بخشی از مقاله
چکیده :
در این مقاله رفتار حرارتی سلاح در شلیک های متمادی بصورت عددی بررسی شده است. برای این منظور در ابتدا مساله بالستیک داخلی سلاح با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی و شبکه متحرک برای یک شلیک و در یک دامنه محاسباتی بزرگ حل شده است. پس از شبیه سازی بالستیک داخلی، دمای گازهای ناشی از احتراق و ضریب انتقال حرارت جابهجایی استخراج شده و به عنوان شرط مرزی در تحلیل حرارتی استفاده شده است و بدین طریق توزیع دما در لولهی سلاح در جهات محوری و شعاعی بدست آمده است.
حل بدست آمده برای میدان جریان در یک شلیک برای شلیک های بعدی نیز قابل تعمیم است ولی رفتار حرارتی سلاح در شلیک های متمادی با توجه به تاریخچهی دمای گاز و ضریب انتقال حرارت درون لوله پس از خارج شدن مرمی بررسی شده است. همچنین اثر استفاده از آب به عنوان سیال خنک کننده لوله سلاح نسبت به حالتی که جابجایی آزاد مکانیزم اصلی خنک کاری بوده است نیز مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که حضور سیال فعال در اطراف لولهی سلاح برای حفظ نرخ نواخت بالای سلاح امری ضروری است.
.1 مقدمه
سطح داخلی لولهی سلاح به علت قرارگیری در معرض گازهای آزاد شده ناشی از احتراق پیشرانهها، همواره در معرض دماهای بسیار بالایی قرار میگیرند. اهمیت این موضوع زمانی بیشتر میشود که شلیکهای متوالی صورت پذیرد که در این حالت دمای سطح داخلی سلاح و در نتیجه سایر بخشهای آن بتدریج در طول شلیک افزایش یافته و تنشهای ناشی از افزایش دما و گرادیان آن به همراه تنشهای ناشی از فشار گاز و همچنین سایش سطح داخلی لوله، میتواند محدود کنندهی نواخت شلیک باشد.
بطور کلی میتوان فرایند گرمایش لولهی سلاح در حین شلیک را به دو بازهی زمانی مجزا تقسیمبندی نمود. در بازهی اول مرمی در حال خارج شدن از لوله میباشد و با حرکت آن به سمت انتهای لوله، بخش بیشتری از سطح داخلی لوله در معرض گازهای احتراق قرار میگیرد و در لحظهای که مرمی در انتهای لوله است، گازهای ناشی از احتراق کل سطح داخلی را لمس کردهاند که در انتهای بازه زمانی اول محسوب میگردد. در بازه زمانی دوم، پس از خروج مرمی از لولهی سلاح، گازهای پسماند از لوله خارج میشود تا زمان ابتدای شلیک بعد فرارسد. میدان جریان برای شلیکهای متختلف تقریبا یکسان است ولی مشخصات میدان حرارتی در هر لحظه وابسته به تاریخچه رفتار حرارتی است.
در سالهای اخیر، پژوهشهای متعددی جهت تحلیل حرارتی لولهی سلاح انجام شده است. در سال 2008 وو و همکاران ، به تحلیل حرارتی لوله-ی سلاح کالیبر 155 میلیمتری پرداختند. در این کار وی و همکارانش با درنظرگیری مسیرهایی جهت عبور جریان آب درون ضخامت لوله¬ی سلاح، به بررسی این روش از خنککاری پرداختند. نتایج کار ایشان حاکی از آن دارد که خنک کاری با هوای آزاد به هیچوجه نمیتواند در کاهش دمای لوله موثر باشد. علاوه بر این در صورت استفاده از خنک کاری اجباری ضمن کاهش دمای کلی لولهی سلاح، سبب میگردد دمای محفظه احتراق نیز زیر دمای خود احتراقی قرار داشته باشد.
