РАЗДЕЛ 2
Исследование влияния режима электрического разряда на эффективность
электрогидроимпульсной обработки расплава
Теоретические исследования, представленные в данном разделе, направлены на
поиск эффективных режимов ЭГИО. Для этого необходимо, прежде всего, описать
первую, разрядную стадию, проанализировать возникающие на этой стадии в
расплаве акустические возмущения и определить режимы электроразряда,
обеспечивающие эффективную обработку расплава за счет реализации в нем
интенсивных кавитационных процессов.
Вначале для различных режимов разряда определим давление, возникающее на
погруженном в расплав торце волновода, уровни которого должны превышать
кавитационную прочность расплава, и выполним спектральный анализ поступающего в
расплав на разрядной стадии поличастотного импульса давления, характеристики
которого определяют комплекс структурных изменений в обрабатываемом металле.
Представляется целесообразным сделать это на основе анализа выполненных ранее
экспериментальных работ [61, 81] по изучению динамики электрических разрядов в
воде. Затем для различных режимов разряда, энергетических параметров импульса и
конструктивных параметров волновода необходимо описать поле избыточных
давлений, возникающее непосредственно в самой емкости с расплавом во время
распространения акустической волны, проанализировать характер пульсаций
образующихся здесь газовых пузырьков и, таким образом, выявить геометрию
кавитационной зоны обработки.
2.1. Экспресс-анализ эффективного давления на торце волновода, создаваемого
единичным разрядом
Развитие кавитационных процессов в металлической жидкости на первой, разрядной
стадии ЭГИО возможно в том случае, если уровни избыточного давления,
создаваемого в расплаве за счет распространения акустической волны от канала
разряда, превышают кавитационную прочность расплава. Очевидно, что выполнение
данного условия будет зависеть как от характеристик источника возмущений, а
точнее параметров разрядного контура (емкости , напряжения зарядки накопителя ,
индуктивности , длины разрядного канала ), так и от характеристик передаточного
звена - волновода и физических свойств самой обрабатываемой среды. Что касается
источника возмущений, то в зависимости от соотношения параметров разрядной цепи
могут реализоваться различные режимы электроразряда, которые также будут
определять давление в расплаве. Покажем это простым, но эффективным методом
экспресс-анализа, минуя сложные математические выкладки.
Воспользуемся известными результатами широкомасштабных экспериментальных
исследований [61, 81], позволивших свести к безразмерному виду многообразие
электрических и гидродинамических характеристик стадии энерговыделения при
электрических разрядах в воде. Здесь установлено, что энергетические,
кинематические и гидродинамические характеристики разряда, зависящие от
параметров разрядного контура, сводятся к семействам безразмерных кривых,
которые можно описать при помощи единого критерия подобия ?. Он определяется
долей энергии, выделившейся в течение первого полупериода разрядного тока, и в
зависимости от режима электрического разряда изменяется в пределах от 0 до 1,
соответствуя в нуле режиму короткого замыкания, а при единице - апериодическому
разряду. Выделение электрической энергии при ? ? 0,8 соответствует
согласованному разряду, когда сопротивление канала равно волновому
сопротивлению разрядной цепи, а осциллограмма содержит от 1 до 2 периодов
колебаний разрядного тока. Такой разряд является оптимальным по электрическому
коэффициенту полезного действия, соответствует щадящему режиму работы
электрического оборудования и именно на его реализацию до сих пор было
направлено конструктивное исполнение ЭРГУК.
Плазменный канал достаточно точно можно представить в виде цилиндрического
образования радиусом с равномерно распределенным внутри его объема давлением .
Это давление непосредственно действует на верхний, находящийся в камере торец
волновода, который одновременно является одним из электродов, а точнее на ту
его площадку, которая контактирует с плазмой. Поэтому, чтобы определить
давление в продольной волне сжатия , которая возникает при разряде в волноводе
постоянного радиуса в, давление плазмы необходимо умножить на зависящий от
времени масштабный фактор
(2.1)
Если не учитывать затухание в волноводе, которое в твердых телах мало, можно с
достаточной степенью точности утверждать, что соотношение (2.1) будет
определять временную зависимость давления и на нижнем, контактирующем с
расплавом торце.
Для того, чтобы найти входящие в (2.1) временные функции, воспользуемся
работой, где приводится эмпирическое соотношение для временной зависимости
радиуса канала разряда в случае так называемых быстрых разрядов, т.е. когда
длительность полупериода колебаний тока в разрядной цепи ? 30 - 40 мкс (что
вполне соответствует реальным условиям эксплуатации оборудования для ЭГИО
расплава) [61]:
(2.2)
(2.3)
(2.4)
где 0- плотность воды;
0- скорость звука в воде.
Используем также данные работы, в которой после обработки экспериментальных
данных получены аппроксимационные безразмерные зависимости для давления в
канале разряда при трех характерных режимах энерговыделения - колебательном (?=
0,37), согласованном (? = 0,79) и апериодическом (? = 1) [81]:
(2.5)
Входящие в (2.5) безразмерные давление и время представлены в виде