На-ці-о-на-ль-ний тех-ні-ч-ний уні-вер-си-тет Укра-ї-ни “

Київський політехнічний інститут”

Мартинюк Олександр Ярославович

УДК 532.528

Гідродинаміка кавітаційного пухирця поблизу поверхні виробу, що очищується

01.02.05 – Ме-ха-ні-ка рі-ди-ни, га-зу та пла-з-ми.

Автореферат ди-се-р-та-ції на здо-бут-тя на-у-ко-во-го сту-пе-ня

ка-н-ди-да-та тех-ні-ч-них на-ук

Ки-їв – 2004

Дисертацією є рукопис

Работа виконана на кафедрі прикладної гідромеханіки та механотроніки Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Луговський Олександр Федорович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри прикладної гідромеханіки та механотроніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Федоткін Ігор Михайлович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, старший науковий співробітник

кандидат технічних наук, доцент

Веретільник Тимофій Іванович,

Черкаський державний технологічний університет,

завідувач кафедри прикладної механіки

Провідна установа: Інститут гідромеханіки НАН України

За-хист від-бу-деть-ся “__” грудня 2004 р. о 15 го-ди-ні на за-сі-дан-ні спе-ці-а-лі-зо-ва-ної вченої ра-ди Д26.002.09, На-ці-о-на-ль-ний тех-ні-ч-ний уні-вер-си-тет Укра-ї-ни “Ки-їв-сь-кий по-лі-те-х-ні-ч-ний ін-сти-тут”, 03056, м. Ки-їв, пр. Пе-ре-мо-ги, 37, корпус 5, ауд.307

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці На-ці-о-на-ль-ного тех-ні-ч-ного університету Укра-ї-ни “Ки-їв-сь-кий по-лі-те-х-ні-ч-ний ін-сти-тут”, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “__” листопада 2004 р.

Вчений секретар спе-ці-а-лі-зо-ва-ної вчен-ої ра-ди ________________ Коньшин В.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Теоретичні основи сучасних кавітаційних технологій закладені ще на початку минулого століття Релеєм, що вивів рівняння сферично симетричного захлопування порожньої сферичної порожнини в безмежній ідеальній рідині, що не стискується. Сьогодні вивченням кавітації зайняті фахівці ведучих наукових шкіл світу. В Україні питанням кавітації присвячені роботи Федоткіна И. М., Яхно О. М., Бабенко В. В., Серебрякова В. В., Приходько М. Ф.. Роботи в даному напрямку ведуться також у Німеччині (W. Lauterborn, O. Lindau, C.D. Ohl, A. Philipp, B. Brunn), Японії (Y. Matsumoto, H. Ishida, C. Nuntadusit, H. Kimoto), США (С. E. Brennen, L. Crum, G. L. Chahine, A. T. Preston), Росії (Ахатов И. Ш., Кедринский В. И., Коробкин А. А.).

Донедавна в теоретичних дослідженнях широко використовувалися сферично симетричні моделі кавітаційного пухирця. Впливом на форму пухирця навколишніх його предметів і сусідніх пухирців нехтували. Однак, дані високошвидкісної відеозйомки показали відсутність сферичної симетрії при розвитку пухирців в околиці “твердих” або “м'яких” стінок, сусідніх пухирців і інших обмежуючих факторів. Як показує практика, саме такі граничні умови створюються при кавітаційному очищенні, як і в більшості технологічних процесів, у яких присутня кавітація. Відсутність тривимірної моделі динаміки кавітаційного пухирця в обмеженому просторі обмежує як підвищення ефективності технологічного процесу кавітаційного очищення, так і розвиток методів захисту від кавітації. Теоретично неописаними є механізми впливу кавітаційних пухирців на стінки різної жорсткості і кривизни. Таке становище дуже ускладнює якісний розрахунок надійності і довговічності устаткування, особливо при проектуванні твердотільних ультразвукових випромінювачів. Крім того, метод кавітаційного очищення дрібних деталей і деталей складної форми в технологічних процесах використовується на багатьох приладобудівних підприємствах. Внаслідок виникнення резонансних мікропотоків рідини навколо кавітаційного пухирця з'являються паразитні резонансні явища, що призводять до збільшення відсотка браку і зниження якості очищення. Тому питання створення методик розрахунку і проектування кавітаційних ванн високої ефективності є дуже актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до наукових напрямків “Реологія неньютонівських та реологічно складних речовин, гідромеханіка обмежених потоків і процеси кавітації”, тема “Розробка високоточних пристроїв та засобів автоматизованого проектування і дослідження систем автоматизації механізмів та машин” (ДР № 0198U001102) та тема “Засоби створення електрогідропневматичних систем з підвищеними показниками надійності, енергонасиченості та екологічної чистоти” (ДР № 0100U000966), а також “Ультразвукові кавітаційні технології і пристрої”, тема “Розробка та дослідження нових технологій на базі кавітаційно-хвильових процесів в рідині” (ДР № 0102U002482), що розробляються на кафедрі прикладної гідромеханіки та механотроніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи було підвищення ефективності технологічного процесу кавітаційного очищення виробів складної форми шляхом створення необхідної структури мікропотоків, що руйнують. Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

