содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

Глава 2. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ МАШИН И АГРЕГАТОВ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Как известно, гидродинамические, тепловые и химические процессы, протекающие в металлургических агрегатах, характеризуются высокими температурами, воздействием агрессивных шлаков, выделением большого количества вредных газов и абразивных пылевидных частиц. Выполнение экспериментальных работ, связанных прежде всего с изучением явлений тепло- и массопереноса, в таких условиях практически невозможно по соображениям безопасности персонала. Кроме того, серьезным препятствием для проведения исследований на действующих промышленных агрегатах является такой фактор, как потеря производственного времени.

В подобной ситуации, а также при создании новой техники на стадии I фоработки конструкции проектируемой машины или агрегата наиболее приемлемым способом решения возникающих проблем следует считать применение физического моделирования.

Физическое моделирование - один из методов научных исследований, предполагающий замену изучения интересующего натурного образца объекта или реализуемого с его помощью технологического процесса проведением экспериментов на модели с обеспечением условий протекания явлений, имеющих ту же физическую природу.

2.1. Краткие сведения из теории подобия

Теория подобия определяет признаки наличия подобия между процессами (явлениями) и обозначает границы области, в пределах которой распространение данных моделирования на аналогичные реальные процессы (явления) может считаться корректным.

В соответствии с данной теорией полное подобие двух процессов существует при обеспечении геометрического, кинематического и динамического подобия.

Две физические системы геометрически подобны, если соотношение между их соответствующими линейными размерами постоянное:
 

Вполне понятно, что обязательным условием кинематического подобия является геометрическое подобие.

При динамическом подобии все соответствующие силы, действующие в подобных точках натуры и модели, имеют одинаковые направления, а их отношения постоянны, т. е. силовые многоугольники, построенные для натуры и модели, должны быть геометрически подобными.

В соответствии со сложившейся терминологией теории подобия отношения величин в пределах изучаемой физической системы принято называть вариантами или критериями подобия.

Основополагающие признаки подобия процессов (явлений) сформулированы в трех теоремах. Согласно первой подобными процессами (явлениями) считаются те, которые имеют идентичные соответствующие критерии подобия. Эта теорема позволяет выделить физические величины, которые нужно измерять при проведении опытов. К ним относятся величины, входящие в состав критерия.

Вторая теорема подобия, получившая название яхгеоремы, отражает тот факт, что практический интерес представляют не сами критерии (числа) подобия, а соотношения между ними (о чем подробно будет сказано ниже). Данная теорема предполагает обобщение результатов измерений в виде дифференциальных уравнений, в которых переменными являются критерии подобия. Благодаря этому сокращается число переменных и упрощается обработка получаемых результатов измерений.

Следует отметить, что упомянутые две теоремы не позволяют установить необходимые и достаточные условия динамического подобия. Указанные условия оговорены третьей теоремой подобия, в соответствии с которой два явления считаются подобными, если они имеют идентичные определяющие критерии (числа) подобия, составленные из параметров систем, а также подобные условия однозначности.

Условием гидрогазодинамического подобия модели и натуры является равенство отношений всех действующих на физическую систему сил: тяжести, давления, инерции, поверхностного натяжения. На практике достичь подобия всех сил не удается, что связано с физическими особенностями этих сил. Поэтому приходится рассматривать частные случаи, для которых из всей совокупности действующих сил выделяется одна, считающаяся при данных условиях эксперимента преобладающей [9].

Соотношения различных сил устанавливаются числами (критериями) гидрогазодинамического подобия. Число Рейнольдса

Критерий Вебера (We) характеризует отношение сил инерции к силам поверхностного натяжения,
 

Существуют и иные критерии, которые относятся к частным случаям: число Архимеда, число Прандтля и др.