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

2.2. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Физическое моделирование как метод исследования включает в общем случае пять основных этапов [85]: постановку задачи; вывод и ана-1П Ч условия подобия; выбор конструкции и расчет параметров модели объекта исследования; проведение экспериментов на модели и обработка полученных результатов.

При постановке задачи необходимо исходить из того, что главная цель моделирования заключается в изучении основных закономерностей исследуемого процесса, а результаты, полученные в ходе эксперимента, после обобщений могли бы быть использованы в реальных промышленных условиях. Достичь намеченной цели можно в том случае, если проведение опыта осуществляется с учетом основных положений теории I подобия.

Цель исследования в каждом конкретном случае может быть разной: от стремления получить эмпирические данные, полезные для использования в инженерной практике или позволяющие выполнить проверку теоретических положений, до изучения в общих чертах физической картины разработанного процесса. Однако даже когда не требуется получения особо точных результатов (приближенное или качественное моделирование) необходим анализ условий подобия. На этом этапе на основании совокупности выбранных критериев рассматривается возможность упрощения условий подобия. При этом оцениваются численные значения критериев и определяется их значимость, что позволяет часть из них отнести к разряду несущественных, т. е. не требующих обеспечения равенства для модели и оригинала.

Выбор конструкции модели во многом зависит от характерных особенностей моделируемого процесса, а также от того, в каком виде необходимо получить интересующую информацию. Например, если исследуемый процесс обусловлен интенсивным движением жидкостных потопом и в итоге требуется получение картин их распределения в различных зонах перемешиваемой ванны, модель конструктивно должна обеспечивать возможность визуального контроля и фотографирования потоков.

Модель изготавливают геометрически подобной натуральному образцу по внутренним; контурам. Для этого используют всевозможные материалы, но чаще всего применяют органическое стекло.
Подготовка модели к проведению исследований заключается в выборе варианта рационального размещения применяемой аппаратуры, обеспечении возможности быстрой замены моделирующей расплав жидкости, поддержании требуемой освещенности объектов, подлежащих фото-|рафированию, и т. д.

Проведению исследований на модели предшествует планирование эксперимента, настройка регистрирующей аппаратуры и при необходимости тарировка преобразователей измерительных систем.

Собственно физическое моделирование в зависимости от решаемых задач может проводиться по уже известным или специально разработанным методикам с применением широкого набора контрольных датчиков и электронных приборов, предназначенных для регистрации параметров процессов, протекающих в моделях.

Обработку полученных результатов осуществляют с использованием методов математической статистики и привлечением средств вычислительной техники. При этом необходимо выделить впервые зафиксированные данные, попытаться дать им полное объяснение и сопоставить их с уже известными результатами [30].

После обобщения данные должны быть представлены в виде таблиц и графиков.

Масштаб модели, необходимый для расчета ее конструкции и параметров, выбирается на основании анализа условий подобия. Для этого выясняют физический смысл безразмерных величин и их роль при моделировании, оценивают диапазон численных значений критериев и выявляют, какие из критериев попадают в область несущественных и могут не обеспечиваться для модели и оригинала.

В случаях, когда изучаемый процесс, связанный с движением жидкого металла, является нестационарным, необходимо учитывать критерий гомохронности (Но = idem).

При использовании критерия Рейнольдса в качестве определяющего следует выполнить анализ режимов течения для определения границ автомодельности, формальным признаком которой является выпадение данного критерия из числа аргументов, и, как следствие, исключение из системы ограничительных требований уравнений, утверждающих равенство значений критерия для составляемых явлений [28].

По данным работы [27] в большинстве практических случаев для процессов движения потоков жидкого металла значения критерия Re превышают 2320, что свидетельствует о необязательности соблюдения в uMix случаях условия Re = idem. В подобной-ситуации геометрический мпештаб модели рекомендуется выбирать из условий Fr = idem и We idem. При этом геометрические масштабы модели для таких моделируюгцих сред, как вода, керосин и ртуть, находятся в пределах соответственно 0,5-0,7; 0,3-0,5; 0,4-0,5.
 