-

-

-

-

-

-

Методи дослідження - чисельне моделювання з використанням доступних математичних пакетів і розроблених моделей.

Об'єкт дослідження - кавітаційний пухирець, що розвивається у колі сусідніх пухирців або граничних поверхонь різної жорсткості і кривизни.

Предмет дослідження – динаміка розвитку кавітаційного пухирця в обмеженому просторі.

Наукова новизна отриманих результатів:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Практичне значення отриманих результатів. Представлені моделі динаміки кавітаційних пухирців дозволили розробити методики розрахунку режимів роботи кавітаційних ванн при очищенні виробів складної форми. Представлені методики дозволяють визначити необхідні параметри ультразвуку (частоту й амплітудний тиск), статичний тиск і тип робочої рідини для максимально швидкого руйнування заданого забруднення при мінімальному руйнуванні складної поверхні виробу. Запропонована розрахункова методика зведена в спеціально розроблений програмний продукт.

Розроблені методики розрахунку кавітаційної активності пухирців і кавітаційного впливу їх на граничні поверхні дозволять підвищити довговічність і надійність дорогих твердотільних ультразвукових випромінювачів. У результаті аналітичного дослідження отримані резонансні характеристики кавітаційних пухирців і масштаби мікропотоків у кавітаційних полях в умовах різних видів обмеженості простору. Ці характеристики необхідні для контролю над паразитними резонансами в кавітаційному устаткуванні.

Розроблена на підставі отриманих залежностей “Методика ультразвукового кавітаційного очищення деталей годинникових механізмів при надлишковому тиску” прийнята для практичного використання на ТОВ “Київський годинниковий завод”. На спільному підприємстві Київського заводу “Арсенал” і Мінського годинникового заводу “Луч”, з метою зниження браку при очищенні деталей і вузлів годинникових механізмів, впроваджено спроектовану ультразвукову кавітаційну кювету надлишкового тиску.

Особистий внесок здобувача в одержанні наукових результатів, що викладені в дисертації.

У спільній з керівником роботі методика візуалізації і визначення поля відносних швидкостей при розвитку кавітаційних пухирців для всіх зазначених видів обмеженого простору розроблена автором особисто на підставі аналізу доступного в літературі експериментального матеріалу. При проведенні разом з керівником аналітичного дослідження динаміки розвитку кавітаційних пухирців в обмеженому просторі, безпосередньо здобувачем проведене чисельне моделювання, безпосередній розрахунок параметрів захлопування пухирців і обробка результатів дослідження. Інші наукові результати, викладені в дисертації, отримані і опубліковані особисто здобувачем.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на наступних конференціях і семінарах:

-

-

-

-

-

-

-

Публікації. За результатами дисертаційних досліджень опубліковано 7 наукових праць, серед них 6 у спеціалізованих фахових виданнях України відповідно до переліку, затвердженому ВАК України, 1 – у трудах міжнародної конференції.

