Розглядається процес політ частинок порошку при вильоті з сопла під час лазерної наплавки при впливі на них електростатичного поля, створеного електростатичними лінзами. Враховано електростатична сила впливу на заряджені частинки, взаємодія між частинками, дипольномувзаємодія з полем, сила тяжіння.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Валіахметова В.Д.


Simulation of electrostatic gas powder flow control

This paper describes the process of the flight of powder particles when departing from a nozzle during laser deposition under the influence of an electrostatic field created by electrostatic lenses. Electrostatic force acting on charged particles, interaction between particles, dipole interaction with a field, and gravity are taken into account.


Область наук:

  • нанотехнології

  • Рік видавництва: 2019


    Журнал: Інженерний вісник Дона


    Наукова стаття на тему 'Математична модель електростатичного управління газопорошкового потоком'

    Текст наукової роботи на тему «Математична модель електростатичного управління газопорошкового потоком»

    ?1к1 Інженерний вісник Дона, №3 (2019) Н | ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2019/5794

    Математична модель електростатичного управління газопорошкового потоком

    В.Д. Валіахметова

    Казанський національний дослідницький технічний університет

    імені А. Н. Туполева

    Анотація: Проведено математичне моделювання польоту частинок металевого порошку без урахування електростатичного впливу і з його урахуванням.

    Ключові слова: математичне моделювання, лазерне наплавлення, управління газопорошкового потоком, електростатична лінза, фокусування.

    У даній роботі представлений результат випробування силового впливу електричного поля на частинки металевого порошку [1-4].

    Основні параметри моделі: Радіус частинок порошку - 20 мкм, щільність частинок порошку - 7800 кг / м, діаметр вхідного отвору - 10 мм, швидкість частинок на вході - 10 м / с, висота розрахункової області - 0.4 м, радіус розрахункової області - 0.1 м , максимальний розмір елемента - 0.3 мм, мінімальний розмір елемента - 0.0082 мм.

    Впливу на частинки порошку здійснювалося декількома різними силами, все з них враховані в моделі:

    1. Електростатична сила впливу на заряджені частинки;

    2. Взаємодія між частинками

    3. Поляризація часток в поле і дипольномувзаємодія з полем;

    4. Сила тяжіння.

    Співвідношення сил в кожен момент часу і при кожному розрахунковому експеримент в кінцевому підсумку визначало еволюцію частинок. Завдання вирішувалася в аксіально-симетричному наближенні для спрощення і прискорення розрахунків [5-6].

    1. Для початку було проведено моделювання польоту частинок під дією гравітації. В результаті відбувається невелике прискорення частинок при русі до підкладки, потік несильно розширюється до низу.

    2. Далі було додано межчастичного взаємодія заряджених частинок, яке описується наступним рівнянням:

    (1)

    Де е - заряд електрона, е 0 - універсальна електрична постійна, п - математична константа, п ~ 3.14 ..., 7, - заряди поточної частки і черговий частки в сумі, - радіус-вектори поточної частки і

    черговий частки в сумі відповідно, N - повне число частинок, j-номер чергової частки в сумі.

    Результат моделювання представлений на Рис. . Кольором показана абсолютна швидкість частинок. Потік уширяется більш, ніж удвічі. Навіть невеликий початковий потенціал, прикладений до частинкам, призводить до значного погіршення характеристик потоку частинок.

    3. На наступному етапі включалася поляризація частинок і вплив електричного поля на них.

    В електричному полі частинки набувають електричний дипольний момент:

    (2)

    де R - радіус частинки.

    Розрахунковий експеримент проводився при подачі на електроди напруги: + 6 * 105 В на верхній і -6 * 105 В на нижній. При цьому на поверхні частинок задавався потенціал 100 В. Рис. ілюструє

    порівняльні положення частинок в польоті з урахуванням дипольного взаємодії і без нього.

