392 / 460
Actual Problems in Machine Building. 2015. N 2
Materials Science
in Machine Building
____________________________________________________________________
392
трассерам частиц (Particle Tracking Velocimetry, PTV – измерение скорости по трассерам
частиц) [6].
Цель данной работы заключается в определении параметров двухфазной
детонационной струи (значений скорости и температуры частиц алюмоматричного
композита) методом моделирования в среде AnsysWorkbench и выполнением
экспериментального исследования на стенде визуального измерения параметров потока
частиц.
Методика экспериментального исследования
В качестве материала для детонационного напыления были выбраны порошковые
композиционные материалы, состоящие из алюминиевой матрицы и распределенными в ней
наноразмерными частицами по типу углеродных наноструктур [7]. Применение подобных
материалов обусловлено разработкой технологии детонационно-газового напыления
антифрикционных покрытий поршня двигателя внутреннего сгорания.
Методика проведения виртуального эксперимента по процессу движения двухфазного
потока (продукты детонации и частицы порошка) в камере и стволе установки
детонационного напыления состояла в проведении исследования линий тока частиц
порошка конечно-элементной методикой «вычисляемая жидкостная динамика»
(Computational Fluid Dynamics - CFD) в среде AnsysWorkbench. Моделирование движения
частиц проводилось применительно к частицам алюминия.
Математическая модель, заложенная в программу вычислений, основана на
уравнениях Навье-Стокса:
+ ( ) = 0,
( ) + (
− ) + = ,
( ) + ( + ) + − =
= + ,
где u
i
– компоненты вектора скорости газа; p, P – плотность и давление газа; S
i
– внешние
объемные силы; E – полная энергия единичной массы газа; Q
H
– тепло, выделяемое в
единичном объеме газа; τ
ik
– тензор вязких сдвиговых напряжений; q
k
– тепловой поток.
При моделировании горения использовалась модель конечной скорости химических
реакций. В этом случае химическая реакция горения описывается как совокупность
элементарных реакций.
Основным параметром, варьируемым при моделировании процесса детонационно-
газового напыления алюмоматричных композитов, являлся гранулометрический состав
порошкового материала (0…40 мкм, 40…63 мкм, 63…100 мкм, 100…160 мкм).
Проведение натурного эксперимента по исследования параметров частиц
алюмоматричного композиционного материала проводилось на экспериментальный стенд
визуального исследования параметров потока частиц. Данный стенд позволяет в режиме
реального времени непосредственно в процессе детонационного напыления определять и
контролировать скорости частиц потока. Скорости частиц в импульсном потоке
детонационного напыления измеряются PTV-методом [8]. При расчете длины трека в данной
работе предполагается, что трек остается от одной частицы. Толщина некоторых треков на
изображении больше диаметра частиц используемого порошка, что может объяснятся
параллаксом оптической системы камеры.