Стру-к-ту-ра і об-сяг ди-се-р-та-ці-ї. Ди-се-р-та-ція скла-да-єть-ся з всту-пу, чотирьох роз-ді-лів, ви-сно-в-ків, спи-с-ку використаних лі-те-ра-ту-р-них дже-рел та -трьох до-да-т-ків. По-вний об-сяг ди-се-р-та-ції скла-дає 150 сто-рі-но-к, у то-му чи-с-лі 125 сто-рі-нок основного текст. Робота містить 58 рисунків і 1 таблицю. Спи-со-к використаних лі-те-ра-ту-р-них дже-рел складається з 127 на-ймену-вань.

Основний зміст роботи

У всту-пі об-ґру-н-то-ва-на ак-ту-а-ль-ність те-ми ро-бо-ти, ви-зна-че-но ме-ту та за-да-чі до-слі-джен-ня, від-зна-че-но на-у-ко-ву но-ви-з-ну та прак-ти-ч-ну зна-чи-мість, осо-би-с-тий вне-сок ав-то-ра в ро-бо-ту, ві-до-мо-с-ті про ап-ро-ба-цію до-слі-джень та пу-б-лі-ка-ці-ї.

У першому розділі виконане аналітичне дослідження стану наукової задачі. Розглянуто питання впливу різних факторів на ефективність кавітаційного очищення. Виявлено, що основною дією, що очищує при кавітаційному очищенні, є захлопування біля поверхні, що очищується, кавітаційних пухирців. Тому для підвищення ефективності очищення необхідно створити найкращі умови для захлопування пухирця.

Друга частина цього розділу присвячена експериментальним і теоретичним дослідженням динаміки кавітаційних пухирців у безмежній рідині. Розглянуто сучасні високотехнологічні методи експериментального дослідження і досить добре розроблені моделі захлопування сферичного пухирця.

У третій частині першого розділу розглянуто поводження кавітаційних пухирців в обмеженому просторі. Відзначено велику кількість експериментального матеріалу. Розглянуто випадки приграничної кавітації, кавітації в зазорі, багатопухирцевої кавітації.

Проведений аналіз літератури виявив, що, незважаючи на велику кількість експериментальних результатів, моделі динаміки розвитку кавітаційних пухирців в обмеженому просторі, що існують сьогодні, через малу наочність і громіздкість не забезпечують можливості проведення оптимізації режимів захлопування пухирця. Тому для вирішення задачі про підвищення ефективності процесу очищення необхідна нова модель динаміки кавітаційного пухирця. На закінчення зроблено висновки з літературного огляду і сформульовано мету і задачі дослідження.

Другий розділ присвячений математичному моделюванню розвитку кавітаційних пухирців в обмеженому просторі.

Як початкові умови передбачається, що в початковий момент часу пухирець сферичний, а рідина нерухома. Модель будується при наступних допущеннях: рідина ідеальна (нестислива і нев'язка), рух рідини безвихровий, вплив сил тяжіння малий. Граничною умовою буде те, що на нескінченному віддаленні від пухирця рідина перебуває в спокої. Другою граничною умовою буде умова непротікання (або жорсткості) на граничній поверхні.

Розглянуто фізику процесу захлопування кавітаційного пухирця. Показано, що кавітаційний пухирець являє собою коливальну систему, у якій інерційною ланкою є маса рідини навколо пухирця, а пружною ланкою – газ у пухирці. Поле швидкостей рідини навколо пухирця відповідає сумарному полю швидкостей від сукупності гідродинамічних джерел (стоків), розподілених в обсязі пухирця. Причому сумарна потужність джерел відповідає коефіціенту пропорційності у виразі Рэлея для потенціалу швидкості при захлопуванні сферичного пухирця. При несферичності пухирця сферична симетрія буде порушена і поле швидкостей рідини буде визначатися як сума витрат всіх елементарних джерел розподілених у пухирці. Потенціал швидкості в конкретній точці рідини з координатами (x, y, z) буде визначатися в такий спосіб

,

де k - відносна швидкість зміни елементарного об'єму газу dQ у конкретній точці усередині пухирця на відстані lQ від точки (x,y,z).

