Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С УЧЕТОМ ТРЕХМЕРНОЙ МИКРОТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Анализ влияния топографии поверхности на особенности течения рабочих сред в подвижных герметизируемых соединениях
Параметрическая и интегральная оценка микротопографии поверхности
Модели расчета течения в щелевом канале, образованном рабочими поверхностями соединения, основанные на экспериментальных и аналитических исследованиях влияния топографии поверхности
Моделирование течения в щелевом канале, образованном рабочими поверхностями соединения, с учетом трехмерной микротопографии поверхности с помощью универсальных расчетных пакетов
Численное моделирование течения жидкости в щелевом канале с учетом трехмерной микротопографии поверхности
Обобщение результатов анализа и постановка задач работы
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ В ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ
2.1. Геометрическая модель участка подвижного соединения с учетом трехмерной микротопографии поверхностей
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ В ГЕРМЕТИЗИРУЕМЫХ ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ С ЗАДАННОЙ МИКРОТОПОГРАФИЕЙ ПОВЕРХНОСТИ 43
Моделирование течения жидкости в канале с заданной микротопографией поверхности в конечно-
элементной среде А№8У8 61
3.5.1. Моделирование течения ньютоновской
жидкости в срёде 63
Портирование топографии поверхности в среду ANSYS 65
Генерация конечно-элементной сетки в среде ANSYS 68
Граничные условия, параметры решателя и запуск расчетов 76
Анализ погрешности численного расчета при различных способах разбиения сетки 79
Сравнительный анализ результатов расчета утечек на участке подвижного соединения в расчетном пакете StarCD и с использованием программы PenetrMv 93
Методика расчета утечек в плунжерной паре компрессора холодильной установки с помощью программ "PenetrMv" и "Plunger" 101
Приложение 1 119
Приложение 2 120
Приложение 3 121
Введение к работе
Подвижные герметизируемые металл-металлические соединения являются одними из наиболее используемых в промышленности герметизируемых соединений. Они входят в конструкцию двигателей внутреннего сгорания, плунжерных насосов различных типов, в том числе глубинных и штанговых, компрессоров холодильных установок и т.д. Герметичность такого рода соединений во многом определяет эффективность работы вышеперечисленных машин и устройств. Например, в 30% случаях выход из строя дизельных двигателей вызван отказом цилиндропоршневой группы из-за увеличения утечек в плунжерной паре. В связи с вышесказанным вопросам обеспечения заданной степени герметичности подвижных соединений уделяется большое внимание.
Значительное влияние на герметичность подвижных металлических соединений оказывают не только физико-механические параметры используемых материалов и рабочих сред, конструктивные особенности и макрогеометрические характеристики соединения, но и микротопография их поверхностей. Моделирование течения в каналах подвижных соединений с учетом влияния микротопографии поверхности на этапе проектирования позволит повысить их эксплуатационные характеристики.
В существующих аналитических моделях расчета утечек в подвижных соединениях учет реальной шероховатости основан на использовании результатов экспериментальных исследований, что значительно ограничивает область их применения. Эти модели обладают высокой степенью достоверности, однако требуют для получения больших материальных и временных затрат.
В настоящее время для расчета течения в щелевых каналах широко используются стандартизированные пакеты прикладных расчетных программ, такие как ANSYS, StarCD, Flow Vision, FlowER и др. Однако достаточно сложной для пользователя данных пакетов является проблема задания областей течения с криволинейной нерегулярной границей. Кроме того, высокие требования к вычислительным ресурсам ограничивают размеры исследуемой области. В связи с этим учет реальной трехмерной микротопографии поверхности в данных пакетах производится с помощью полуэмпирических коэффициентов.
С развитием вычислительной техники увеличилось количество разработанных численных моделей, рассматривающих различные условия эксплуатации, физические свойства рабочей среды, характеристики и параметры микро- и макрогеометрии рабочих поверхностей. Как правило, в расчетах используется топография поверхности, полученная с помощью искусственной генерации, либо созданная на основе простых геометрических фигур. При малых значениях зазора полученные с использованием данных моделей результаты могут существенно различаться.
