научная статья по теме ОБРАЗОВАНИЕ ДВУХФАЗНОЙ ВИХРЕВОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СТРУИ ВОЗДУХА НА РАСПЛАВ ПАРАФИНА В УЗКОМ КАНАЛЕ Математика

Текст научной статьи на тему «ОБРАЗОВАНИЕ ДВУХФАЗНОЙ ВИХРЕВОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СТРУИ ВОЗДУХА НА РАСПЛАВ ПАРАФИНА В УЗКОМ КАНАЛЕ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 414, № 6, с. 756-760

= МЕХАНИКА =

УДК 621.373.826

ОБРАЗОВАНИЕ ДВУХФАЗНОЙ ВИХРЕВОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СТРУИ ВОЗДУХА НА РАСПЛАВ ПАРАФИНА

В УЗКОМ КАНАЛЕ

© 2007 г. О. Б. Ковалев, А. М. Оришич, А. П. Петров, академик В. М. Фомин, П. В. Юдин

Поступило 31.01.2007 г.

При создании технологий лазерной обработки металлов существует проблема исследования течений жидкости и газа в узких каналах. Физические особенности движения сплошной среды, которые характеризуются поверхностными и вязкими силами, при течении в таких каналах проявляются в большей степени. Авторы настоящей работы предпринимали попытки экспериментального моделирования и визуализации процессов, сопровождающих лазерную резку металлов [1, 2]. Одной из главных причин образования дефектов (грата и регулярной шероховатости) на боковой поверхности является нестационарное движение пленки расплава и ее разрушение внутри узкого лазерного реза, ширина которого может изменяться от 0.1 до 1 мм [2]. Локальность действия излучения, высокие термические нагрузки в сочетании с малой шириной реза создают большие трудности для визуализации процессов образования и удаления расплава в натурных экспериментах. Поэтому в качестве модельного материала в [1, 2] использовали легкоплавкий парафин, который плавился и одновременно выдувался струей подогретого воздуха из узкой и плоской щели, стеклянные стенки которой были прозрачны для наблюдений за процессами разрушения и удаления расплава парафина.

Несмотря на то что реологическое строение парафина, а также его физические свойства отличаются от металлов (см. табл. 1), парафин используют в качестве модельного материала при изучении механизмов взаимодействия лазерного излучения с веществом. Так, например, в экспериментальных исследованиях [3], где тоже использовался парафин, были развиты общие представления о термокапиллярном механизме глубокого проплавления металлов при лазерной сварке.

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича

Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск

В данной работе представлены результаты модельных экспериментов, в которых обнаружена двухфазная газожидкостная структура, формирующаяся в условиях взаимодействия предварительно подогретой сверхзвуковой (с числом Маха Ма = 1.0-1.2) струи воздуха с пленкой расплавленного этой струей парафина в узком щелевом канале, геометрически подобном лазерному резу.

Рассмотрим блок-схему модельной установки, представленной на рис. 1. Воздух из баллона через электрический подогреватель подавался в сопловой узел. Струя воздуха истекала из конфу-зорного сопла с диаметром ё0 = 2 мм, установленного непосредственно над щелью между двумя протяженными стеклянными пластинами. Щель шириной в 1.0 мм предварительно заполняли разогретым парафином, который затем, остывая, затвердевал.

Таблица 1. Физические свойства парафина и нержавеющей стали [9]

Характеристика Парафин Нержавеющая сталь

Плотность, р5, кг/м3 900 6900 (1397°С) 6610 (1727°С)

Теплоемкость Ср, кДж/(кг ■ °С) 1.58 (-20-3°С) 2.98 (60°С) 0.477 (17°С) 0.707 (1397°С) 0.810 (1457°С)

Теплопроводность Вт/(м ■ °С) 0.123 (30°С) 31.5

Вязкость ц, Н/(с ■ м2) 4.0 ■ 10-3 (40°С) 2.6 ■ 10-3 (60°С) 1.8 ■ 10-3 (80°С) 1.4 ■ 10-3 (100°С) 1.09 ■ 10-3 (150°С) 2.8 ■ 10-3 (1397°С)

Поверхностное натяжение а,, Н/м 0.0404 1.87 (в вакууме) 0.9 (на воздухе)

Температура плавления Тт, °С 54 1397

Теплота плавления Нт, кДж/кг 147 272

ОБРАЗОВАНИЕ ДВУХФАЗНОЙ ВИХРЕВОИ СТРУКТУРЫ

757

11

Рис. 1. Блок-схема модельной установки: 1 - баллон сжатого воздуха; 2 - электрический подогреватель; 3 - модель соплового узла лазерного резака; 4 - стеклянная пластина; 5 - импульсная лампа ИШ-5; 6 -блок питания лампы; 7 - блок синхронизации; 8 -компьютер; 9 - видеокамера; 10 - привод подвижки МП-100; 11 - парафин.

При взаимодействии со струей воздуха, нагретого до температуры выше 100°С, парафин плавился и одновременно выдувался из щели. С помощью механизма передвижения МП-100 модель могла перемещаться с некоторой постоянной скоростью, но положение сопла над щелью не менялось. Этот процесс регистрировался видеокамерой, а видеосигнал записывался в память персонального компьютера. Съемку производили как в отраженном, так и в проходящем свете. Использовался также импульсный источник света (лампа ИШ-5), работающий от блока питания с частотой съемки. Моменты вспышек определяли

кадровыми синхроимпульсами, выделенными из видеосигнала блоком синхронизации.

Картина плавления парафина зависит от скорости перемещения модели и параметров горячей воздушной струи. На рис. 2 приведены кинокадры процесса с интервалом 0.125 с, показывающие динамику фронта плавления парафина, а также особенности течения и разрушения пленки расплава по мере роста давления в сопловой камере.

Штриховой линией показана верхняя граница прозрачной стенки модели, а штрихпунктирной -ось струи нагретого воздуха. Направление движения модели справа налево, а воздуха сверху вниз. Когда давление воздуха в сопловой камере небольшое (порядка 0.3 МПа), течение пленки расплава сопровождается образованием волн на поверхности жидкости (рис. 2а). С увеличением давления до 0.5 МПа на фронте плавления возникает уступ и происходит срыв жидкости с образованием одиночных капель (рис. 26). При дальнейшем росте давления (до 0.8 МПа) наблюдается увеличение уступа, смещенного к выходу реза, и разрушение пленки жидкого парафина в режиме распыления (рис. 2в).

В представленном выше эксперименте при взаимодействии газового потока с жидкостью в узком канале зафиксирована интересная особенность, которая связана с образованием устойчивой вихревой структуры, наблюдаемой как в отраженном, так и в проходящем свете. На рис. 2в эта особенность выделена прямоугольником и ее осветленная копия вынесена по стрелке за пределы кадра. Характерный размер между центрами вихревых завитков, образующихся на расстоянии хс = 2.5 мм от среза сопла, примерно 0.7 мм.

Картина развития такой структуры показана на рис. 3 с большим увеличением. Последовательность съемки кадров слева направо. В процессе движения модели на некотором расстоянии от вхо-

3

2

1

8

Рис. 2. Кадры киносъемки плавления парафина в узком канале и его удаление газовой струей. ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 414 < 6 2007

Рис. 3. Визуализация вихревой структуры при взаимодействии нагретой струи с плавящимся парафином в щелевом канале: вверху - в отраженном свете, интервал между кадрами 0.12 с; внизу - в проходящем монохроматическом свете теневым методом с экспозицией каждого кадра 2.0 • 10-6 с, интервал между кадрами 0.5 с.

да струи в щелевой канал плавящийся парафин, стекая по стенке, собирается в конфигурацию в виде гантели. Это образование является результатом того, что при прохождении газового потока в узком канале, образующемся после плавления парафина, появляется достаточно устойчивая структура в виде пары связанных вихрей.

Слева регистрация велась в отраженном свете с постоянным освещением. При съемке в проходящем монохроматическом свете (средняя часть) с экспозицией каждого кадра 2.0 • 10-6 с картина имеет такой же вид, как при визуализации течений методом сажемасляных покрытий [4].

Чем же вызвано появление этого образования? Выходящая из сопла лазерного резака струя газа является осесимметричной, сверхзвуковой и, как правило, недорасширенной. Нерасчетность такой

Ра ^ 1

струи п = р- > 1, где рм - давление в окружающей

среде, а ра - давление на срезе сопла. Для начального участка такой струи характерны наличие волновой структуры и сильная неравномерность давления как вдоль оси, так и в поперечных сечениях. Уже при п > 2 в свободной струе происходит исчезновение всех "бочек", кроме первой. Вне первой "бочки" ударные волны отсутствуют.

При лазерной резке сопло резака находится вблизи поверхности обрабатываемого материала и выходящий газовый поток сразу попадает на преграду в виде щели. Ширина щели меньше ширины струи (диаметра сопла), поэтому выходящий из сопла поток разделяется на две части. Одна часть потока, взаимодействуя с краями щели (верхней кромкой реза), тормозится и разворачивается вдоль поверхности разрезаемого материа-

ла. Другая часть входит в щель, которая ограничивает ее с трех сторон. Можно предположить, что волновая структура начального участка сверхзвуковой струи сохраняется внутри щели. Здесь мы имеем взаимодействие трех фаз вещества: твердые стенки разрезаемого материала, жидкую пленку расплавленного металла, которая образуется на стенках щели, и газовую среду потока. Механизм образования шероховатости тесно связан с особенностями взаимодействия этих трех фаз.

Вихревые образования возникают с появлением радиальной составляющей скорости газа в струе. Так, в слое смешения образуются продольные парные вихри типа Тейлора-Гертлера [5], обусловленные наличием кривизны линий тока. Примером возникновения вихревого кольца может служить волновая картина течения при выходе газа из ствола при ружейном выстреле (рис. 4а). Похожее вихревое образование можно видеть на теневом снимке установившегося режима истечения из сопла перерасширенной струи в конце первой бочки (рис. 46). В обоих случаях диаметр вихревого кольца больше или равен выходному диаметру сопла. Эти вихревые образования наблюдаются в осесимметричных струях.

Есть еще одна область, где могут образоваться вихри, - это след за тройной точкой (рис. 4в), называемый так из-за явной качественной аналогии с аэродинамическим следом за плохо обтекаемым телом. В этом случае одна часть набегающего потока претерпевает однократное сжатие на прямом скачке, а другая проходит через два косых скачка. Скоростной напор в потоке, претерпевшем двухступенчатое сжатие, во много раз больше скоростного напора за прямым скачком. Граница с высоконапорным потоком становится

Рис. 4. Типичная структура начального участка сверхзвуковой струи: а - развитие течения при выстреле; б - стационарная, слабо перерасширенная струя; в - схема образования следа за тройной точкой. 1 - граница струи; 2 - висячий скачок; 3 и 4 - центральный и отраженный скачки уплотн

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком