ВВЕДЕНИЕ 8
I ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
1.1 Физическая и математическая постановка задачи 9
1.2 Граничные условия 12
1.3 Постановка задачи в переменных «функция тока вихрь» 15
II ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ 16
III АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННЫХ РАСЧЕТОВ
3.1 Достоверность 19
3.2 Анализ влияния режимных параметров на аэродинамику и
тепломассоперенос 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 33
V ЛИТЕРАТУРА
В настоящее время ведется разработка новых способов эффективного восстановления тугоплавких металлов. Огромное внимание уделяется восстановлению их из металлической стружки для повторного использования в производстве сложных покрытий аэрокосмической отрасли.
Вольфрам W, в отличии от остальных металлов, обладает особой твердостью и тугоплавкостью. Покрытие вольфрамом нашло применение как жаростойкое при работе изделий в агрессивных средах. Благодаря этим свойствам его добыча вызывает огромный интерес.
Проблема утилизации вольфрама отличается особой актуальностью. Существует технология, благодаря которой из порошка вольфрама можно получить новое сырье.
Порошок металла осаждается из парогазовой фазы с помощью восстановления гексафторида вольфрама водородом. Гексафторид вольфрама предварительно получают фторированием металлической стружки в камере химического реактора [6]:
W+3F2--WF-.
Рабочая зона химического реактора представляет собой цилиндрическую камеру с нагреваемой подложкой, на которой происходит гетерогенная экзотермическая реакция. Газообразный фтор подается в камеру, на подложке которой расположен слой порошкообразного вольфрама. Начало реакции сопровождается нагреванием подложки до 300°С. Далее температура химического превращения поддерживается без подвода тепла за счет диффузионного потока на поверхности подложки (выделяемого тепла).
Для полноты проведения химической реакции процесс фторирования проходит при малых скоростях смеси газов. Среда считается несжимаемой.
Целью работы является численное моделирование аэродинамики и тепломассопереноса фторирования тугоплавкого металла. Задача описывается уравнениями переноса импульса, вещества и теплоты [2], уравнением неразрывности. Для подтверждения достоверности, решение уравнений Навье-Стокса проводилось двумя способами: в переменных «функция тока - вихрь» и «скорость - давление» [3]. Влияние изменения плотности учтено на основе подхода Буссинеска.
Новизна работы заключается в расчете скорости в реакционной зоне. Уникальность подхода в том, что, зная стехиометрические коэффициенты реакции, можно определить скорость образования гексафторида вольфрама и расходования фтора.
1. В работе представлена физическая и математическая модель процесса фторирования вольфрама;
2. Задача поставлена двумя способами задания граничных условий в зоне реакции: с учетом выделения тепла за счет реакции и при поддержании постоянной температуры;
3. Численный метод решения задачи проводился с использованием двух подходов: в переменных «скорость - давление» и в физических переменных «вихрь - функция тока». Для решения задачи, используя два похода, написана программа на языке Fortran;
4. Получено распределение радиальной и аксиальной составляющих скорости, изолиний концентрации и теплоты, функции тока, а также исследована интегральная характеристика - эффективность прохождения реакции;
5. Достоверность численного решения подтверждается тестовыми исследованиями, проверкой сеточной сходимости, а также сравнением решения, полученного в переменных «функция тока - вихрь» с численным решением в переменных «скорость - давление».
6. Разработанная модель может быть использована для разработки новых конструкций химических реакторов и оптимизации геометрических и режимных параметров.
