, обтекающей затупленное тело. Предложено устройство для учета эффекта отскока частиц. В разделе 3.1.2 представлены результаты измерений распределения частиц по размерам в различных областях струи перед телом (рис. 8) и при различных режимах обтекания (рис. 9).

Размер частиц, мкм

Рис. 8.

При отскоке частиц значительно увеличивается массовая доля крупных частиц, хотя их число при этом возрастает не столь значительно. При этом увеличивается средний размер частиц. Таким образом при численном моделировании течения газодисперсной смеси вблизи обтекаемого тела целесообразно увеличивать массовую долю дисперсной фазы.

Последовательное измерение распределения частиц по размерам перед обтекаемым телом с моделированием полного прилипания и отскока частиц от подложки позволяет разработать методику для определения коэффициента осаждсния частиц. Вначале определяется распреде-

ленне частиц в режиме прилипания к торну обтекаемого тела. На изменение распределения частиц по размерам на оси симметрии в этом режиме влияет липа изменение траекторий частиц при обтекании тела. Затем проводится измерение распределения частиц в режиме отскока и выполняется сравнение полученных, распределений. Можно оценить размер частиц, которые заведомо не будут осаждаться на подложке (с числом Стокса менее 0.2), следовательно, их концентрация не будет меняться при изменении режима прилипания-отскока. Приводя функции распределения для разных режимов осаждения к концентрации частиц в указанном выше классе размеров, получим относительное изменение (увеличение) концентрации частиц в классах крупных размеров. Граница классов, в которых зарегистрировано увеличение концентрации, указывает на критическое число Стокса и соответствует минимальному размеру частиц, осаждающихся на торце обтекаемого тела.

Размер частиц, мкы

Рис. 9.

Раздел 3.2 посвящен исследованию процесса генерации ультрадисперсных частиц из растворов. В разделе 3.2.1 приводится описание установки для получения ультрадисперсных частиц. В этом же разделе описан струйных генератор для распыливания соляных растворов. Раздел 3.2.2 содержит описание соплового генератора и схему его подключения к экспериментальной установке. Раздел 3.2.3 описывает программный модуль для автоматизации измерений субмикронных частиц. Описана структура и интерфейсная оболочка, приводятся расчетные формулы для обработки измеряемых данных и построения по ним функций распределения частиц по размерам.

Раздел 3.2.4 содержит результаты моделирования ультрадисперсных аэрозолей посредством распыливания соляных растворов. На рис. 10 показана зависимость среднего размера частиц от концентрации раствора КаСЬ Рассмотрена модель процесса получения частиц распиливанием. Показано влияние коэффициента поверхностного натяжения на концентрацию частиц в аэрозоле и средний размер частиц. Анализ данных, полученных с использованием струйного генератора, показывает, что он позволяет управлять средним диаметром частиц путем изменения концентрации сохи или изменением коэффициента силы поверхностного натяжения (для этого в раствор следует добавлять поверхностно-активные вещества).

- Работа ии ап<1 Рш Экспериментальные данные

0.01

0.0001 0.001

0.01 0.1 Конц. МаС1 в растворе, г/куб.см

Рис. 10.

0.01 0.0373 0.1389

Размер частиц, мхи

Рис. 11.

0.5179

Ввиду того, что число Вебера ({¥е = 2гр V1 /о), определяющее процесс дробления капель, имеет квадратичную зависимость от относительной скорости потока, обтекающего частицу, для эффективного управления генерацией ультрадисперсных частиц можно использовать сопловой генератор, который имеет возможность изменять скорость потока путем регулирования давления (рис. 11) и геометрии сопла.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан алгоритм для многопроцессорного расчета газодисперсной смеси на персональном компьютере с ускорительной платой на базе процессора ¡860. На основе алгоритма создан пакет программ для численного моделирования двумерного газодисперсного течения в сверхзвуковой части сопла и в струе, обтекающей затупленное тело.

2. Исследованы механизмы управления характеристиками газодисперсной струи путем варьирования начальными параметрами струи (число Маха, степень нерасчетности, параметры торможения, неравномерность подачи дисперсной фазы по сечению струи, концентрация дисперсной фазы) и изменением геометрии системы "сопло - обтекаемое тело". Получены зависимости влияния начальных параметров газодисперсной струи на процесс взаимодействия дисперсной фазы с обтекаемыми телами.

3. На базе лазерного дифрактометра разработана установка для изучения обтекания затупленных тел газодисперсными струями.

4. Получены экспериментальные результаты влияния отскока частиц на функцию распределения частиц по размерам перед торцом обтекаемого тела.

5. Разработан экспериментальный комплекс для получения ультрадисперсных частиц распыливанием растворов. Развит метод измерения полученных частиц посредством измерительного комплекса с использованием анализатора дифференциальной электроподвижности частиц. Разработана программа для автоматизированного управления измерительным комплексом, ускоряющая проведение измерений по сравнению с существующим программным обеспечением в 20 раз и позволяющая диагностировать быстропротекающие процессы.

6. Исследованы механизмы управления процессом генерации аэрозоля ультрадисперсных частиц. Получены зависимости среднего размера частиц и концентрации аэрозоля от концентрации распыляемого раствора.

В рамках изучения процессов в струйных технологиях получения

материалов и нанесения покрытий исследованы способы управления

этими процессами.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Горяйнов В.А., Мирин С.В. Измерение распределения мелкодисперсных частиц в воздушно-струйных потоках. I International Aerosol Symposium (IAS), Сборник докладов, 2-й доп. том, - Москва, НИФХИ им. Л.Я.Карпова, 1994, сс. 101 - 108.

2. Горяйнов В.А., Мирин С.В., Савельев Д.Ю. Комплекс программ дня моделирования процессов струйных газодинамических технологий нанесения покрытий (ГДНП). / Сб. "Вычислительные технологии -94", т. 4, № 10. - Новосибирск, Институт вычислительных технологий СО РАН, 1995. С. 131 - 140.

3. Мирин С.В. Анализ распределения частиц продуктов измельчения минерального сырья по размерам. // Проблемы добычи, переработки и использования минерального сырья в промышленности строительных материалов. Сборник докладов VII совещания работников нерудной промышленности. - Москва, НПК "Гемос Лтд", 1994, сс. 200 - 204.

4. Мирин С.В. Метод измерения дисперсного состава тонких порошков. // Проблемы добычи, переработки и использования минерального сырья в промышленности строительных материалов. Сборник докладов VIII международного совещания работников нерудной промышленности. - М.: Изд. НПК "Гемос Лтд.", 1996, сс. 142- 144.

5. Goryainov V.A., Mirin S.V. Experimental study of submicron particles generation from solutions. // 1st International Conf. on Nonequilibrium Processes in Nozzles and Jets. Collected abstracts. - M.: Изд. МАИ, 1995. С. 68 -69.

6. Goryainov V.A., Mirin S.V. Submicron Charged Particles Generation by Interaction of Disperse Phase With Surface. // Взаимодействие ионов с поверхностью. Т. 2. Материалы XII Международной конференции (Звенигород). Москва, 1995. С. 333 -334.

7. Goryainov V.A., Mirin S.V., Rijov YuA. The Influence Of The Thermodynamic Disturbance On The Gas Jet Structure./ Internationa School-seminar "Nonequilibrium Processes And Their Applications, contributed papers, - ANK "A.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute" BAS, Минск, 1994, pp. 65 - 66.