pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2021-12-1-38-45pimi-698Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsРазработка конструкции исполнительного оборудования, реализующего процесс генерации капель микро- и нанодиапазонаDevelopment of Executive Equipment Design for Implementing the Process of Generating of Drops of Microand Nanoscale RangeКузнецовМ. А.KuznetsovM. A.

ул. Ленинградская, 26, г. Юрга 652055

Leningradskaya str., 26, Yurga 652055

ИльященкоД. П.IlyaschenkoD. P.

Адрес для переписки: Ильященко Д.П. – Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета, ул. Ленинградская, 26, г. Юрга 652055, Россия

e-mail: mita8@rambler.ru

Address for correspondence: Ilyaschenko D.P –  Yurga Institute of Technology National Research Tomsk Polytechnic University, Leningradskaya st., 26, 652055, Yurga, Russia

e-mail: mita8@rambler.ru

mita8@rambler.ruКрюковА. В.KryukovA. V.

ул. Ленинградская, 26, г. Юрга 652055

Leningradskaya str., 26, Yurga 652055

СолодскийС. А.SolodskyS. A.

ул. Ленинградская, 26, г. Юрга 652055

Leningradskaya str., 26, Yurga 652055

ЛавроваЕ. В.LavrovaE. V.

ул. Университетская, 7, г. Мариуполь 87500

Universitetska str., 7, Mariupol 87500

ВерхотуроваЕ. В.VerkhoturovaE. V.

ул. Лермонтова, 83, г. Иркутск 664074

Lermontova str., 83, Irkutsk 664074

Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университетаРоссияYurga Institute of Technology National Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationЮргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета; Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наукРоссияYurga Institute of Technology National Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationПриазовский государственный технический университетУкраинаPriazovskyi State Technical UniversityUkraineИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation2021190320211213845Copyright © Кузнецов М.А., Ильященко Д.П., Крюков А.В., Солодский С.А., Лаврова Е.В., Верхотурова Е.В., 20212021Кузнецов М.А., Ильященко Д.П., Крюков А.В., Солодский С.А., Лаврова Е.В., Верхотурова Е.В.Kuznetsov M.A., Ilyaschenko D.P., Kryukov A.V., Solodsky S.A., Lavrova E.V., Verkhoturova E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/698

Моделирование процессов распределения скоростей и температур в плазмообразующем канале, определение конструктивных особенностей и оптимальных параметров сопла плазмотрона является одним из перспективных направлений в развитии плазменных технологий. Целью данной работы являлось моделирование процессов распределения скоростей и температур в плазмообразующем канале и определение конструктивных особенностей и оптимальных геометрических параметров сопла плазмотрона, которое должно обеспечивать формирование необходимых направлений плазменных потоков для образования на поверхности капли жидкого металла поверхностных волн под действием исследуемых неустойчивостей.

Одной из главных задач является рассмотрение процесса формирования плазменной струи и течения электродуговой плазмы. Для получения мелкоразмерных частиц одним из главных параметров является скорость течения плазмы. Необходимо, чтобы скорость истечения плазмы была близка к сверхзвуковой. Увеличение скорости до сверхзвуковой возможно добиться за счёт конструкции сопла плазмотрона, а именно конструктивной особенностью и размерами газового канала, в котором образуется плазма. Также при моделировании учитывались размеры сопла плазмотрона, т. е. устройство должно обеспечивать сверхзвуковое течение плазмы при возможно меньших геометрических размерах.

В результате исследований получены модели процессов распределения скоростей и температур в плазмообразующем канале при минимальных и максимальных диаметрах канала. Определены конструктивные особенности и оптимальные геометрические параметры сопла плазмотрона: диаметр на входе 3 мм, диаметр выходной 2 мм.

Разработана и спроектирована конструкция исполнительного оборудования, реализующая исследуемый процесс генерации капель микро- и наноразмерного диапазона. Изготовлено сопло плазмотрона, формирующее необходимые направления плазменных потоков для образования на поверхности капли жидкого металла поверхностных волн под действием исследуемых неустойчивостей. Разработан алгоритм управления исполнительным оборудованием, реализующем процесс генерации капель микро- и наноразмерного диапазона.

Modeling of velocities and temperatures processes distribution in the plasma-forming channel determining the design features and optimal parameters of the plasma torch nozzle is one of promising directions in development of plasma technologies. The aim of this work was to simulate the processes of velocities and temperature distribution in the plasma-forming channel and to determine the design features and optimal geometric parameters of the plasmatron nozzle  which  ensures  the  formation  of  necessary  direction  of  plasma  flows for generation of surface waves on the surface of a liquid metal droplet under the influence of the investigated instabilities.

One of the main tasks is to consider the process of plasma jet formation and the flow of electric arc plasma. For obtaining small-sized particles one of the main parameters is the plasma flow  velocity.  It  is necessary that the plasma outflow velocity be close to supersonic. An increase of  the  supersonic  speed  is possible due to design of the plasmatron nozzle especially the design feature and dimensions of the gas channel in which the plasma is formed. Also the modeling took into account dimensions of the plasma torch nozzle, i. e. the device should provide a supersonic plasma flow with the smallest possible geometric dimensions.

