Реферат: Н. Н. Сысоев Численное моделирование гидрофизических процессов в зоне ударно-динамического взаимодействия ультраструи жидкости с твердотельной мишенью Москва 2011

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

ЦЕНТР ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ


Препринт №


М.И. Абашин, А.А. Барзов, А.Л. Галиновский,

О.И. Казакова, А.А. Ковалев,

В.И. Колпаков, С.Г. Муляр, С.А. Новожилов, Н.Н. Сысоев


Численное моделирование гидрофизических процессов

в зоне ударно-динамического взаимодействия ультраструи

жидкости с твердотельной мишенью


Москва 2011


УДК 621.9.048.7 +Математическое моделирование (номер)


^ ФИЗИЧЕСКАЯ ГИДРОДИНАМИКА

Центр гидрофизических исследований


Препринт физического факультета МГУ

2011 г., №…………,………..с.


Препринт является промежуточным обобщением части фундаментально-прикладных и поисковых работ, проводимых в Центре гидрофизических исследований МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с кафедрой СМ-12 «Технологии ракетно-космического машиностроения» МГТУ имени Н.Э. Баумана по проблеме анализа и развития инновационного потенциала ультраструйных гидротехнологий, в частности, путем численного моделирования и анализа гидрофизических закономерностей ударно-динамических процессов взаимодействия сверхскоростной струи воды с поверхностью твердотельной мишени.


Ответственный редактор Н.Н. Сысоев.


Физический факультет МГУ


Подписано к печати 2011 г.


Объем п.л. Тираж 50 экз. Заказ №______


Отпечатано в Отделе оперативной печати физического факультета МГУ


©Физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, 2011 г.


^ Численное моделирование гидрофизических процессов

в зоне ударно-динамического взаимодействия ультраструи

жидкости с твердотельной мишенью


М.И. Абашин, А.А. Барзов, А.Л. Галиновский,

О.И. Казакова, А.А. Ковалев,

В.И. Колпаков, С.А. Новожилов, Н.Н. Сысоев


Содержание

Введение 4

1 Исходные данные для компьютерно-математического моделирования 5

2. Специфика ударно-волнового взаимодействия 11

3 Анализ влияния волновых возмущений на процесс гидроэрозии 16

4 Исследование акустического излучения и явления кавитации 23

5 Направления дальнейших исследований 30

Заключение 32

Список литературных источников 33

Принятые сокращения 35




«Капли камень точат не силой удара,

но частотой падения»

Григорий Богослов (329-389 гг.)



Введение

Энергетически экстремальные процессы взаимодействия сверхскоростной компактной ультраструи или струи абразивно-жидкостной суспензии с поверхностью твердотельной заготовки (мишени) являются физической основой всех операционных ультраструйных технологий. В последнее время, помимо традиционного использования ультраструи в качестве технологического инструмента для гидрорезания различных материалов или очистки поверхностей изделий от трудноудаляемых загрязнений, получили свое развитие инновационные гидротехнологии ультраструйной активации жидкостей и получения ультрамелкодисперсных суспензий [1, 2], а также, технология ультраструйной экспресс-диагностики параметров качества поверхностного слоя деталей или конструкций [3]. Таким образом, под ультраструйными технологиями (УСТ) в дальнейшем будем понимать совокупность методов и средств создания и реализации таких параметров высокоэнергетической компактной струи жидкости, которые при ее взаимодействии с окружающей средой, например при ударно-динамическом торможении о твердотельную мишень-заготовку, способны привести к фиксируемым целенаправленным изменениям в обрабатываемом материале и/или в самой жидкости.

Анализ показал, что современный этап промышленного становления и освоения ультраструйных гидротехнологий характеризуется определенным методологическим противоречием между динамично повышающимся техническим уровнем обеспечения данных технологий и отставанием в понимании латентных физических закономерностей процесса ультраструйной гидроэрозии поверхностного слоя твердого тела под действием ультраструи жидкости (воды). Данное явление представляет собой в той или иной степени физико-технологическую основу всех операционных ультраструйных гидротехнологий, в первую очередь, производственного назначения. Поэтому отсутствие развитого аппарата математического моделирования и анализа сложной совокупности процессов гидроконтактного взаимодействия ультраструи жидкости с твердым телом не позволяет сделать необходимые научно-практические обобщения имеющихся, как правило, весьма фрагментарных экспериментальных данных.

