Диссертация (1026094), страница 12
Текст из файла (страница 12)
На Рис. 45 показаны поля скоростей для скорости газа на входе в83сопло 0,5 и 5 м/с, данные результаты качественно согласуются сэкспериментальными данными, приведенными в табл. 14.Моделирование подтвердило увеличение скорости истечения струи изконфузорного сопла,способностьееконфузорногодинамического напора, что обнаруживаетсоплаобеспечиватьжесткостьветроустойчивость струи (Рис. 46).Рис. 45.
Продольное осесимметричное поле скоростей истечения струи навыходе из цилиндрического (вверху) и конфузорного сопла (внизу);скорость потока на входе 0,5 м/с (слева), 5 м/с (справа)и84Рис. 46. Коэффициент изменения скорости защитной струи в продольномполе Vmin/Vmax : цилиндрическое (ЦС) и конфузорное (КС) соплоУменьшение коэффициента изменения пограничного слоя К пс икоэффициента изменения угла расширения защитной струи К ур прииспользовании конфузорного сопла также подтверждают его способностьобеспечивать жесткость струи при высоких скоростях истечения газа (Рис.47, 48).Рис. 47. Коэффициент изменения величины пограничного слоя защитнойструи Кпс: цилиндрическое (ЦС) и конфузорное (КС) сопло85Рис.
48. Коэффициент изменения угла расширения защитной струи Кур:цилиндрическое (ЦС) и конфузорное (КС) соплоМоделирование поперечного поля скоростей позволило установитьрасстояния, на котором сохраняются максимальные скорости в газовомпотоке. При использовании конфузорного сопла высокие скорости в потокесохраняются на расстоянии 6–7 диаметров сопла, затем незначительноуменьшаются. В цилиндрическом сопле скорости потока резко уменьшаютсяпри удалении на расстояние более 4–5 диаметров сопла, а ядро струиисчезает. Это подтверждает способность конфузорного сопла сохранять ядрои жесткость защитной струи, что позволяет обеспечивать эффективнуюгазовую защиту при сварке в условиях ветра (Рис.
49, 50).В случае применения конфузорного сопла при уменьшении площадипоперечного сечения выходного отверстия сопла с 706 мм2 до 314 мм2происходитзначительноеиспользованииизменениецилиндрическогоскоростисоплаистеченияпроисходитгаза.Принезначительноеувеличение скорости струи газа с 5 м/с на входе в сопло до 5,4 м/с на выходеиз сопла, что в 2,57 раз меньше по сравнению с конфузорным соплом, прииспользовании которого происходит увеличение скорости струи до 13,9 м/сна выходе из сопла. Аналогичные результаты получаются и при меньшихскоростях струи на входе (Рис. 51).86Рис. 49. Поперечное осесимметричное поле скоростей защитной струи на выходе изцилиндрического (вверху) и конфузорного (внизу) сопла при скорости потока на входе 0,5; 1; 2,5; 5м/сРис. 50.
Коэффициент максимальной скорости струи Ксс в поперечном поле:цилиндрическое (ЦС) и конфузорное (КС) сопло87Рис. 51. Зависимость осевой скорости защитной струи Vc при выходеиз сопла от расстояния Н от сопла до изделия для различной скоростигазового потока на входе в сопло: цилиндрическое сопло (сплошные линии);конфузорное сопло (пунктирные линии)Для оценки достоверности расчетных данных, полученных в средеANSYS, провели экспериментальные исследования скорости струи на срезесопла и динамического напора струи при различных расходах газа спомощью цифрового термоанемометра Dwyer Series 471 (табл.
14, 15).Таблица 14.Расчетно-экспериментальные значения скоростей защитных газовых струйРасходгаза, л/минСкоростьгаза навходе всопло, м/с6Расчетное значение скоростиструи в среде ANSYS, м/сЭкспериментальное значениескорости струи, м/сЦилиндрическое соплоКонфузорное соплоЦилиндрическое соплоКонфузорноесопло0,50,611,510,61,41211,162,921,22,9302,52,787,062,77,16055,4213,95,513,788Таблица 15.Расчетно-экспериментальные значения динамического напора газовой струиРасходгаза,л/минСкоростьгаза навходе всопло, м/с6Динамический напор газовой струи при выходе из сопла, ПаРасчетное значение в средеANSYSЭкспериментальное значениеЦилиндрическое соплоКонфузорноесоплоЦилиндрическое соплоКонфузорноесопло0,50,382,030,391,971211,197,591,267,63302,56,8844,366,9244,3950526,14171,9626,89171,04Таким образом, расхождение в расчетно-экспериментальных значенияхскоростейистечениязащитныхгазовыхструйсоставилидляцилиндрического сопла 1,5–3,4 %, для конфузорного сопла 0,6–7,3 %, длядинамического напора струй расхождение составило для цилиндрическогосопла 0,6–5,9 % и для конфузорного сопла 0,06–2,9 %, что свидетельствует одостоверности разработанной модели.Влияние ветра, электрода и плоскости, имитирующей свариваемуюповерхность, моделировали на последующем этапе, при решении трехмернойзадачи.
Результаты показали каким образом происходит смещение областираспределения концентрации защитного газа в зоне сварки плавящимсяэлектродом при различных скоростях ветра.Предполагали, что расчетная область заполнена углекислым газом. Дляконфузорного сопла с выходным диаметром сопла 20 мм и диаметромэлектрода 1,2 мм рассматривали несколько величин расхода газа: 10, 20, 30 и40 л/с. Скорость ветра изменяли от 2 до 5 м/с.
Расстояние от среза сопла досвариваемой поверхности принимали 0,5–1,5 диаметров сопла.На рис. 52 приведен вид расчетной области для конфузорного сопла прирешении трехмерной задачи.89Рис. 52. Вид расчетной области для конфузорного соплаРезультаты моделирования влияния ветра на особенности истечениязащитной газовой струи показали, что при воздействии ветра происходитсмещение области распределения концентрации защитного газа и изменениеразмеров вихрей, образующихся на внешней границе пограничного слояструи при торможении потока о поверхность струи.
Находящийся в центрезащитной струи электрод порождает возникновение над сварочной ваннойтороидального вихря, который может влиять на эффективность газовойзащиты (Рис. 53).Завихрения по мере удаления от среза сопла постепенно изменялиформу поперечного сечения струи от круглой до подковообразной. Приувеличениискоростиветраснижалисьзавихренияиувеличиваласьвероятность подсоса воздуха в зону сварки. В то же время, газовая защитаоставалась эффективной (Рис.
54).Спомощьюмоделированияустановилихарактерсниженияэффективности газовой защиты. Видно, что с увеличением скорости ветра снаветренной стороны появляется участок, характеризующий врыв назащищаемую поверхность воздуха (Рис. 55).90Рис. 53. Распределение концентрации защитного газа (слева) и скоростейгазовых струй при сварке в среде СО2 при скорости ветра 2 м/с (вверху) и4 м/с (внизу). Расход защитного газа 30 л/мин, Н/D=1Рис. 54. Распределение концентрации защитного газа при ударе струи отвердую поверхность при скорости ветра 2 м/с (слева) и 4 м/с (справа).Расход защитного газа 30 л/мин, Н/D=191Рис. 55. Изменение конфигурации зоны газовой защиты в зависимости отскорости ветра: 2 м/с (слева) и 4 м/с (справа)Такимобразом,врезультатемоделированияустановили,чтоприменение конфузорного сопла при сварке на ветру обеспечивает жесткостьзащитной струи и максимальную эффективность газовой защиты прирасстоянии от среза до свариваемой поверхности, равном 0,5 диаметра соплаи при скорости струи, в 1,8 раза превышающую скорость ветра, чтопрактическиполностьюподтверждаетэкспериментальныеданные,полученные ранее.2.6.
Выводы главы 21. Установили, что для исследования эффективности газовой защиты вусловиях ветра можно использовать методику, основанную на оценкекачества газовой защиты поверхности свариваемых образцов по величинеплощадицветовпобежалости,наличиекоторыххарактеризуетпроникновение в зону газовой защиты воздуха.2. Для исследования эффективности газовой защиты сварочной ванныразработали универсальный стенд с многорежимной аэродинамическойтрубой и автоматической системой управления стендом, которые позволили92моделировать процесс сварки в условиях ветра при различных скоростяхистечения газа из сопла горелки и скоростях ветра с резкими усилениями.3.
Расчетно-экспериментальным методом установили, что в условияхвлияния ветра на эффективность газовой защиты, протяженность ядразащитной газовой струи определяется скоростью и режимом истеченияструи, формой и размерами сопел. Установили, что эффективность газовойзащиты и стабильность сварочной дуги повышается при увеличениискорости истечения защитной струи из конфузорного сопла сварочнойгорелки.4.Наосноверасчетно-экспериментальныхданныхопределилиоптимальные параметры режима сварки в условиях ветра в зависимости отсоотношения скоростей газовой струи и ветра, а также от расстояния междусопломисвариваемойповерхностью,установилимеждунимиколичественную связь.5. На основе математического моделирования процесса истечениязащитной газовой струи в программе ANSYS и экспериментальногомоделирования на испытательном стенде, с высокой степенью достоверностисоздали модель истечения газовой струи, установили распределениепродольного и поперечного поля скоростей истечения струи в зависимостиот формы сопла, расхода защитного газа, начальной скорости газовой струина входе в сопло и расстояния до свариваемой поверхности.6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