As a result models of velocities and temperatures distribution in the plasma-forming channel at the minimum and maximum diameters of the channel were obtained. The design features and optimal geometric parameters of the plasmatron have been determined: the inlet diameter is 3 mm, the outlet diameter is 2 mm.

The design of the executive equipment has been developed and designed which implements the investigated process of generating droplets of the micro- and nanoscale range. A plasmatron nozzle was manufactured which forms the necessary directions of plasma flows for the formation of surface waves on the metal droplet surface under the influence of instabilities. An algorithm has been developed for controlling of executive equipment that implements the process of generating drops of micro- and nanoscale range.

моделированиеплазма дугисопло плазмотронагеометрические параметрыалгоритм управленияmodelingarc plasmaplasma torch nozzlegeometric parameterscontrol algorithmThe study was performed by a grant from the Russian Science Foundation (Project № 18-79-10035).ReferencesChinakhov D.A., Vorobjev A.V., Tomchik A.A. Simulation of Active Shielding Gas Impact on Heat Distribution in the Weld Zone. Materials Science Forum, 2013, no. 762, pp. 717‒721. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.762.717Chinakhov D.A., Vorobjev A.V., Tomchik A.A. Simulation of Active Shielding Gas Impact on Heat Distribution in the Weld Zone. Materials Science Forum, 2013, no. 762, pp. 717‒721. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.762.717Chinakhov D.A.,Vorobjev A.V.,Gotovshchik Y.M. Simulation of wind Influence on the thermal processes in gas-shielded welding. Applied Mechanics and Materials, 2014, no. 682, pp. 91‒95. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.682.91Chinakhov D.A.,Vorobjev A.V.,Gotovshchik Y.M. Simulation of wind Influence on the thermal processes in gas-shielded welding. Applied Mechanics and Materials, 2014, no. 682, pp. 91‒95. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.682.91Temlyancev M.V., Starikov V.S., Kondrat'ev V.G. [Modeling of temperature fields and the deformation resistance in cylindrical billets during heating from a hot fit for rolling]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. CHernaya metallurgiya. [Proceedings of higher educational institutions. Ferrous metallurgy], 2000, no. 6, pp. 51‒54 (in Russian).Temlyancev M.V., Starikov V.S., Kondrat'ev V.G. [Modeling of temperature fields and the deformation resistance in cylindrical billets during heating from a hot fit for rolling]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. CHernaya metallurgiya. [Proceedings of higher educational institutions. Ferrous metallurgy], 2000, no. 6, pp. 51‒54 (in Russian).Tashev P, Koprinkova-Hristova P, Petrov T, Kirilov L, Lukarski Y.J. Mathematical Modeling and Optimization of Parameters of the Mode for Tungsten-Inert Gas Remelting with Nanomodification of the Surface Layer. Journal of Materials Science and Technology, 2016, vol. 24, no. 4, pp. 230–243.Tashev P, Koprinkova-Hristova P, Petrov T, Kirilov L, Lukarski Y.J. Mathematical Modeling and Optimization of Parameters of the Mode for Tungsten-Inert Gas Remelting with Nanomodification of the Surface Layer. Journal of Materials Science and Technology, 2016, vol. 24, no. 4, pp. 230–243.Peng J, Yang L. Mathematical model on characteristics of V groove molten pool during MIG welding. CIESC J., 2016, no. 67 (S1), pp. 117‒126. DOI: 10.11949/j.issn.0438-1157.20160625Peng J, Yang L. Mathematical model on characteristics of V groove molten pool during MIG welding. CIESC J., 2016, no. 67 (S1), pp. 117‒126. DOI: 10.11949/j.issn.0438-1157.20160625Kumar N., Bandyopadhyay A. Simulation of the Effects of Input Parameters on Weld Quality in Laser Transmission Welding (LTW) Using a Combined Response Surface Methodology (RSM)-Finite Element Method (FEM) Approach. Lasers in Engineering, 2017, vol. 36, no. 4, pp. 225‒243.Kumar N., Bandyopadhyay A. Simulation of the Effects of Input Parameters on Weld Quality in Laser Transmission Welding (LTW) Using a Combined Response Surface Methodology (RSM)-Finite Element Method (FEM) Approach. Lasers in Engineering, 2017, vol. 36, no. 4, pp. 225‒243.Bilenko G.A., Khaibrakhmanov