Как следствие, такое положение сдерживает целенаправленный поиск новых эффективных инженерно-технических и технологических решений в сфере развития ультраструйных гидротехнологий.

В связи с этим, в данной работе предпринята попытка использования современного программно-математического аппарата численного моделирования (Ansys и его приложение AutoDyn v.6.1) для анализа физических особенностей и результатов взаимодействия высокоэнергетической, с плотностью мощности ~1 МВт/мм2, струи жидкости, с поверхностью твердого тела: мишенью или обрабатываемой заготовкой. Анализировались наиболее характерные варианты этого взаимодействия, в частности, связанные с проникновением ультраструи жидкости в глубину обрабатываемого материала, что имеет место при гидрорезании, а также ультраструйное удаление части его поверхностного слоя, т.е. осуществлялось моделирование технологической операции гидроочистки. Рассмотрены другие характерные примеры и намечены перспективы развития исследований, направленных на детализацию физических закономерностей процессов ультраструйного гидроконтактного взаимодействия и расширение сферы технологических приложений математического аппарата численного моделирования.

^ 1 Исходные данные для компьютерно-математического моделирования


Энергетически экстремальные процессы взаимодействия сверхскоростной компактной ультраструи с поверхностью твердотельной заготовки (мишени) являются физико-технологической основой всех операционных ультраструйных технологий, в том числе суспензирования жидкофазных сред и ультраструйной диагностики материалов и изделий.

Анализ показал, что современный этап освоения ультраструйных гидротехнологий характеризуется определенным методологическим противоречием между динамично повышающимся техническим уровнем обеспечения данных технологий и отставанием в понимании латентных физических закономерностей процесса ультраструйной гидроэрозии поверхностного слоя твердого тела под действием ультраструи жидкости (воды). Поэтому отсутствие развитого аппарата математического моделирования и анализа сложной совокупности процессов гидроконтактного взаимодействия ультраструи жидкости с твердым телом не позволяет сделать необходимые научно-практические обобщения имеющихся, как правило, весьма фрагментарных экспериментальных данных.

В связи с этим, и была предпринята попытка использования современного программно-математического аппарата численного моделирования (Ansys, AutoDyn v.6.1) для анализа физических особенностей и результатов взаимодействия высокоэнергетической, с плотностью мощности ~1 МВт/мм2, струи жидкости, с поверхностью твердого тела – преградой (мишенью).

Исследование физико-технических особенностей УСТ проводилось с использованием аппарата механики сплошной среды в двумерной осесимметричной постановке. Для постановки задачи необходимо составить замкнутую систему уравнений, которая описывает движение и состояние сплошной среды с учетом ее физико-механических свойств, внешних силовых факторов и позволяет найти все функции, определяющие движение и состояние среды (скорость, давление и др.), в зависимости от координат и времени. Идеализированная расчетная схема рассматриваемого процесса (представлена в начальный момент времени) показана на рис. 1, где 1 - струя жидкости (воды), движущаяся со скорость V0=800 м/с, 2 - обрабатываемый материал (мишень), Г1-Г4 – прямые, ограничивающие рассматриваемую область.



Рисунок 1 - Расчетная схема взаимодействия ультраструи жидкости (воды) с преградой (мишенью)


Моделирование производилось в относительной системе координат, с точкой начала координат в месте соприкосновения ультраструи и мишени. Ось Ox направлена вдоль вектора скорости ударника, а ось Oy - перпендикулярно Ox и направлена вверх.

При этом для описания поведения взаимодействующих материалов принималась идеальная упругопластическая модель среды.

