Центробежно-ускоренные потоки частиц для металлообработки

ЦЕНТРОБЕЖНО-УСКОРЕННЫЕ ПОТОКИ ЧАСТИЦ ДЛЯ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ
И ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
П. И. ЗУБКОВ1, В. П. ЗУБКОВ2
1
Институт гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН, Новосибирск, Россия
2
ООО Научно-техническая инициатива, Новосибирск, Россия,
Введение
Высокоскоростные потоки частиц, ускоренных продуктами газовой детонации, нашли применение в металлообработке и, в частности для нанесения покрытий [1]. В настоящее время для целей нанесения покрытий и
металлообработки развиваются методы получения высокоскоростных потоков частиц, ускоряемых газовыми и
плазменными струями и потоком продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ. Вполне возможно развиваемые методы смогут найти свои ниши применения. По нашему мнению основным фактором,
влияющим на покрытие и его характеристики в перечисленных выше методах, является скорость встречи частиц покрытия с преградой.
Для исследовательских целей и отработки технологии необходим широкий диапазон изменения скорости
потока частиц, в связи с чем, первостепенное значение имеют максимально возможные достижимые скорости
частиц.
В предлагаемой работе рассматриваются возможности получения высокоскоростных потоков частиц, ускоряемых в поле центробежных сил, приводятся полученные предварительные результаты и рассматриваются
предполагаемые области применения.
Предлагаемый метод центробежного ускорения частиц отличается от перечисленных выше тем, что ускорение и движение ускоренных частиц происходит в вакууме, чем в значительной степени снижается влияние
на процесс ускорения и взаимодействия частиц с преградой ускоряющей частицы среды.
Ускорение частицы.
Будем предполагать, что частица массы m ускоряется в канале постоянного сечения Канал длиной 2L расположен по оси центробежного ускорителя. Ускоритель представляет собой цилиндр длиной 2L, вращающийся в горизонтальной плоскости с угловой скоростью ω вокруг вертикальной оси, перпендикулярной оси цилиндра и проходящей через его центр. На частицу, находящуюся на расстоянии r от оси вращения, во вращающейся с угловой скоростью ω системе отсчета, действует центробежная сила mω2r, направленная по радиусу.
Вначале для получения характерных величин рассмотрим движение без трения. В этом случае работа центробежной силы на разгонном участке ускорителя длиной L будет равна mω2L2/2. Эта работа перейдет в кинетическую энергию движущейся частицы mV2/2. На выходе из ускорителя частица будет иметь скорость V=ωL.
В лабораторной системе отсчета её скорость будет V= 21/2ωL, поскольку составляющая скорости перпендикулярная радиусу в конце разгонного участка будет иметь скорость ускорителя.
При заданной длине разгонного участка максимальная достижимая скорость частицы определяется максимально возможной угловой скоростью вращения ускорителя, которая в свою очередь ограничена прочностными и инерционными свойствами материала ускорителя и его геометрией.
В рассмотренной геометрии максимальная скорость частиц ограничена соотношением 2
σ ρ , где σ - до-
пустимое напряжение материала ускорителя, а ρ- его плотность.
Введем характерную скорость равную V0 =
σ ρ , определяемую только свойствами материала. Для ши-
роко распространенных сплавов алюминия она равна 400 м/c, для сплавов бериллия 400—650 м/с, для сплавов
титана достигает 1000 м/с., для полипропилена она будет 500 – 600 м/с. Таким образом, даже для не столь
уникальных материалов ускорителя и его простейшей геометрии достижимы скорости до 2 км/с.
В современных реактивных двигателях окружная скорость в периферийном сечении рабочего колеса компрессоров и вентиляторов достигает значений 600 м/с.[2]. Ясно, что выгодная форма для компрессора не будет
выгодной для ускорителя и тем не менее в этом случае достижимы скорости частиц 850 м/с.
Авторы полагают, что применение специальных сплавов или новых материалов для изготовления центробежного ускорителя позволит значительно повысить максимальные достижимые скорости.
В общем случае Vmax = λV0 , где λ – геометрический фактор. Для нахождения λ возникает вариационная
задача, зависящая от выбранной конфигурации центробежного ускорителя. В частности, для осесиметричного
ускорителя его образующая должна быть пропорциональной
1
r
.
Кроме центробежной силы на частицу действует сила Кориолиса
2mω
dr
, перпендикулярная скорости
dt
частицы, а, следовательно, и радиусу, реакция стенки канала N и сила трения f, направленная против скорости.
