Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2015

При проектировании технологических процессов отделоч- но-упрочняющей обработки одной из основных задач является аналитический расчет ожидаемой степени упрочнения, глубины упрочненного слоя и шероховатости поверхности [1].

После анализа теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в области динамических методов ППД, были получены зависимости для определения шероховатости, глубины и степени упрочнения. Глубина упрочнения для ВиОУО и ЦРОУО [2]:

где a и b – полуоси эллипса контакта; ш – плотность материала шарика; ks – коэффициент, учитывающий влияние шероховато-

сти поверхности детали на площадь фактического контакта; с – коэффициент несущей способности контактной поверхности;T – предел текучести материала детали; Vэф – эффективная

скорость движения шарика; R – радиус шарика; α – угол встречи шарика с поверхностью детали.

Степень упрочнения для ЦРОУО:

где – угловая скорость вращения ротора; HB – твердость материала детали по Бринелю.

Степень упрочнения для ВиОУО:

где A – амплитуда колебаний рабочей камеры; f – частота ко-

лебаний.

Среднее арифметическое отклонение установившейся шероховатости поверхности при ВиОУО и ЦРОУО:

241

где hmax – максимальная глубина внедрения шарика в поверхность детали; lед – единичная длина.

Вобщем случае для материала с определенными физикомеханическими свойствами величина предела выносливости детали зависит от следующих основных факторов: величины упрочненного слоя и физического состояния пластически деформированного слоя детали, величины и распределения остаточных сжимающих напряжений в детали после ППД.

Винтересах усиления благоприятных факторов нужно стремиться к тому, чтобы интенсивность деформации поверхностного слоя была как можно больше. Однако с ростом интенсивности деформации процесс разупрочнения также постепенно усугубляется, поэтому очевидно, что приращение предела выносливости детали будет наибольшим при оптимальной интенсивности деформаций, которая должна быть больше интенсив-

ности деформации на предел текучести i и меньше интенсивности деформации непосредственно перед разрушением p .

В настоящее время можно считать установленными следующие положения:

1.Главная часть деформационного упрочнения материала исчерпывается на стадии равномерной деформации i p .

2.Наиболее интенсивный рост количества и размера микродефектов в металле наблюдается за пределами равномерной

деформации, т.е. при i p .

Таким образом, при i p упрочнение материала близко

к предельному, сжимающие остаточные напряжения близки к максимальным, а дефекты (микротрещины) не получают еще опасной степени развития. Из сказанного следует, что оптимальной интенсивностью деформации должна быть i p .

242

Приближенные, но достаточно точные значения p можно определять по зависимости [3]

Для круглого отпечатка интенсивность деформации можно определить по зависимости

где h – глубина остаточной вмятины.

Пользуясь вышеперечисленными зависимостями, можно предложить методику оптимизации процесса обработки деталей динамическими методами ППД.

Для оптимизации технологических процессов обработки динамическими методами ППД в качестве целевой функции выбрана интенсивность деформации, т.е. из всего множества проектных решений выделяется такое, которое обеспечивает при определенном сочетании технологических факторов величину интенсивности деформации, наиболее близкую к равновесной. При этом в качестве ограничительной функции, в зависимости от решаемых технологических задач, будет использоваться заданная глубина упрочненного слоя, степень упрочнения или шероховатость поверхности.

В качестве исходных данных, необходимых для начала расчета, для ВиОУО используются: диметры шаров, амплитуда колебаний рабочей камеры, частота колебаний. Для ЦРОУО: диаметры шаров, частота вращения рабочей камеры, объем загрузки рабочей камеры. Далее рассчитываются показатели процесса для всех комбинаций исходных

Разработанная обобщенная теория прошла комплексную экспериментальную проверку и может быть использована для оптимизации технологических процессов обработки деталей динамическими методами ППД в различных отраслях промышленности по критерию обеспечения долговечности обрабатываемых деталей.

243

Авторы выражают благодарность д-ру техн. наук, профессору М.А. Тамаркину за внимание к работе.

Библиографический список

1.Тамаркин М.А., Тищенко Э.Э. Технологические основы обработки деталей ППД в гранулированных рабочих средах // Наукоемкие технологии в машиностроении и авиастроении: материалы IV междунар. науч.-техн. конф. – Рыбинск, 2012.

