Спосіб визначення швидкості течії електроліту у відкритому щілинному зазорі

Реферат: Спосіб визначення швидкості течії електроліту у відкритому щілинному зазорі полягає у розрахунку швидкості потоку електроліту в залежності від конструктивних та геометричних параметрів щілинного зазору. Проводять моделювання руху потоку електроліту та визначення параметрів потоку за допомогою програмного засобу для чисельного моделювання руху рідких та газоподібних середовищ в технічних і природних об'єктах методом скінчених об'ємів. Як програмний засіб для чисельного моделювання руху рідких та газоподібних середовищ використовують програмний комплекс Flow Vision. UA 85190 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ШВИДКОСТІ ТЕЧІЇ ЕЛЕКТРОЛІТУ У ВІДКРИТОМУ ЩІЛИННОМУ ЗАЗОРІ UA 85190 U UA 85190 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електрофізичних і електрохімічних методів обробки, а саме до електрохімічних методів обробки, і може бути використана для розрахунку швидкості течії електроліту в міжелектродному проміжку обладнання для здійснення електрохімічної обробки. Відомий спосіб переміщення електроліту, що містить ванну з електролітом, анод, катод і різного типу мішалки, що переміщують електроліт (Сейфулин Р.С: Неорганические композиционные материалы. - М.: Химия, 1983 г.). Відомий також пристрій для проведення електрохімічних процесів, який містить ванну з електролітом, пластину з отворами, закріплену на дні ванни, і що нагнітає пристосування, виконане у вигляді еластичної мембрани, що спирається на пластину, з'єднану з приводом, і встановлену під пластиною з отворами, причому анод і катод розташовані в електроліті на індивідуальних підвісах (АС СРСР № 1183570, МПК С25D 19/00, 1985 г.). Недоліком вказаних способів і пристроїв здійснення електрофізичної та електрохімічної обробки є невизначеність швидкості течії електроліту в просторі між анодом і катодом, через що неможливо встановити оптимальні режими електрофізичної та електрохімічної обробки і, як наслідок, досягти високої точності та якості обробки поверхонь. Найбільш близьким аналогом за технічною суттю до способу, що пропонується, є спосіб визначення швидкості течії електроліту у відкритому щілинному зазорі, який полягає у розрахунку швидкості потоку електроліту в залежності від конструктивних та геометричних параметрів щілинного зазору за відомими аналітичними залежностями (Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки. Под общ. ред. В. А. Волосатова. - Л.: Машиностроение, 1988. - С. 62.). Недоліками даного способу визначення швидкості є: низька точність розрахунків, що обумовлено низькою достовірністю відображення особливостей течії електроліту в міжелектродному зазорі внаслідок неврахування відомими аналітичним виразами низки геометричних та конструктивних параметрів міжелектродного зазору, а також фізичних параметрів електроліту; значні витрати часу на виконання розрахунків внаслідок їх виконання не в автоматичному режимі. Все це призводить до погіршення якості обробки поверхонь електрохімічними методами обробки (оскільки саме швидкість обумовлює умови теплообміну на поверхні електродів, характеристики видалення продуктів обробки, стабільність складу і температури робочої рідини) та підвищення собівартості такої обробки. В основу корисної моделі поставлена задача - підвищення точності розрахунків швидкості потоку електроліту у відкритому щілинному зазорі та зменшення витрат робочого часу на виконання цих розрахунків. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб визначення швидкості течії електроліту у відкритому щілинному зазорі, що полягає у розрахунку швидкості потоку електроліту в залежності від конструктивних та геометричних параметрів щілинного зазору, згідно з корисною моделлю, проводять моделювання руху потоку електроліту та визначення параметрів потоку за допомогою програмного засобу для чисельного моделювання руху рідких та газоподібних середовищ в технічних і природних об'єктах методом скінчених об'ємів; як програмний засіб для чисельного моделювання руху рідких та газоподібних середовищ використовують програмний комплекс Flow Vision. Корисна модель пояснюється кресленнями, на яких: на фіг. 1 - розрахункова схема, яку покладено в