    При цьому, якщо ширина потоку частинок у підкладки була близько 0.019 м, то при включенні в розрахунок дипольного взаємодії ширина потоку зменшується до 0.016 м.

    4. Додано кулоновское взаємодії електричного поля і заряджених частинок, яке описується наступним рівнянням:

    , де уои - потенціал на поверхні частинки.

    Перед пуском частинок навколо електродів, розраховувалося розподіл потенціалу електростатичного поля, результат представлений на Рис. 3.

    При цьому вважалося, що зовнішні межі розрахункового поля заземлені.

    Після цього з урахуванням всіх діючих сил пускався потік частинок. Результат розрахунку їх польоту представлений на Рис. . Видно, що з'явився ефект фокусування частинок. [7-11] Цей ефект при заданих параметрах сильно залежить від початкового напруги на поверхні частинок, а, отже, від їх заряду. Залежність положення фокуса частинок від напруги на їх поверхні в момент випуску показана на Рис. .

    Видно, що навіть таке невелике збільшення напруги сильно зміщує положення фокуса. Так, при напрузі 110 В фокус зміщується вгору на відстань близько 10 см в порівнянні з 100 В (див. Рис., Ь). Далі, при підвищенні напруги ще на 10 вольт фокус потоку втягується ще на 5 см всередину електродів (див. Рис., С).

    Дослідження проведено в рамках проекту розумників-2017.

    (3)

    , де заряд кожної частки:

    (4)

    -0.1 0 0.1 0.2 0.3 п

    Мал. 1 - Політ частинок під дією гравітації і взаємного відштовхування, початковий потенціал частинок 100 Вольт

    0 0,1 Про 0.1

    Мал. 2 - Розподіл швидкостей частинок і їх проміжних положень без урахування поляризації (зліва) і з урахуванням її (праворуч)

    1к1 Інженерний вісник Дона, №3 (2019) Н | ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2019/5794

    Мал. 3 - Розподіл потенціалу навколо електродів і ліній напруженості електростатичного поля

    -0.1 0 0.1 0.2 Рис. 4 - траєкторія польоту частинок з урахуванням всіх взаємодій

    J

    Про 0.1 0 0.1 Про 0.1 m

    Мал. 5 - Залежність траєкторій частинок від заряду: а) при напрузі на поверхні 100 В; b) при напрузі на поверхні 110 В; с) при

    напрузі на поверхні 120 В. Література

    1. Саєнко А.В., Малюков С.П., Клуннікова Ю.В., Бесполудін В.В., Бондарчук Д.А. Моделювання процесу лазерного відпалу плівки TiO2 для застосування в сонячних елементах // Інженерний вісник Дона, 2016, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3517.

    2. Благиня А.В., Благіна Л.В., Нефедова Н.А., Попова І.Г., Політов О.А. Оптичні та електричні параметри гетероструктур у фізиці напівпровідникових матеріалів: моделювання та експеримент // Інженерний вісник Дона, 2018. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5354.

    3. Григорьянц А.Г., Місюров А.І., шигані І.М. Технологічні процеси лазерної обробки: навчальний посібник для вузів; СПбПУ. - Санкт-Петербург: Видавництво МГТУ ім. Н. Е. Баумана, 2008. - 664 с. ISBN 978-57038-2701-7.

    4. Шишковський І.В. Основи адитивних технологій з високою роздільною здатністю. - СПб .: Пітер, 2016. - 400с .: іл. ISBN 978-5-496-02049-7.

    5. Білозеров А.Ф. Оптичні методи візуалізації газових потоків. Казань: Изд-во Казан. гос.техн. ун-ту, 2007. 747 с. ISBN 978-5-7579-1031-4.

    6. Паршин С.Г. Металургія підводного і гіпербаричної зварювання. СПб .: Изд-во політехн. Ун-ту, 2016. - 402 с.