گونزاگا و همکارانش در سال 2010 به ارائهی مدلی تحلیل برای پیشبینی دمای لوله سلاح ارائه کردند. در این کار لولهی آتش بصورت یک استوانه توخالی درنظر گرفته شد و توزیع دما در لوله محاسبه گردید. نتایج برای یک شلیک و برای تعداد شلیکهای متوالی استخراج گردید. در این روش با ارائه مدلی برای شار حرارتی در سطح داخلی لولهی سلاح، فرض شده بود که در هر مقطع از سطح داخلی لوله شار حرارتی در طول زمان بصورت نمایی افت میکند و بدین طریق دمای سطح داخل و خارج محاسبه شده است.
یونقای وو در سال 2013 به تحلیل حرارتی لولهی سلاح با در نظر گیری حضور خنککاری اجباری پرداخت. وی در این کار پارامترهای تاثیر گذار در نتایج، از جمله، ضخامت لولهی سلاح، نرخ جریان سیال خنککار و ... مورد مطالعه قرار داد. با توجه به مطالعات انجام شده، وی دریافت که کارایی سیستم خنککاری، به دو عامل ضخامت لوله و نرخ جریان عبوری بستگی دارد. بطوری که وقتی ضخامت لولهی سلاح کم است با افزایش نرخ جریان سیال خنککار، افت قابل توجهی در دمای سطح خارجی سلاح مشاهده میشود.
سنتورک و همکارانش در سال 2016، ضمن تحلیل حرارتی لولهی سلاح کالیبر 7.62 میلیمتر، به تحلیل تنش داخل لوله نیز پرداختند. در این کار، وی با استفاده از نتایج تجربی برای سرعت دهانه، فشار دهانه و فشار بیشینه، بکمک روش هایدن راش ابتدا گسترش فشار و سپس با استفاده از معادلهی گاز کامل نابل آبل گسترش دما را محاسبه نمود. همچنین تغییرات سرعت مرمی را نیز در طول لوله با روش مذکور محاسبه نمود. با استفاده از اطلاعات بدست آمده به روشی که ذکر شد، عدد ناسلت و به تبع آن ضریب انتقال حرارت داخل لوله بکمک روابط تجربی محاسبه گردیده و بصورت یکنواخت به همراه دمای گاز روی سطح داخلی لوله قرار داده شد.
استفاده از شرایط مرزی واقعی روی سطح داخلی لولهی سلاح مهمترین اصل در تحلیل حرارتی لوله خواهد بود. در توضیح مقالات ذکر شده در بالا، شرایط گاز داخل لوله بلافاصله پس از خروج مرمی از دهانه، برابر با شرایط محیطی هوای ساکن در نظر گرفته شده است . علاوه بر آن در اغلب کارهای انجام شده، ضریب انتقال حرارت و دمای گاز در بازهی زمانی اول بصورت یکنواخت روی سطح داخلی لوله اعمال شده است.
در کار حاضر، تاریخچهی دمای گاز و ضریب انتقال حرارت با استفاده از شبیهسازی CFD متقارن محوری بالستیک داخلی سلاح کالیبر30 میلیمتر محاسبه میگردد، بطوری که رفتار گازهای درون لوله در هر دو بازه زمانی - قبل از خروج مرمی و پس از خروج آن از لوله - بطور واقعی و بصورت تابعی از زمان و مکان سطح داخلی استخراج شده است و ضمن انجام تحلیل حرارتی دمای سطوح داخلی و خارجی لولهی سلاح محاسبه گردیده است. نتایج مربوط به شبیه سازی بالستیک داخلی با نتایج تجربی و کدهای معتبر موجود در راستای اعتبار سنجی نتایج با یکدیگر مقایسه شده است.
.2 شرح مدل فیزیکی
در شکل1 فرایند بالستیک داخلی بطور شماتیک نمایش داده شده است. در ابتدا مرمی در ابتدای لوله ساکن قرار دارد. با عمل کردن چاشنی، ذرات پیشرانه شروع به سوختن میکند و سبب ایجاد فشار و دما درون محفظهی احتراق مینماید. تا رسیدن فشار پشت مرمی به مقداری مشخص، مرمی در مکان خود ثابت میماند و پس از آن شروع به حرکت میکند.