Силой тяжести частицы мы пренебрегаем, считая ее малой по сравнению с другими действующими силами. В
d 2r
2
сделанных предположениях уравнение движения будет иметь вид m 2 = mω r − f .
dt
Если предположить, силу трения, такой же, как и при малых скоростях движения, т.е. что
dr
, где μ - коэффициент трения, то уравнение движения будет иметь вид
dt
r
и τ = ω ⋅ t , где L длина разгонного пути. В безразмерных
Введем безразмерные переменные X =
L
f = μN = 2μmω
переменных уравнение движения примет вид
X − 2μX − X = 0 τ
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0,00E+00
1,00E-03
2,00E-03
3,00E-03
4,00E-03
5,00E-03
6,00E-03
Начальная скорость движения задавалась нулевой. Начальное положение изменялось от размера метаемой частицы в 10-6м. до радиуса устройства подачи частиц в ускоритель, равному 1,5 10-3м. Безразмерная начальная координата изменялась от 0,33 10-5 до 0,5 10-2. Решалось безразмерное уравнение относительно безразмерного времени движения частицы в ускорителе. На рисунке приведен график решения.
Качественно поведение безразмерного времени от безразмерного начального положения частицы удовлетворительно. Однако предположение о пропорциональности силы трения силе реакции опоры, по-видимому,
не соответствует действительности, сила Кориолиса по порядку величины превосходит центробежную силу в
конце разгонного участка..
Оценим давление, возникающее при встрече частицы с преградой. Преграду будем считать абсолютно жесткой. В таких предположениях в акустическом приближении для частицы давление при столкновении будет
порядка p = ρV0 C , где С - скорость звука в материале частицы. Для частицы алюминия при скорости V0 = 2
103 м/с оно будет равно 2,4 1010 Па, что значительно превосходит прочностные свойства материалов. В случае
столкновения с реальной преградой давление будет несколько меньше. При столкновении частицы с преградой
из одного материала давление уменьшится в 2 раза.
Плотность энергии ρV2/2, где ρ плотность материала частицы, а V ее скорость, будет порядка 103 Дж/см3,
при ρ = 5 г/см3 и при V = 2 103м/с., т.е. она порядка плотности энергии взрывчатых веществ.
Столь высокие давления, возникающие при ударе, и высокие плотности кинетической энергии позволяют
надеяться на расширение области применения потоков высокоскоростных частиц.
Предварительные результаты.
На начальном этапе исследований стояла задача проверить высказанное раннее предположение о том, что
основным фактором определяющим адгезию является скорость частиц.. Для этого был сконструирован и изготовлен центробежный ускоритель из сплава алюминия для ускорения частиц до скорости около 103 м/с. Наличие адгезии было проверено при скорости частиц 950 м/с. Были получены металлические и керамические покрытия для ряда металлов, сплавов и пластмасс. Таким образом, в этих экспериментах было подтверждено
предположение авторов об определяющей роли на процесс нанесения покрытий скорости встречи частиц с
преградой. Следующим этапом исследований мы полагаем расширение интервала скоростей и исследование
характеристик адгезии в зависимости от скорости частиц материала покрытия.
Возможные области применения.
Специальные сплавы и новые материалы могут позволить получить максимальные скорости частиц в несколько км/с. Развиваемые при встрече частиц с преградой давления достигают несколько сотен тысяч атмосфер. Плотность энергии, запасаемая в разогнанных до максимальной скорости частицах, порядка плотности
энергии в конденсированных взрывчатых веществах.
Указанные характеристики позволяют надеяться, что высокоскоростные потоки частиц могут найти применение для нанесения покрытий, разрушения частиц и производства наночастиц, в нанотехнологиях, для исследования и возможного применения явления сверхглубокого проникновения, в исследованиях химических процессов в твердых телах, при генерации мощных электрических импульсов.
Авторы считают, что центробежное ускорение может быть с успехом применено для получения высокоскоростных потоков частиц из органических соединений. Центробежное ускорение тяжелых атомов и молекул
может использоваться для получения их потоков, соответствующим высоким температурам.
Список литературы
1
2
.А.Н.Папырин, Н.П.Болотина, А.А. Боль и др. Новые материалы и технологии. Теория и практика упрочнения материалов в экстремальных условиях // Новосибирск: ВО «Наука», Сибирская издательская фирма, 1992.- 200 с. ISBN5 – 02 – 030188 – 4
Ю.Н.Нечаев. Законы управления и характеристики авиационных силовых установок. Москва, Машиностроение, 1995.