Приведенные данные свидетельствуют о том, что для обеспечения точного подобия модель агрегата по своим размерам должна быть такой же, как и натуральный образец. Выполнение указанного требования связано с' ответными трудностями и лимитируется возможностями материально-технической базы лаборатории, в которой проводятся исследования. Потому константу геометрического подобия зачастую выбирают из
условий удобства изготовления модели и проведения опытов [85]. При этом, естественно, моделирование имеет всего лишь качественный характер.

Выбирая масштаб модели, следует также учитывать значительное влияние сил поверхностного натяжения жидкости на протекание процесса в модели агрегата при слишком малых сечениях ее каналов и отверстий. В соответствии с расчетными данными, приведенными в работе [27], диаметр отверстий на модели зависит от используемой моделирующей жидкости:

Моделирующая жидкость    Минимальный диаметр отверстия, мм
 

Вода                12

Глицерин        10

Керосин             8

Материалом для изготовления модели обычно служит прозрачное органическое стекло, легко поддающееся различным видам механической обработки, что позволяет точно скопировать практически любую конфигурацию контуров натурного образца исследуемого агрегата и проводить визуальные наблюдения за протекающими в модели гидрогазодинамическими процессами.

Конструктивно модель может быть выполнена плоской и объемной. Отдельные ее элементы могут при необходимости изготовляться из ряда других материалов (пластилина, воска, парафина, гипосульфида) в зависимости от особенностей решаемых в ходе моделирования задач.

В случаях, когда по ходу эксперимента осуществляется поиск оптимальной формы или отдельных сечений моделируемого агрегата, т. е. при необходимости быстрого изменения конфигурации ванны агрегата или перемещения различных перегородок для уплотнения передвигаемых элементов модели можно использовать резиновый шнур или хлорвиниловую трубку, помещаемые в пазы на торцах этих элементов, как показано на рисунках б и 7.

Соединение стенок моделей между собой выполняют либо с помощью специального клея, приготовленного путем растворения опилок органического стекла в дихлорэтане, либо с помощью металлических струбцин [164].

Одним из мероприятий по подготовке к проведению лабораторного эксперимента является подбор моделирующих сред.
 

Поскольку для любого вещества, находящегося в жидком состоянии, например воды, ртути, жидкого металла, справедливы законы и теоретические зависимости гидравлики, то при физическом моделировании процессов внепечной обработки стали, обусловленных протеканием гидродинамических явлений, в качестве среды, имитирующей расплав, может быть использована любая жидкость, за исключением ртути, представляющей собой серьезную опасность для здоровья персонала лабораторий.

Как видно из табл. 1, плотность и кинематическая вязкость жидкостей, доступных и безвредных для применения в обычных лабораторных условиях, имеют близкие значения [126]. Поэтому выбор моделирующей жидкости зависит, в основном, от особенностей решаемых при физическом моделировании задач. Если, например, исследуется гидродинамика потоков жидкой стали, перемешиваемой инертным газом, то в качестве моделирующих сред, как правило, используют воду и воздух.

В случае, когда моделируются процессы, протекающие в агрегате со с талью и технологическим шлаком, для проведения эксперимента необходимо применение комбинации жидкостей (вода - керосин, вода - этиловый спирт, безводный глицерин - нефть). При подборе двух моделирующих жидкостей руководствуются стремлением обеспечить минимально возможное искажение физической сущности исследуемого процесса.
 

Во время исследований процессов тепло- и массопереноса зачастую необходимо осуществлять визуальный контроль движения потоков жидкости с одновременной фиксацией картин их распределения в перемешиваемой ванне. Для этих целей прибегают к специальному техническому приему, позволяющему выделить циркуляционные контуры жидкостных потоков и выявить степень влияния различных факторов на гидродинамические процессы в моделях различных емкостей. Такой прием называют визуализацией.
 

1. Плотность и кинематическая вязкость жидкостей при температуре 20 °С

* При температуре 15 °С

Визуализация - это создание условий, способствующих появлению контрастной картины траекторий движения потоков моделирующей жидкости за счет введения в нее красящих жидких веществ или мелкодисперсных твердых частиц, имеющих высокий коэффициент отражения. Капли цветной жидкости или же частицы, уносимые оптически прозрачными потоками, в точности воспроизводят их движение и при надлежащей освещенности позволяют получить четкую картину распределения потоков в рабочем объеме моделируемого агрегата.