Учитывая, что программный комплекс имеет возможность проводить расчеты как для отдельно подвижных (лагранжевых), так и неподвижных (эйлеровых) моделей описания движения деформируемой сплошной среды, была составлена система уравнений, описывающая двумерное осесимметричное течение в переменных Эйлера, которая имеет классический вид [4, 5]:

Закон сохранения массы:



Закон сохранения импульса:

;

Закон сохранения энергии:



Уравнение состояния взаимодействующих сред:

;

Кинематические соотношения:

, , , , ;

Физические соотношения в виде закона Гука:

;

Составляющие тензора пластических деформаций:

Для данной задачи:;

Компоненты тензора напряжений:

;

Уравнения пластического течения Прандтля-Рейсса:

;

Условие Мизеса:

; ; ;



Уравнение эквивалентного напряжения, выраженного через главные напряжения, по энергетической теории:

;

Здесь r – плотность; p – давление; e – удельная внутренняя энергия; t – текущее время; r, z – радиальная и осевая координаты; nr, nz – компоненты вектора скорости; gij – метрические коэффициенты основного базиса выбранной системы координат, причем i, j = r, θ, z; srr, szz, sqq – нормальные напряжения в радиальном, осевом и тангенциальном направлениях; srz – касательные напряжения; Dij – компоненты девиатора напряжений;  – компоненты тензора скоростей деформаций; D(…)/Dt – производная Яуманна; G – модуль сдвига; Y – динамический предел текучести среды; l – коэффициент пропорциональности в ассоциированном законе пластического течения; gij – символы Кронекера (gij =1 при i=j; gij =0 при i¹j); Sij – компоненты девиатора напряжения; V – удельный объем.

Для моделирования условий разрушения металлических мишеней (преград) было выбрано для рассмотрения два критерия – прочностной (откольной прочности) и деформационный. Данный выбор был продиктован отсутствием, на первых этапах исследования, вполне определенных представлений о поведении материала под действием ультраструи жидкости. Согласно первому из них, отрывные разрушения в материале происходят при выполнении прочностного критерия вида , где σi – интенсивность напряжений,  – откольная прочность материала. Согласно второму критерию, разрушение материала происходит при достижении интенсивностью деформаций ɛi своих критических значений ɛ*, т.е. ɛi≥ ɛ*.

Для данного деформационного критерия
или  – интенсивность пластических деформаций; ,  – соответственно, пластические составляющие компонент тензора деформаций и тензора скоростей деформаций; ɛ* – предельная (критическая) пластическая деформация. Так, например, для использованной указанной марки стали В95 в первом приближении можно принять ≈0,77, где - относительное сужение образца [6].

Уравнения состояния для сплава марки Д-16 (выбранного в качестве экспериментального ввиду широкой области использования в машиностроении) брались в форме линейной баротропной зависимости давления от плотности , где r0 – начальная плотность; ^ К – модуль объемного сжатия (для сплава Д16 – 63,2 ГПа, для сплава В95 – 71,1 ГПа). Толщина преграды (мишени) составила h=3,0 мм. Другие физико-механические характеристики материалов мишени представлены в табл. 1. Уравнение состояния ультраструи воды принималось в виде полиномиальной зависимости давления от плотности:



при m ³ 0;

,

при m < 0,

где ; ρ, ρ0=1 г/см3 – текущая и начальная плотности соответственно. Коэффициенты уравнения состояния воды принимали следующие числовые значения: А1 = 2,2 ГПа, А2 = 9,54 ГПа, А3 =14,57 ГПа, В0 = 0,28, В1 = 0,28, Т1 = 2,2 ГПа, Т2 = 0. При проведении моделирования (для всех рассмотренных моделей) были выбраны следующие параметры ультраструи: диаметр dc= 0,8 мм, скорость Vc= 800 м/с;

В качестве граничных условий использовались следующие.

В области контактного взаимодействия струи с преградой накладывались ограничения на скорость индивидуальных точек в направлении оси Oz в соответствии с условиями непроницаемости материала:

,

а также на напряженное состояние, реализующегося в этих точках в соответствии с третьим законом Ньютона:

,

где ni – вектор единичной нормали к поверхности преграды.

При формулировке граничных условий на оси симметрии (ось Oz) необходимо учитывать, что при r =0 частицы среды движутся только в осевом направлении (vz = 0), а осевые ускорения этих частиц должны быть ограничены. Из уравнений движения следует, что это может быть реализовано только при отсутствии касательных напряжений на оси симметрии (srz = 0).