2.Исследование влияние параметров упрочнения поверхностного слоя деталей при обработке динамическими методами ППД на увеличение ЖЦ деталей машин / А.С. Шведова, Д.В. Казаков, О.Ю. Гвоздиков, С.А. Новокрещенов // V Всерос. конф.

смеждунар. участием «Жизненный цикл конструкциионных материалов»: сб. науч. тр. – Иркутск, 2015.

3.Дрозд М.С., Матлин М.М., Сидякин Ю.И. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. – М.: Машиностроение, 1986. – 224 с.

244

УДК 532.5-1/-9

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ И РАЗМЕРОВ ВИХРЕВОГО КОЛЬЦА

И.В. Храмцов, В.В. Пальчиковский

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: igorhrs92@mail.ru

Работа посвящена численному исследованию процесса формирования и движения элементарного объекта газовой динамики – вихревого кольца. Рассматривались интенсивные турбулентные вихревые кольца с высокой начальной скоростью, получаемые поршневыми генераторами. Полученные результаты соответствуют автомодельному закону динамики вихревого кольца и экспериментальным результатам. При этом удается выделить основные характерные явления, возникающие при формировании и дальнейшей динамике вихревого кольца. Проведено исследование размеров вихревых колец.

Ключевые слова: вихревое кольцо, турбулентность, газовая динамика, шум, аэроакустика, численное моделирование, метод крупных вихрей, ANSYS CFX, визуализация вихревых течений, PIV-метод, шлирен-визуализация.

Геометрические размеры локализованных вихрей являются важнейшим параметром для построения теорий генерации шума данными вихрями. В частности, в работах [1, 2] приводится теоретическая модель излучения шума турбулентным вихревым кольцом в зависимости от параметров, измеряемых в эксперименте: R, μ = a/R, V, где V – поступательная скорость вихревого кольца, R – радиус вихревого кольца, a – радиус ядра вихревого кольца. При этом если такие параметры, как скорость и радиус вихревого кольца, достаточно легко определяются различными методами, то радиус его ядра определить сложно.

В настоящее время существуют различные методы определения размеров вихревого кольца.

245

К первой группе методов можно отнести визуальные методы, в которых вихревое кольцо идентифицируется по ярко выраженной границе, между ламинарным ядром и турбулентной атмосферой. Наибольшее распространение при этом получили теневые методы и метод «лазерного» ножа.

Вторым способом индентификации вихря является анализ распределения скорости в плоскости симметрии вихря. Размеры вихревого кольца определяются на основе предположения ламинарности ядра вихревого кольца, при этом внутри ядра скорость изменяется практически линейно, а расстояние между экстремумами на концах линейного участка распределения скорости является диаметром ядра вихря.

На настоящий момент проведено достаточно много исследований свойств вихревых колец различными методами, однако сравнения свойств интенсивного дозвукового кольца на различных участках траектории с точки зрения применения методов определения размеров не проводилось.

В данной работе предложено исследование характеристик вихревых колец с помощью численного моделирования. Рассматривается численное моделирование вихревого кольца, образующегося с помощью поршневого генератора вихревых колец, используемого для аэроакустических измерений в НИО-9 ЦАГИ. Расчеты проводились на кластере «Центра высокопроизводительных вычислительных систем» ПНИПУ с использованием системы инженерного анализа ANSYS CFX.

Верификация расчетов проводилась по методике, представленной в [3, 4]. При этом производилось сравнение результатов численного моделирования с результатами, полученными с помощью автомодельного закона динамики вихревого кольца [5, 6]. Система(1) представляетсобойзакондвижениявихревогокольца:

246

где R0, U0 – начальный радиус и скорость вихревого кольца соответственно; α – коэффициент, учитывающий скорость расширения вихревого кольца. В результате получено хорошее совпадение закона движения, определенного численно и с помощью автомодельной теории.

Оценка результатов проводилась по осевой и радиальной скорости, плотности, градиенту плотности, давлению, температуре, завихренности и другим величинам. Положение минимума по градиенту плотности соответствует минимуму по плотности, давлению и температуре, в связи с этим данная точка была принята за центр ядра вихревого кольца. Размер диаметра ядра вихря оценивался в двух направлениях – осевом и радиальном по распределению скорости (соответствует PIV-методу) и распределению модуля градиента плотности (соответствует теневым методам визуализации).

Полученные с помощью данной методики размеры ядра вихревого кольца, определенные по полю скорости, существенно превышают размеры, определенные по полю модуля градиента плотности. Однако размеры, полученные по градиенту плотности, хорошо совпадают с результатами эксперимента.

