Содержание к диссертации
Введение
Глава I Обзор современного состояния проблемы и исследований в области газовой детонации 14
1.1 Современные представление о газовой детонации 14
1.2 Анализ существующих устройств использующих газовую детонацию и конструкций детонационных камер 24
1.3 Методы исследования детонационных потоков 33
Выбор и обоснование направления диссертационной работы 46
Глава II Моделирование развития газовой детонации 48
2.1 Геометрическая модель развития газовой детонации 48
2.2 Выбор и обоснование конфигурации отражающих поверхностей камеры при геометрическом моделировании распространения детонационной волны 50
2.3 Численное моделирование развития ударных волн 53
2.4 Сопоставление результатов геометрического и численного моделирования 60
Выводы по второй главе 62
Глава III Экспериментальное оборудование 63
3.1 Экспериментальная импульсная детонационная камера 63
3.2 Комплекс для измерения импульсно-скоростных характеристик детонационного потока 71
3.3 Анализ ошибок измерения 80
Выводы по третей главе 85
Глава VI Экспериментальные исследования сверхзвуковых детонационных потоков 86
4.1 Исследования при использовании метода следовых отпечатков 86
4.2 Исследования влияния геометрических параметров камеры на давление во фронте детонационной волны 89
4.3 Исследования влияния геометрических параметров камеры на скоростные характеристики генерируемого детонационного потока 90
Выводы по четвертой главе 95
Основные выводы и результаты работы 96
Литература 97
Приложение 120
- Анализ существующих устройств использующих газовую детонацию и конструкций детонационных камер
- Выбор и обоснование конфигурации отражающих поверхностей камеры при геометрическом моделировании распространения детонационной волны
- Комплекс для измерения импульсно-скоростных характеристик детонационного потока
- Исследования влияния геометрических параметров камеры на давление во фронте детонационной волны
Введение к работе
Актуальность исследований.
Явление газовой детонации приобрело широкое применение в различных областях науки и техники. Возникающий, в результате детонации газовой смеси, сверхзвуковой импульсный поток является основой технологии детонаци-онно-газового нанесения покрытий, сущность которой заключается в нагреве и разгоне напыляемого дисперсного материала продуктами газовой детонации истекающими из ствола (детонационной камеры) установки напыления. Увеличение скорости метания напыляемых частиц, как одного из факторов влияющих на характеристики получаемого покрытия, непосредственно связанно с характеристиками детонационного потока.
Во многих работах в области газовой детонации отмечается, что определенные геометрические конфигурации камер сгорания оказывают непосредственное влияние на процессы развития детонации, а эффекты, связанные с газовой кумуляцией, способны в несколько раз увеличить скорость отдельных элементов потока, что также может быть использовано в практических целях. Так в работах института гидродинамики СО РАН им. Лаврентьева проводились исследования по получению пересжатых детонационных волн, скорость которых превышает скорость распространения свободной детонации. Использовали продольное профилирование камеры.
Экспериментальные исследования влияния геометрической конфигурации детонационной камеры на физику процесса весьма затруднительно из-за необходимости изготовления большого числа образцов детонационных камер. Возможность моделирования процессов детонации позволяет не только увеличить эффективность конструкции взрывных устройств, но и добиться значительной экономии материалов, времени и других затрат. Применение приближенных методов компьютерного моделирования детонационных потоков в камерах со сложной геометрией является единственно возможным способом
оптимизации геометрии отражающих поверхностей каналов детонационной камеры. Адекватность результатов полученных методами компьютерного моделирования может быть доказана только экспериментальными исследованиями.
Цель диссертационной работы заключается в создании экспериментальной импульсной камеры, для определение влияния геометрической конфигурации камеры на параметры детонационного потока. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи;
Компьютерное моделирование распространения ударных волн в канале установки. Визуализация развития процесса.
Анализ самоорганизующихся структур, возникающих при отражении ударных волн в каналах переменного сечения. Оптимизация геометрии камеры.
Создание образца импульсной ускорительной камеры, на основе результатов компьютерного моделирования.
Экспериментальное определение влияния геометрической конфигурации отражающих поверхностей камеры на импульсно-скоростные характеристики генерируемого потока.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана модель распространения ударных волн в импульсной камере, с использованием методов компьютерного моделирования.
