Гидродинамика заполнения капилляров

Заполнение жидкостями тупиковых капилляров

Тупиковые капилляры, составляющие большинство дефектов объектов машиностроения, железнодорожной, автомобильной, авиационной и космической техники, атомной энергетики, имеют вид тупиковых капилляров.

Основные моделируемые виды тупиковых поверхностных дефектов:

• трещины конические и цилиндрические поры;
• трещины с параллельными и непараллельными стенками;
• трещины произвольной геометрии.

Тупиковый капилляр имеет открытый доступ только с одной стороны. Поэтому заполнение тупикового капилляра отличается от сквозного тем, что паровоздушная смесь, запертая в тупиковом конце, ограничивает глубину проникновения пенетранта или другой жидкости вглубь. При пропитке тупиковых конических капилляров имеет место явление их двухстороннего заполнения.

Заполнение тупикового цилиндрического капилляра индикаторной жидкостью

Рассмотрим заполнение тупикового капилляра индикаторной жидкостью. Этот процесс делится на два этапа, принципиально различных по своей физической сущности. Первый этап начинается, когда пенетрант приходит в контакт с тупиковой капиллярной несплошностью (трещиной). Вначале благодаря силам поверхностного натяжения она быстро заполняется индикаторной жидкостью на глубину l. Но затем этот процесс существенно замедляется по мере увеличения противодействия - давления внутри тупикового конца.

Когда капиллярное давление жидкости приближается к давлению запертой парогазовой смеси в канале, первый этап заканчивается, и заполнение характеризуется вторым этапом. На этом этапе процесс заполнения переходит из капиллярной стадии в диффузионную, когда сжатый в полости дефекта воздух постепенно растворяется в пенетранте и диффундирует наружу к устью дефекта.

Учитывая, что растворимость воздуха в жидкостях при нормальных условиях невелика, диффузионная пропитка идет очень медленно и может длиться десятки минут до выявления дефектов.

Цилиндрический капилляр

В соответствии с технологическими требованиями пенетрант нельзя оставлять на поверхности контролируемого изделия длительное время из - за опасности его высыхания и потери контакта пенетранта с проявителем в устье дефекта. Поэтому зачастую в тупиковом капилляре остается запертый воздух. Очевидно, что эта паровоздушная смесь при проявлении может помогать извлечению пенетранта из трещины, т.е. играть положительную роль.

Закономерности заполнения жидкостями капиллярных дефектов тупикового типа представляют интерес не только для теоретических расчетов параметров процесса, но имеют и практическое значение. Для инженеров-технологов капиллярного контроля полезно знание таких характеристик, как предельная глубина и продолжительность заполнения жидкостью полости на заданную глубину, влияние на процесс растворения и диффузии запертого в полости газа.

Заполнение цилиндрического капилляра проникающей жидкостью

Сначала опишем перемещение мениска жидкости в цилиндрическом капилляре на первом этапе, т.е. пренебрегая процессами растворения и диффузии газа. Движущие силы процесса - это капиллярное и атмосферное давление, а также давление сжатого газа.

При этом, уравнение кинетики впитывания будет иметь вид:

Из этого уравнения определяется величина предельной глубины заполнения цилиндрического капилляра l_∞. Поскольку при l → l_∞ скорость V_cp → V₀, то