CC BY
6
УДК 621.430.038.4:532.522
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-591-594
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКИХ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ФОРСУНКОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
КРАСКОРАСПЫЛИТЕЛЯ
В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, О.М. Губанов, А.А. Калинин
В статье представлена методика численного моделирования процесса нанесения жидкого лакокрасочного покрытия электрическим краскораспылителем методом безвоздушного распыления с использованием центробежной форсунки. Приведены исследования динамики движения частицы жидкой краски в центробежной форсунке с выбором её оптимальных параметров.
Ключевые слова: математическая модель, распыление лакокрасочной жидкости, центробежная форсунка, параметры сопла, траектория частицы.
В последнее время распыляющие устройства все больше используются в различных отраслях промышленного производства, в которых появляются новые способы распыления и соответственно новые конструкции распылительных устройств. Одним из современных методов нанесения жидких лакокрасочных покрытий на различные поверхности является метод безвоздушного распыления с использованием центробежной форсунки [1-4].
В связи с этим особый интерес представляет исследование динамики движения частиц жидкого лакокрасочного покрытия в центробежной форсунке методами математического моделирования [5-8].
Схема расчетной модели представлена на рис. 1. В схеме предусмотрена цилиндрическая вихревая камера a - 2 - 2' - a', в которую жидкость поступает по нескольким тангенциальным каналам, расположенным в одной плоскости 1 - 1', перпендикулярной оси форсунки О - О'. Сопло форсунки 3 - 4 - 4' - 3' также имеет цилиндрическую форму, переход оси вихревой камеры к соплу образован поверхностью усеченного конуса 2-3 - 3'-2'.
Для исследования движения частицы в сопле центробежной форсунки воспользуемся уравнениями Лагранжа 1 -го рода [9-10]:
mx = Fx +
f dx
■■ F f,
my = Fy + — dy
f dz
(1)
mz = Fz
где ¥х, ¥у, Е2 - проекции на оси координат внешних сил, действующих на частицу; т - масса частицы жидкости; I = N / А/ - неопределенный множитель Лагранжа; N - нормальная сила реакции поверхно-
сти
; А/ =
' f v dy
Присоединяя к уравнениям (1) уравнения связи, получим для конического участка:
= 0,
(2)
(3)
х2+у2 (-ьГ
Я2 Я2 ь2
где Я - радиус основания конуса; Ь - высота конуса. Для цилиндрического участка:
2 2 X у 1
Я2 Я2
где Я - радиус цилиндрической части.
Получаем систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными х, у, г и I. Полученную систему уравнений решаем в среде МА1НСАВ. В результате получаем график траектории частицы жидкости в сопле центробежной форсунки и значения проекций скоростей частицы жидкости на оси координат на выходе из форсунки.
^2 2 х + у и осевой
ш = г, составляющих скорости [3]:
Щ =
(4)
ю
Рис. 1. Схема расчетной модели
Для проверки адекватности составленной математической модели были проведены экспериментальные исследования процесса распыления жидкости. Исследования проводились на экспериментальной установке, на базе электрического краскораспылителя «Мастер» КР-260. Для определения корневого угла факела распыленной жидкости применялось фотографирование факела, освещенного сильным боковым светом, на фоне экрана черного бархата. Корневой угол факела определяли по полученному фотоснимку. Фотографии струи в режиме распыления представлены на рис. 2.
й = 1,0 мм, у = 80° Рис. 2. Фотографии струи в режиме распыления
На рис. 3 приведены графики зависимости корневого угла факела а от угла конуса у, полученные при численном и экспериментальном исследованиях, при различных выходных диаметрах сопла ё.
и
и, град
38
36
34JL
32
30
280
26
24
60 80 100 120
Vi град
эксперимент теория
d = 0,8 мм d = 1,0 мм Рис. 3. Графики зависимости корневого угла факела а от угла конуса у
Приведенные на рис. 3 сравнительные результаты, полученные на основе анализа распылива-ния форсунки с разными геометрическими параметрами и режимами подтверждают адекватность примененной математической модели.
Заключение. Предложенная методика численного моделирования позволяет изучать процесс распыления жидкого материала, в частности жидкого лакокрасочного покрытия, центробежной форсункой и выбором ее оптимального параметра.
Список литературы
1. Анализ способов нанесения порошковых лакокрасочных покрытий / В.Н. Гадалов, А.В. Фи-лонович, И.В. Ворначева, Д.Н. Паньков, С.А. Войнаш, В.А. Соколова, А.А. Ореховская // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 7. С. 458-469.
2. Хавкин Ю.И. Центробежные форсунки. Л.: Машиностроение, 1976. 168 с.
3. Распыливание жидкостей / Ю.Ф. Дитякин, Л.А. Кляко, Б.В. Новиков, В.И. Ягодкин.; 2-е изд., доп. и перераб. М.: Машиностроение, 1977. 208 с.
4. Пажи Д.Г., Галустов В.С.Основы техники распыливания жидкостей (Процессы и аппараты химической и нефтехимической техники) М.: Химия,1984. 256 с.
5. Максимова М.М. Математическое моделирование: учеб.-метод. пособие. Благовещенск: АмурГУ, 2018. 88 с.