З огляду на закони розповсюдження і відбиття на граничних поверхнях хвиль збурювання, що передують початку руху рідини, вплив “ідеально твердої” граничної поверхні можна замінити дією симетричного (дзеркального) пухирця з ідентичними параметрами. Це дозволяє перейти від обмеженого простору до безмежного. Правомірність такої заміни підтверджують результати швидкісної відеозйомки обох процесів, а також ідентичність спектрів світла, випромінюваних при захлопуванні, що в обох випадках відповідають спектру випромінювання перегрітої рідини. Потенціал швидкості в цьому випадку запишеться так:

.

Перший і другий інтеграл беруться відповідно по об'єму розрахункового і дзеркального пухирця. Відбиття хвиль від ідеально “м'якої” поверхні (вільна поверхня рідини) можна замінити симетричним пухирцем із протилежними параметрами. Стінки проміжної жорсткості моделюються на підставі законів пружності стінки.

Використовуючи цей вираз, отримані векторні діаграми полів швидкостей для різних граничних умов: “твердих” і “м'яких” стінок, щілин, гребнеподібних і шпилястих нерівностей поверхні.

Розглянута методика дозволяє візуалізовати вплив обмежуючих поверхонь і сусідніх пухирців на поле швидкостей мікропотоків у рідині, дозволяє розрахувати значення відносних швидкостей рідини в околиці кавітаційних пухирців і прогнозувати зміну форми пухирця в процесі його розвитку в обмеженому просторі. Крім цього, методика дозволяє розрахувати взаємовплив кавітаційних пухирців у реальних багатопухирцевих умовах.

Друга частина цього розділу присвячена математичному моделюванню поведінки кавітаційного пухирця в околиці “твердої” поверхні. Прийнявши форму пухирця близькою до сферичного, з огляду на симетрію розрахункового і дзеркального пухирців, вираз для потенціалу швидкості прийме вигляд:

,

де Q – поточний об'єм пухирця, l1 і l2 – відстані від даної точки рідини до центру мас розрахункового і дзеркального пухирця відповідно. У циліндричних координатах (r, , z) (див. рис.1) цей вираз прийме вигляд:

,

де h(t) – поточна відстань від твердої поверхні до центру мас розрахункового пухирця. Вирази для проекцій швидкостей рідини будуть:

,

.

Прийнявши, через високі швидкості захлопування, адіабатичний закон стиску газів у пухирці, виразимо тиск газу в пухирці за допомогою інтегралу Ейлера-Лагранжа.

,

де - показник адіабати газу, що наповнює пухирець, pg - тиск газу в пухирці, p0 - початковий тиск газу, що наповнює пухирець, Q0 - початковий об`єм пухирця, p - тиск рідини на нескінченному віддаленні від пухирця, - щільність рідини, pn - тиск поверхневого натягу в конкретній точці на поверхні пухирця, що визначається згідно формули Лапласа.

Цей вираз, з огляду на і переходячи від інтегрування до суми, можемо представити у вигляді:

,

де номер поточної точки на осьовому зрізі поверхні пухирця, М – кількість відрізків рівномірної розбивки контуру, що утворить при обертанні навколо вертикальної осі, форму пухирця, Qm – об'єм фігури, утвореної обертанням відрізка поверхні пухирця між (m-1) і m-ою крапкою навколо осі симетрії пухирця (осі z). Визначивши вираз для частинної похідної за часом від потенціалу швидкості в точці з номером m на поверхні пухирця

,

можемо представити цей вираз у вигляді:

,

де Am та Bm – комплекси, які мають вигляд:

,.

Остаточно маємо:

.

Отриманий вираз дозволяє задавши початкові умови, наприклад k(0)=0, що відповідають пухирцеві, який знаходиться в спокої, робити чисельне інтегрування захлопування пухирця заданого розміру і розташування під дією тиску на нескінченності.

Ударний тиск рідини на тверду поверхню знаходиться з інтегралу Ейлера-Лагранжа для частки рідини, що знаходиться в безпосередній близькості від твердої стінки

.