R.U., Korobov Y.S. Computer Simulation in Developing the Technology of Welding High-Tensile Steel Sheets. Metallurgist, 2017, no. 61(3‒4), pp. 265‒270. DOI: 10.1007/s11015-017-0487-8Bilenko G.A., Khaibrakhmanov R.U., Korobov Y.S. Computer Simulation in Developing the Technology of Welding High-Tensile Steel Sheets. Metallurgist, 2017, no. 61(3‒4), pp. 265‒270. DOI: 10.1007/s11015-017-0487-8Kuznetsov M.A., Solodsky S.A., Kryukov A.V., Ilyaschenko D.P., Verkhoturova E.V. Study of the Effect of Shielding Gas on the Plasma Flow of an Electric Arc and on the Droplet of a Molten Metal. Plasma Physics Reports, 2021, no. 1, pp. 11‒17. DOI: 10.1134/S1063780X21010098Kuznetsov M.A., Solodsky S.A., Kryukov A.V., Ilyaschenko D.P., Verkhoturova E.V. Study of the Effect of Shielding Gas on the Plasma Flow of an Electric Arc and on the Droplet of a Molten Metal. Plasma Physics Reports, 2021, no. 1, pp. 11‒17. DOI: 10.1134/S1063780X21010098Kuznetsov M.A., Zernin E.A., Danilov V.I., Zhuravkov S.P., Kryukov A.V. Optimization of the Modification Parameters of a Deposited Metal by Nanostructural Fibers of the Aluminium Oxyhydroxide. Nanotechnologies in Russia, 2019, vol. 13, no. 9–10, pp. 521–530. DOI: 10.1134/S1995078018050087Kuznetsov M.A., Zernin E.A., Danilov V.I., Zhuravkov S.P., Kryukov A.V. Optimization of the Modification Parameters of a Deposited Metal by Nanostructural Fibers of the Aluminium Oxyhydroxide. Nanotechnologies in Russia, 2019, vol. 13, no. 9–10, pp. 521–530. DOI: 10.1134/S1995078018050087Eggers J., Villermaux E. Physics of liquid jets. Reports on Progress in Physics, 2008, no. 71(3), pp. 036601. DOI: 10.1088/0034-4885/71/3/036601Eggers J., Villermaux E. Physics of liquid jets. Reports on Progress in Physics, 2008, no. 71(3), pp. 036601. DOI: 10.1088/0034-4885/71/3/036601Hornung J., Zikin A., Pichelbauer K., Kalin M., Kirchgaßner M. Influence of cooling speed on the microstructure and wear behaviour of hypereutectic FeCr-C hardfacings. Materials Science and Engineering A, 2013, no. 576, pp. 243‒251. DOI: 10.1016/j.msea.2013.04.029Hornung J., Zikin A., Pichelbauer K., Kalin M., Kirchgaßner M. Influence of cooling speed on the microstructure and wear behaviour of hypereutectic FeCr-C hardfacings. Materials Science and Engineering A, 2013, no. 576, pp. 243‒251. DOI: 10.1016/j.msea.2013.04.029Katsich C., Badisch E., Roy M., Heath G.R., Franek F. Erosive wear of hardfaced Fe-Cr-C alloys at elevated temperature. Wear, 2009, no. 267(11), pp. 1856‒1864. DOI: 10.1016/j.wear.2009.03.004Katsich C., Badisch E., Roy M., Heath G.R., Franek F. Erosive wear of hardfaced Fe-Cr-C alloys at elevated temperature. Wear, 2009, no. 267(11), pp. 1856‒1864. DOI: 10.1016/j.wear.2009.03.004Ilyaschenko D.P., Kryukov A.V., Lavrova E.V., Kuznetsov M.A., Verkhoturova E.V. Determination of the Parameters of Transported Drops of Electrode Metal by Simulation and Visualization. Devices and Methods of Measurements, 2020, vol. 11, no. 3, рр. 122–131. DOI: 10.21122/2220-9506-2020-11-3-222-227Ilyaschenko D.P., Kryukov A.V., Lavrova E.V., Kuznetsov M.A., Verkhoturova E.V. Determination of the Parameters of Transported Drops of Electrode Metal by Simulation and Visualization. Devices and Methods of Measurements, 2020, vol. 11, no. 3, рр. 122–131. DOI: 10.21122/2220-9506-2020-11-3-222-227Kuznetsov M.A., Solodsky S.A., Kryukov A.V., Ilyaschenko D.P., Verkhoturova E.V. Study of the effect of shielding gas on the plasma flow of an electric arc and on the drop of a molten metal. Applied Physics, 2020, no. 1, рр. 11–17.Kuznetsov M.A., Solodsky S.A., Kryukov A.V., Ilyaschenko D.P., Verkhoturova E.V. Study of the effect of shielding gas on the plasma flow of an electric arc and on the drop of a molten metal. Applied Physics, 2020, no. 1, рр. 11–17.Sarychev V.D., Nevskiy S.A., Kuznetsov M.A., Solodsky S.A., Ilyaschenko D.P., Verkhoturova E.V. Kelvin-Helmholtz instability and magneto-hydrodynamic instability of a cylindrical column. Applied Physics, 2020, no. 3, pp. 5–10.Sarychev V.D., Nevskiy S.A., Kuznetsov M.A., Solodsky S.A., Ilyaschenko D.P., Verkhoturova E.V. Kelvin-Helmholtz instability and magneto-hydrodynamic instability of a cylindrical column. Applied Physics, 2020, no. 3, pp. 5–10.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.