При решении исходной системы уравнений на неподвижной сетке область интегрирования ограничена: снизу осью симметрии (G1 на рис. 1); слева, сверху, справа — открытыми поверхностями (G2, G3, G4), через которые среда может вытекать или втекать в рассматриваемую область.

Начальные условия конкретной задачи задавались распределением параметров r, p, vr и vz в поле течения. Компоненты напряжений принимаются равными нулю. Для получения более полной информации о процессе взаимодействия преграда маркировалась реперными точками, в которых дополнительно вычислялись параметры текущего состояния среды.

Таблица 1 - Физико-механические характеристики материалов преграды


Материал мишени

Обозначение

В95

Д16

Плотность, г/см3

r0

2,78

2.78

Модуль сдвига, ГПа

G

27,3

27.5

Предел текучести, ГПа

Y

0,45-0,5

0.3

Откольная прочность, ГПа

sP*

1,2

0.8

Критическая интенсивность деформации

ε*

0,77

0.43



^ 2. Специфика ударно-волнового взаимодействия


Учитывая сформулированные граничные и начальные условия, расчетную схему взаимодействия ультраструи жидкости (воды) с преградой (мишенью), а также принимая во внимание упомянутые выше критерии разрушения материала, рассмотрим результаты моделирования на примере сплавов Д16 и ВТ95.

Механизм разрушения пластичного материала (алюминиевого сплава Д16) при воздействии на него высокоскоростной струи жидкости, c учетом разрушения материала в соответствии с заданным прочностным критерием откольной прочности, реализуется согласно рис. 2 и состоит из следующих основных этапов:

при начальном контакте ультраструи с преградой (~5-7 мкс) образуется характерный валик пластического оттеснения материала, струя проникает в преграду (см. рис. 3);

приводится в действие механизм расклинивания (~10-16 мкс);

по периметру пятна контакта струи с преградой образуется кольцевая область пластического деформирования (см. рис. 2, области пластических деформаций показаны *), разрушение металла происходит по сдвиговому механизму;

на окончательном этапе экстремальное напряженно-деформированное состояние, вызванное эффектом расклинивания и среза (сдвига), приводит к «выбиванию пробки» материала (~20 мкс).

В качестве сравнения на рис. 4 рассмотрены основные этапы взаимодействия высокоскоростной струи воды с алюминиевым сплавом Д16 (предел текучести 0,3 ГПа, критические деформации 0,43), но c учетом разрушения данного материала в соответствии с заданным деформационным критерием разрушения. Отличительной особенностью данных этапов разрушения материала является образование трещин, появление и развитие которых наблюдается, начиная со 108 мкс взаимодействия (см. рис. 3, области трещинообразования показаны **). Появления трещин отмечается как со стороны воздействия ультраструи, так и с противоположной от ее действия стороны по оси симметрии. Данные трещины, являясь концентраторами напряжений, продолжают расти и развиваться (108-162 мкс) по периферийным зонам контакта ультраструи и материала. В итоге данного процесса за счет сочетания расклинивающего действия струи и процессов трещинообразования происходит разрез («раскрытие») материала.











0 мкс

2 мкс

4 мкс

6 мкс

8 мкс











10 мкс

14 мкс

16 мкс

18 мкс

20 мкс

1 – ультраструя, 2 – материал преграды (мишени)

Рисунок 2 – Этапы (повременно) проникновения высокоскоростной ультраструи воды в алюминиевую преграду (сплав Д16) c учетом разрушения ее материала по прочностному критерию откольной прочности (~0.8 ГПа) (области пластических деформаций показаны *)


Проведя сравнение между полученными результатами моделирования на примере сплава Д16 следует отметить, что расчеты, выполненные с учетом деформационного критерия соответствуют реально протекающим процессам разрушения данного материала, выявленным в результате проведения экспериментальных исследований, а также близки к реальному времени протекания процесса резания, которое приблизительно в 10 раз медленнее для данного расчетного случая в сравнении с первым вариантом расчетов по прочностному критерию откольной прочности.