Предложена методика оптимизации геометрии камеры.
Спроектирован и создан образец импульсной ускорительной камеры для проведения экспериментальных исследований.
Определены импульсно-скоростные характеристики потока, генерируемого ускорительной камерой, при помощи экспериментально-диагностического комплекса.
Методы исследования, примененные в работе
В диссертационной работе использованы методы компьютерного и математического моделирования, времяпролетный метод оптической регистрации свечения потока, метод следовых отпечатков детонационной волны на рав-
номерно закопченной поверхности, метод регистрации пьезодатчиком импульсного давления в камере. На всех этапах работы применялось сопоставление полученных результатов с теоретическими и литературными данными. На защиту выносятся следующие положения диссертации:
Разработана модель распространения ударных волн в импульсной камере, с использованием методов компьютерного моделирования;
Методика оптимизации геометрической конфигурации камеры;
Спроектирован и создан образец импульсной камеры для проведения экспериментальных исследований;
Определены импульсно-скоростные характеристики потока, генерируемого ускорительной камерой, при помощи экспериментально-диагностического комплекса.
Публикации. По материалам выполненных в диссертации исследований опубликовано 7 печатных работ.
Практическая значимость. Представленная в диссертационной работе импульсная камера является объектом для физических исследований детонационных потоков, генерируемых при различных начальных параметрах процесса, типа реагирующей смеси, соотношения реагирующих компонентов, различных геометрических характеристик камеры.
Конструкция камеры может послужить прототипом, для создания промышленных образцов малогабаритных установок детонационно-газового напыления, что расширит спектр применения технологии детонационного нанесения покрытий в различных областях современного машиностроения. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы многократно докладывались и обсуждались на объединенных физических семинарах АлтГТУ, а также Всероссийской конференции "Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов" (г. Москва, Россия, 2002 г.), III Семинар вузов Сибири и дальнего востока по теплофизике и теплоэнергетике (г. Барнаул, Россия,2003г.) Международная конференция
«Новые материалы и технологии их получения - 2004» (г.Волгоград, Рос-сия,2004г.)
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 4 таблицы, список литературы из 131 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность, научная и практическая значимость работы, сформулированы цель и задачи исследований их научная и практическая новизна, изложены основные выносимые на защиту положения, приведена краткая характеристика работы.
Анализ существующих устройств использующих газовую детонацию и конструкций детонационных камер
В последние годы для нагрева и ускорения наносимых порошковых материалов все шире применяются импульсные источники энергии, в частности, энергии взрыва смесей горючих газов с окислителями [4,17,18,28,70,100]. Метод, использующий эту энергию, получил название детонационно-газового напыления (ДГН). Физическая сущность метода нанесения покрытий [3,44,84,115,124,125] заключается в формировании направленного потока мелкодисперсных частиц напыляемого материала на изделие при оптимальных значениях скорости и температуры. Импульсные методы характеризуются большими энергетическими возможностями, простотой и экономичностью. Технологические устройства импульсного действия имеют высокие удельные мощности, отличаются простотой преобразования энергии взрыва в полезную работу. Опыт зарубежных исследователей (корпорация «Union Carbide», USA) показывает, что детонационное напыление позволяет значительно повысить срок эксплуатации деталей, например, авиадвигателей, путем применения элементов термической и газо-абразивной защиты с покрытиями [1, 112] (использование детонационного покрытия на лопатках газовой турбины авиадвигателя самолета "Хариер" позволило увеличить моторесурс его работы в 11 раз).
