Методика моделирования течения расплава в литниковой системе с постоянным напором

Для изучения распределения скоростей потока жидкости по элементам литниковой системы целесообразно использовать метод гидромоделирования – заливки водой специального лабораторного стенда [1]. По сравнению с непосредственным наблюдением течения жидкого металла в форме (методами рентгеноскопии, помещением в форму электроконтактов и др.) у данного метода есть ряд преимуществ. Во-первых, гидромоделирование позволяет проводить исследования с меньшими материальными затратами, во-вторых, этот метод проще в технической реализации, в-третьих, эксперимент не требует особых мер по технике безопасности. Однако для проведения исследований необходимо изготовить оснастку, что требует примерного представления поведения потока. Для этого можно провести численное моделирование программными комплексами [2], такими как ProCAST, Magma, CastCAE, WinCast, Полигон и LVMFlow и др.

Для изучения течения потока в ярусной литниковой системе был спроектирован стенд. Схема стенда представлена на рис. 1 [3]. Стенд состоит из чаши-стояка 1 , горизонтального коллектора 2 , вертикального коллектора 3 и питателей 4 , имеющих разные поперечные сечения. В чаше есть специальная щель для слива избытков жидкости, что позволяет поддерживать напор постоянным. Литниковая система к началу эксперимента полностью заполнена водой. Программный комплекс ProCAST позволяет учесть этот нюанс и задать некоторые элементы литниковой системы как изначально заполненные. Для

Шумков Алексей Александрович, аспирант Мазуренко Кристина Анатольевна, магистрант Набокова Юлия Алексеевна, магистрант моделирования заливки была создана 3D-модель рассматриваемой литниковой системы (рис.2), которая помимо указанных на рис. 1 элементов содержит резервуар 5, куда будет происходить истечение. Результат моделирования представлен на рис. 3 и табл. 1.

Рис. 1. Схема стенда

Рис. 2. 3D-модель литниковой системы

Рис. 3. Результат моделирования

Таблица 1. Результаты моделирования

Скорость определяется по цветовой шкале, м/с. Видно, что скорость на выходе из нижнего питателя находится в диапазоне 18-20 м/с. Получившийся результат кажется неправдоподобным. Действительно, напор для нижнего питателя равен 0,582 м; даже при свободном падении скорость потока равна v = V2gH/а ~ 3,4 м/с. Следовательно, при решении задачи моделирования была допущена ошибка. При выборе зоны подвода жидкости в чашу нет возможности точно задать расход – это и есть искомая величина. Если задать расход на входе в чашу больше, чем расход на выходе из питателей, программа будет «вдавливать» жидкость в систему, следовательно, полученные данные о скорости будут некорректны. Если расход на входе в чашу задать меньше, чем расход питателей, то напор в чаше- стояке будет падать, и полученные результаты также будут некорректны.

Для решения данной задачи в модель были внесены коррективы (рис. 4). Была добавлена часть 6 , представляющая собой резервуар для слива избытка жидкости из чаши-стояка 1 . Тем самым удалось избежать «вдавливания» жидкости, и поддерживать напор постоянным.

Рис. 4. 3D-модель с внесенными коррективами

Результат моделирования представлен на рис. 5 и в табл. 2 [3]. На рис. 5а показана работа резервуаров для слива излишков жидкости, на рис. 5б показан результат моделирования истечения из питателей. Скорость потока на выходе из питателей определяется по цветовой шкале, м/с.

Рис. 5. Результат моделирования после внесения корректировок, м/с

На основании проведенного моделирования был изготовлен стенд. Результаты расчетов (индекс «р»), экспериментов (индекс «э») и моделирования (индекс «м») [3] представлены в табл. 2, где питатель I – первый снизу питатель, II и III – второй и третий снизу питатели, питатель IV – верхний питатель; vI, vII, vIII, vIV – скорость на выходе из соответствующего питателя. Полученный результат практически совпадает с расчетными значениями [3].

Таблица 2. Скорости потока на выходе из питателей

Выводы: использование продуктов для численного моделирования не ограничено случаями получения простых отливок и стандартными ситуациями. При корректно заданных параметрах моделирование может применяться для предварительной оценки характеристик лабораторных стендов и других случаев, когда требуется поддерживать достаточно точную величину напора.