Разработка и реализация численных моделей для технологического анализа сопряженных гидродинамических и тепловых процессов при заполнении литейной формы

• Автор: Луковников, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 05.16.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 178 с. : ил.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Гидродинамичсскис и тепловые процессы в расплаве при формировании отливки

1.2. Физикохимические явления, протекающие в процессе заливки

литейной формы и приводящие к возникновению литейных дефектов.

1.3. Математические модели движения расплава и его теплообмена с формой.

1.4. Постановка задачи

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СОПРЯЖННЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

2.1. Общая характеристика модели

2.2. Гидродинамическая модель.

2.3. Тепловая модель

2.4. Выводы
3. ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ СОПРЯЖННЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
3.1. Решение уравнений 1 авьеСтокса и Фурье при заполнении формы расплавом со свободной поверхностью методом конечных разностей
3.2. Расчт эффективных коэффициентов теплопроводности
и тепломкости.
3.3. Решение уравнений НавьеСтокса и Фурье при спокойном
заполнении формы с ровным зеркалом расплава методом конечных разностей
3.4. Программный модуль сопряжнного гидродинамического и теплофизического моделирования заполнения формы расплавом
3.5. Выводы
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЗАЛИВКИ НА РЕЖИМ ЗАПОЛНЕНИЯ ПОЛОСТИ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ
4.1. Исследование гидродинамических процессов.
4.1.1. Влияние конфигурации полости формы и подвода металла
на характер циркуляции расплава.
4.1.2. Анализ условий возникновения фонтанирования в полости формы.
4.1.3. Влияние шероховатости стенок на пристеночную циркуляцию расплава
и анализ условий возникновения эрозии формы
4.1.4. Исследование траектории и динамики движения шлаковых частиц
4.2. Исследование сопряжнных гидродинамических и тепловых процессов.
4.2.1. Влияние интенсивности теплообмена на развитие вынужденной и естественной конвекции.
4.2.2. Исследование факторов, определяющих температурное распределение в потоке.
4.2.3. Исследование режима течения расплава при тиксолитъе .
4.2.4. Влияние условий заливки формы на развитие циркуляции
и затвердевания расплава.
4.3. Выводы .
5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
5.1. Исследование условий теплообмена в системе расплавподдонводоохлаждаемая изложница
5.1.1. Введение.
5.1.2. Постановка задачи
5.1.3. Формирование модели технологического процесса
5.1.4. Анализ результатов моделирования.
5.1.5. Выводы.
5.2. Анализ условий заливки сплава А6 при тиксолитье
5.2.1. Постановка задачи
5.2.2. Моделирование гидродинамических и тепловых процессов
при тиксолитье
5.2.3. Неравновесная кристаллизация и тсплофизическис
характеристики сплавов i.
5.2.4. Численный анализ технологических режимов тиксолитья
5.2.5. Выводы
6. ВЫВОДЫ.
7. ЛИТЕРАТУРА,
Несмотря на тысячелетнюю историю литья как способа обработки металлов и ставов, задача заполнения рормы для литейщиков извечна и постоянна Пол се того, чем больше будет
совершенствоваться наша технология, тем более сложные задачи заполнения формы будут возникать перед литейщиками
Г.Ф.Паюндин
ВВЕДЕНИЕ


К сожалению, в литературе эти процессы не были предметом специального рассмотрения, несмотря на то, что они оказывают существенное влияние на качество отливки. В любом случае оксидная плена, образовавшаяся на поверхности поступающего в полость формы расплава, после достижения определнной толщины разрушается под действием металлостатического давления. Вытекающий через разорванную плену расплав заливает смежные участки полости формы, и плена полностью или частично остатся в толще отливки. Образованию дефекта плена в условиях высокой турбулентности активно способствует фонтанирование потока расплава. В литературе существуют разобщнные данные о проведнных опытах и конкретных результатах . При установлении обобщнной зависимости нужно оценить возможность поднятия столба металла в зависимости от его входной скорости при различных значениях высоты предварительно затопленного уровня, установив при этом меру соотношения сил инерции к силам тяжести. Так, например, известно, гго при больших входных скоростях К 0. Таким образом, критерии фонтанирования смогут позволить выявить неблагоприятные условия для спокойного заполнения формы, по особенно важно при рассмотрении вопроса о заливке форм методом литья под низким давлшгием ЛНД. При использовании критериев численные эксперимеюы, базируемые на гидродинамическом моделировании заливки литейных форм, смогут позволить диагностировать возникновение фонтанирования для проектируемого режима заливки. Образованию дефекта плена, кроме фонтанирования расплава, способствует охлаждение фронта потока. При значительном снятии перегрева на фронте потока или зеркале расплава формируется тврдая корка, которая может углубляться в тело отливки, образуя складки на е поверхности. Особого внимания заслуживает исследование перемещения шлаковой частицы в полости формы, которое очень скудно рассмотрено в литературе и сопряжено с большим количеством трудностей. Они связаны с качественным и количественным учтом сил, действующих в потоке на шлаковую частицу. Е движение происходит при совместном действии силы сопротивления, обусловленной вязкостным трением, гравитационной силы и силы Архимеда, которые при спокойном заполнении формы играют определяющую роль. Зачастую циркуляция расплава носит интенсивный характер и сопровождается образованием вихрей, изменением их в процессе заливки. Поэтому движение частицы в изменяющемся поле скоростей необходимо учитывать введением цетгробежной силы. Эго особенно актуально в сформировавшихся вихревых областях, где частицы под влиянием центробежных сил увлекаются потоком во вращательное движение, препятствующее их всплыванию. Но учт центробежной силы затруднителен, поскольку без знания в каждый момент времени локальных значений скорости расплава и частицы невозможно вычислить с траекторию. В существующих методах описания движения шлаковых частиц в турбулентном потоке недостаточно внимания уделено пульсационной составляющей скорости частицы. Пульсационная сила особенно актуальна в пристеночной области или вблизи зеркала металла, так как она отрывает частицу от стенки или от зеркала и увлекает е в поток циркулирующего расплава. На участках, где возникает значительный перепад скоростей, шлаковая частица дополнительно участвует в поперечном движении под действием градиента скорости давления по сечению частицы. В литературе редко встречается учт силы Саффмана , характеризующей изменение движения частицы под действием градиента скорости по сечению частицы. В ряде рассмотренных моделирующих пакетов , 3, VII сила Саффмана не учитывается, что отрицательно сказывается на адекватности описания циркуляции смешиваемых быстрого и медленного потоков расплава. Использование закрытых моделирующих пакетов не позволяет в полной мере осуществить качественный и количественный учт действующих на шлаковые частицы сил, определить их траектории, выявить увлечение неметаллических включений в глубь расплава, поэтому в рамках диссертации разработана и программно реализована в пакете модель движения неметаллических включений, учитывающая недостатки коммерческих пакетов.