ИСТИНА

Объект исследования: процесс сопряженного теплообмена между высокотемпературной металлической заготовкой и охлаждающим потоком газожидкостной среды. Предмет исследования: математические модели, описывающие параметры переноса массы, импульса и энергии в сплошных гетерогенных средах. Цель работы: получение научно обоснованных закономерностей нерегулярного режима охлаждения высокотемпературной металлической заготовки по-током газожидкостной среды на основе математической модели сопряженного теплообмена. Научная новизна: 1) Сформулирована научная проблема теоретического исследования нерегулярных режимов охлаждения высокотемпературной металлической заготовки потоком газожидкостной среды на основе математической модели сопряженного теплообмена. 2) Созданы новые математические модели сопряженного теплообмена, описывающие изменения теплофизических параметров веществ при нерегулярном режиме охлаждения высокотемпературной металлической заготовки потоком газожидкостной среды с учетом парообразования в жидкости. 3) Разработаны новые алгоритмы, позволяющие производить численные расчеты сопряженного теплообмена при нерегулярном режиме охлаждения высокотемпературной металлической заготовки потоком газожидкостной среды и на-ходить распределение гидродинамических и тепловых параметров веществ с учетом парообразования в жидкости. 4) Впервые при нерегулярных режимах охлаждения получены результаты параметрических численных исследований и выделены закономерности, определяющие влияние гидродинамических и теплофизических параметров охлаждаю-щей среды на скорость охлаждения высокотемпературной металлической заготовки из конструкционной стали. 5) Теоретически и экспериментально исследованы нерегулярные режимы охлаждения высокотемпературной металлической заготовки потоком недогретой до насыщения воды и определены новые закономерности изменения скорости охлаждения в объеме металла. 6) Впервые при нерегулярных режимах охлаждения высокотемпературной металлической заготовки потоком газожидкостной среды получены численные значения скорости охлаждения, позволяющие прогнозировать образующуюся структуру конструкционной стали и существенно сократить время на отработку технологических режимов охлаждения. 7) По тематике исследования разработаны математические модели и новые методики численного решения. Получены свидетельства о государственной реги-страции программ для ЭВМ № 2016613830 от 07.04.2016 г., № 2016663955 от 20.12.2016 г., № 2016616252 от 08.06.2016 г., № 2016611968 от 15.02.2016 г., № 2016619727 от 26.08.2016 г., № 2016615160 от 17.05.2016 г., № 2017611429 от 02.02.2017 г., № 2017616696 от 10.06.2017 г., № 2017610043 от 09.01.2017 г., № 2018614646 от 13.04.2018 г. Патенты РФ на изобретение № 2353669 от 27.04.2009 г., № 2354712 от 10.05.2009 г. Практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований использованы в проектно-конструкторской деятельности ФГБУН ИМ УрО РАН при модернизации систем охлаждения цилиндрических заготовок из конструкционной стали 30ХГСН2А диаметром (15 – 30) мм. Полученные численные значения локальной скорости охлаждения высокотемпературной металлической заготовки из конструкционной стали при нерегулярных режимах охлаждения потоком газожидкостной среды позволили произвести прогноз образования структуры и физико-механических свойств материала заготовки. Расчетные методики использованы в научно-исследовательской деятельности ООО «Центра научно – технических исследований и разработок» г. Ижевск при отработке технологии охлаждения термически упрочняемых цилиндрических заготовок из конструкционных сталей (60С2, 12Х18Н9Т, 30ХГСН2А), диаметром (15 - 35) мм, потоком газожидкостной среды. Применение методик позволило обеспечить требуемые условия охлаждения для формирования физико-механических и прочностных характеристик заготовок при термомеханическом упрочнении на предприятии ООО «Нано-Т» г. Ижевск. Разработаны и внедрены: новая конструкция охлаждающего устройства и способ охлаждения высокотемпературной металлической заготовки. Применение устройства и способа позволили создать режимы охлаждения, требуемые для формирования заданной структуры и физико-механических свойств цилиндрических заготовок штанг глубинных нефтяных насосов, при термомеханической обработке на ОАО «Ижнефтемаш», г. Ижевск. Результаты диссертационной работы в виде математических моделей, численных алгоритмов и прикладных программ расчета процессов тепло- и массобмена при нерегулярных режимах охлаждения нагретых металлических тел используются в учебном процессе ФГБОУ ВО Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Энергетическое машиностроение» и «Технологические машины и оборудование». Методы исследования базируются на фундаментальных положениях механики сплошных сред, законах сохранения и преобразования энергии, термодинамики, тепло- и массообмена, представленных в виде систем дифференциальных и алгебраических уравнений, совокупности теоретических и экспериментальных данных о тепловых и гидродинамических параметрах охлаждающих многофазных средах и теплофизических параметрах охлаждаемых металлических заготовок. Использованы оригинальные численные алгоритмы и авторские программы для ЭВМ. Основные результаты. 