Таким чином, виведена модель дозволяє розрахувати поле миттєвих швидкостей рідини в околиці приграничного кавітаційного пухирця, його форму, розміри, зсув центру тяжіння, а також ударні тиски на граничній поверхні.

У третій частині другого розділу наведено аналіз стійкості моделі й обчислювального методу. Оцінка стійкості проводилася по відповідності виразів правих частин системи умовам теореми Коші про існування й одиничність вирішення задачі Коші для систем диференціальних рівнянь. Тобто, перевірялася обмеженість у досліджуваній області проекцій швидкостей рідини, відносної швидкості зміни об'єму пухирця і їхніх перших похідних (умова Ліпшица). Досліджено стійкість моделі й обчислювального методу з урахуванням особливості розрахунку швидкостей у різних точках поверхні пухирця. Визначено діапазон стійкості, з'ясовано, що стійкість на останніх стадіях захлопування буде безпосередньо залежати від кроку інтегрування. Обчислення будуть стійкі, поки виконується умова

.

Надано рекомендації з підвищення точності і стійкості обчислень при розрахунку останніх стадій захлопування і при розрахунку сил поверхневого натягу.

Третій розділ присвячено аналітичному дослідженню динаміки розвитку кавітаційних пухирців в обмеженому просторі.

На основі аналізу існуючих методів чисельного інтегрування обґрунтована доцільність застосування для моделювання поведінки кавітаційних пухирців в околиці твердої поверхні методу Рунге-Кутта четвертого порядку. Проведено аналіз відомих математичних програмних продуктів, який дозволив обґрунтувати можливість застосування для програмної реалізації моделі системи MathCAD 2000 і підтвердив достатність вбудованих можливостей системи MathCAD 2000 для вирішення розглянутої системи диференціальних рівнянь.

Складено програму в системі MathCAD 2000 для реалізації моделі розвитку кавітаційних пухирців в околиці твердої стінки, що дозволяє автоматично змінювати кількість диференціальних рівнянь у системі із зміною кількості відрізків розбивки контуру пухирця і передбачає можливість зменшення кроку інтегрування при наближенні пухирця до мінімального об'єму, що дозволило розширити діапазон стійкості моделі і знизити витрати машинного часу.

Друга частина третього розділу присвячена аналізу адекватності моделі. Через малу кількість експериментальних даних і взаємозалежність експериментальних даних усередині одного експерименту обґрунтована можливість якісного аналізу адекватності без використання існуючих статистичних критеріїв. Навіть якісне порівняння розрахункової форми пухирця з експериментом вказує на задовільну подібність як за формою, так і за переміщенням центра мас пухирця (рис.2).

Розраховані розміри пухирця (рис.2) та відстань від центру пухирця до граничної поверхні приведені до безрозмірного виду шляхом ділення на початковий радіус пухирця. Безрозмірна початкова відстань авторами експериментальних досліджень позначена як . Достатня подібність у розвитку форми пухирця спостерігається аж до останніх стадій захлопування, де пухирець розпадається на безліч дрібніших пухирців, що утворюють “мрячні” зони, чітко зображені на фотографіях 7 і 8 рис. 2. Крім зміни форми, спостерігається гарна подібність моделі з експериментом у швидкості руху центра мас пухирця в напрямку до (від) твердої поверхні чи сусіднього пухирця. Можливість теоретичного визначення даної швидкості дозволяє пояснити згадуване багаторазово дослідниками “тремтіння” кавітаційних пухирців і утворення “дендритних структур”.

Порівняння безрозмірних параметрів захлопування дозволило точніше визначити межі адекватності моделі і причини погрішностей моделювання. Доступні експериментальні дані у вигляді високошвидкісних фотографічних серій дозволяють визначити лінійні і часові параметри пухирців, що захлопуються. Аналіз умов проведення експерименту дозволив визначити відсутні початкові тиски в пухирці й у рідині для пухирців, зроблених за допомогою оптичного пробою.

Аналіз адекватності дозволив зіставити ріст похибки обчислень і відхід від сферичності пухирця. До утворення струменя розбіжності з експериментом склали 5-10%, після утворення струменя – до 40%. Зіставлення приграничної та багатопухирцевої кавітації дозволило зробити висновок про те, що похибка приведених розрахунків має той же порядок, що і розкид доступних експериментальних даних.

