Математическое моделирование теплофизических и газодинамических процессов при разрушении конструкционных материалов гетерогенной высокотемпературной струей

Взаимодействие высокотемпературных гетерогенных струй с твердой поверхностью является одной из фундаментальных проблем теплофизики, а также механики жидкости и газа [1−5]. Эта проблема имеет также и практическое значение [6−11]. Гетерогенные высокотемпературные струи могут использоваться в различных технологиях резки, перфорации, обработки поверхностей различных конструкционных материалов (КМ). Кроме того, гетерогенные струи оказывают достаточно сильное воздействие на различные технические системы (аэродромы) [12], воздушные суда [13], ракеты [14] и др. Это воздействие во многих случаях приводит к негативным последствиям: локальным деформациям, растрескиванию поверхностей, образованию одиночных углублений или трещин, разрушению конструкции [15]. При этом воздействие высокотемпературных струй на КМ является гораздо более сложным процессом, чем воздействие «холодного» газа с твердыми частицами [16], так как высокие температуры интенсифицируют процессы, протекающие на поверхности и в тонком приповерхностном слое материала [1, 2−5].

Несмотря на актуальность рассматриваемых проблем и их неординарность, до настоящего времени не сформулированы даже физические модели, описывающие с приемлемой для практического применения достоверностью процессы взаимодействия конкретных гетерогенных или гомогенных струй с КМ в некотором диапазоне изменения параметров. Наиболее значимые результаты, достигнутые научным коллективом под руководством Ю. В. Полежаева [2, 4, 5, 16], получены для достаточно узкого диапазона изменения параметров, в частности, для малых концентраций дисперсной фазы в потоке.

Достаточно обширные экспериментальные данные [17 — 24], полученные коллективом исследователей под руководством В. Е. Абалтусова, показывают возможность и перспективность применения высокотемпературных гетерогенных струй для резки и перфорации КМ, но в [17 — 24] также не представлены физические модели исследуемых процессов.

Более поздние исследования [25−27] позволили разработать физические основы процесса разрушения КМ под действием гетерогенных высокотемпературных струй, являющихся продуктами сгорания специальных топливных композиций. Однако эти разработки не получили выхода на математическое моделирование исследуемых процессов, без которого невозможна разработка промышленных технологий и специального оборудования.

Анализ полученных в [17−24] экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что на скорость разрушения КМ в рассматриваемых условиях в первую очередь влияют такие характеристики гетерогенной струи, как температура, концентрация частиц дисперсной фазы. Однако о влиянии других факторов, например, температуры частиц, скорости движения, физического состояния частиц, прочности КМ, теплофизических характеристик материалов, условий теплообмена, режима течения и др., разработки [17 — 24] не позволяют сказать ничего определенного с достаточной для практических целей надежностью.

Необходимо отметить, что в соответствии с выводами [3−5, 16 — 27] основную роль в создании условий разрушения КМ, как в режиме резки, так и в режиме перфорации, играют частицы — твердые или жидкие. От значений параметров частиц (скорости, плотности, размера и др.) зависит интенсивность (возможно, и механизм) уноса массы КМ под воздействием высокотемпературной гетерогенной струи. Следовательно, для решения задачи о термомеханическом разрушении КМ необходимо знать скорости движения частиц при ударе о поверхность, а также ряд других характеристик натекающей гетерогенной струи.

Математические модели, описывающие процессы «тепломеханической» эрозии КМ при относительно низких (до 0,01 по массе) концентрациях частиц в струе, не могут, как показывают специальные исследования, автоматически применяться при моделировании комплекса физико-механических процессов, протекающих при воздействии на материал потоков с высокой концентрацией частиц дисперсной фазы[4, 5, 26 — 28].

В связи с вышеизложенным можно сделать вывод об отсутствии ко времени написания данной диссертации математических моделей, описывающих процессы разрушения КМ под действием высокотемпературных гетерогенных струй. Этот вывод подтверждается аналитическим обзором, представленным в первой главе диссертации.

Целью диссертационной работы является математическое моделирование процессов сопряженного конвективно — кондуктивного теплопереноса при локальном разрушении КМ под воздействием гетерогенной высокотемпературной струи, натекающей по нормали к поверхности пластины. Исходя из указанной цели исследования, решались следующие задачи:

1. Определение полей скоростей газовой среды при натекании струи на пластину с учетом движения поверхности пластины.

2. Определение траекторий движения и условий взаимодействия с поверхностью КМ частиц дисперсной фазы различного материального и дисперсного состава при натекании гетерогенной струи на пластину.

3. Определение масштабов влияния параметров исследуемого процесса на интенсивность теплообмена между высокотемпературной струей и пластиной из КМ.

4. Определение масштабов влияния параметров внешнего динамического и теплового воздействия (состав дисперсный фазы в струе, скорость и температура струи, расстояние от начального сечения струи до поверхности пластины) на характеристики разрушения КМ — тепловое состояние материала и скорость эрозии.

На основании анализа экспериментальных данных [17−24] разработана оригинальная математическая модель [29 — 38], позволяющая определить комплекс важнейших характеристик процесса — тепловое состояние КМ, скорость образования и геометрические характеристики кратера — в зависимости от параметров натекающей гетерогенной струи — ее скорости и температуры, концентрации, размеров и плотности материала частиц дисперсной фазы [39, 40]. Возможность получения количественной информации о комплексе взаимосвязанных характеристик процесса достигнута за счет формулировки задачи в сопряженной постановке [38, 41 -44] (система уравнений Навье — Стокса, условия IV-ro рода на подвижной границе раздела двух сред и уравнение теплопроводности в пластине из КМ) в сочетании с одной из наиболее эффективных процедур численной реализации — методом контрольных объемов [45].