о том, что именно он соответствует ламинарному ядру, а измерения радиуса ядра по пику скорости содержат существенную погрешность, за счет включения в область ядра турбулентной части атмосферы. Также следует отметить, что размер диаметра вихревого кольца в осевом направлении незначительно превышает размер в радиальном направлении, что наблюдалось и в экспериментальных работах [2].

Библиографический список

1. Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф. О смещении пика в спектре излучения вихревого кольца // Ученые записки ЦАГИ. – 1998. –

Т. XXIX, № 3–4. – С. 83–91

247

2.Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф. О механизме излучения звука турбулентным вихревым кольцом // Акустический журнал. – 1993. – Т. 39, вып. 6. – С. 1068–1075.

3.Моделирование формирования и динамики вихревого кольца / И.В. Храмцов, П.В. Писарев, В.В. Пальчиковский, Р.В. Бульбович // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2014. – № 39. – С. 127–144.

4.Numerical analysis of gasdynamic characteristics of vortex ring / I.V. Khramtsov, P.V. Pisarev, V.V. Palchikovskiy, R.V. Bulbovich, V.V. Pavlogradskiy // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 770. – P. 483–490.

5.Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики

иих математические модели. – М.: Наука, 1977. – 416 c.

6.Тарасов В.Ф. Оценка некоторых параметров турбулентного вихревого кольца // В сб.: Динамика сплошной среды. – 1973. – Вып. 14.

248

УДК 532.5-1/-9

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА ВИХРЕВЫХ КОЛЕЦ ДЛЯ ОТРАБОТКИ СИСТЕМЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

Д.А. Горнова, А.А. Селиванова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: rkt@pstu.ru

Представлена конструкция модельного генератора поршневого типа с коническим соплом, который был разработан для отработки системы визуализации и определения основных параметров вихревого кольца. Данный генератор позволяет создавать менее интенсивные вихревые кольца, которые могут быть зафиксированы при съемке на простую видеоаппаратуру. Повторяемость параметров вихря от запуска к запуску выполняется за счет использования пружинного привода.

Ключевые слова: вихревое кольцо, турбулентность, газовая динамика, визуализация вихревых течений, метод «лазерного ножа».

Вихревое кольцо – явление, при котором область вращающейся жидкости или газа перемещается через ту же самую или другую область жидкости или газа, когда картина течения принимает форму тороида. Вихревое кольцо является элементарным объектом газовой динамики и аэроакустики. Исследования свойств вихревых колец может быть применено: для контролирования вихрей различных масштабов, образующихся во время ураганов и циклонов; разработки технологий способов тушений мощных пожаровнафонтанирующих газонефтяных скважинах и т.д. Напримере данного течения можно рассмотреть многие процессы генерации турбулентных вихрей иизлученияимизвуковых волн.

В Лаборатории генерации шума и модального анализа ПНИПУ был создан генератор вихревых колец, с помощью которого создаются высокоинтенсивные турбулентные вихревые

249

кольца (Re = 105) [1]. Исследование формирования и закона движения получаемых с его помощью колец осложнено высокой скоростью вихрей, что требует дорогостоящего оборудования для видеосъемки. Численное моделирование динамики вихревого кольца в этом случае также требует больших вычислительных мощностей из-за протяженной области расчета [2–4]. Таким образом, отработку методики визуализации актуально вести на менее интенсивных вихревых кольцах. Данная работа посвящена разработке и созданию модельного генератора, способного производить такие кольца.

На основе проведенного обзора был выбран поршневой способ создания вихревых колец с пружинным приводом. Схема созданной установки показана на рисунке. Данный генератор представляет собой полый цилиндр, на который крепится сопло. Внутри цилиндра свободно движется поршень с последующей внезапной остановкой, импульсно выталкивающий порцию газа через сопло. Далее происходит отрыв образовавшейся вихревой структуры и ее перемещение в пространстве вдоль оси, совпадающей с осью поршня. Повторяемость вихрей от запуска к запуску обеспечивается пружинным приводом.

Рис. Схема модельного генератора: 1 – корпус; 2 – поршень; 3 – сопло; 4 – стопорное кольцо; 5 – задняя крышка; 6 – шток; 7 – корпус привода; 8 – стопорный механизм; 9 – пружина

250