Построение расчетной сетки коаксиального сопла

Создана расчетная пространственная сетка коаксиального сопла для лазерной наплавки, модель Precitec YC52, максимально точно учитывающая форму поверхности и габариты реальной системы. Детально смоделировано внутреннее строение головки лазерной наплавки, включая каналы системы подачи защитного и несущего газов, конусообразный рассекатель внутреннего потока и кольцевое отверстие выхода газа с взвешенными в нем частицами. Осесимметричные части геометрии сгенерированы в виде NURBS-поверхностей, представляющие собой тела вращения профиля вертикального среза стенок коаксиального сопла, как показано на рис. 1 (а). Переход к заданной сплайнами NURBS-геометрии вызван необходимостью совершения сложных логических операций вычисления объединения, разности и пересечения объемов расчетного домена.

Рис. 1. а) Непрерывная аналитическая сплайновая (NURBS) внешняя поверхность системы YC52 без коаскиальной насадки. Черными крестиками показаны опорные точки сплайнов. б) Вариант дискретной сетки поверхности с насадкой. в) Трехмерная объемная сетка, полученная логическим вычитанием объема, ограниченного поверхностью сопла из кубического объема, заполненного газом. Четыре трубки ввода частиц обрезаны для ускорения расчетов. Зеленым цветом показаны поверхности для задания входных потоков газа.

Аналогичные операции для триангулированной (то есть, заранее дискретной) поверхности оказались невозможны без значительных погрешностей, приводящих к появлению «висячих узлов» и расхождению симуляции газовой динамики. Непрерывная NURBS-сетка затем была скорректирована на основании данных пространств.енного трехмерного лазерного сканирования головки сопла.

По полученной сетке для поверхности сопла, пространственной экспансией создана полная трехмерная объемная расчетная сетка (рис. 2), которая состоит из 3 млн. гибридных ячеек: тетраэдрических и гексагональных с преобладанием последних. Цветами показаны домены, отвечающие за внутренние конусы и пространство, занимаемое в них газом. Для удобства последующих расчетов, домены, отвечающие за твердое тело (медь, сталь) и домены с газом были сгруппированы таким образом, что финальная сетка состоит из двух доменов: твердый и жидкий. Поскольку, в модели можно пренебречь теплопередачей между газом и стенками самой насадки, соответствующий твердый домен исключается из рассмотрения. Это уменьшает кол-во ячеек сетки на 30%, ускоряя расчеты. При этом количество слоев ячеек в двух кольцевых зазорах между конусами сопла составляет 20 в самом узком месте и 40 в широком. Закон расширения размеров ячеек сетки в пространство: линейный.

Для эффективного моделирования взаимодействия лазерного пучка с поверхностью металла, где производится наплавка, расстояние от металла до конца коаксиального сопла поделено на 40 слоев ячеек сетки. Такой пограничный слой обеспечивает хорошую детализацию численного решения системы уравнений Навье-Стокса и уравнения теплопроводности в зоне действия лазерного луча.

Рис. 2. Поперечное сечение пространственной расчетной сетки для коаксиального сопла YC52.

Частицы вводятся с газом (аргон) по 4 симметричным каналам, суммарный расход газа через которые составляет 16 л/мин. Центральный канал с лазерным лучом также продувается аргоном (расход = 2 л/мин) во избежание попадания частиц на оптику, которая формирует лазерный пучок.

Расстояние между нижним концом сопла и поверхностью наплавки изначально было задано равным 4 см – это достаточно много и непригодно для практических целей, однако позволяет определить область фокусировки газовых струй. Наши расчеты газовой динамики показали, что область фокусировки соответствует расстоянию 7.5 мм. В дальнейшем для моделирования частиц сетка была перестроена так, чтобы расстояние между концом сопла и поверхностью титана сало равно рассчитанному, 7.5 мм. Тем самым, используется две отдельных расчетных сетки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Во время научно-исследовательской работы в полной мере овладели способностью к абстрактному мышлению, обобщению и анализу. Выявили приоритеты решения задач, выбрали и создали критерии оценки.

Также были разработаны математические модели коаксиальных сопел и выбран численный метод их моделирования. Овладели разработкой технических заданий на проектирование приспособлений. Разработаны методы инженерного прогнозирования и диагностические модели состояния лазерных приборов, систем и комплексов впроцессе их эксплуатации.

Во время научно-исследовательской работы в полной мере использовали иностранный язык в профессиональной сфере.