В основу анализа тепломассообмена при термомеханическом разрушении КМ положена физическая гипотеза о взаимодействии гетерогенной струи с поверхностью пластины в режиме трения — скольжения [28]. Справедливость этой гипотезы для широкого диапазона параметров взаимодействия гетерогенных струй с материалами достаточно обоснована [28 — 30]. На основании обобщения результатов численного решения задачи о движении одиночной сферической частицы в поле скоростей высокотемпературной гетерогенной струи выявлены закономерности взаимодействия с поверхностью частиц различной плотности и размеров [39, 40]. Выявлен масштаб влияния дисперсного и материального состава частиц на условия взаимодействия гетерогенной струи с КМ [35, 37, 39, 40]. В поле параметров {lg, dp, рр, U, rs} (ls — характерный поперечный размер начального сечения струиdp — диаметр частицы, рр — плотность материала частицы, Uскорость газовой струи, rs — удаленность частицы относительно оси симметрии в начальном сечении струи) выделены области реализации двух режимов движения частицы вблизи поверхности материала — область взаимодействия и область отсутствия взаимодействия частицы с поверхностью. Установлено, что если параметры гетерогенной струи при соответствующей скорости дисперсной фазы отвечают области взаимодействия {rs, dp) — диаграммы, то справедливость гипотезы о взаимодействии частиц с поверхностью материала в режиме тренияскольжения обоснована [36 — 40]. При этом получено, что протяженность области взаимодействия равна или соизмерима с характерным поперечным размером начального сечения струи [40]. На основании проведенных исследований сделан важный теоретический вывод о механизме взаимодействия частиц дисперсной фазы при натекании гетерогенной струи на поверхность: в приповерхностном слое концентрация частиц существенно возрастает, и частицы вносят основной вклад в трение и теплообмен на поверхности, что и определяет характер термомеханического разрушения КМ [32−44, 46−50].

Решение аналогичных задач в отечественной и зарубежной литературе к настоящему времени отсутствует.

Представленные исследования имеют практическую направленность, что подтверждается актом о внедрении (соавтор — И.К. Жарова) в опытную эксплуатацию результатов научно — исследовательской разработки «Определение характеристик термомеханического разрушения конструкционных материалов при обработке гетерогенной плазменной струей» (Конструкторско-технологический Центр ТНЦ СО РАН, г. Томск, 2005 г.). Разработка предназначена для установления значений дисперсного и материального состава порошкового материала (ПН85Ю15) в плазменной струе, обеспечивающих оптимизацию процесса высокоскоростной гетерогенной перфорации КМ (металлы, керамика и др.).

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17 конференциях различного уровня, в том числе, на международных конференциях «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Томск, 2002, 2004), на V Минском международном форуме по теплои массообмену (Минск, 2004), на XXVI Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2004), на XV Школесеминаре молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН.

А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», (Калуга, 2005), на II Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2005), на Международной школеконференции молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2005), на IV научной конференции «Современные методы проектирования и отработки ракетно — артиллерийского вооружения» (Саров, 2005), на XII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2006), на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006), на IV Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2006).

Теоретическая и практическая значимость, а также перспективность работы подтверждены финансовой поддержкой: в гранте ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на 2002;2006» по направлению 2.8 «Направление по единым планам вузами и научными организациями на научную стажировку молодых исследователей, преподавателей и ученых в ведущие образовательные, научные и технические центры других государств, обеспечение их участия в международных конференциях и симпозиумах», 2004 г.- в гранте 15 435 ведомственной программы Министерства образования и науки РФ Федерального агентства по образованию «Развитие научного потенциала высшей школы», подпрограмма по разделу 3.3 «Развитие научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников, аспирантов и студентов», проект «Решение комплекса взаимосвязанных задач тепломассопереноса при взаимодействии высокотемпературных гетерогенных струй и одиночных частиц с конструкционными материалами» (2005 г.).

Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения.

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Впервые сформулирована математическая модель сопряженного тепломассопереноса при термомеханическом разрушении КМ под воздействием высокотемпературной гетерогенной струи.

2. Впервые решена нелинейная нестационарная задача тепломассопереноса при взаимодействии высокотемпературной гетерогенной струи с пластиной в процессе разрушения КМ.

3. Численно исследовано влияние параметров внешнего динамического и теплового воздействия (дисперсного и материального состава дисперсной фазы в струе, скорости, температуры, расстояния от начального сечения струи до пластины) на характеристики разрушения — тепловое состояние материала, скорость эрозии и форму образующегося кратера.

4. Установлено, что скорость и температура, расстояние от начального сечения струи до поверхности пластины, характерный поперечный размер начального сечения струи влияют на интенсивность теплообмена между газовой высокотемпературной струей вязкого газа и пластиной из КМ.

5. Установлено, что металлические частицы плотностью рр>2700кг/м и диаметром dp> 10 мкм взаимодействуют с поверхностью материала в диапазоне скоростей U3 > 100 м/с.

6. Достоверность разработанной математической модели термомеханического разрушения подтверждена сравнением полученных на ее основании данных о температурном поле и скорости образования кратера в бетонной преграде, подвергающейся воздействию высокотемпературной гетерогенной струи, с известными экспериментальными данными.

7. На основании разработанной математической модели получены данные о глубине образующегося отверстия при реализации технологии перфорации стальной пластины в зависимости от расстояния от среза сопла генератора высокотемпературной гетерогенной струи.

Заключение

.