Численный анализ процесса теплообмена и определение эффективных теплофизических свойств формовочных материалов на основе построения их структурных моделей

• Автор: Бройтман, Олег Аркадьевич
• Шифр специальности: 05.16.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 133 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

1. Литературный обзор

1.1. Дисперсные системы, методы описания их

структуры и закономерностей переноса тепла

1.2. Процессы сопряжнного тепло и массообмсна в

литейной форме

1.3. Задачи работы

2. Определение локальноэффективных теплофизических

характеристик формовочных материалов на основе структурных моделей

2.1. Постановка задачи

2.2. Структурная модель несвязанных смесей и расчт их
локальноэффективных теплофизических характеристик
2.3. Структурная модель уплотннных формовочных смесей
и расчт их локальноэффективных теплофизических характеристик
3. Определение интегральноэффективных теплофизических
характеристик формовочных материалов
3.1. Постановка задачи
3.2. Численное исследование нестационарного прогрева
литейной формы и вычисление е интегральноэффективных теплофизических характеристик
3.3. Экспериментальное определение эффективных тепло
физических характеристик формовочных материалов
3.3.1. Определение теплофизических характеристик формовочных смесей методом заливки
3.3.2. Определение теплофизических характеристик формовочных смесей по методу регулярного режима
4. Решение обратной задачи определения локальноэффективных
теплофизических характеристик смеси по известным интегральноэффективным теплофизическим свойствам
4.1. Постановка задачи
4.2. Аналитическое решение задачи прогрева литейной
формы при нелинейной зависимости е теплофизических свойств от температуры
4.3. Методика определения локальноэффективных
теплофизических характеристик формовочных смесей по методу заливки
5. Анализ процессов сопряжнного тепло и массообмена
при определении теплофизических характеристик
формовочных материалов
5.1. Постановка задачи
5.2. Моделирование переноса газов при прогреве
литейной формы
5.3. Влияние деструкции термически нестойкого связующего
на теплообмен в формовочном материале
6. Практическое использование результатов работы для
информационного обеспечения систем моделирования литейной технологии
Основные выводы
Литература


Литейные формовочные материалы следует в целом отнести к типу зернистых систем - смесь представляет собой совокупность контактирующих зёрен наполнителя в тонкой оболочке связующего [, , , ]. О-0. Рис. Классификация дисперсных сред по размерам частиц Зернистые материалы классифицируют исходя из размера частиц и их формы. На рис. В свою очередь, в литейном производстве существует классификация применяемых песков по размерам []: очень крупный (средний размер зёрен 0, мм и выше); крупный (0,-0,4 мм); средний (0,4-0,2 мм); мелкий (0,2-0,1 мм); очень мелкий (0,1-0, мм); пылевидный (0,-0, мм). В работе [], посвящённой систематизирующему исследованию зернистых материалов, применяемых в настоящее время для изготовления литейных форм, и поиску альтернативных им ио химическому составу, приводится иллюстрированная таблица, содержащая классификацию зёрен по их форме (рис. В качестве оптимальной формы зёрен авторы устанавливают скруглённую, максимально приближенную к сферической, что согласуется с производственным опытом. I прочности смеси (по причине максимально низкой эффективной поверхности), позволяют получить отливки с удовлетворительной чистотой поверхности. Очевидно, что формовочные материалы, изготовленные на зерновой основе с такой оптимальной и наиболее широко применяемой формой, следует подвергнуть приоритетному рассмотрению в диссертационной работе. Сф»рпіноь | Очень {ТЛМІїиС У« лмядъин П^и&ла**вима к )г. В © Вькекна ефернчиоеп. Средняя гферичиогп. ОЛ о. О СЪ сэ Пн пеня гфернчеогл. Скруглён »есть —¦ 0. Рис. У2 - общий объём пор смеси; V - объём смеси. Классификация внутренних строений зернистых систем в зависимости от их пористости [] приведена на рис. В общем случае структура таких материалов обладает каркасом (рис. Частицы каркаса и сами могут быть пористыми. Рис. Ввиду очевидной сложности описания геометрии структуры формовочной смеси в научных работах по литейному производству предпринимались попытки её анализа путём замены фактической структуры упрощённой моделью. Наиболее простой моделью формовочной смеси, применявшейся при исследовании газовых процессов, протекающих в форме, является идеальная смесь, состоящая из пучка параллельно расположенных цилиндрических капилляров одинакового размера [, ]. Вторая по сложности модель - модель фиктивной смеси (понятие введено Б. Б. Гуляевым []), отражает некоторые особенности зернистой структуры формовочного материала. По этой модели смесь представляется построенной из одинаковых шарообразных частиц, упаковка которых управляется путём задания угла ромбоэдра 0, образуемого при соединении центров восьми соприкасающихся шаров (рис. Пористость такой фиктивной смеси лежит в интервале от 0,9 (0=°) до 0,6 (#=°). Согласно трактовке Б. Б. Гуляева, эта пористая система представляет собой тело, пронизанное капиллярными трубками с кривой осью, которая совпадает с ходом поверхности сферических частиц. Модель фиктивной смеси опирается на ряд допущений: 1) частицы реальной смеси имеют различную крупность и отличаются по форме от сфер; 2) контакт между частицами уплотнённой смеси происходит не в точках, а на площадках, определяемых деформацией связующей составляющей; 3) различные элементарные ячейки в пределах одного микроскопического объёма формовочной смеси с той или иной степенью уплотнения имеют различную укладку частиц и различный угол в. Пористость реальной формовочной смеси при стандартной степени уплотнения составляет примерно от % (для круглых зёрен), что можно отождествить с гексагональной укладкой шаров фиктивной смеси, до % (для угловатых зёрен) []. Модель фиктивной смеси является неадекватной для представления реальной зернистой системы с пористостью выше 0,6 (при 0=°), так как такое увеличение пористости приведёт к нарушению изотропности модели (раздвижка шаров в одном направлении) и её механической неустойчивости (неконтактирующие шары повисают в пространстве). Структурные модели формовочной смеси, встречающиеся в литературе по литейному производству, в которых смесь отождествляют с зернистой системой ([, , -] и многие др. Рис.