6. Александрова И.Е., Александрова Т.Е. Математическое моделирование, системный анализ и синтез сложных технических объектов: монография. Электрон. текстовые дан. Красноярск: Научно-инновационный центр, 2016. 207 с.
7. Численные методы решения некорректных задач / А.Н. Тихонов, А.В. Гончарский, В.В. Степанов, А.Г. Ягола. М.: Наука, 1990. 232 с.
8. Строкач Е.А., Боровик И.Н. Численное моделирование процесса распыливания керосина центробежной форсункой // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2016. № 3. С. 3754.
9. ANSYS (2009). Fluent 14.5 Theory Guide. Ansys Inc. Canonsburg, PA, 2009
10. Никитин H.H. Курс теоретической механики: учебник для вузов. СПб.: Лань, 2010. 718 с.
11. Оценка технического состояния и сроков безопасной эксплуатации металлических изделий / В.Н. Гадалов, С.В. Сафонов, В.Р. Петренко, Ю.В. Скрипкина, С.Н. Кутепов, А.А. Калинин, А.Е. Гвоздев, Е.А. Филатов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 5. С. 561-569.
12. Идентификация размеров дефектов при вихретоковом контроле / В.Н. Гадалов, О.М. Губанов, А.В. Филонович, И.В. Ворначева // Справочник. Инженерный журнал. 2021. № 11 (296). С. 16-19.
13. Мониторинг кинетических закономерностей износа внутренних поверхностей технологического оборудования из конструкционных материалов, работающих в условиях интенсивной коррозии с применением различных рабочих сред / В.Н. Гадалов, А.Н. Горлов, И.В. Ворначева, А.В. Филонович, И.А. Макарова // Упрочняющие технологии и покрытия. 2022. Т. 18. № 3 (207). С. 106-109.
14. Технология и оборудование, металловедение спечённого титана и его сплавов. Синтез, структура, фазовый состав, свойства, применение: монография / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, О.М. Губанов, В.В. Пешков, А.В. Филонович. М.: Аргамак-Медиа, 2022. 272 с.
Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, gadalov-vn@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук, доцент, kutepovsn@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
593
Губанов Олег Михайлович, канд. техн. наук, доцент, руководитель проектов по разработке новых видов продукции, gubanov_oleg81@mail.ru, Россия, Липецк, ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат»,
Калинин Антон Алексеевич, заместитель директора по коммерческим вопросам издательства ТулГУ, antony-ak@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MATHEMATICAL MODELING OF THE PROCESS SPRA YING OF LIQUID PAINT COATINGS WITH A CENTRIFUGAL NOZZLE OF AN ELECTRIC PAINT SPRAYER
V.N. Gadalov, S.N. Kutepov, O.M. Gubanov, A.A. Kalinin
The article presents a technique for numerical simulation of the process of applying a liquid paint coating with an electric paint sprayer using the airless spray method using a centrifugal nozzle. Studies of the dynamics of the movement of a particle of liquid paint in a centrifugal nozzle with the choice of its optimal parameters are given.
Key words: mathematical model, paint liquid spraying, centrifugal nozzle, nozzle parameters, particle
trajectory.
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, gadalov-vn@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, docent, kutepovsn@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Gubanov Oleg Mikhailovich, candidate of technical science, docent, project manager for the development of new types of products, gubanov_oleg81@mail.ru, Russia, Lipetsk, Novolipetsk metallurgical plant Public joint stock company,
Kalinin Anton Alekseevich, deputy director for commercial affairs of TulSU Publishing House, antony-ak@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.791.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-594-602
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, И.А. Коваленко, В.Р. Петренко, А.А. Калинин
В статье рассмотрены диффузионные процессы и представлено их физико-математическое и химическое описание при сварке порошковых материалов.
Ключевые слова: сварка, диффузионные процессы, физико-математическое и химическое описание, самодиффузия, твердая фаза, соединение, порошковые материалы.
Зависимость эффективной энергии от полученной прочности соединения позволяет описывать процессы, происходящие в операции спекания-сварки, с учетом формирования плотности и микроструктуры заготовок. Эта зависимость состоит из некоторых этапов и соответствует энергии активирования движения вакансий, значениям энергии активирования движения вакансий и других сложных кристаллических несовершенств, а третий этап - энергии активирования самодиффузии на границах порошковых частиц.
Сварка в твердой фазе является перспективным методом соединения порошковых материалов, все шире применяемых в различных направлениях техники. При сварке в твердой фазе формирование соединения происходит без расплавления свариваемых заготовок. Процесс сварки может осуществлять с сопутствующим или предварительным подогревом, а также без него: в вакууме с контролирующей защитной средой (газообразной или жидкой) или на воздухе. Сварка в твердой фазе позволяет изменять в широком диапазоне температурные и силовые воздействия на свариваемые заготовки и тем самым исключать или по крайней мере, тормозить взаимодействия соединяемых материалов между собой и с окружающей средой. Поэтому этот способ получения неразъемных соединений может быть эффективным при сварке разнородных материалов и, в частности, при сварке сплавов на основе титана, никеля и др. металлов со сталью [1-50].
