CC BY
37
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012 г. Выпуск 2 (25). С. 16-20
УДК 621.43.013, 533.9.072
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ДИАГРАММЫ ПОТОКА ЛАМИНАРНОГО ПЛАЗМОТРОНА С ПОСТОЯННОЙ ПОДАЧЕЙ ПОРОШКА
М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев, А. Л. Трифонов Введение
Автоматизация технологических процессов плазменной обработки порошковых материалов и нанесения покрытий включает в себя задачу поддержания строго регламентированных термодинамических параметров состояния частиц конденсированной фазы в плазменном потоке при условии обеспечения максимальной производительности. Такой подход содержит хорошо известное противоречие между изменением теплового баланса в гетерогенном потоке при увеличении содержания конденсированной фазы [1]. Частички порошка при этом не только играют роль теплоотвода, но и тормозят поток транспортирующего газа [2], что, в конце концов, приводит к стратированию, и разрушению ламинарной структуры течения псевдогаза частиц, и даже появлению непроницаемой пробки агломератов. В результате вместо увеличения производительности установки газотермического напыления на практике часто имеет место явление «перегрузки» плазменной струи или дозатора порошка: возникновение кратковременной перебоев, понижение температуры и скорости частиц, изменение структурного и фазового состава покрытия [3] и уменьшение коэффициента выхода готовой продукции.
Постановка задачи исследования.
Очевидным решением противоречия между производительностью процесса плазменного напыления и стабильностью его термодинамических параметров является разработка экспериментальной методики диагностики [4] и нахождения таких режимов работы плазмотрона, на которых обеспечивается наивысшая пропускная способность газового потока при транспортировке порошка с заданной погонной плотностью. Таким образом, режим работы дозатора должен быть ограничен максимальной величиной расхода на каждом значении мощности плазмотрона. При большем расходе струя перегружается порошком и переходит в неустойчивый турбулентный режим. Зависимость производительности установки в кг/с от погонной плотности потока частиц порошка в кг/м часто называется фундаментальной диаграммой [5]. Нами предлагается как теоретическая модель описания данной характеристики, так и экспериментальная методика ее построения на основе данных высокоскоростной регистрации движения частиц в двухфазных гетерогенных потоках [6, 7].
Техника эксперимента
Изучение газодинамики движения двухфазного потока плазмотрона с постоянной подачей напыляемого порошка было проведено при помощи высокоскоростного микропиромет-рического комплекса измерения температуры и скорости распространения пламён, показанного на рис. 1.
Рисунок 1. Контрольно-измерительного комплекс: 1 - высокоскоростная видеокамера ВидеоСпринт;
2 - управляющий компьютер; 3 - монитор; 4 - управляющая клавиатура;
5 - плазмотрон MEV-50; 6 - плазменный поток
Видеосигнал наблюдается на мониторе - 3, управление видеокамерой осуществляется с клавиатуры - 4. Излучение частиц потока - 6 плазмотрона - 5, подключённого к источнику питания - 7, регистрировалось через светофильтр. При скорости ввода кадров 1000 кадров в секунду видеофайлы были сняты на разных временах экспозиции.
Изучение процесса плазменного напыления актуально в связи с его многофакторностью и нелинейностью и осложнено малыми размерами объектов и высокими скоростями их движения и нагрева. Стробоскопические «трековые» методы измерения скорости потока частиц с помощью быстродействующих оптических затворов и телевизионных CCD-матриц высокого разрешения существенно расширяют возможности исследований в данной области.
Для формирования плазменной струи использовался плазмотрон с межэлектродными вставками номинальной мощности 50кВт (МЭВ 50). Канал плазмотрона оставался неизменным во всех экспериментах и имел следующий вид: МЭВ секция 7-7-7-8-9 мм, анод 9 мм, сопло 14 мм с расширением уступом до 26 мм. Рабочий (плазмообразующий) и транспортирующий газы во всех случаях - воздух. Инжекторы порошка имели внутренний диаметр 2 мм и располагались в уступе сопла (диаметр 26 мм). Для экспериментов использовался порошок диоксида циркония, стабилизированного иттрием (Yttria stabilized zirconia) SPM-2000-1 производства Sultzer Metco. Порошок получен методом распыления сушкой и последующего отжига.
Оптическое излучение частиц порошка, находящегося в плазменном потоке плазмотрона, через объектив высокоскоростной видеокамеры ВидеоСпринт попадает на светочувствительную область матрицы прибора с зарядовой связью (ПЗС), где происходит экспозиционное (от 20 нс до 20 мкс) накопление заряда (размер светочувствительной области -15.3*12.3 мм, диагональ 19.67 мм; размер пикселя - 12*12 мкм). Затем происходит оцифровка данных аналого-цифровым преобразователем (АЦП) разрядностью 10 бит; и запись видеофайлов - 8 бит. После дискретизации и квантования сигнала в АЦП изображение в памяти видеокамеры представляет собой матрицу, каждый элемент которой является пикселем определённой яркости. Т. о., мы получаем изображение в виде пространственного распределения энергетической освещенности на плоскости в виде двумерных массивов точек.
Теоретическая модель фундаментальной диаграммы потока
Основной физической моделью, лежащей в основе интегральных времяпролетных методов контроля скорости, является представление движения двухфазного потока в виде движения двух взаимопроникающих континуумов газовой фазы и «псевдогаза» частиц конденсированной фазы [1], для которой справедливо уравнение непрерывности, описывающее движение потока ньютоновской жидкости (псевдогаза частиц), чувствительной к ударным волнам:
где n =
N (t )
V
— + divin ■ v) = 0 , dt
- концентрация частиц в малом измерительном объеме V = Л1■S, а величина
S - поперечное сечение потока, А/ - толщина измерительного объема в направлении движения потока, v - скорость потока «псевдогаза».
