Pārneses procesu dinamikas modelēšana strukturētu, porainu un daudzslāņu materiālu tehnoloģijās, ievērojot fizikālās mijiedarbības un īpašību nelinearitāti

Pārneses procesu dinamikas modelēšana strukturētu, porainu un daudzslāņu materiālu tehnoloģijās, ievērojot fizikālās mijiedarbības un īpašību nelinearitāti

A. Jakovičs
 

1. Metodika kompozītu būvizstrādājumu efektīvās siltuma vadītspējas aprēķinam, ievērojot komponenšu būtiski atšķirīgo vadītspēju, gāzes konvekciju un starojuma siltuma apmaiņu.

Lai būtiski samazinātu dažādu būvkonstrukciju siltuma caurlaidību, saglabājot tām nepieciešamo mehānisko stiprību, tās veido daudzslāņainas vai arī kā kompozītus, kas sastāv no komponentēm ar ļoti atšķirīgām siltuma caurlaidības īpašībām, piem., iestrādājot betonā polistirola lodītes vai keramzītu. Izplatītas ir arī tehnoloģijas, kur materiālā tiek veidota mikro- un makrodobumu struktūra, piem, putubetons, putupoliuretāns, Keraterm bloki. Māls ir īpaši pateicīgs materiāls, lai tā apdedzināšanas procesā veidotu šādas ar gāzi (parasti gaisu) pildītas vairākmērogu dobumu struktūras, bet šādu būvizstrādājumu efektīvā siltuma vadītspēja ir ļoti būtiski atkarīga gan no šo dobumu izmēriem, gan to izvietojuma struktūras. Bez tam šo vadītspēju būtiski ietekmē gan gāzes konvekcijas intensitāte dobumos, kas pieaug līdz ar temperatūru starpību, gan siltuma starojums starp tā virsmām. Tādējādi siltuma apmaiņas process šādos kompozītos būvizstrādājumos kļūst būtiski nelineārs un īpašību pētījumiem nepieciešami atbilstošie matemātiskie modeļi, kas ievēro visus trīs minētos siltuma apmaiņas mehānismus.

 

Temperatūru un ātrumu sadalījums blokā ar dobumiem

 

 

 

Projektā izveidota un, izmantojot komerciālo modelēšanas programmu ANSYS/CFX izmēģināta skaitliska metodika šādu kompozītu būvizstrādājumu ar eliptiska šķērsgriezuma dobumu struktūru siltuma caurlaidības parametriskai analīzei. Izveidotā metodika nozīmīga šādu būvizstrādājumu siltumizolējošo īpašību uzlabošanai, optimizējot mkro- un makrodobumu struktūru. Šajā jomā plānota sadarbība ar Latvijas būvmateriālu ražotājiem un noslēgts pētniecisks līgums ar Koksnes ķīmijas institūtu par putupoliuretāna, ko iegūst no atjaunojama resursa – rapšu eļļas, siltumtehnisko īpašību izpēti. Par šo pētījumu rezultātiem ublicēšanai iesniegts zinātnisks raksts.

 

2. Metodika neausto kompozītmateriālu sīkstruktūras automātiskai atpazīšanai un raksturīgo parametru noteikšanai, izmantojot digitālos mikrofotoattēlus.

Kompozītmateriālu, kurus veido daudzslāņu armējošo šķiedru kūļu ar atšķirīgiem saišķu orientācijas leņķiem struktūra, impregnēšanas procesa norises ātrums un kvalitāte ir būtiski atkarīga no šīs struktūras (spraugas starp slāņiem, kūļiem un atsevišķām šķiedrām) neregularitātēm, ko nosaka konkrētās materiāla izgatavošanas rūpnieciskās tehnoloģijas īpatnības. Modeļi impregnēšanas procesa ar polimēru sveķiem un hidrauliskās pretestības aprakstam idealizētās (regulārās) divdimensionālās struktūrās ir labi izstrādāti, bet to sniegtie rezultāti ļoti būtiski atšķiras no industriālajās tehnoloģijās novērotajiem procesa raksturlielumiem. Tādēļ viens no etapiem kvalitatīvu impregnēšanas procesa modeļu izveidei ir reālo šķiedru kūļu struktūru ar eksistējošiem defektiem un starpkūļu saitēm automatizēta atpazīšana, lai noteiktu šo struktūru raksturīgos ģeometriskos parametrus un to izkliedi. Izstrādātā metodika, matemātiskais algoritms un atbilstošā programma to nodrošina un tiek izmantota nepieciešamo ieejas datu ieguvei impregnēšanas ar polimēru sveķiem modeļiem. Izstrādne ir nozīmīga impregnēšanas tehnoloģiju pilnveidošanā, sadarbība šajā jomā rit ar Lulea tehniskās universitātes Hidromehānikas nodaļu. Par šo pētījumu rezultātiem publicēts zinātnisks raksts.