    7. Панченко В.Я. та ін. Сучасні лазерно-інформаційні технології: колективна монографія; під ред. В. Я. Панченко та Ф. В. Лебедєва; Російська акад. наук, Ін-т проблем лазерних і інформ. технологій. - Москва: Интерконтакт Наука, 2015. - 959 с .: іл., Портр., Табл .; 24 см .; ISBN 978-5-902063-52-0.

    8. Abu-Bakr AF, Zubarev A. Effect of interparticle interaction on magnetic hyperthermia: homogeneous spatial distribution of the particles. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2019 Apr 22, pp. 114-122.

    9. Weerasinghe V.M, 'Laser cladding of flat plates', Ph.D. thesis, University of London, 1985, pp. 19-32

    10. Vasinonta A., Beuth J. and Griffiths M. (Process Maps for Laser Deposition of Thin-walled Structures, SFF symposium 1999 року, pp.383-391.

    11. Rosenthal D., 'The theory of moving sources of heat and its application to metal treatments', Transactions of ASME, Vol. 68, 1946, pp.849866.

    References

    1. Saenko A.V., Maljukov S.P., KlunnikovaJu.V., Bespoludin V.V., Bondarchuk D.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3517.

    2. Blagin A.V., Blagina L.V., Nefedova N.A., Popova I.G., Politov O.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5354.

    3. Grigor'janc A.G., Misjurov A.I., Shiganov I.N. Tehnologicheskie process lazernoj obrabotki: uchebnoe posobie dlja vuzov [Technological processes of laser processing: textbook for universities]; SPbPU. Sankt-Peterburg: Izdatel'stvo MGTU im. N.Je.Baumana, 2008. 664 p. ISBN 978-5-7038-2701-7.

    4. Shishkovskij I.V. Osnovy additivny htehnologij vysokogo razreshenija [Fundamentals of High Resolution Additive Technology]. SPb .: Piter, 2016. 400 p .: il. ISBN 978-5-496-02049-7.

    5. Belozerov A.F. Opticheskie metody vizualizacii gazovyh potokov [Optical methods for gas flow visualization]. Kazan ': Izd-vo Kazan. gos.tehn. un-ta, 2007. 747 p. ISBN 978-5-7579-1031-4.

    6. Parshin S.G. Metallurgija podvodnoji giperbaricheskoj svarki [Metallurgy underwater and hyperbaric welding]. SPb .: Izd-vo Politehn. Un-ta, 2016. 402 p.

    7. Panchenko V.Ja. i dr. Sovremennye lazerno-informacionnye tehnologii: kollektivnaja monografija [Modern laser-information technology: a collective monograph]; pod red. V. Ja. Panchenkoi F. V. Lebedeva; Rossijskaja akad. nauk, In-t problem lazernyhi inform. tehnologij. Moskva: Interkontakt Nauka, 2015. 959 p .: il., Portr., Tabl .; 24 sm .; ISBN 978-5-902063-52-0.

    8. Abu-Bakr AF, Zubarev A. Effect of interparticle interaction on magnetic hyperthermia: homogeneous spatial distribution of the particles. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2019 Apr 22, pp. 114-122.

    IH Інженерний вісник Дона, №3 (2019) Н | ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2019/5794

    9. Weerasinghe V.M, 'Laser cladding of flat plates', Ph.D. thesis, University of London, 1985, pp. 19-32.

    10. Vasinonta A., Beuth J. and Griffiths M. (Process Maps for Laser Deposition of Thin-walled Structures, SFF symposium 1999 року, pp.383-391.

    11. Rosenthal D., 'The theory of moving sources of heat and its application to metal treatments', Transactions of ASME, Vol. 68, 1946, pp.849866.


    Ключові слова: МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ /лазерне наплавлення /УПРАВЛІННЯ газопорошкового ПОТОКОМ /електростатична лінза /ФОКУСУВАННЯ /SIMULATION /LASER CLADDING /GAS POWDER FLOW CONTROL /ELECTROSTATIC LENS /FOCUSING

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити