Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634840)
Контекстум
Руконтекст антиплагиат система
Инженерный журнал: наука и инновации

Инженерный журнал: наука и инновации №2 2023 (200,00 руб.)

0   0
Страниц120
ID785913
Аннотация«Инженерный журнал: наука и инновации» – научно-практическое издание, в котором публикуются оригинальные (т. е. не опубликованные в других изданиях) статьи, содержащие результаты научных исследований по всем разделам, заявленным в рубрикаторе. Выбор электронной формы издания был обусловлен необходимостью оперативного введения в научный оборот результатов научных исследований, что соответствует тенденции сделать оплаченные государством результаты научного труда общественным достоянием. Это же предполагает выбор редакцией журнала свободного доступа к его контенту.
Кому рекомендованоЖурнал предназначен для научных работников всех рангов, инженеров, практических работников, молодых ученых и аспирантов.
Инженерный журнал: наука и инновации .— Москва : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012 .— 2023 .— №2 .— 120 с. : ил. — URL: https://rucont.ru/efd/785913 (дата обращения: 27.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Инженерный_журнал_наука_и_инновации_№2_2023.pdf
УДК 532.61 DOI: 10.18698/2308-6033-2023-2-2248 Исследование формы ванны расплава при лазерном воздействии на сталь AISI 316L с учетом конвекции Марангони © С.А. Никифоров, И.В. Шварц, А.Х. Гильмутдинов, А.И. Горунов Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева — КАИ, Казань, 420111, Россия На основе известных представлений о моделировании термокапиллярной конвекции рассмотрены двухфазная физико-математическая модель плавления нержавеющей стали AISI 316L и численная реализация модели методом конечных объемов в программном комплексе ANSYS CFX. Предложены аппроксимирующие функции для учета эффективных удельной теплоемкости и динамической вязкости в переходном процессе от твердого к жидкому состоянию для минимизации численной ошибки вблизи точек температур ликвидуса и солидуса. Приведено описание процесса формирования ванны расплава при воздействии лазерным излучением с гауссовым профилем интенсивности с учетом граничных условий конвекции Марангони, конвективной теплоотдачи и радиационной теплоотдачи. Показано влияние термокапиллярной конвекции на форму смоченной поверхности ванны расплава. Предложен подход к контролю течений на свободной поверхности ванны расплава с помощью изменения профиля интенсивности лазера. Ключевые слова: лазерный нагрев, конвекция Марангони, ванна расплава, вычислительная гидродинамика, метод конечных объемов Введение. При изучении таких технологических процессов, как сварка и наплавка, возникают сложности экспериментального исследования процессов, протекающих в жидкой ванне расплава. На основе существующей теоретической базы можно полностью описать, как изменяются физико-механические характеристики расплава при воздействии на него лазерным излучением. Применение математического моделирования позволяет в полной мере описать теплофизические процессы, протекающие в исследуемой детали, и, следовательно, предсказать необходимую с практической точки зрения форму ванны расплава, существенно зависящую от конвективных течений на свободной поверхности. В работе [1] представлено моделирование процесса плавления без привязки к конкретному материалу и без учета эффективных теплофизических свойств, показана важность введения термокапиллярной конвекции. В работе [2] рассмотрено влияние градиента коэффициента поверхностного натяжения на глубину и ширину ванны расплава в процессе селективного лазерного плавления в порошковом слое. При этом термофизические характеристики заданы таблично, что приводит к некоторым погрешностям при моделировании в интервале температур солидуса — ликвидуса. Инженерный журнал: наука и инновации # 2·2023 1
Стр.1
С.А. Никифоров, И.В. Шварц, А.Х. Гильмутдинов, А.И. Горунов Цель данной работы заключается в том, чтобы математически описать процесс воздействия лазерного излучения на нержавеющую сталь с учетом конвекции Марангони и в последующем численно смоделировать эту задачу; показать, что без учета указанного явления невозможно в полной мере описать процессы лазерной сварки и лазерной наплавки, так как поверхностные течения напрямую влияют на глубину и ширину ванны расплава; по итогам проведенных численных исследований предложить способы контроля течений в ванне расплава. Методы решения и описание подхода моделирования. Был исследован процесс нагрева и образования ванны расплава нержавеющей стали AISI 316L, а также рассмотрен фазовый переход первого рода из твердого состояния в жидкое. При этом не учитывалась теплоотдача при кипении материала, так как предполагалось, что температура парообразования не будет достигнута. Деформация свободной поверхности не рассматривалась. Моделирование проводилось методом конечных объемов в программном модуле ANSYS CFX. Математическое описание задачи. В общем виде уравнение для переноса теплоты можно представить следующим образом:     T С Tu T t p      T    k T T Q, (1) где  — плотность материала, зависящая от температуры; T — скалярное поле температуры; С p — удельная теплоемкость вещества в зависимости от температуры; u — векторное поле скорости;  — оператор Набла; k — коэффициент теплопроводности; Q — объемный источник теплоты. В уравнении (1) слагаемые слева направо представляют собой изменение температуры по времени, поток теплоты, диффузионный поток теплоты и объемный источник теплоты. Для задачи лазерного нагрева единственный возможный объемный источник теплоты — лазерное излучение. Глубину поглощения лазерного излучения  qz можно аналитически оценить по закону Бугера — Ламберта — Бера [3]:   qz q R e  z/ 0 1  , (2) где 0q — мощность лазерного излучения на поверхности материала; R — коэффициент отражения поверхности;  — глубина проникновения света. Для сталей глубина проникновения лазерного излучения равна примерно 10 8 м (скин-слой), что при решении задачи позволяет рассматривать не объемный источник теплоты, а граничное условие. 2 Инженерный журнал: наука и инновации # 2·2023
Стр.2
Исследование формы ванны расплава при лазерном воздействии… Течение на свободной поверхности ванны расплава происходит за счет ненулевого градиента поверхностного натяжения и изменения плотности в ванне расплава. Следовательно, для учета поля течения в систему уравнений совместно с (1) должны быть включены уравнения сохранения          f , t ux uu      u 2 где p — давление; μ — динамическая вязкость;   (4) f  — массовые силы. t  0,u p μ   Граничные условия. На верхней части материала задается граничное условие теплового потока, являющегося суммой тепловых потоков лазерного излучения, заданного гауссовым распределением, конвективной и радиационной теплоотдачи: qk T q q q n    qRP r las 2 1 e              qT T  где n — вектор нормали к поверхности;  ного излучения;  conv  T0 , rad   qhc T  44 0 ,  qconv — конвективная теплоотдача;  las conv rad ,  xx y y r 00 2 22 , (6) (7) (8) qlas — тепловой поток лазерqrad — радиационная теплоотдача; P — мощность лазерного излучения; 00,x y — координаты центра лазерного пятна, заданного в декартовой системе координат; r — радиус лазерного пятна; ch — коэффициент конвекции; 0T — температура внешней среды;  — коэффициент излучения поверхности;  — постоянная Больцмана. На остальных гранях материала задано граничное условие нулевого теплового потока qk  T n 0. (9) При формировании ванны расплава на свободной поверхности образуются конвективные течения (эффект Марангони), которые направлены к оси OZ или от нее [4]. Направление течения зависит от Инженерный журнал: наука и инновации # 2·2023 3 (5) (3)
Стр.3

Облако ключевых слов *


* - вычисляется автоматически
Антиплагиат система на базе ИИ