Рисунок 3 – Начальный этап (~5-7 мкс) взаимодействия ультраструи воды с преградой из сплава Д16











0 мкс

18 мкс

36 мкс

54 мкс

90 мкс











108 мкс

126 мкс

144 мкс

162 мкс

180 мкс

Рисунок 4 - Этапы проникания высокоскоростной ультраструи воды в алюминиевую (Д16) преграду c учетом разрушения ее материала по деформационному критерию (области трещинообразования показаны **)


В качестве дополнения к уже рассмотренному процессу разрушения материала в соответствии с заданным деформационным критерием рассмотрим аналогичный расчетный случай для сплава В95 (см. рис. 5), который схож с механизмом разрушения Д16 и имеет те же основные этапы.











0 мкс

34 мкс

68 мкс

136 мкс

170 мкс











204 мкс

238 мкс

272 мкс

306 мкс

340 мкс

Рисунок 5 – Этапы взаимодействия высокоскоростной ультраструи воды с алюминиевой (сплав В95) преградой c учетом разрушения ее материала по деформационному критерию (области трещинообразования показаны **)


Однако, учитывая полученные результаты, следует заметить, что наиболее универсальным подходом к проведению моделирования является подход учитывающий оба критерия разрушения материала. Комбинация критерия откольной прочности с критерием предельных пластических деформаций позволит учесть первый из них на этапе взаимодействии ультраструи с ударными волнами, возникающими в зоне взаимодействия с материалом, а второй при движении ультраструи в глубине материала преграды (мишени).

Учитывая это, можно дать несколько практических замечаний, которые не смотря на свою достаточную очевидность могут быть использованы в решении некоторых перспективных задач, в частности диагностики материалов ультраструйным методом:

механизм гидроразрушения при действии на мишень ультраструи жидкости зависит от физико-механических характеристик материала;

по величине валика пластического оттеснения металла из зоны контакта «струя – преграда» можно судить о пластических харакетристиках материала.



^ 3 Анализ влияния волновых возмущений на процесс гидроэрозии

Весьма интенсивная управляемая гидроэрозия поверхностного слоя твердого тела, возникающая при воздействии на него высокоэнергетического потока жидкости, является базой всех УСТ. Физическая природа гидроэрозии, помимо достаточно изученных механизмов типа расклинивающего действия ультраструи на поверхностные микродефекты материала мишени [22], обусловлена ярко выраженной неравновесностью энергетических превращений в зоне взаимодействия ультраструи и преграды. Технологически значимым фактором этой энергетической неравновесности при УСО является широкополосное акустическое возмущение зоны гидроконтактного взаимодействия ультраструи с мишенью.

Действительно, мощное волновое возмущение зоны ультраструйного контакта, в первую очередь поверхностного слоя твердотельной мишени, является физически естественным механизмом трансформации громадной удельной кинетической энергии струи в другие виды энергий [23 - 25]. Мощное волновое возмущение зоны ультраструйного контакта, возникновение изгибных волн, поверхностных акустических волн – волн Рэлея (см. рис. 6), волн упругой деформации других типов, например упругих волн Лэмба (см. рис. 7) и т.д. вносят свой достаточно заметный вклад в процесс гидроэрозии материала мишени. Учитывая этот факт, используя, как и ранее, аппарат механики сплошной среды, замкнутую систему уравнений, описывающую движение и состояние сплошной среды с учетом ее физико-механических свойств, внешних силовых факторов, а также расчетную схему, представленную на рис. 1 было проведено моделирование взаимодействия ультраструи с преградой (материал – Сталь 20) с целью выявления закономерностей зарождения и развития совокупности волновых процессов в зоне гидрорезания.

Результаты численного моделирования предложены в виде основных этапов, демонстрирующих последовательное развитие волновых процессов в материале и на его поверхности преграды (см. рис. 6, 7). Для удобства представления и анализа полученных результатов на моделях отсутствуют опоры, на которых были установлены преграды (мишени).





