Моделирование влияния вибраций на поверхностное натяжение капли жидкости с применением бессеточных методов

Моделирование влияния вибраций на поверхностное натяжение капли жидкости с применением бессеточных методов

Автор: Давлятшин Р.П., Перминов А.В., Баяндин Ю.В., Сауседо-зендехо Ф.Р., Трушников Д.Н.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 2, 2022 года.

Бесплатный доступ

Применение вибрационных воздействий для целенаправленного влияния на такие процессы, как формирование капли, формирование ванны расплава и кристаллизация наплавляемого валика, позволяет управлять тепломассопереносом в жидкости, процессом кристаллизации и формой валика в технологических процессах наплавки. Рассматривается влияние вибрационных воздействий на характер движения жидкости в капле, которое отражается в изменении значения коэффициента поверхностного натяжения. Предложена математическая модель течения жидкости с учетом силы поверхностного натяжения в формализме метода гидродинамики сглаженных частиц. Этот метод позволяет напрямую учитывать влияние вибрационных воздействий через введение дополнительных граничных условий. Верификация разработанной математической модели проведена в сравнении с натурными экспериментами, в которых определялась зависимость величины коэффициента поверхностного натяжения от амплитуды скорости вибрационных воздействий. Для определения коэффициента поверхностного натяжения реализовано два метода: метод висячей капли и сталагмометрический метод. Реализованная модель удовлетворительно описывает эффект снижения коэффициента поверхностного натяжения для воды. Проведена серия численных экспериментов по определению влияния вибрационных воздействий на значение коэффициента поверхностного натяжения для стали марки 12Х18Н10Т. Выявлено, что при вибрациях с амплитудой скорости, равной 2,0 м/с, наблюдается снижение значения коэффициента поверхностного натяжения на 30 %. Снижение коэффициента поверхностного натяжения должно облегчить реализацию непрерывного стекания металла с проволоки, что может положительно сказаться на формировании металла при проволочной наплавке. Таким образом предложенная математическая модель позволяет явно моделировать эффект влияния вибрационных воздействий на значение коэффициента поверхностного натяжения и позволит в дальнейшем исследовать влияние вибрационных воздействий при аддитивном производстве.

Еще

Аддитивные технологии, проволочная наплавка, математическая модель, метод гидродинамики сглаженных частиц, вибрационные воздействия, сила поверхностного натяжения

Короткий адрес: https://sciup.org/146282473

IDR: 146282473   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2022.2.07

Список литературы Моделирование влияния вибраций на поверхностное натяжение капли жидкости с применением бессеточных методов