با حرکت مرمی گازهای ناشی از احتراق منبسط شده و پشت مرمی سرعت میگیرند. در این حالت گازهای چسبیده به پشت مرمی سرعت معادل با آن را خواهند داشت. با فاصله گرفتن از پشت مرمی، از سرعت گازهای احتراق کاسته میشود و در محفظهی احتراق حداقل سرعت را خواهند داشت. با توجه به سرعت بالای گاز، ضریب انتقال حرارت جابهجایی دارای مقادیر بسیار بالایی خواهد بود.علاوه بر این با توجه به تغییرات سرعت درون لولهی سلاح، مقدار ضریب انتقال حرارت در بخشهای مختلف سطح داخلی متفاوت خواهد بود.
در هر شلیک مقداری حرارت وارد لولهی آتش شده و سبب میگردد دمای آن افزایش یابد. تکرار شلیکهای متوالی میتواند سبب ایجاد دماهای بالا درون لولهی سلاح گردد که علاوه بر ایجاد تنشهای حرارتی بالا درون لوله، میتواند به سایش بالای سطح داخل و همچنین خطر خود احتراقی منجر شود. بازهی زمانی مابین دو شلیک متوالی همانطور که بیان شد قابل تفکیک به دو بازهی اول و دوم است.
بازه ی اول عبارت است از زمان لازم از ابتدای شلیک تا خروج مرمی از دهانه و بازهی دوم عبارت است از زمان لازم از ابتدای خروج مرمی از لوله تا ابتدای شلیک بعد. محاسبهی تاریخچهی ضریب انتقال حرارت و دمای گاز در هر دو بازه با روش خلاقانهای که در ادامه ارائه خواهد شد، در موقعیتهای مختلف از سطح داخلی لوله استخراج شده است. با توجه به نرخ شلیک، مقادیر مربوط به بازههای زمانی اول و دوم متفاوت خواهد بود.
شکل - 1 فرآیند بالستیک داخلی
.3 معادلات حاکم
در تحلیل CFD بالستیک داخلی سلاح از بالتسیک صفر بعدی الهام گرفته شده است و شبیه سازی مذکور بصورت تکفازی انجام شده است. لازم به ذکر است که هدف از تحلیل CFD که چگونگی آن در ادامه بیان خواهد شد، صرفا ارائه روشی برای بررسی تاریخچهی دما و ضریب انتقال حرارت درون لوله پس از خارج شدن مرمی از دهانهی سلاح است. مقدار دمای گاز و همچنین ضریب انتقال حرارت در بازهی زمانی اول بصورت متغیر با زمان در هر مقطع از لوله، با استفاده از تحلیل های مرتبط با بالستیک داخلی که بر اساس انرژی بیان شدهاند، قابل استخراج است.
بنابراین در روش CFD حاضر کل گاز پشت مرمی به همراه ذرات باروت به عنوان یک فاز گاز درنظر گرفته میشوند. سوختن ذرات باروت و افزایش حجم در دسترس گازهای ناشی از احتراق نیز مدلسازی شده است. بعلاوه با توجه به اینکه از دید نظری تمام ذرات باروت قبل از خروج مرمی از لوله سوخته شده و تبدیل به گاز میگردند لذا شبیه سازی جریان گاز در بازهی زمانی دوم بصورت تکفاز نه یک فرض بلکه منطبق بر واقعیت فیزیک مسئله است. در این راستا معادلات حاکم عبارتند از معادلهی پیوستگی، معادلهی مومنتم، معادلهی انرژی، معادلات مربوط به اغتشاشات جریان . علاوه بر معادلات مذکور برخی ترمهای موجود در این معادلات با استفاده از روابط متشکله به مجهولات مسئله ربط داده میشوند تا بدین طریق سیستم معادلات بسته شود.