Детонационное напыление позволяет также ликвидировать недостатки электролитических методов и диффузионной металлизации [73], заключающиеся в большой длительности процессов и получении тонких слоев, не превышающих десятков микрометров. Детонационные покрытия отличаются высокой твердостью, износо-, жаро- и эрозионной стойкостью [41,46,64,66,71, 78]. Детонационный метод напыления обладает рядом преимуществ [14,54,95,106]: S прочность сцепления покрытий с изделием достигает от 180 до 360 МПа, что на порядок выше, чем у покрытий, нанесенных другими мето дами, это позволяет применить их для упрочнения и восстановления деталей, работающих в экстремальных условиях при воздействии больших контактных и ударных нагрузок; S толщина наносимого слоя практически не ограничивается (автором были получены покрытия толщиной около 180 мм.) и лежит в пределах от 10 мкм. до нескольких миллиметров, причем имеется возможность нанесения многослойных и разнородных покрытий; S температура детали при напылении зависит от ее размеров и обычно не превышает 350-600 К. Ввиду малой продолжительности цикла напыления, а также значительного рассеивания газовой составляющей струи при расширении в окружающую атмосферу температурное воздействие на поверхность детали незначительно; S незначительное термическое воздействие на напыляемый материал (например, температура горения пропан бутановых газовых смесей применяемых в УДГН не превышает 3000 К), что позволяет формировать покрытия с равномерными физико-механическими свойствами по поверхности и толщине, не сжигать материал и обеспечивает наследование свойств материала исходного порошка в покрытии; S возможность регулирования параметров процесса в широких диапазонах позволяет для каждого материала установить наиболее оптимальные режимы напыления; S высокая энергия продуктов детонации, ускоряющая частицы, повышающая их температуру, позволяет формировать покрытия из тугоплавких материалов не только на металлах, но и на неметаллических материалах (стекло, керамика, дерево, картон и др.)[79].
Внедрение метода детонационного напыления в производство требует проведения глубоких комплексных исследований детонационных потоков с учетом специфики процесса. При этом не достаточно знаний этих особенностей в их общем изложении или без анализа совокупности основных факторов воздействующих на частицы напыляемого материала, поскольку применение материала в покрытии, свойства и состояние которого определяется сложнейшим переплетением многочисленных факторов, требуют индивидуального подхода в каждом конкретном случае[69]. Только диагностические комплексы с неразрушающими системами контроля, включенные в технологический процесс нанесения покрытий позволят получать непосредственную информацию о процессе [8,9,27,52].
В процессах детонационного напыления одним из определяющих факторов, влияющим на качество наносимого покрытия служит скорость напыляемых частиц, определяемая течением газового потока [33,39,42,51,67]. Важным технологическим приемом повышения качества покрытий является увеличение скорости напыляемых частиц, которая способствует ускорению и интенсификации физико-химических процессов в контакте, следовательно, и повышению прочности, плотности и улучшению ряда других характеристик покрытия [53,65,101,106]. Существует предел скорости частиц. При напылении со скоростью частиц ниже этого предела прочность их сцепления резко снижается, частицы мало деформируются и почти не растекаются при ударе, в результате чего контактные процессы взаимодействия материала частицы и основы нарушаются. Установлено [54, 111], что при скорости частиц в десятки метров в секунду рост их прочности сцепления с основой замедляется, одновременно очень слабо увеличивается относительный диаметр пятна химического взаимодействия. Соотношение скорости и температуры частиц должно быть оптимальным. Высокие скорости и температуры недопустимы из-за повышенного разбрызгивания частиц при ударе. Однако, достаточно перспективными для напыления, являются сверхзвуковые низкотемпературные плазменные струи, которые дают возможность формирования покрытий без их расплавления.
Как отмечалось выше, детонационное напыление относится к числу методов использующие дискретные источники энергии и характеризуются частотой циклов напыления. Структура рабочего цикла установки представлена на Рис 1.1 [19,105,113,125]
Последовательность элементов рабочего цикла заключается в следующем. Камеру сгорания, заполняют смесью рабочей газов. Одновременно с заполнением камеры детонирующей смесью, или с некоторой задержкой в камеру додают напыляемый дисперсный материал. Затем для предотвращения обратного удара между точкой инициирования зажигания и смесителем газов создают пробку из флегматизирующего газа. Детонирующею смесь, в которой во взвешенном состоянии находятся частицы напыляемого материала, поджигают электроискровым разрядом. Процесс воспламенения завершается возникновением горения, которое распространяется с увеличивающейся скоростью. Пройдя определенное расстояние горение переходит в детонацию. В процессе взаимодействия с детонационной волной и продуктами детонации частицы напыляемого материала нагреваются и с большой скоростью направляются на поверхность изделия. Затем осуществляется продувка камеры нейтральным газом, который вытесняет оставшиеся продукты детонации, предотвращая тем самым возможность воспламенения взрывчатой смеси заполняющей камеру при следующем цикле работы установки.