Визуализация течений считается важным фактором в исследовательской работе и, в первую очередь, в физическом моделировании гидродинамических процессов, так как не только позволяет сделать определенные выводы относительно качественной стороны изучаемых явлений, но и относится к одному из необходимых условий реализации оптического метода контроля времени перемешивания жидкости и фотометода измерения скорости жидкостных потоков.
К настоящему времени накоплен богатый опыт визуализации линий тал при изучении гидродинамических процессов. Все известные способы выделения потоков прозрачной жидкости на заранее подобранном цветном фоне можно разделить на три группы в зависимости от вида применяемого маркера потока. К первой относятся способы, предполагающие подачу в циркулирующую жидкость, моделирующую расплавленный металл, специальных красителей, вводимых в жидкообразном стоянии с помощью шприца или с использованием напорной емкости, располагаемой над моделью на высоте не менее 2 м [27]. При ном, как отмечается в работе [134], следует помнить, что большинство интенсивных красителей имеют тяжелые молекулы и их молекулярные коэффициенты диффузии намного меньше, чем коэффициенты переноса количества движения (кинематической вязкости). В связи с этим в нетурбулентных областях распространение облака красителя проходит медленнее по сравнению с распространением количества движения.

Способы визуализации жидкостных потоков, составляющие вторую I руппу, основаны на использовании мелкодисперсных частиц или шариков диаметром до 0,5 мм, материал которых по плотности близок к плотности воды. Практические результаты, полученные различными исследователями, свидетельствуют о том, что для этих целей может использоваться обезжиренная алюминиевая пудра [163], нафталиновая эмульсия, шарики из полипропилена или воска, деревянные опилки, а также крупинки фуксина [27].

К третьей группе способов визуализации следует отнести те, в которых в качестве трассеров применяются газовые пузырьки, вводимые специальным образом в жидкую среду. В последнее время широкое распространение получил метод водородных пузырьков, основанный на применении электролиза, в результате которого образуется множество мельчайших пузырьков водорода, достаточно четко обозначающих траектории жидкостных потоков [37].

Как уже отмечалось, в ходе визуальных наблюдений за движением газожидкостных потоков возникает необходимость проведения фото-киносъемки или видеозаписи картин их распределения.

Много полезной и наглядной информации о различных способах визуальных наблюдений за потоками жидких и газовых сред исследователи могут получить в прекрасно иллюстрированной работе [16], автором
 

которой собраны уникальные фотоматериалы, полученные в ходе лабораторных экспериментов в разных странах при изучении гидрогазодинамических явлений в течение ста с лишним лет.

Для получения качественных фотографий участков модели необходимо в совершенстве владеть навыками работы с фотоаппаратурой. В сложных условиях различных видов съемки гидродинамических процессов часто требуется разработка специальных приспособлений, позволяющих реализовать поставленную задачу в каждом конкретном случае с наибольшей эффективностью. Например, при фотографировании плоских прозрачных моделей, изготавливаемых обычно из органического стекла, необходимо предварительно выполнить требования, направленные на исключение бликов на снимках, а также дрожания фотокамеры. В этом случае для фотографирования модели в распоряжении исследователя должны быть два светильника (приборы, рассчитанные на освещение предметов, находящихся на близком расстоянии), специальный штатив и тросик, обеспечивающие устойчивость и удобство управления фотокамерой.
 

Тросик целесообразно использовать при съемке с длительными выдержками, когда повышается вероятность получения нерезких снимков из-за дрожания камеры в момент нажатия спусковой кнопки.

Рекомендуемые схемы взаимного расположения снимаемой модели 1, фотокамеры 2 и светильников 3 показаны на рис. 8. Схему освещения объекта фотографирования выбирают с учетом минимальной дистанции фокусировки выбранного для съемки объектива.

Выбор осветительных приборов, применяемых при съемке, определяется видом света, который должен создаваться данным прибором, светочувствительностью пленки и светосилой оптики.

В качестве источников света в светильниках используются лампы пи наливания, кварцевые галогенные и люминесцентные лампы низкого давления.