1

2






3

4





5

6





7

8

1 - ультраструя, 2 - поверхность преграды (мишени), 3 – единичная волна деформации, 4 – поверхностная волна Рэлея, 5 - шкала распределения напряжений в материале

Рисунок 6 - Этапы развития волновых процессов (3D –модель) при взаимодействии высокоскоростной ультраструи воды с металлической (Сталь 20) преградой





1

2





3

4





5

6





7

8





9

10





11

12





13

14

1 - ультраструя, 2 - поверхность преграды (мишени), 3 - нижняя стенка преграды, 4 – единичная волна деформации, 5 - шкала распределения напряжений в материале

Рисунок 7 - Этапы развития волн упругой деформации при взаимодействии высокоскоростной ультраструи воды с металлической (Сталь 20) преградой


Согласно рис. 6 и 7 можно проследить поэтапное возникновение волновых флуктуаций, возникающих при взаимодействии в некоторой достаточно малой области поверхности и/или подповерхностном слое мишени, различных по мощности и типу волн упругой деформации. При этом, следуя данным шкалы распределения напряжений в материале, напряженно-деформированное состояние материала мишени в месте появления волновых флуктуаций достигает критического значения. Безусловно, это приводит к изменению структуры материала, в частности локальному пластическому течению, оттеснению поверхностных слоев на периферию области удара ультраструи, формированию микро и субмикротещин их развитию в течение воздействия на преграду (мишень). Эрозия преграды помимо прочих факторов также связана с проявлением кавитации: ударными волнами и кумулятивными струйками, образующимися при схлопывании кавитационных пузырьков. Рассматривая процесс УСО можно отметить, что наличие на поверхности концентраторов напряжений, микротрещин, шероховатостей и т.д. стимулирует зарождение кавитации, поскольку при проникновении жидкости в микропоры и трещины, в них происходит захлопывание кавитационных пузырьков, что приводит к возникновению мощной ударной волны, способствующей разрушению материалов. Кумулятивные струйки разрушают поверхность твердого тела за счет кинетической энергии жидкости [18 - 20]. Эти данные также подтверждены результатами моделирования, где для сравнения была рассмотрена модель взаимодействии ультраструи с плоской полированной поверхностью и поверхностью имеющей существенную шероховатость. В качестве материала мишени была выбран сплав Д16, характеристики которого приведены в табл. 1. Из рис. 8 следует, что процесс обработки для образца, имеющего шероховатость существенно более производителен, чем для полированного образца (время на рис. 8а и 8б с момента начала взаимодействия ультраструи и преграды рассматривается одинаковым).


10 мс



70 мс


а (плоская полированная поверхность)


10 мс



70 мс


б (шероховатая поверхность)

Рисунок 8 – Сравнительно-сапоставительный анализ производительности гидрообработки шероховатой и полированной поверхности сплава Д16



Таким образом, на практике этот эффект необходимо учитывать, например, при решении вопросов увеличения производительности суспензирования. В этом случае целесообразно обеспечивать такое построение кинематической схемы обработки, которое позволит осуществлять движение гидросопла вдоль уже обработанной поверхности, причем чередуя продольное и поперечное направление его перемещения.

Не стоит забывать и о развитии волновых процессов в сторону ультраструи, что также вполне ярко демонстрируют результаты компьютерного моделирования (см. рис. 9). Следуя рассматриваемой на рис. 9 схемы можно утверждать, что еще до взаимодействия с преградой часть ультраструи жидкости на этапе движения к ней в интервале 2 – 3 мм относительно среза сопла уже подвержена высокоэнергетическому акустическому и волновому воздействию, которое может приводить не только к изменению свойств самой жидкости ввиду наличия ультразвуковых колебаний, но и к эффектам, влияющим на производительность обработки, например кратковременным, скачкообразным перепадам давлений и пульсациям, что традиционно объединяется термином «явление или эффект кавитации». В рассматриваемом случае имеет место так называемая акустическая кавитация, возникающая при прохождении через жидкость акустических колебаний [14]. Таким образом, полученные результаты демонстрируют наличия эффекта разрыва сплошности жидкофазной среды под действием интенсивных динамических растягивающих и/или касательных напряжений, возникающих при прохождении через нее волн разряжения – сжатия, удара и т.д., что достаточно подробно исследовано в соответствующих разделах физической гидродинамики.

