Математическое моделирование теплопереноса в окрестности зоны контакта частицы с поверхностью после осаждения частицы из высокотемпературного газового потока

• Автор: Нестерова, Елена Сергеевна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 143 с.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ,
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ И НЕМЕТАЛЛОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОД РЕШЕНИЯ
2.1 Физическая постановка
2.2 Математическая постановка
2.3 Метод решения
2.4 Тестирование поставленной задачи
3 ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ В ОКРЕСТНОСТИ ЗОНЫ КОНТАКТА ЧАСТИЦЫ С
ПОДЛОЖКОЙ ПОСЛЕ ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦЫ ИЗ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГАЗОВОГО * ПОТОКА НА ПОВЕРХНОСТЬ
3.1 Исследование динамики температурного поля в окрестности зоны контакта _________________________;
3.2 Оценка масштабов влияния температурного состояния частицы и ее характерных размеров на величину Тк
3.3 Влияние состояния подложки на температурное поле в окрестности зоны контакта
3.4 Влияние изменения теплофизических характеристик материала на границе фазового перехода на величину Тк
3.5 Исследование влияния соотношения Ср/ ср на теплообмен системы “частица-подложка”
3.6 Оценка масштабов внешнего воздействия на температурное поле в окрестности зоны контакта
3.7 О роли фазовых превращений в частице при ее охлаждении на подложке
3.8 Влияние нестационарности температуры зоны контакта на характеристику прочности сцепления частицы с подложкой
4 ЛОКАЛЬНОЕ ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ ТИПИЧНЫХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫПАДЕНИИ НА ИХ ПОВЕРХНОСТЬ НАГРЕТОЙ ДО ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР ЧАСТИЦЫ
4.1 Численное моделирование теплопереноса при высокотемпературном взаимодействии частиц с поверхностью пороха
4.2 Теплофизическое взаимодействие неметаллических частиц с поверхностями теплозащитных и конструкционных
материалов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Одной из современных эффективных технологий, нашедшей широкое применение в различных отраслях промышленного производства, является технология высокотемпературного нанесения покрытий [1-3]. Теория и методологические основы этой технологии разработаны для широкого круга практических задач [1,3]. Можно выделить такие крупные направления, по которым получены фундаментальные результаты, обеспечивающие необходимый для практической реализации уровень знаний:
• генерация высокотемпературного газового потока с требуемыми термодинамическими и технологическими параметрами [4-8];
• моделирование поведения как одиночной частицы, так и совокупности частиц напыляемого материала на участке от зоны их ввода в поток до встречи с поверхностью детали [9-20], на которую покрытие наносится (“основы” по терминологии [1]);
• теоретическое описание процесса взаимодействия напыляемых частиц с основой с учетом комплекса взаимосвязанных процессов тепломассопереноса в зоне контакта и ее окрестности [21-67];
• моделирование процесса формирования структуры напыляемого покрытия [68-77].
Следует отметить, что развитие производственных процессов в России в настоящее время происходит в условиях острого дефицита материалов, электроэнергии и финансовых ресурсов, что существенно затрудняет введение новых разработок (в том числе и технологий высокотемпературного напыления) в производство.
При этом можно с достаточно высокой степенью достоверности отметить, что при проведении многочисленных теоретических и экспериментальных исследований изучаемого процесса задачи

Используемая в этой теории модель с условиями теплоизоляции на свободных поверхностях, также не позволяет оценить влияние воздействия высокотемпературного газового потока на пару “частица-подложка”. Пренебрежение как воздействием внешних потоков, так и переносом тепла в системе контактирующих тел в радиальном направлении, делают одномерную модель непригодной при описании процесса теплообмена пары “частица-подложка”.
4. Охлаждение перегретой частицы в процессе остывания до температуры плавления и образования в ней при этом разных фазовых состояний представляет собой самостоятельную проблему, классической постановкой при решении которой является задача Стефана. Разработано большое количество методов решения этой задачи (в которых выделение скрытой теплоты кристаллизации представлено в виде граничного условия), целью которых является определение координат фронта кристаллизации. Однако изучение поведения границы фазового перехода в процессе охлаждения частицы не является главной задачей при исследовании температурного поля в зоне контакта. В связи с этим получены новые решения для реализации расчета температуры в процессе теплообмена в системе “частица-подложка” без явного выделения фронта кристаллизации, допускающие использование сквозных схем расчета, в частности^ использование дельта-функции в самом уравнении теплопроводности [101— 104]. Изменение теплофизических характеристик материала частицы, возникающие при ее переходе из жидкого состояния в твердое, учитывается лишь в единичных работах [38,55,56]. Однако количественная оценка влияния этого фактора на значения Тк показала, что такое пренебрежение является весьма грубым допущением.
5. В большинстве анализируемых работ [21-41,43-59] делается предположение об идеальности контакта частицы с подложкой. Однако при описании реального процесса теплового взаимодействия такое допущение часто является весьма спорным, поскольку не учитывается появление