Проведенный литературный анализ показал, что комплексной физико- математической модели для прогнозирования утечек рабочих сред в герметизируемых подвижных соединениях, достаточно полно учитывающей реальную трехмерную топографию их поверхностей, не существует.
Отсутствие математического аппарата и программного обеспечения приводит к необходимости проведения длительного и трудоемкого экспериментального подбора технологических методов изготовления и сборки герметизируемых соединений, что существенно удорожает этап проектирования.
В связи с этим разработка математических моделей течения жидкости в герметизируемых подвижных соединениях с учетом трехмерной микротопографии поверхностей для развития современных технологий проектирования является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является разработка математической модели течения жидкости в герметизируемых подвижных соединениях с учетом трехмерной микротопографии поверхностей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать математическую модель течения жидкости в герметизируемых подвижных соединениях с учетом трехмерной микротопографии поверхностей;
разработать алгоритмы и комплекс программ для расчета течения жидкости в подвижных соединениях;
провести вычислительный эксперимент для исследования влияния параметров шероховатости на герметичность подвижных соединений на базе разработанных алгоритмов и комплекса программ. Сопоставить результаты, полученные с помощью разработанного программного комплекса и с помощью стандартных расчетных пакетов;
разработать методику и программный комплекс для расчета герметичности плунжерной пары.
В качестве объектов исследования выбраны герметизируемые подвижные металлические соединения, которые широко используются в ряде отраслей промышленности, в частности плунжерные пары, и методы обработки поверхностей.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций,
сформулированных в диссертации, обеспечивается сопоставлением полученных результатов с результатами стандартных расчетных пакетов, использованием надежных численных методов и применением современной вычислительной техники.
Методы исследования. При выполнении работы использованы: геометрическое, физическое, математическое и компьютерное моделирование. При моделировании процесса течения рабочей среды использован метод конечных элементов. Обработка результатов модельных экспериментов производилась методами математической статистики.
Научная новизна представленной диссертационной работы состоит в следующем:
разработана математическая модель течения жидкости в герметизируемых подвижных соединениях с учетом трехмерной микротопографии поверхностей;
предложены уравнения расчета объемных расходов рабочей среды в подвижных металлических герметизируемых соединениях на основе применения коэффициентов потока;
на основе регрессионного анализа результатов модельных экспериментов получены уравнения для расчета коэффициентов потока в соединении в зависимости от параметров шероховатости и зазора;
разработана) методика расчета утечек в подвижных герметизируемых соединениях с учетом трехмерной микротопографии поверхностей.
На защиту выносятся:
математическая модель течения жидкости в герметизируемых подвижных соединениях с учетом трехмерной микротопографии поверхностей;
результаты численных экспериментов, проведенных с помощью разработанной модели;
методика расчета утечек в подвижных герметизируемых соединениях с учетом трехмерной микротопографии поверхностей.
Практическая значимость. Разработанная в результате выполнения диссертационной работы программа для конечноэлементного моделирования течения сплошной среды в узких каналах с подвижными стенками и расчета коэффициентов потока с учетом трехмерной топографии их поверхности "Репе^Му" зарегистрирована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (свидетельство № 2008614022). На основе разработанного программного комплекса была предложена методика расчета утечек в плунжерной паре компрессора холодильной установки с учетом реальной шероховатости поверхности. Данная методика внедрена на ОАО "Московский завод домашних холодильников" и используется при проектировании плунжерных пар компрессоров холодильных установок. В ходе выполнения работы разработано учебно-методическое пособие "Конечноэлементное моделирование течения сплошных сред", которое используется в учебном процессе МГИУ.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены для обсуждения на: международной научно-технической конференции «Научно- технические проблемы современного гидромашиностроения и методы их решения» (СПб - 2001); международной научно-практической конференции "Участие молодых ученых, инженеров, и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий" (Москва — 2003); международной научно- технической и научно-методической конференции "Гидрогазодинамика, гидравлические машины и гидропневмосистемы" (Москва - 2006); VI Международной научно-технической конференции "Материалы и технологии XXI века" (Пенза - 2008); International conference on Computer Aided Design and Manufacturing (Krk, Croatia - 2008); 7-ой международной Казахстанско- Российско-Японской научной конференции "Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов" (Москва - 2009).
Актуальность выбранной темы подтверждается тем, что исследование проводились в рамках двух госбюджетных НИР: "Математическое моделирование течения жидкости в герметизируемых подвижных соединениях на примере плунжерной пары" (2007-2009 годы) (по единому заказ-наряду Министерства образования и науки РФ в рамках тематического плана ГОУ МГИУ); "Разработка математических моделей течения сплошных сред в тонких слоях с учетом реальной топографии поверхности" (в рамках аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)" Министерства образования и науки РФ).
Основное содержание работы отражено в 11 печатных трудах, которые включены в список литературных источников [1-11].
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 122 наименований и 3 приложений. Работа изложена на 121 странице машинописного текста и содержит 50 рисунков и 10 таблиц.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована проблема, определена цель, сформулированы методологические основы исследования и определена структура диссертационной работы.
В первой главе "Современные проблемы моделирования и расчета процессов герметизации подвижных соединений с учетом трехмерной микротопографии поверхностей" проведен обзор отечественных и зарубежных литературных источников, посвященных проблемам герметизации металлических соединений. Проанализированы работы A.B. Чиченадзе, П.И. Киселева, Д.Ф. JI.A. Кондакова, А. Рота, И. Робертса, Н. Патира и X. Чжена, X. Элрода, Дж. Тила и А. Лебека, К. Тондера и Л. Лунда и др.
Отражено современное состояние вопроса конструктивно- технологического управления эксплуатационными параметрами герметизируемых соединений, а также моделирования и расчета процессов герметизации металлических соединений. Проанализированы характеристики соединений и рабочих сред, а также параметры устройств, наиболее часто учитываемые при расчете герметичности. Подтверждено, что трехмерная микрогеометрия рабочих поверхностей герметизируемых металлических соединений оказывает влияние на утечки. Показаны преимущества трехмерного анализа шероховатости. Рассмотрены различные модели течения рабочих сред в герметизируемых соединениях и применяемые для их расчета численные методы. Обосновано использование модели ламинарного течения и метода конечных элементов.
Обоснована актуальность работы, определены и сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе "Математическое моделирование течения рабочей жидкости в подвижных соединениях" представлена разработанная модель течения рабочей среды в подвижных соединениях с учетом трехмерной микротопографии поверхностей и методика учета влияния шероховатости поверхности герметизируемых соединений при расчете утечек с помощью коэффициентов потока.
Третья глава "Численные исследования течения рабочей среды в герметизируемых подвижных соединениях с заданной микротопографией поверхности" посвящена описанию модельных экспериментов и полученных результатов. Проведен регрессионный анализ результатов модельных экспериментов; на основе которого предложены аналитические зависимости для расчета статических и динамических коэффициентов потока с учетом влияния анизотропии поверхности у и комплексного показателя шероховатости и зазора - Н/Иа. Результаты расчетов сопоставлены с данными, полученными помощью стандартных расчетных пакетов, и показана их удовлетворительная сходимость. Показана возможность технологического управления коэффициентами потока и герметичностью соединения в целом.
В четвертой главе "Апробация результатов исследований" рассмотрены вопросы практического использования результатов исследований. На основе разработанной математической модели и программ предложен программный комплекс для расчета утечек в плунжерных парах.
Автор выражает признательность сотрудникам кафедр "Общая и прикладная математика", "Электро-, теплотехника, гидравлика и энергетические машины", оказавшим содействие при выполнении настоящей работы.