У четвертому розділі розглянуто питання практичного застосування результатів дослідження. При оцінці активності кавітаційних пухирців бралися до уваги не тільки кінематичні, але і динамічні параметри розвитку пухирців. Аналітичне дослідження динаміки розвитку пухирців в обмеженому просторі показало, що з ростом відстані до граничної поверхні ударні тиски на ній слабшають, а амплітуди коливань пухирця збільшуються. Визначено границю впливу кавітаційних пухирців на граничну поверхню. Виявлено резонансний характер динаміки кавітаційних пухирців. Показано, що при розрахунку акустичної кавітації можна обмежитися тільки розрахунком резонансних пухирців. Розрахунки показали, що динамічні і кінематичні параметрами пухирців, розміри яких далекі від резонансних досить малі, щоб ними знехтувати, і не залежать від зміни параметрів акустичного поля, відстані до сусідніх пухирців, граничних поверхонь і їхньої конфігурації. Показано, що розмір “резонансного” пухирця мало залежить від відстані до граничної поверхні й амплітуди звукового поля. Дослідження також показало, що зміни амплітуди ударного тиску на граничних поверхнях не пропорційні змінам статичного чи звукового тиску. Зафіксовано, що близькість “твердої” стінки (безрозмірна відстань 2) стабілізує амплітуду коливань поверхні пухирця при зміні звукового тиску, але не перешкоджає її зміні при зміні статичного тиску. Визначено вплив другої граничної поверхні на динаміку коливань кавітаційного пухирця в щілині. Показано, що розмір резонансного пухирця і величина подовжніх коливань поверхні пухирця мало залежать від наявності другої стінки. На противагу цьому, із появою другої граничної поверхні ударні тиски на “тверді” стінки виросли приблизно в півтора рази в усьому діапазоні розмірів пухирців і відстаней до “твердої” поверхні.

Отримані результати аналітичного дослідження не підтвердили припущення Кувшинова Г. И. та Прохоренка П. П. про зниження кавітаційного впливу на граничні поверхні при зменшенні ширини “жорсткої” щілини до розміру, порівнянного з розмірами кавітаційних пухирців.

Друга частина четвертого розділу присвячена розробці і застосуванню методики розрахунку режимів роботи ультразвукової установки при очищенні виробів складної форми. Розроблена методика дозволяє визначити частоту й інтенсивність підведених ультразвукових коливань, статичний тиск і температуру робочої рідини, тип робочої рідини і дозволяє домогтися максимальної швидкості кавітаційного руйнування забруднення при мінімальному руйнуванні поверхні, що очищується. Можливість моделювання динаміки кавітаційних пухирців з урахуванням обмеженості об'єму камери дозволяє позбутися паразитних резонансних явищ при кавітаційному чищенні деталей і механізмів складної конфігурації шляхом масштабування кавітаційних мікропотоків.

Відповідно до запропонованої методики масштабування кавітаційних мікропотоків (регулювання розмірів найбільш активних кавітаційних пухирців) для очищення деталей і вузлів годинникових механізмів було спроектовано і впроваджено кілька типів кювет надлишкового тиску. Регулювання надлишкового тиску усередині кювети дало можливість регулювати активність кавітаційного очищення і масштаби кавітаційних мікропотоків, що дозволило уникнути паразитних резонансів у механізмі, що очищується. Застосування запропонованої методики при розрахунку режимів кавітаційного очищення деталей і вузлів годинникових механізмів дозволило повністю ліквідувати резонансну деформацію тонкостінних деталей і зменшити час очищення на 10 - 30%.

висновки

У роботі представлено теоретичне узагальнення і рішення науково-технічної проблеми, що полягає в розкритті механізму і розробці інженерних методів розрахунку динаміки розвитку кавітаційних пухирців в обмеженому просторі з метою підвищення ефективності технологічного процесу кавітаційного очищення виробів складної форми шляхом створення необхідної структури мікропотоків, що руйнують. Розроблені методики і рекомендації дозволяють досягти максимальної швидкості кавітаційного руйнування забруднення при мінімальному руйнуванні поверхні, що очищується.