Введём обозначения:
q(t,х) = Q(р) = | -\-V - интенсивность потока частиц, пересекающих поперечное сечение
^ dt)
измерительного объёма V, т. е число частиц в единицу времени;
/ \ ( дп ^ 0 ( дп Л V
p(t) = I — I • S =1 — I---плотность частиц, т. е. число частиц на единицу длины.
^ дх ) ^ дх ) А/
Тогда уравнение непрерывности в одномерном виде запишется следующим образом:
q(t, х) = p^v
Таким образом, появляется возможность найти интенсивность потока частиц, пересекающих поперечное сечение измерительного объема V, экспериментально определив среднюю скорость частиц в потоке и их погонную плотность.
Аналитическая оценка нагрева и ускорения частиц
Обработка видеофайлов, полученных в ходе эксперимента, осуществлялась в свободно распространяемой программе ImageJ. Для адекватной интерпретации полученных данных о длинах трека был сделан снимок линейки. Перед обработкой данных в программе ImageJ была произведена установка пространственной шкалы с помощью масштабного снимка. Численные значения скорости и построение графиков были получены в программе Origin 7 Pro. Ниже приведены характерные исходные и обработанные фото и движения частиц порошка в потоке плазмотрона.
Рисунок 2. Характерные исходные и обработанные фото и движения частиц порошка в потоке плазмотрона
При обработке экспериментальных данных всё поле кадра делится на несколько областей, в каждой из которых и будет вестись подсчёт числа частиц и их расчёт скорости.
Рисунок 3. Области, выделенные для исследования
Для расчёта скорости времяпролётным методом [3] необходимо как можно точнее знать границы треков частиц порошка. Поэтому видеокадр предварительно подвергался значительной обработке: удалялась запылённость струи, выделялись границы треков. После, длину треков можно измерять либо «вручную», непосредственно на рабочем поле программы 1ша§е1, либо с помощью написанных макросов. Так же возможно измерить длину треков после представления изображения в виде изолиний.
4v г&3 ЯВІ
- — -j) :
а) б) в)
Рисунок 4. а) исходное изображение; б) представление треков частиц в виде точек-максимумов; в) представление трека частицы в виде изолинии
Для расчёта погонной плотности подсчёт числа частиц ведётся практически без предварительной обработки. При этом принимается, что количество частиц равно числу максимумов на изображении. При подготовке кадра к подсчёту максимумов нельзя допускать пиксе-лизации изображения. Полученные результаты измерений, сохранённые в текстовом файле, переводятся в цифровой формат. Визуализируются все данные в виде графиков в программе Origin 7 Pro.
1200000
0 5000 10000 15000
N/L
Рисунок 5. Семейство экспериментально определенных фундаментальных диаграмм для разных режимов мощности плазмотрона МЭВ-50
Поведение семейства фундаментальных диаграмм двухфазного потока плазмотрона явным образом показывает отличие нагрузочной характеристики слабо запыленных струй от перегруженных транспортируемым порошком. В последнем случае наблюдается максимум на диаграмме потока.
Заключение
Новый подход к диагностике двухфазных потоков, основанный на измерении ограниченного числа параметров, позволяет оценить величину интенсивности потока независимо от температуры и дисперсионного состава. Такой метод диагностики более полезно использовать не только для исследования двухфазных потоков, но и как индикатор технологического режима работы установки, т. е. для определения предельной пропускной способности и перехода в неустойчивые режимы напыления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нигматулин, Р. И. Динамика многофазных сред [Текст] / Р. И. Нигматулин. - М. : Наука, 1987. - 464 с.
2. Гуляев, П. Ю. Диагностика распределения температуры и скорости напыляемого порошка в импульсном плазменном потоке [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Известия высших учебных заведений. - Физика, 2007. - № 9, Приложение. - С. 114-117.
3. Гуляев, П. Ю. Структурно-фазовые изменения в порошковых СВС-материалах при плазменном нанесении покрытий [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. В. Милюкова, О. П. Соло-ненко, И. П. Гуляев // Известия высших учебных заведений. - Физика, 2007. - № 9, Приложение. - С. 349-352.
4. Gulyaev, I. P. Hydrodynamic features of the impact of a hollow spherical drop on a flat surfase [Text] / I. P. Gulyaev, O. P. Solonenko, P. Y. Gulyaev, A. V. Smirnov // Technical Physics Letters, 2009. - Т. 35, № 10. - С. 885-888.
5. Гуляев, П. Ю. Оптико-электронная система диагностики двухфазных потоков динамическим методом счета частиц [Текст] / П. Ю. Гуляев, В. И. Иордан, И. П. Гуляев, А. А. Соловьев // Известия высших учебных заведений. - Физика, 2008, Т. 51, № 9-3. - С. 79-87.
6. Гуляев, И. П. Трековый анализ скорости частиц и определение фундаментальной диаграммы потока ламинарного плазмотрона [Текст] / И. П. Гуляев, П. Ю. Гуляев, А. В.
Долматов // Ползуновский альманах, 2008. - № 2. - C. 13-14.
7. Гуляев, П. Ю., Долматов А.В., Диагностика распределения частиц по температурам в технологии плазменного напыления [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Ползу-новский альманах, 2010. - № 2. - С. 71-73.