Делая вывод о весомости вклада волновых флуктуаций в процесс разрушения материала и принимая во внимание, что в отличие от процессов гидрорезания и гидроочистки материалов процесс суспензирования не требует получения каких бы то ни было высоких показателей качества обработанной поверхности мишени, является целесообразным разрабатывать технологические подходы, способные управлять волновой динамикой и волноводными свойствами зоны взаимодействия ультраструи с материалом. Это очевидно позволит повысить производительность суспензирования, снизить энергетические затраты, увеличить концентрацию в жидкости микро и нано фрагментов материала мишени и т.д.




А (увеличено)

А



1 - ультраструя, 2 – распространение волн деформации вдоль столба ультраструи, 3 – преграда (мишень), 4 - опоры для установки преграды, 5 – поверхностные волны на поверхности ультраструи, 6 – область пониженного давления

Рисунок 9 – Волновые процессы развивающиеся ствол ультраструи по оси симметрии

^ 4 Исследование акустического излучения и явления кавитации

Ярко выраженный нестационарный характер энергетических превращений при ультраструйной обработке и суспензировании жидкости является причиной возникновения значительного числа источников волновых и колебательных процессов различной мощности и частотного спектра. Эти высокодинамические эффекты лежат в основе механизма трансформации кинетической энергии ультраструи в другие виды, в том числе в энергию активации (изменения свойств) самой обрабатываемой гидросреды.

Физическая природа, месторасположение источников, их энергетика и т.д. могут быть весьма различными и/или взаимосвязанными. Однако общим проявлением механизма действия данных источников будет динамическое возмущение окружающей их упругой волноводной среды: жидкости, газа или твердого тела (мишени).

Широкополосное акустическое излучение является доминирующим, неотъемлемым фактором обработки, непосредственно влияющим на характер ее протекания [26]. Изучение ряда литературных источников [9-20] позволило утверждать, что основной причиной возникновения мощной, энергетически весьма значимой, инициированной АЭ связано с высоко-динамическим нарушением сплошности гидросреды – акустической или своеобразной «ультраструйной» кавитации. Учитывая, что в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, принимают давление насыщенных паров жидкости (в нашем случае 25 – 30 кПа) при данной температуре (~70˚С), то при наличии в жидкости центров парообразования кавитация может возникать при давлениях, превышающих эти значения. Согласно результатам моделирования давление воды в столбе ультраструи (см. рис. 10) составляет порядка 140 МПа, что существенно превышает давление насыщенных паров воды. Таким образом, каждый кавитационный пузырек, формируясь из ядра, растет до конечных размеров и схлопывается, при этом возникают ударные волны с давлением фронта до 103 МПа.

На основе результатов моделирования (см. рис. 10) построена зависимость изменение давления ультраструи от времени ее взаимодействия с преградой. Расчет частоты колебания давлений в зоне ультраструйного контакта равный ~125 кГц позволил установить наличие низкочастотных ультразвуковых колебаний. При этом, заметим, что частоты ультразвуковых колебаний при которых используется ультразвуковая кавитация в технологических целях, лежат в области именно этих частот. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и др. факторов. Так, в воде на частоте 20 кГц она составляет значение ~0,3 Вт/см2.

В работах М.А. Промтова и ряда других исследователей [15 - 17] утверждается, что в конечном счете, воздействие кавитации на водные растворы сводится к процессу расщепления молекул воды в кавитационных пузырьках H2O→))) H˚, OH˚, H2 , H2O2, где знаком ))) показано химическое действие ультразвука. Ультразвук, действуя на воду, приводит к изменению ее физико-химических свойств: увеличению рН, электропроводности воды, увеличению числа свободных ионов и активных радикалов, структуризации и активации молекул, стимулированию таких процессов, как гидролиз, окисление, полимеризация, деполимеризация, ускорение реакций и т.д. [21].