На підставі проведених досліджень можна зробити наступні висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

-

-

-

-

Список опублікованих праць за темою дисертації

1.

2.

У спільній з керівником роботі методика візуалізації і визначення поля відносних швидкостей при розвитку кавітаційних пухирців для всіх зазначених видів обмеженого простору розроблена автором особисто на підставі аналізу доступного в літературі експериментального матеріалу.

3.

При проведенні разом з керівником аналітичного дослідження динаміки розвитку кавітаційних пухирців в обмеженому просторі, безпосередньо здобувачем проведене чисельне моделювання, безпосередній розрахунок параметрів захлопування пухирців і обробка результатів дослідження.

4.

5.

6.

7.

Анотація

Ма--ртинюк О. Я. Гідродинаміка кавітаційного пухирця поблизу поверхні виробу, що очищується. – Ру-ко-пис.

Ди-се-р-та-ція на здо-бут-тя на-у-ко-во-го сту-пе-ня ка-н-ди-да-та тех-ні-ч-них на-ук за спе-ці-а-ль-ні-с-тю 01.02.05 – Ме-ха-ні-ка рі-ди-ни, га-зу та пла-з-ми. На-ці-о-на-ль-ний тех-ні-ч-ний уні-вер-си-тет Укра-ї-ни “КПІ”, Ки-їв, 2004.

Використовуючи метод віддзеркалення гідродинамічних джерел, що моделюють пухирець, від граничних поверхонь, з урахуванням допущень про ідеальність рідини, потенційності течії та нехтуючи силами тяжіння, створена нова тривимірна модель динаміки розвитку кавітаційного пухирця з урахуванням впливу сусідніх пухирців і граничних поверхонь різної жорсткості і кривизни.

На підставі проведеного аналітичного дослідження складені практичні рекомендації і методики розрахунку режимів роботи кавітаційних ванн при очищенні виробів складної форми, що дозволяють досягти максимально швидкого руйнування заданого забруднення при мінімальному руйнуванні складної поверхні виробу і при цьому уникнути появи паразитних резонансів у технологічному й оброблюваному устаткуванні.

Ключові слова: кавітація, пухирець, динаміка, модель, гранична поверхня, ефективність очищення, кавітаційна ерозія, ударні тиски, форма пухирця, кавітаційні мікропотоки.

Аннотация

Ма-ртынюк А. Я. Гидродинамика кавитационного пузырька вблизи поверхности очищаемого изделия. – Ру-ко-пись.

Ди-с-се-р-та-ция на со-и-с-ка-ние уче-ной сте-пе-ни ка-н-ди-да-та тех-ни-че-с-ких на-ук по спе-ци-а-ль-но-с-ти 01.02.05 – Ме-ха-ни-ка жи-д-ко-с-ти, га-за и пла-з-мы. На-ци-о-на-ль-ный тех-ни-че-с-кий уни-ве-р-си-тет Укра-и-ны “КПИ”, Ки-ев, 2004.

В работе представлены теоретическое обобщение и решение научно-технической проблемы, которая заключается в раскрытии механизма и разработке инженерных методов расчета динамики развития кавитационных пузырьков в ограниченном пространстве с целью повышения эффективности технологического процесса кавитационной очистки изделий сложной формы путём создания необходимой структуры разрушающих кавитационных микропотоков.

Используя законы отражения волн возмущения в жидкости от граничных поверхностей, и представив реальный кавитационный пузырек в виде совокупности гидродинамических источников, распределенных в его объёме, удалось визуализировать и определить поле относительных скоростей микропотоков жидкости в окрестности кавитационного пузырька развивающегося в ограниченном пространстве. Это позволило, с учётом допущений об идеальности жидкости, потенциальности течения и пренебрежимости влияния сил тяжести, создать новую трёхмерную модель, позволяющую моделировать динамику развития кавитационного пузырька с учётом влияния соседних пузырьков и граничных поверхностей различной жесткости и кривизны. Разработанная динамическая модель позволила выполнить расчёт ударных давлений на граничные поверхности и полей скоростей жидкости в их окрестности. Таким образом, удалось аналитически определить влияние макропараметров среды (статическое давление, частота и мощность звукового поля, параметры жидкости, температура) на развитие и активность кавитационных пузырьков в ограниченном пространстве, и в конечном итоге их влияние на кавитационную эрозию поверхности, возле которой развивается пузырек. Т.е. позволило аналитически подобрать параметры кавитационного поля с учётом формы очищаемой поверхности её материала и состава загрязнения.