основу моделювання в програмному комплексі FlowVision; на фіг. 2 - зображення результатів моделювання течії електроліту в програмному комплексі FlowVision при коаксіальній подачі струменя в паз (стабільний потік; d=2,5 мм, h=0,4 мм, 0=15 м/с); на фіг. 3 зображення результатів моделювання течії електроліту в програмному комплексі FlowVision при коаксіальній подачі струменя в паз (нестабільний потік; d=2,5 mm, h=0,4 мм, 0=20м/с); на фіг. 4 - зображення результатів моделювання течії електроліту в програмному комплексі FlowVision при коаксіальній подачі струменя в паз (відхилений потік; d=3,5 mm, h=0,4 мм, 0=15 м/с); на фіг. 5 - зображення результатів визначення швидкості електроліту в програмному комплексі FlowVision при коаксіальній подачі струменя в паз (стабільний потік; d=2,5 мм, h=0,4 мм, 0=15 м/с); на фіг. 6 - зображення результатів визначення швидкості електроліту в програмному комплексі FlowVision при коаксіальній подачі струменя в паз (нестабільний потік; d=2,5 мм, h=0,4 мм, о=20м/с); на фіг. 7 - зображення результатів визначення швидкості електроліту в програмному комплексі FlowVision при коаксіальній подачі струменя в паз (відхилений потік; d=3,5 mm, h=0,4 мм, 0=15м/с); на фіг. 8 - залежність мінімальної швидкості течії в міжелектродному проміжку 1 від вихідної швидкості струменя 0(1-d=2,5 мм, h=0,4 мм; 2-d=2,5 мм, h=0,3 мм; 3-d=2,5 мм, h=0,2 мм; 4-d=3,5 мм, h=0,4 мм); на фіг. 9 - швидкість потоку рідини в міжелектродному проміжку у відкритому пазу залежно від діаметра сопла (1 - 0=10 м/с, b=0,4мм; 2-0=10 м/с, h=0,2 мм; 3-0=5 м/с, h=0,4 мм; 4 - 0=5 м/с, h=0,2 мм; 5 - 0=1 м/с, h=0,4 1 UA 85190 U 5 10 15 20 25 30 мм; 6 - 0=1 мм, h=0,2 мм); на фіг. 10 - етап проведення експерименту з фізичного моделювання коаксіальної подачі струменя рідини у відкритий паз при d=3,5 мм, h=0,4 мм (дослідний осередок); фіг. 11 - етап проведення експерименту з фізичного моделювання коаксіальної подачі струменя рідини у відкритий паз при d=3,5 мм, h=0,4 мм (стабільний потік при 0=6 м/с); фіг. 12 - етап проведення експерименту з фізичного моделювання коаксіальної подачі струменя рідини у відкритий паз при d=3,5 mm, h=0,4 мм (початок відхилення потоку o=8 м/с). Спосіб визначення швидкості течії електроліту у відкритому щілинному зазорі реалізується наступним чином. Наведено етапи моделювання течії електроліту у відкритому щілинному зазорі при коаксіальній подачі електроліту за допомогою використання сучасного програмного комплексу для чисельного моделювання руху рідких та газоподібних середовищ FlowVision. Вихідні умови визначались наступним чином. Для забезпечення експериментальної верифікації окремих результатів чисельного моделювання вихідні параметри математичної моделі відповідали типовим умовам додаткової електрохімічної обробки на електроерозійному вирізному верстаті: відстань від сопла до заготовки 2-15 мм; електроліт: 20 % розчин NaCl; температура електроліту 20 °C; товщина заготовки 10 мм; діаметр дроту 0,2 мм; шорсткість поверхні заготовки Ra 3,0 мкм; діаметр струменя (сопла) 2,5, 3,5, 4,5 мм; вихідна швидкість струменя 1-20 м/с; міжелектродний проміжок 0,2, 0,3, 0,4 мм. Режим течії потоку електроліту в міжелектродному проміжку (МЕП) з урахуванням кінематичної в'язкості електроліту та гідравлічного діаметра МЕП характеризується числом 4 Рейнольдса Re, що визначається за формулою Re = Dr / v, де v =  /  = 1,310- - коефіцієнт 2 кінематичної в'язкості електроліту, см /с,  - динамічна в'язкість електроліту, г/(см-с), -густина 3 електроліту 15 % NaCl, г/см . Під гідравлічним діаметром МЕП розуміють Dr=4s / Р, де s - переріз та Р - периметр гідравлічного каналу, у нашому випадку МЕП. Для пласкої щілини шириною  = МЕП величина гідравлічного діаметра практично дорівнює 28, оскільки довжина щілини перевищує ширину. Тобто Dr=25. Тоді для вказаного діапазону МЕП, вихідних швидкостей та електроліту максимальне значення числа Re завжди менше Reкр=2000-2300. При застосуванні програмного комплексу моделювання руху рідини та газу FlowVision була обрана тривимірна модель ламінарного руху нестисливої в'язкої рідини, що базується рівняннях Нав'є-Стокса та суцільності середовища:   1    1  (   )      ()  S, t    div  0   де  - векторне поле швидкостей, t - час, p - тиск,  - густина,  - динамічна в'язкість, S 35 масові сили. Ця модель також враховує невеликі зміни густини (наближення Бусінеска). Граничні умови (фіг. 1) задавались наступним чином (в термінах FlowVision): на виході із   сопла - вхід, нормальна швидкість - n гр 0 ; поверхня заготовки - стінка, логарифмічний закон, що враховує значення пісочної шорсткості в мкм 40 n гр  0  (,n)  0 , 45 50 ,  n n гр  0  гр   ,  y 0 ; поверхня дротяного електрода - стінка з проковзуванням 0 гр ; всі інші ділянки поверхні моделі - вільний вихід  ( i , n) гр  0 при  (i,n)  0 p гр  0 ;  гр   гр при . Тут n ,   - нормальна та тангенціальна складові вектори  , швидкості, i,i  12,3 - проекції вектора швидкості на осі координат, n - вектор нормалі до границі. Програмний комплекс FlowVision будує розв'язок поставленої задачі чисельним методом скінчених об'ємів. Було проведено серії обчислювальних експериментів (з підбором щільності сітки розбиття по об'єму та величини кроку по часу) зі всіма можливими варіюваннями технологічних параметрів у вказаних вище межах. За отриманими результатами (фіг. 2-12) розрахунків можливо виділити 3 характерних стани руху потоку: стабільний потік, рівномірна швидкість течії рідини в по висоті МЕП; нестабільний потік (початок відхилення струменя), наявність суттєвого градієнту швидкості течії по висоті МЕП; відхилений потік, відсутність течії рідини на великій ділянці висоти МЕП. 2 UA 85190 U 5 10 15 20 25 В результаті моделюванні було встановлено, що: 1) підвищення вихідної швидкості струменя із сопла підвищує швидкість протікання рідини в міжелектродному проміжку, але до певної межі, за якою при подальшому зростанні вихідної швидкості спостерігається відхилення струменя від оброблюваної поверхні і відповідно зменшення швидкості течії в МЕП (фіг. 4). Положення екстремуму залежить від відношення розмірів діаметра сопла до розмірів міжелектродного проміжку. Чим менше це відношення, тим при більшій швидкості настає відхилення потоку (фіг. 4, 5); 2) збільшення міжелектродного проміжку призводить до підвищення швидкості протікання робочої рідини, що пояснюється зменшенням впливу явищ гальмування потоку на поверхнях заготовки і дротяного інструменту (фіг. 6); 3) при зменшенні діаметра сопла покращуються умови протікання робочої рідини в проміжку за рахунок зменшення площі опору потоку (фіг. 7, 8); 4) зміна відстані від сопла до заготовки у вказаних технологічних межах практично не впливає на стан руху струменя та швидкість течії рідини в МЕП. 5) використання струменя діаметром 4,5 мм і більше та технологічно обґрунтованими міжелектродними проміжками (0,4 мм і менше) неможливе, внаслідок відхилення струменя при будь-яких значеннях вихідної швидкості, а використання струменя діаметрами 3,5 мм можливо лише з міжелектродними проміжками 0,4 мм і більше. Адекватність проведених теоретичних досліджень перевірялась проведенням вибіркових експериментів на дослідному осередку (фіг. 10-12). Математичне моделювання показало, що початок відхилення струменя настає при швидкостях близьких до 7 м/с при діаметрі сопла 3,5 мм та міжелектродному проміжку 0,4 мм. Експериментально було зафіксовано початок відхилення струменя при вхідній швидкості потоку 8 м/с. Отримані результати дозволяють встановити оптимальні режими електрохімічної обробки металів і сплавів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 1. Спосіб визначення швидкості течії електроліту у відкритому щілинному зазорі, що полягає у розрахунку швидкості потоку електроліту в залежності від конструктивних та геометричних параметрів щілинного зазору, який відрізняється тим, що проводять моделювання руху потоку електроліту та визначають параметрів потоку за допомогою програмного засобу для чисельного моделювання руху рідких та газоподібних середовищ в технічних і природних об'єктах методом скінчених об'ємів. 2. Спосіб визначення швидкості течії електроліту у відкритому щілинному зазорі за п. 1, який відрізняється тим, що як програмний засіб для чисельного моделювання руху рідких та газоподібних середовищ використовують програмний комплекс Flow Vision. 3 UA 85190 U 4 UA 85190 U 5 UA 85190 U 6 UA 85190 U 7 UA 85190 U 8 UA 85190 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9