 

Tipiska armējuma struktūra

 


3. Matemātiskais modelis un datorprogramma šķidruma dinamikas vairākmērogu poru sistēmā izpētei (poru dupleta modelis).

Gan kompozītmateriālos auto un aviācijas industrijai, kur spraugu izmēri starp armējuma slāņiem, kūļiem un šķiedrām kūļu iekšienē atšķiras vairāk nekā par lieluma kārtu, gan būvizstrādājumos, kur tiek iestrādātas mikro- un makroporas, svarīga ir šķidrumu (polimēru sveķi, ūdens vai cits šķidrums) frontes pārvietošanās dinamika būtiski atšķirīgu izmēru, bet savstarpēji saistītās poru (spraugu) sistēmās. Tomēr eksperimentāli pētījumi praktiski iespējami tikai relatīvi vienkāršās poru sistēmās. Vienu no šādiem modeļiem, kuram veikti vispusīgi eksperimenti, veido divas paralēlas poras, kas perpendikulāri to virzienam savā starpā saistītas ar daudzu smalkāku kapilāru sistēmu. Lai pārbaudītu fizikālo nostādņu un iespējamo modeļpieņēmumu pareizību, atbilstoši šai eksperimenta nostādnei tika izveidots matemātiskais modelis un skaitliska aprēķina metode. Veiktie modeļaprēķini ļāva pilnībā (gan kvalitatīvi, gan kvantitatīvi) izskaidrot minēto eksperimentālos rezultātus, par ko publicēšanai iesniegts zinātnisks raksts. Tādējādi aprobēts modelis un sagatavota bāze turpmākai filtrācijas procesu analīzei sarežģītākās struktūrās.


Kapilāru aizpildīšanās ātrumu attiecība atkarībā no to rādiusu attiecības un attāluma līdz fāzu virsmai

 

4. Matemātiskais modelis un datorprogramma gāzes burbuļu dinamikas analīzei daudzslāņu neausto kompozītmateriālu impregnēšanas procesā.

Ievērojot būtiski atšķirīgos spraugu izmērus starp armējuma slāņiem, kūļiem un šķiedrām kūļu iekšienē, polimēru sveķu virsmas frontes pārvietošanās šādu struktūru impregnēšanas procesā ir ļoti nevienmērīga. Tā rezultātā var veidoties gāzes ieslēgumi, kuri mijiedarbojoties ar armējuma elementiem pārvietojas un transformējas līdz ar plūsmu. Gala produkta (kompozīta) kvalitātes un stiprības nodrošināšanai nepieciešams, lai impregnēšanas procesa noslēguma fāzē to koncentrācija materiālā būtu nenozīmīga, kas būtiski limitē impregnēšanas procesa ātrumu, t.i., samazina tehnoloģisko procesu ražību. Līdz šim burbuļu dinamikas procesi galvenokārt tika apskatīti ļoti vienkāršotās divdimensionālās nostādnēs. Izveidots oriģināls matemātiskais modelis un atbilstoša datorprogramma šādu gāzes burbuļu dinamikas (pārvietošanās, tilpuma maiņa, sapūšana utml.) pētījumiem. Darbu turpinot, plānota šī modeļa eksperimentāla verifikācija un pilnveidošana, kā arī tā lietojumi konkrētu tehnoloģisko procesu analīzei.

 


Šķidruma frontes pārvietošanās šķiedru struktūrā (pa kreisi) un burbuļu pārvietošanās caur šķiedru režģi