Выбор и обоснование конфигурации отражающих поверхностей камеры при геометрическом моделировании распространения детонационной волны
По результатам экспериментального исследования детонационных процессов в конических каналах проводимых на установке «Катунь М», а также при рассмотрении результатов работ [129], предварительно были выбраны углы и соотношение диаметров обеспечивающие регулярное отражение ударной волны от конической поверхности, составившее 30". Таким образом, входе выполнения данных работ, модификации подвергалась геометрическая конфигурация торцевого отражателя.
Ниже представлены наиболее характерные моменты процесса моделирования, для различных конфигураций торцевого отражателя.
Модель камеры со сферическим торцевым отражателем представлена (Рис. 2.2). Четко просматривается фронт прямой и вторичной отраженной волны. По мере достижения выходного отверстия камеры происходит вторичное отражение волн от конической поверхности камеры. В результате наблюдается картина регулярного отражения волн от конической поверхности. Однако при дальнейшем рассмотрении процесса развития фронта, в следствии многократного отражения точной фокусировкой не наблюдается.
Замена сферической формы торцевого отражателя на коническую значительно изменило начальную картину отражения волн (Рис. 2.3). В результате отражения от конической поверхности торцевого волна представляет торо-образную форму поверхности фронта, но в дальнейшем наблюдается более худшая фокусировка маркеров на выходом отверстии камеры. В данном случае распространение волн имеет схожий характер, как и предыдущем случае.
При использовании конфигурации в виде обратного конуса, наблюдается многократное отражение волны от поверхности конического канала камеры и поверхности торцевого отражателя. При этом прослеживается формирование направленной структуры по оси камеры с возникновением у выходного отверстия зоны взаимодействия фронтов волн. (Рис. 2.4).
Торцевой отражатель в форме обратного усеченного конуса (Рис. 2.5). Наблюдается и многократное отражение волн в области конической полости. Имеет место, наиболее четкая фокусировка фронтов волн на выходном сечении. Просматривается четко выраженная структура ударных волн и формирование лидера. Также в дальнейшем, в области конического канала у поверхности отражателя, формируется вторичная волна большей интенсивности (большее количество маркеров).
Торцевой отражатель в виде обратного усеченного конуса В результате вычислительного эксперимента, из представленных моделей камеры для дальнейшего рассмотрения был выбран торцевой отражатель с геометрической конфигурацией «обратный усеченный конус». Направление распространения фронта волн, при рассмотрении данной формы поверхности, имеет наиболее четкою ориентацию на выходное сечение камеры, в следствии чего наблюдается существенное, по сравнению с остальными конфигурациями отражающих поверхностей, интенсивность потока маркеров в выходном сечении камеры. Также многократное отражение маркеров в коническом канале формирует вторичный фронт, направленный выходное сечение камеры.
Описанный выше метод моделирования распространения волнового фронта, как уже было сказано, дает лишь качественное представление о процессах протекающих в камере, с различной конфигурацией отражающих поверхностей. Очевидно, что для получения количественной оценки параметров газового потока необходимо применение, численных методов. Для решения системы уравнений описывающих движение протекающий процесс. При решении подобных задач широкое применение получили разностные методы [60,131]. Сущность численного метода заключается в следующем: область решения задачи разбивается на плотную систему подобластей (ячеек), в каждой из которых исходное распределение газодинамических параметров заменяется постоянными функциями. Тогда интегралы и производные искомых функций в базовой системе уравнений в соответствии с идеологией используемого метода приводится к разностным соотношениям, а решение задачи - к решению системы алгебраических уравнений.
Однако, несмотря на простоту и очевидность подобных рассуждений практически реализовать их для нелинейных уравнений газовой динамики довольно сложно. Это обусловлено возможной неустойчивостью решений, нетривиальностью постановки граничных условий (проблема свободной границы) и т.д.
