Моделирование процесса лазерного воздействия на вертикальную струю жидкого металла с помощью пользовательских подпрограмм в коммерческом инженерном пакете Star-CD

 

При разработке некоторых конструктивных технологических решений связанных с созданием источников концентрированного светового излучения в качестве самовосстанавливающихся электродов используется вертикальная струя жидкого металла с низкой температурой плавления. Такая струя, имеющая характерный поперечный размер (ширина струи) порядка нескольких миллиметров, представляет собой плоскую тонкую струю толщиной в 10 раз меньше характерного размера. Схема работы подобной установки показана на рисунке 1.

 


 

Рис. 1. Схема истечения

Струя испытывает комплексное импульсное силовое высокочастотное воздействие со стороны лазера и лоренцевых сил. Эпюра приращения скорости жидких частиц металла описывается следующим уравнением.

(1)

 

 

Задача состоит в моделировании указанного взаимодействия и анализе эволюции струи.
Для решения данной задачи был использован программный комплекс STAR-CD. Данный программный продукт обеспечивает решение уравнений Навье-Стокса с учетом Рейнольдсовых турбулентных напряжений [1], а для определения положения поверхности раздела сред используется метод Volume of fluid (VOF) [2].
Задача осложняется тем, что в определенный момент времени соответствующий коротким силовым воздействиям необходимо было знать координаты ячеек, заполненных жидкостью. С этой целью была разработана программа сканирования расчетной области.
Решение осуществляется на Эйлеровой разностной сетке. Задача решается в нестационарной постановке. Расчётный алгоритм строится следующим образом. В начальный момент времени вся расчётная область заполнена покоящимся газом с давлением p0 . Расчёт осуществляется до момента формирования установившейся струи, протекающей вдоль всей расчётной области и вытекающей через нижнюю границу расчётной области.
После того как струя сформировалась, расчёт останавливается и с помощью пользовательской подпрограммы анализируется полученное поле течения. Анализ заключается в следующем. Определяются те ячейки разностной сетки, в которых концентрация скаляра С0 < C < 1, где С0 > 0 некоторое заданное значение концентрации (например, С0 = 0, 5) (рис. 2). В соответствии с методом VOF в этих

 

 

Рис. 2. Фрагмент загрубленной расчетной сетки с полем концентрации

 

ячейках находится движущаяся тяжёлая жидкость, которая согласно принятой постановке задачи испытывает мгновенное импульсное воздействие. В этих ячейках к полученным в результате расчёта векторам скоростей добавляется приращение скорости Vx, определяемая в соответствии с выражением (1).
Полученное таким образом поле параметров течения используется в качестве начального поля для продолжения расчёта. Следующий этап расчёта ведётся в течение времени, соответствующего периоду между импульсными воздействиями tf = 1/f . Далее процедура повторяется. Согласно постановке задачи расчёт ведётся до момента установления стационарной либо периодической картины течения.
Сделать аналитические или эмпирические оценки было невозможно поэтому основывались только на результатах компьютерного моделирования протекающего процесса.
Ниже приводятся некоторые, полученные в процессе методического отладочного счета, фрагменты результатов.
На рис. 3 показана деформация струи в области приложения импульса плазменного потока и импульса лазерной аббляции после двух импульсов.

 

 


 

 

Рис. 3. Поле концентрации. Деформация струи после двух импульсов

 

На рис. 4 показана ступенчатая форма струи в верхней её части в результате воздействия электромагнитных импульсов. В связи с тем, что Сила Лоренца, действует на всю площадь сечения струи, возмущение идет по всей плоскости струи с периодичностью.
После проведения 17-ти импульсов, появилась ярко-выраженная частичная дефрагментация струи. Неустойчивости возникали на стороне противоположной месту удара. Форма участка такой возмущенной струи показана на риc. 5.
На рис. 6 изображена форма участка струи после 21-ого импульса. В результате продолжения счета, была обнаружена цикличность процесса.

 


 

Рис. 4. Форма струи при действии силы Лоренца

 

 

Рис. 5. Форма участка струи после 17-ого удара

 

 

Рис. 6. Форма участка струи после 21-ого удара

 

Список литературы

  1. METHODOLOGY STAR-CD VERSION 3.26;
  2. Hirt, C.W., and Nicholls, B.D. 1981. ‘Volume of ?uid (VOF) method for the dynamics of free boundaries’, J. Comput. Phys., 39, pp. 201-225;

 

Москва 2009