1) Сформулирована научная проблема теоретического исследования нерегулярных режимов охлаждения высокотемпературной металлической заготовки потоком газожидкостной среды, на основе математической модели сопряженного теплообмена. 2) Созданы новые математические модели сопряженного теплообмена, описывающие изменения теплофизических параметров веществ при нерегулярном режиме охлаждения высокотемпературной металлической заготовки потоком газожидкостной среды с учетом парообразования в жидкости. 3) Разработаны новые алгоритмы, позволяющие производить численные расчеты сопряженного теплообмена при нерегулярном режиме охлаждения высокотемпературной металлической заготовки потоком газожидкостной среды и находить распределение гидродинамических и тепловых параметров веществ с учетом парообразования в жидкости. 4) Впервые при нерегулярных режимах охлаждения получены результаты параметрических численных исследований и определены закономерности, определяющие влияние гидродинамических и теплофизических параметров охлаждающей среды на скорость охлаждения высокотемпературной металлической заготовки из конструкционной стали. 5) Теоретически и экспериментально исследованы нерегулярные режимы охлаждения высокотемпературной металлической заготовки потоком недогретой до насыщения воды и определены новые закономерности изменения скорости охлаждения в объеме металла. 6) Впервые при нерегулярных режимах охлаждения высокотемпературной металлической заготовки потоком газожидкостной среды получены численные значения скорости охлаждения, позволяющие прогнозировать образующуюся структуру конструкционной стали и существенно сократить время на отработку технологических режимов охлаждения. 7) Разработанные теоретические положения позволили с единых позиций механики сплошной среды описать процессы переноса тепловой энергии в гетерогенной среде и построить математические модели сопряженного теплообмена, описывающие нерегулярные режимы охлаждения высокотемпературной металлической заготовки потоком газожидкостной среды с учетом парообразования в жидкости. 8) Разработанные математические модели и их численная реализация позволили получить новые результаты по теплообмену при нерегулярных режимах охлаждения высокотемпературной металлической заготовки из конструкционной стали (начальной температурой (800-900)°С, диаметром (15-30) мм), потоком недогретой до насыщения воды с учетом парообразования в жидкости. 9) Проведенными численными исследованиями нерегулярных режимов охлаждения высокотемпературной металлической заготовки потоком воды со скоростью (0,1 - 1) м/c и недогревом (80 - 20)°С показано, что образующийся в потоке жидкости пар снижает интенсивность отвода тепла от высокотемпературной металлической заготовки, что приводит к увеличению времени охлаждения заготовки в среднем на 10%. 10) Параметрическими исследованиями нерегулярных режимов охлаждения показано, что существенное влияние на изменение температуры охлаждаемой заготовки оказывает скорость потока газожидкостной среды, с увеличением которой сокращается доля образующегося пара в жидкости и толщина парового слоя у сопряженной границы сред, при этом основной теплообмен в жидкости происходит на расстоянии порядка 0,001 м от охлаждаемой поверхности. 11) Полученные численные значения локальной скорости охлаждения высокотемпературной металлической заготовки из конструкционной стали позволили произвести прогноз образования структуры и физико-механических свойств материала при нерегулярных режимах охлаждения заготовки в зависимости от скорости течения газожидкостной среды, геометрии охлаждаемой заготовки, температуры сред и времени процесса охлаждения. 12) Разработанные и внедренные новая конструкция охлаждающего устройства и способ охлаждения, позволили создать потоком воды скорости охлаждения, требуемые при термомеханическом упрочнении высокотемпературной металлической заготовки.