  • Additive manufacturing of titanium-based alloys - A review of methods, properties, challenges, and prospects / T.S. Tshephe [et al.] // Heliyon. Elsevier. - 2022. - Vol. 8, № 3. -P. e09041. DOI: 10.1016/J.HELIY0N.2022.E09041.
  • Structural integrity of additively manufactured aluminum alloys: Effects of build orientation on microstructure, porosity, and fatigue behavior / P.D. Nezhadfar [et al.] // Additive Manufacturing. Elsevier. -2021. - Vol. 47. - P. 102292. DOI: 10.1016/J.ADDMA.2021.102292.
  • Physical simulations of heat-affected zone microstructures to compare weldability characteristics of additively manufactured and wrought 17-4 stainless steel / F. Kellogg [et al.] // Materials Characterization. Elsevier. - 2022. - Vol. 185. - P. 111714. DOI: 10.1016/J.MATCHAR.2021.111714.
  • Influence of ultrasonic vibration on mechanical properties and microstructure of 1Cr18Ni9Ti stainless steel / L. Qingmei [et al.] // Materials & Design. - 2007. - Vol. 28, no. 6. - P. 1949-1952. DOI: 10.1016/j.matdes.2006.04.025.
  • Cui Y., Xu C.L., Han Q. Effect of ultrasonic vibration on unmixed zone formation // Scripta Materialia. - 2006. - Vol. 55, no. 11. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2006.08.035.
  • Ultrasonic generation by exciting electric arc: A tool for grain refinement in welding process / L. He [et al.] // Applied Physics Letters. - 2006. - Vol. 89, no. 13. DOI: 10.1063/1.2357857.
  • Lei Y.C., Wang Z.W., Chen X.Z. Effect of arc-ultrasound on microstructures and mechanical properties of plasma arc welded joints of SiCp/Al MMCs // Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition). - 2011. - Vol. 21, no. 2. DOI: 10.1016/S1003-6326(11)60709-7.
  • Farrow M. Laser/Ultrasonic Welding Technique: pat. US4330699A USA. United States, 1982.
  • Dai W.L. Effects of high-intensity ultrasonic-wave emission on the weldability of aluminum alloy 7075-T6 // Materials Letters. North-Holland. - 2003. - Vol. 57, no. 16-17. - P. 2447-2454. DOI: 10.1016/S0167-577X(02)01262-4.
  • Balasubramanian K., Kesavan D., Balusamy V. Studies on the effect of vibratory treatment on reduction of solidification cracking in AA2014 aluminum alloys // Revue de Métallurgie. -2011. - Vol. 108, no. 2. - P. 89-94. DOI: 10.1051/metal/2011024.
  • Reduction of the defects of heat-resistant nickels alloys in surfacing technologies / E. Krivonosova [et al.] // PNIPU bulletin. The mechanical engineering, materials science. - 2018. - Vol. 20, no. 2. - P. 12-17. DOI: 10.15593/2224-9877/2018.2.02.
  • Wu W. Influence of vibration frequency on solidification of weldments // Scripta Materialia. - 2000. - Vol. 42, no. 7. DOI: 10.1016/S1359-6462(99)00416-9.
  • Перспективы применения лазерно-акустического метода аддитивного производства для алюминиевых сплавов / А.И. Горунов [et al.] // Аддитивные технологии: настоящее и будущее: материалы IV Международной конференции / ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов». - 2018. - С. 192-202.
  • Application of ultrasonic vibrations in welding and metal processing: A status review / S. Kumar [et al.] // Journal of Manufacturing Processes. - 2017. - Vol. 26. DOI: 10.1016/jjmapro.2017.02.027.
  • Grain structure control during metal 3D printing by high-intensity ultrasound / C.J. Todaro [et al.] // Nature Communications. - 2020. - Vol. 11, no. 1. DOI: 10.1038/s41467-019-13874-z.
  • Structure formation of high-temperature alloy by plasma, laser and TIG surfacing / E.A. Krivonosova [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. - 2018. - Vol. 1089. - P. 012019. DOI: 10.1088/1742-6596/1089/1/012019.
  • Gershuni G.Z., Lyubimov D.V. Thermal vibrational convection. - 1998.
  • Любимов Д.В., Любимова Т.П., Черепанов А.А. Динамика поверхностей раздела в вибрационных полях. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 216 с.
  • Influence of ultrasonic vibration on molten pool behavior and deposition layer forming morphology for wire and arc additive manufacturing / F. Ji [et al.] // International Communications in Heat and Mass Transfer. Pergamon. - 2022. - Vol. 130. - P. 105789. DOI: 10.1016/J.ICHEATMASSTRANSFER.2021.105789.
  • In situ high speed imaging study and modelling of the fatigue fragmentation of dendritic structures in ultrasonic fields / S. Wang [et al.] // Acta Materialia. Pergamon. - 2019. - Vol. 165. -P. 388-397. DOI: 10.1016/J.ACTAMAT.2018.11.053.