В процессе решения поставленных проблем, необходимо было сформулировать и решить задачу построения многоцелевого программного продукта, способного моделировать газодинамические явления в широком диапазоне начальных и граничных условий. Такой проект разрабатывается с 1988г Зибаро-вым А.В. в ТулГУ (г. Тула). Он получил название GAS DYNAMICS TOOL (GDT)[60]. В основе математической модели используемого комплекса лежит полная система нелинейных нестационарных уравнений механики сплошной среды. Для численного интегрирования данной системы уравнений используется явная двухшаговая разностная схема первого порядка, относящаяся к методам сквозного счета, так как позволяет получать решение во всей счетной зоне по единому алгоритму, без предварительного выделения особенностей. Программа использует регулярные квадратные сетки. Алгоритм основан на численном решении полной системы нелинейных нестационарных уравнений динамики (2.1) вязкого, сжимаемого, теплопроводного газа при наличии диффузии методом крупных частиц в плоской, постановке.
Комплекс для измерения импульсно-скоростных характеристик детонационного потока
В ходе проведения экспериментальных работ для регистрации импульсно-скоростных параметров детонационного полтока был использован экспериментально—измерительный комплекс.
В комплексе реализована времяпролетная методика регистрации скорости детонационного потока, а также методика регистрации импульсных давлений. Непосредственно, для регистрации скоростных характеристик потока по его излучению использовалась оптическое устройство рис.3.7. Фукцианальная схема оптического устройства представленная на рис.3.8.
Данный элемент устанавливается на срезе выходного сечения детонационной камеры. Имеются два оптических сечения, формирующиеся при помощи щелевых зазоров с расстоянием меду щелями 9,8 мм. Для регистрации излучения пока использовались два фотодиода ФД256 установленными в щелевых зазорах. Непосредственно перед щелевыми зазорами размещается светофильтр ИКС -5. Так же в оптической головке установлены платы усилителей выполненных на основе операционных усилителей (КР140УД8Б). Для преобразования сигнала в цифровой вид, записи в память ЭВМ и дальнейшей обработки, оптическое устройство подключается к плате Ла-н20-12РС1.
. Принципиальная схема канала оптоэлектронного преобразования Работа схемы заключается в следующем. Световой сигнал поступает на входную линзу фотодиода VD1 (ФД-256), в котором свет преобразуется в фототок. Величина фототока пропорциональна интенсивности света. Фототок, протекая через сопротивления Rl, R2, в соответствии с законом Ома, преобразуется в напряжение, которое прикладывается к инвертирующему входу (2) операционного усилителя У1 (КР140УД8А). Неинвертирующий вход (3) заземлен. Усиленный сигнал с выхода У1 поступает на вход (база транзистора VT1) эмиттерного повторителя, состоящего из транзистора VT1 (КТ817В) и резистора R3 (1кОм). Далее сигнал (напряжение) через сопротивление R4 (100 Ом) поступает в выходной разъем, для подачи его в устройство аналого-цифрового преобразования. Для уменьшения шума в канале применяются фильтры верхних частот в трактах питания У1, они состоят из емкостей СІ, С2 (100 мкФ, 16 В) и дросселей LI, L2 (200 мГн). Операционный усилитель и эмиттерныи повторитель охвачены отрицательной обратной связью, через сопротивление R2 (ЗМОм). Варьируя сопротивление R1, имеется возможность изменять вид характеристики преобразования. В случае Rl= 0-ь200 кОм имеем линейную характеристику преобразования интенсивность света - выходное напряжение.
Интерфейсная часть программного обеспечения DGNShot Для регистрации импульсного давления в момент детонации, непосредственно в детонационной камере установлен датчик давления «Датчик-Свеча ДПС 016». Технические характеристики датчика приведены в приложении III. В качестве чувствительного элемента датчика применен пакет пьезокварцевых дисков. Градуировка датчика давления проводилась согласно методике представленной в техническом описании и инструкции по эксплуатации предоставленной заводом изготовителем. Стенд для градуировки представлен на Рис.
В целом, экспериментальный измерительный комплекс объединил описанные выше методики измерения импульсно-скоростных характеристик детонационного потока. Схема экспериментального комплекса представлена на рис 3.13. Рис. 3.13 Схема комплекса, для измерения скорости детонационного потока
В соответствии с рис 3.12, детонационной поток (1) генерировался в результате детонации пропан - кислородной смеси в импульсной детонационной камере (2). Излучение потока регистрировалось оптической головкой (3) установленной на срезе выходного сечения камеры. Согласно циклограммы работы, после генерации блоком управления детонационно-газовой установки (4) сигнала на блок искрового зажигания, производилось инициирование детонации в камере. При этом, генерировался синхроимпульс (5) на «запуск» плат сбора и обработки данных установленных в ЭВМ. В результате этого, плата сбора и обработки данных ЛА -1.5РС1 установленная в ЭВМ (6) начина производить регистрацию сигнала генерируемого пьезоэлектрическим датчиком ПДС 016 (8), для измерения импульсного давления в детонационной камере.
Исследования влияния геометрических параметров камеры на давление во фронте детонационной волны
Исследования влияния геометрической конфигурации камеры на давление во фронте детонационной волны проводились с использованием конического торцевого отражателя и обратный усеченный конус». В качестве реагирующего газа использовали пропан-бутан-кислородную смесь.
Начальный отрезок сигнала (1) очевидно соответствует процессу перехода горения в детонацию и завершается резким всплеском. Рассмотрение этого участка показывает, что при развитии процесса газовой детонации, в камере интенсивно происходят переходные процессы. Как показывает сравнительный анализ с результатами подобных исследований, возникновение этой зоны и характер пульсаций непосредственно обусловлено отражением волн горения от поверхностей камеры. На завершающем этапе этого переходного процесса происходит формирование газовой детонации, о чем свидетельствует значительный всплеск давления(2). Максимальная амплитуда всплеска соответствует 2прохождении детонационной волны. Область спада сигнала следующая за детонационной волной отвечает области разряжения возникающей в результате движения детонационной волны (3). Дальнейшее развитие процесса, связано с истечением продуктов детонации из камеры установки (4).
Для обеих конфигураций отражающей поверхности, при протекании процесса развития детонации наблюдается высокочастотные пульсации давления, наличие которых очевидно свидетельствует о наличии вибрационного режима, описанного в главе I, настоящей работы.
При сравнении представленных конфигураций формы сигнала видно, что времена протекания процесса в камерах значительно различаются. В первую очередь, это связанно с различием объемов камер, однако это не является определяющим параметром.
По результатам проведенных исследований получена зависимость изменения давления детонационной волны от соотношения компонент реагирующих газов, для представленных геометрических конфигураций камер (Рис. 4.6).
На представленных зависимостях имеет место значительное качественное отличие особенно в областях с соотношениями компонент реагирующих газов 0,6 -0,75. Для конфигурации торцевого отражателя в виде обратного усеченного конуса наблюдается падение давления, минимальное значение которого составляет 0,39 МПа при соотношении компонент0,707.
Как видно из представленной зависимости, имеет место увеличение амплитуды детонационной волны при увеличении доли пропан-бутановой компоненты детонирующей смеси. Однако возрастание давления, не может говорить о получении еще более высоких значений путем увеличения доли пропан-бутана. Получения точки спада давления затруднительно в виду технических ограничений, накладываемых системой газоподачи установки «Катунь М» и явлениями обратного удара. 4.3 Исследования влияния геометрических параметров камеры на скоростные характеристики генерируемого детонационного потока
Представленные осциллограммы светимости потока также как и осциллограммы давления во фронте ударной волны для двух различных конфигурациях имеют качественные различия по форме и длительности сигнала. В случае использования геометрической конфигурации «Обратный усеченный конус» имеет место отчетливо просматривающийся выброс. Стоит отметись, что при рассмотрении полученных осциллограмм светимости потока, практически по всей протяженности сигнала имеются характерные пульсации. Их частота составляет 50 кГц.
Значения скоростей мало меняются от соотношения компонент реагирующих газов. Однако в Отчетливо просматривается зависимость скоростных характеристик от используемой конфигурации камеры. Средние значения скоростей для геометрической конфигурации камеры с использованием конического торцевого отражателя составляют 460 м/с. При замене отражателя на обратный усеченный конус средние значения скорости детонационного потока увеличиваются до 850 м/с. Следует отметись, что при проведении подобных исследований на установке «Катунь М», результаты которых изложены в [30] средние значения скоростей детонационного потока составляли 360 м/с.