Проведенное при помощи составленной модели аналитическое исследование кавитационной активности пузырьков в окрестности “твёрдой” поверхности и в “жесткой” щели показало резонансный характер развития пузырьков в звуковом поле. Данное исследование обосновало возможность выделения преобладающих “резонансных” пузырьков, определяющих кавитационную эрозию в заданном кавитационном поле, выделило зависимости размера “резонансного” пузырька от амплитуды акустического давления, геометрии очищаемой поверхности и расстояния до неё, статического давления.

Аналитическое исследование ударных давлений, возникающих при захлопывании кавитационного пузырька на граничной поверхности, позволило определить уровни кавитационной эрозии поверхности в зависимости от расположения пузырьков, геометрии и конфигурации очищаемой поверхности и загрязнения. Кроме того, это исследование позволило ограничить зону взаимовлияния граничной поверхности и кавитационного пузырька. Это позволило в реальных расчетах ограничиться только теми пузырьками, которые находятся на расстоянии до пяти радиусов от граничной поверхности.

На основании проведенных расчетов составлены практические рекомендации и методики расчета режимов работы кавитационных ванн при очистке изделий сложной формы. Представленные методики позволяют аналитически (без потери контрольных образцов и времени на испытания) определить необходимые параметры ультразвука (частоту и амплитудное давление), статическое давление и тип рабочей жидкости для максимально быстрого разрушения заданного загрязнения при минимальном разрушении сложной поверхности изделия.

Впервые исследованы резонансные явления, возникающие в очищаемых изделиях при захлопывании кавитационных пузырьков в ограниченном пространстве. Разработана методика борьбы с паразитными резонансами в технологическом и обрабатываемом оборудовании.

Разработанная “Методика ультразвуковой кавитационной очистки деталей часовых механизмов при избыточном давлении” принята для практического использования на ООО “Киевский часовой завод”. На СП “Арсенал-Луч” Киевского завода “Арсенал” и Минского часового завода “Луч” с целью снижения брака при очистке деталей и узлов часовых механизмов внедрена спроектированная ультразвуковая кавитационная кювета избыточного давления.

Клю-че-вые сло-ва: кавитация, пузырек, динамика, модель, граничная поверхность, эффективность очистки, кавитационная эрозия, ударные давления, форма пузырька, кавитационные микропотоки.

The summary

Martynyuk O. Y. The hydrodynamics of cavitational bubble in the neighbourhood of a workpiece surface which is exposed to cleaning. - Manuscript.

Dissertation for the degree of the candidate of technical sciences by specialty 01.02.05 - Mechanics of a fluid, gas and plasma. National Technical University of Ukraine "KPI", Kiev, 2004.

Using the method of reflections of hydrodynamic radiants simulating a bubble from boundary surfaces, assuming that the fluid is ideal, the flow is potential and neglecting the influence of force of gravity, the new three-dimensional model of dynamic of development of a cavitational bubble is generated considering the influence of adjacent bubbles and boundary surfaces of a different rigidity and curvature.

Based on the analytical research the practical guidelines and procedures of calculation of operational modes of cavitational bathes have been composed for cleaning of workpieces of the composite shape permitting to achieve maximum fast fracture of given contamination at minimum fracture of a composite surface of a workpiece and thus to avoid occurrence of parasitic resonances in technological and treated equipment.

Keywords: cavitation, bubble, dynamic, model, boundary surface, effectiveness of clearing, cavitational erosion, shock pressures, shape of a bubble, cavitational microstreams.