  • Grain refining of Ti-6Al-4V alloy fabricated by laser and wire additive manufacturing assisted with ultrasonic vibration / D. Yuan [et al.] // Ultrasonics Sonochemistry. - 2021. - Vol. 73. -P. 105472. DOI: 10.1016/J.ULTSONCH.2021.105472.
  • Thermal fluid dynamics of liquid bridge transfer in laser wire deposition 3D printing / R. Hu [et al.] // Science and Technology of Welding and Joining. - 2019. - Vol. 24, no. 5. - P. 401-411. DOI: 10.1080/13621718.2019.1591039.
  • Shcherbakov A.V., Rodyakina R.V., Gaponova D.A. Using of smoothed particle hydrodynamics method for constructing a mathematical model of electron-beam surfacing process // Solid State Phenomena. - 2018. - Vol. 284 SSP. - P. 523-529. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.284.523.
  • Shcherbakov A.V., Gaponova D.A., Rodyakina R.V. Numerical Modeling of Heat Transfer and Material Flow During Wire-Based Electron-Beam Additive Manufacturing // Lecture Notes in Mechanical Engineering. - 2020. - No. Icie 2019. -P. 1115-1125. DOI: 10.1007/978-3-030-22063-1_119.
  • Shcherbakov A.V., Gaponova D.A., Rodyakina R.V. Control of Weld Bead Position in Additive Manufacturing Process with Using Backscattered Electron Collector Signal. - 2020. -P. 1127-1135. DOI: 10.1007/978-3-030-22063-1_120.
  • Investigation of the optimal modes of electron-beam wire deposition / V.K. Dragunov [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2019. - Vol. 681, no. 1. DOI: 10.1088/1757-899X/681/1/012008.
  • Numerical investigation on the water entry of a 3D circular cylinder based on a GPU-accelerated SPH method / H. Zhang [et al.] // European Journal of Mechanics - B/Fluids. Elsevier Masson. - 2022. -Vol. 94. - P. 1-16. DOI: 10.1016/J.EUROMECHFLU.2022.01.007.
  • Mathematical modeling of the electron-beam wire deposition additive manufacturing by the smoothed particle hydrodynamics method / D.N. Trushnikov [et al.] // Mechanics of Advanced Materials and Modem Processes. - 2019. - Vol. 5, no. 1. - P. 4. DOI: 10.1186/s40759-019-0044-1
  • Mathematical modeling the process of wire surfacing by the smoothed particle hydrodynamics method / R.P. Davlyatshin [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. - 2021. - Vol. 1730, no. 1. -P. 012003. DOI: 10.1088/1742-6596/1730/1/012003
  • Improving the Electron-Beam Additive Manufacturing Growth of Components / D.N. Trushnikov [et al.] // Russian Engineering Research. - 2021. - Vol. 41, no. 9. - P. 874-876. DOI: 10.3103/S1068798X21090276
  • Цивильский И.В., Хамидуллин Б.А., Мельников А.С. Математическое моделирование воздействия ультразвукового поля на расплав металла // Новые технологии, материалы и оборудование российской авиакосмической отрасли: всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - 2018. -С. 520-526.
  • Temperton R.H., Smith M.I., Sharp J.S. Mechanical vibrations of pendant liquid droplets // The European Physical Journal E. -2015. - Vol. 38, no. 7. - P. 79. DOI: 10.1140/epje/i2015-15079-2
  • Galleguillos-Silva R., Vargas-Hernández Y., Gaete-Gar-retón L. Wettability of a surface subjected to high frequency mechanical vibrations // Ultrasonics Sonochemistry. - 2017. -Vol. 35. - P. 134-141. DOI: 10.1016/J.ULTSONCH.2016.09.011
  • Monaghan J.J. Smoothed particle hydrodynamics // Reports on Progress in Physics. - 2005. - Vol. 68, no. 8. - P. 1703-1759. DOI: 10.1088/0034-4885/68/8/R01
  • Brackbill J.U., Kothe D.B., Zemach C. A continuum method for modeling surface tension // Journal of Computational Physics. - 1992. - Vol. 100, no. 2. - P. 335-354. DOI: 10.1016/0021-9991(92)90240-Y
  • Adami S., Hu X.Y., Adams N.A. A generalized wall boundary condition for smoothed particle hydrodynamics // Journal of Computational Physics. - 2012. - Vol. 231, no. 21. DOI: 10.1016/j.jcp.2012.05.005
  • Adami S., Hu X.Y., Adams N.A. A transport-velocity formulation for smoothed particle hydrodynamics // Journal of Computational Physics. - 2013. - Vol. 241. DOI: 10.1016/jjcp.2013.01.043
  • Tong M., Browne D.J. An incompressible multi-phase smoothed particle hydrodynamics (SPH) method for modelling thermocapillary flow // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2014. - Vol. 73. - P. 284-292. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.01.064
  • Hansen F.K., R0dsrud G. Surface tension by pendant drop: I. A fast standard instrument using computer image analysis // Journal of Colloid and Interface Science. - 1991. - Vol. 141, no. 1. -P. 1-9. DOI: 10.1016/0021-9797(91)90296-K
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp