1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Интенсификация теплоотдачи при кипении рабочих жидкостей на тепловыделяющих поверхностях является одной из ключевых задач при разработке компактных и высоконагруженных теплообменных аппаратов и систем охлаждения. Особый интерес представляют микроструктурированные поверхности, способные увеличивать плотность активных центров парообразования и повышать критический тепловой поток. В последние годы активно исследуются поверхности с различным микрорельефом, включая структуры, формируемые методом деформирующего резания [1, 2]. Этот метод позволяет значительно увеличивать площадь теплообмена и создавать полуоткрытые подповерхностные поры, которые эффективно функционируют в режиме кипения. Повышение эффективности достигается за счёт комбинирования предварительного оребрения и последующей пластической обработки поверхности обкатыванием накатным роликом [3, 4], что приводит к формированию пористого микрорельефа с частично перекрытыми подповерхностными полостями.
Получение заданных геометрических параметров теплообменной структуры осуществляется подбором технологических параметров накатки в ходе экспериментальных апробаций. Данный подход требует значительных материальных и временных затрат для получения заданных подповерхностных структур. Альтернативным вариантом является использование современных CAE-систем моделирования технологических процессов, основанных на методе конечных элементов [5]. Для оценки достоверности результатов моделирования необходима сравнительная количественная оценка результатов моделирования и реально получаемого макрорельефа. Ранее были проведены работы по CAE‑моделированию формирования оребрения [6], включая сравнительные исследования с использованием DEFORM‑3D и других программных комплексов [7].
Тем не менее, систематические данные о применении этих методов именно для формирования микроструктурированных поверхностей кипения на медных трубах с предварительно сформированным оребрением, а также о сопоставлении расчётной геометрии с экспериментальными результатами, практически отсутствуют.
В связи с этим настоящая работа посвящена конечно-элементному моделированию процесса формирования микроструктурированных поверхностей кипения методом обкатывания накатным роликом по оребрённым медным трубам. Основная цель исследования заключается в оценке точности воспроизведения геометрических параметров макрорельефа и проверке применимости численного моделирования для прогнозирования формы поверхностей, предназначенных для интенсификации теплоотдачи при кипении различных жидкостей.
2 Материалы и методы
Проверка адекватности полученных моделированием геометрических параметров поверхностей кипения проводилась их сравнением с реально полученной поверхностью на образце [3]. Этапы при моделировании были следующие: проектирование геометрии накатного ролика и заготовки, расположение созданных объектов в пространстве относительно друг друга, выбор инструментального материала и материала заготовки, выбор режимов накатывания (величина заглубления ролика, обороты шпинделя). Моделировался процесс накатывания при обработке чистой меди.
В качестве референсов для 3D-моделей были взяты реально полученное оребрение и реальный профиль накатного ролика. На рис. 1 представлено профилирование зуба накатного ролика по фото. Его диаметр – 19,05 мм. На рис. 2 представлено профилирование ребра из эксперимента [3] по фотографии. Шаг ребра – 0,1 мм. Восстановленная по микрофотографиям высота ребра составила 205 мкм, что согласуется с номинальным значением 220 мкм, указанным авторами. Для уменьшения машинного времени в симуляции использована не полноразмерная заготовка, а только ее участок, непосредственно участвующий в процессе деформирования накатным роликом.
|
Рисунок 1 – Профилирование зуба |
Рисунок 2 – Профилирование |
Накатка моделировалась как абсолютно твердое тело. Заготовка – как деформируемое. Фиксация заготовки осуществлялась по плоскости, представленной на рис. 3. Все движения были рассмотрены относительно заготовки, следовательно, движение накатного ролика было задано двумя вращениями: вокруг оси заготовки Z1 и вокруг своей оси Z2. Зацепление ролика с заготовкой было рассмотрено как взаимное вращение двух дисков без проскальзывания. На рис. 4 представлена общая схема, где показаны начальные положения инструмента и заготовки, а также движения ролика, где ω1 равна числу оборотов шпинделя в минуту, а ω2 рассчитывается исходя из равенства линейных скоростей заготовки и ролика в точке контакта. Число оборотов шпинделя в минуту – 50 об/мин. Заглубление накатного ролика – 0,08 мм. Ось ролика расположена параллельно оси заготовки. Продольная подача не учитывалась. В процессе моделирования использование смазочно-охлаждающих жидкостей не предусматривалось. Коэффициент трения между накатным роликом и заготовкой принимался равным 0,4. Это значение является средним, если сравнивать с источниками [7, 8]. Было принято решение взять коэффициент меньше 0,5, так как в источнике [7] рассматривалось резание, где коэффициент будет больше за счет более химически активных вновь образовывающихся ювенильных поверхностей. Размер конечных элементов в сетке принят в диапазоне от 0,006 мм до 0,012 мм.
|
Рисунок 3 – Фиксация заготовки |
Рисунок 4 – Схема движения накатного ролика |
В дальнейшем было произведено сравнение полученной геометрии микроструктурированной поверхности со шлифом по дну впадины, полученным в результате эксперимента [3].
3 Результаты исследований
Таблица 1 – Сравнение полученных величин
|
Величина |
Эксперимент, мкм |
DEFORM-3D, мкм |
Расхождение, % |
|
Глубина впадины |
134 |
134 |
0 |
|
Ширина ребра на высоте 67 мкм |
72 |
75 |
+4 |
|
Шаг ребра |
100 |
100 |
0 |
|
Рисунок 5 – сечение по дну впадины, сравнение профилей (схематично) |
а б а – DEFORM-3D; б - фотография Рисунок 6 – Вид, параллельный осевой плоскости |
||
|
а |
б |
в |
|
а – DEFORM-3D; б – наложение профиля из DEFORM-3D на фотографию; в – фотография
Рисунок 7 – Сечение по дну впадины, сравнение профилей по микрофотографии
4 Обсуждение и заключение
Полученные результаты показали, что использование программного комплекса DEFORM-3D позволяет корректно воспроизводить основные закономерности пластического течения материала и формирование микрогеометрии рельефа при заданных технологических параметрах обработки. Сопоставление расчётных данных с экспериментальными наблюдениями свидетельствует о качественном соответствии моделируемой и реальной геометрии поверхности, что подтверждает адекватность выбранной модели и корректность принятых допущений.
Таким образом, показано, что конечно-элементное моделирование в DEFORM-3D является эффективным и достоверным инструментом для анализа и прогнозирования процесса формирования микроструктурированных поверхностей кипения и может быть использовано на этапе инженерного проектирования теплообменных поверхностей без необходимости выполнения большого объёма трудоёмких экспериментальных исследований.