1

2





3

4





5

6





7

8

1 - ультраструя, 2 – преграда (для улучшения видимости поля давлений в струе она убрана с модельной схемы), 3 – шкала давления

Рисунок 10 – Изменение давления ультраструи в процессе взаимодействия ультраструи и преграды (мишени)


Полученная форма сигнала изменения давления (рис. 11) вполне соответствует результатам реализации процедуры имитационного моделирования, рассмотренным в работе [2], где был получен импульс волны упругой деформации, имеющий затухающий синусоидальный колебательный характер (на рис. 11 для наглядности представлен в виде гистограммы). На рис. 12 представлено изменение давления в каждый момент времени для того же временного интервала, который рассмотрен на рис.11.

Полученные данные полностью отражают характер волнового акустически ультразвукового фактора УСО, оказывающего, как было отмечено выше, существенное влияние на свойства обрабатываемых жидкостей и материала, а рассчитанные параметры несут однозначную информацию об интенсивности энергетических превращений в зоне УСО.




Рисунок 11 – Изменение давления от времени взаимодействия ультраструи и преграды (пунктиром показана форма акустического сигнала возникающего при взаимодействии СО2 лазера с водой, зарегистрированного вдоль оси излучения на глубине 8 м [10])



Время t, мкс


Рисунок 12 – Изменение давления от времени взаимодействия ультраструи и преграды в каждый момент времени

С другой практической точки зрения знание результатов математического моделирования, в частности значения давлений на поверхности жидкости, представляется возможным получить выражение для акустического сигнала, генерируемого в жидкости [10]. Причем отдельный научный интерес будет представлять картина распределения акустического сигнала для ряда распределений интенсивности энергетического ультраструйного воздействия по пятну контакта ультраструи и жидкости в случае проведения экспериментов с затопленной мишенью. В работе [2] уже было отмечено, что в целом, процесс УСО затопленной струей протекает более нестабильно, чем при традиционной схеме удара струи в незатопленную мишень. Об этом свидетельствует увеличение дисперсии сигналов АЭ, визуально наблюдаемая в оптически прозрачной емкости нестационарность и хаотичность возникновения кавитирующих пузырей, иногда относительно больших размеров.

Учитывая сопоставимость плотности мощности ультраструи и технологических лазеров (~1МВт/мм2), а также принимая во внимание, что полная длительность лазерного импульса (СО2 лазер) составляет ~10 мкс и данная временная шкала доступна для анализа результатов математического моделирования воздействия ультраструи на преграду представляется возможным применение ультраструйных технологий в качестве альтернативного лазерному или традиционным источникам звука акустического источника для исследования характеристик акустических полей [7 - 13]. Внешняя схожесть зависимостей изменения давлений в гидроструе и акустической волны позволяет предположить близость ряда экспериментальных данных в случае проведения аналогичных опытов с применением ультраструйного оборудования взамен лазерного, используемого как генератор акустического излучения.

В дополнение к результатам исследований акустико-волновых процессов на рис. 13 представлены некоторые данные для изменения давления (сжатия) воздуха с наложенным векторным полем скоростей для алюминия за пределами нижней границы преграды. Численные значения давлений в воздухе демонстрируют картину существенных перепадов давлений, их чередование и рост количества областей с высокими значениями по мере протекания процесса взаимодействия ультраструи с преградой (рис. 13, а, б).



а



б

а – начальный этап взаимодействия струи и преграды (~20 мкс), б – этап глубокого проникновения ультраструи в преграду (~300 мкс), 1 - ультраструя, 2 –преграда (мишень), 3 - области высоких давлений, 4 – области низких давлений

Рисунок 13 – Изменение давления (сжатия) воздуха с наложенным векторным полем скоростей

Проведенные расчеты показали, что уровень звука с противоположной стороны от преграды составляет порядка 20 дБ. Очевидно, что общий уровень акустического воздействия будет существенно выше в случае простого суммирования основных источников акустического излучения, в частности от волн различной природы, кавитации и т.д. Данные значения не сложно получить экспериментально, применяя для исследований шумомеры типа Алгоритм-1 со шкалой деления 0,1 дБ.


^ 5 Направления дальнейших исследований

Помимо традиционного совершенствования и детализации аппарата численного моделирования наметим перспективные задачи, для ре