Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время, учитывая тенденцию неуклонного удорожания первичных топливно-энергетических ресурсов, успешно развиваются методы непосредственной утилизации солнечной энергии. Особенно это важно для стран Африканского континента, в том числе и для Марокко, где в качестве дублирующего источника энергии широко используются солнечные батареи. Их электрическая энергия может быть преобразована посредством ТЭНов снова в тепловую, например, для нагрева воды.
Сопоставительный анализ систем гелиотеплоснабжения показал, что в настоящее время конкурентоспособны и на порядок дешевле установки в виде теплообменников для непосредственного нагрева воды с помощью энергии Солнца (разработка НПО "Астрофизика").
Для производства панелей теплообменников мелкими сериями в условиях Марокко возможно применение технологии и оборудования на базе газодетонационных установок (разработка Харьковского авиационного института). При этом установки, основанные на эффекте детонации газовой смеси, применяются в различных областях, а именно, для штамповки тонколистовых металлов, для напыления порошкообразных материалов на основу, в качестве источников импульсных сигналов при исследовании акваторий порта и т.д.
Одним из факторов, препятствующих более широкому применению газо- / детонационных методов обработки материалов с помощью жидкой передающей среды, является недостаточная изученность основных динамических процессов в непосредственной близости от импульсного источника. Отсутствие теоретических зависимостей, касающихся расчета гидродинамических полей давлений и скоростей при взрыве газового заряда, снижает общность полученных экспериментальных результатов для практического использования и не дает возможности оценить соотношения объемных плотностей кинетической и потенциальной энергий в заданный момент времени, в заданной точке пространства и с учетом конструктивных особенностей элементов оборудования и оснастки. Также до конца не выявлены особенности концентрации энергии взрыва газового заряда в жидкости. При этом экспериментально установлено, что физическая картина волновых взаимодействий сложна, причем процесс передачи энергии взрыва через жидкую среду имеет сложный и многоэтапный характер.
Существующие модели для изучения движения непрерывных сред, учитывающие вес ее основные характеристики (вязкость, прочность, наличие вихревого движения, кавитацию и т.д.), основаны на использовании уравнений, решение которых даже с помощью численных методов на современных
компьютерах - это чрезвычайно сложный и трудоемкий процесс. Актуальной проблемой является поиск упрощенных моделей, с помощью которых можно значительно легче и быстрее изучать особенности нестационарных и неодномерных процессов в непосредственной близости от импульсного источника. Кроме того, с широким использованием компьютеров для проектирования оборудования и разработки новых технологических процессов, важно обеспечить автоматизированные рабочие места (АРМ) конструктора и технолога методами, алгоритмами и программным обеспечением.
Цель работы. Разработка математической модели и алгоритмов для исследования динамических процессов в ограниченном объеме жидкости, воспринимающей, преобразующей и передающей энергию взрыва газового заряда обрабатываемому материалу и элементам конструкций, а также формулировка практических рекомендаций по эффективному использованию газо-детонационного оборудования и проектированию специальных приспособлений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Разработка математической модели для исследования динамических процессов, протекающих в среде вблизи источника взрыва при детонации газовой смеси в камере, частично заглубленной в жидкость.
Разработка алгоритмов и программного обеспечения для расчета гидродинамических параметров жидкости, передающей энергию взрыва элементам оборудования и обрабатываемому материалу.
Исследование основных динамических процессов в жидкости, а именно, определение особенностей концентрации энергии взрыва газового заряда в вертикальном и горизонтальном направлениях под импульсным источником, оценка соотношения объемных плотностей потенциальной и кинетической энергий вблизи источника взрыва, определение гидродинамического поля давлений и скоростей вблизи импульсного источника с учетом влияния граничных поверхностей, выявление условий попадания жидкости в камеру источника.
Разработка схем импульсной обработки материалов с использованием приспособлений, усиливающих эффект концентрации энергии взрыва и исключающих возможность попадания жидкости в камеру импульсного источника. Формулировка рекомендаций по эффективному использованию данного вида оборудования.
Научная новизна. Разработана математическая модель для исследования основных динамических процессов, протекающих в ограниченном объеме гидросреды при детонации горючей газовой смеси в полузамкнутой цилиндрической камере, частично заглубленной в жидкость.
Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для численного расчета гидродинамических процессов в жидкости, воспринимающей, преобразующей и
5 передающей энергию взрыва газового заряда элементам оборудования и обрабатываемому материалу.
Определена импульсная нагрузка, создаваемая при взрыве в вертикальной и горизонтальной плоскостях под импульсным источником, состоящая из суммы давлений от подводной волны и скоростного потока жидкости, причем последний запаздывает во времени.
Установлено, что плотность кинетической энергии на единицу объема среды в вертикальном направлении под импульсным источником сконцентрирована в виде круга с диаметром di = d, а в горизонтальном направлении в виде кольца с шириной 8 s d /2, где d - диаметр камеры источника, причем максимум энергии находится на уровне торца камеры.
Установлена возможность концентрации энергии взрыва с помощью дополнительных приспособлений, размещенных на камере источника.
Выявлены условия динамического запирания части потока жидкости под камерой импульсной установки.
Установлена оптимальная дистанция, при которой наблюдается максимум удельной кинетической энергии на единицу поверхности обрабатываемого материала.
Практическое значение работы. Разработана схема импульсной обработки
материалов, исключающая возможность попадания жидкости в камеру
импульсного источника. Разработаны рекомендации по эффективному
использованию данного вида импульсного оборудования. Кроме того,
практической ценностью обладают разработанные алгоритмы и программное
обеспечение для автоматизированных рабочих мест конструктора и технолога,
необходимые при проектировании специализированного импульсного
оборудования и разработке новых технологических процессов.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях, конгрессах и семинарах. Международная конференция "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" (Белгород, 1995), Международная научно-техническая конференция молодых ученых и студентов (Санкт-Петербург, 1996), Первая интернациональная молодежная конференция "Мир на пороге XXI века. Будущее глазами молодежи" (Воронеж, 1996), IX Международная школа-семинар "Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте" (Алушта, 1996), World Congress on Powder Metallurgy & Particulate Materials (Вашингтон, 1996).
Связь с научно-техническими программами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной тематикой по разработке импульсного оборудования для высокоэнергетического воздействия на свойства материалов с
автоматизацией объекта управления (приказ N 347 от 23.05.1990 г.) и по межвузовской НТП "Конверсия и высокие технологии на 1994 - 1996 гг." (код проекта 62-1-5 "Импульс-ПМ") в разделах, связанных с разработкой методов и алгоритмов расчета элементов оборудования.
Публикации. Основные положения опубликованы в 8 печатных работах.
Объем н структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, изложенных на 144 страницах, 40 рисунков на 23 страницах, списка литературы из 109 наименований на 12 страницах и 4 приложений на 20 страницах, включающих 2 блок-схемы алгоритмов расчета, 5 таблиц и 9 рисунков. Общий объем диссертации составляет 199 страниц.