بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق اثر پارامترهای مهمی چون دمای سطح، سرعت جریان، فشار محفظه بر روی رفتار اکسیداسیون گرافیت، به کمک دینامیک سیالات محاسباتی موردبررسی قرارگرفته است. بدین منظور یک مدل دوبعدی از یک محفظه مستطیلی حاوی یک گلوله گرافیتی که جریان اکسیژن به روی آن دمیده میشود، در نظر گرفتهشده است. نتایج محاسبهشده نشان میدهد که نرخ کم شدن وزن گرافیت با افزایش دما - تا - 1800°C تقریباً روند افزایشی یکسانی داشته است ولی در دمای 2000 œC این روند تغییر کرده است و نرخ کاهش وزن گرافیت کاهشیافته است. با افزایش فشار و سرعت جریان و همچنین تغییر دادن سایر پارامترهای مؤثر مثل هندسه گرافیت و خلوص اکسیژن نتایج بهدستآمده از حل عددی مطابقت خوبی با دادههای آزمایشگاهی دارد. بهطورکلی میتوان از مدل ارائهشده در این تحقیق برای پیشبینی نرخ کم شدن وزن گرافیت و رفتار فنا شوندگی گرافیت و همچنین تأثیر پارامترهای مؤثر در آن استفاده کرد.
واژه های کلیدی: دینامیک سیالات محاسباتی، فنا شوندگی، گلوله گرافیتی، نرخ عقبنشینی، طول پسرفت
1.مقدمه
ارزیابی رفتار اکسیداسیون و مقاومت فنا شوندگی در دمای بالا برای مواد گرافیتی [2-1] و همچنین کامپوزیتهای کربن-کربن [4-3] بارها توسط طراحان و پژوهشگران انجامگرفته است. بهطور عمده پژوهشگران از این خاصیت مواد گرافیتی و کامپوزیتهای کربن-کربن در صنایع نظامی و هوایی تحت عنوان عایقهای حرارتی بهره میگیرند. خاصیت فنا شوندگی اینگونه مواد سبب میشود که نقش عایق حفاظت حرارتی در پرتاب انواع موشکها، شاتلها و سفینهها را ایفا کنند. در تعریف پدیده فنا شوندگی میتوان گفت موادی با فنا کردن خود، راه ورود حرارت را سد یا محدود میکنند .[5]در سالهای اخیر با پیشرفت دانش بشری این پدیده بیشتر موردتوجه پژوهشگران قرارگرفته و پژوهشهای متعددی در این زمینه صورت گرفته است.
دریکی از این پژوهشها فناشوندگی ناشی از سوختن سطحی کربن در یک محفظه یکبعدی به روش حجم محدود بررسیشده است .[6] نتایج بهدستآمدهنشان داده است افزایش فلاکس حرارتی بر کاهش طول پسرفت نمونه بیتأثیر است. در تحقیق دیگری اثرات پسرفت ناشی از پدیده فنا شوندگی در نازل موتور یک راکت با سوخت جامد موردمطالعه عددی قرارگرفته شده است .[7] در این پژوهش سعی شده تأثیرات طول ورودی و اثرات فشار محفظه را روی نرخ پسرفت به دو روش نظری عددی بررسی گردد. نتایج بهدستآمده نشان داد که در نزدیکی سطح تغییرات فشار، یک اثر خطی روی نرخ پسرفت میگذارد که ازنظر کمی یک پارامتر بحرانی برای نرخ پسرفت بهحساب آمده است، همچنین با تغییر مقیاس نازل و طول ورودی دریافتند که نرخ پسروندگی کاهش مییابد.
ویگنولس و همکارانش رفتار فنا شوندگی کامپوزیت کربن-کربن در یک نازل راکت موردبررسی عددی قراردادند .[8] آنها سعی کردند با یک برنامه حل عددی بر پایه یک مدل ساده ساختهشده بهوسیله روش VOF، این شبیهسازی را انجام دهند و سپس کاربردش را به مواد پیچیده واقعی تعمیم دهند. آنها نتایج حاصله را با دادههای آزمایشگاهی مطابقت دادند. نتایج بهدستآمده به فهم بهتر منشأ رفتار مواد در ریختشناسی - morphology - حاصله از سطح یا در مورد آهنگ مؤثر پسرفتگی کمک میکند. در این تحقیق، تمرکز بر روی رقابت بین انتقال جرم و پسرفت سطح کامپوزیت باهدف ایجاد یک مدل ماکروسکوپی دقیق یا همارز بوده که هم یک ریختشناسی صحیح و هم یک نرخ پسرفت مناسب را نتیجه دهد.
آنها نشان دادهاند که پارامترهای ریختشناسی مستقیماً به ساختار ماده - اختلاف واکنشپذیری در بین اجزا - و به خواص شیمیایی-فیزیکی مسلط مخصوصاً به عدد دامکهلر - Da - یعنی نسبت واکنش به نفوذ مرتبط میشود. به لطف یک روش معکوس برای تعیین اختلاف واکنشپذیری بین گازها، رفتار فنا شوندگی یک ساختار پیچیده در مقیاس، بهطور موفقیتآمیزی انجامگرفته است. با تعمیم شبیهسازی مستقیم به ساختار درهمتنیده پیچیده، تأثیر عدد Da بر روی تکامل پسرفت که در یک ساختار ایده آل تعیینشده بود، تأیید گردید.آنها نشان دادند در مورد یک فصل مشترک متخلخل زمانی که واکنش ناهمگن سریعتر میشود، یعنی برای مقادیر بزرگ Da واکنش مقابل ضعیفتر شده پسرفت کلی کمتر به ساختار متخلخل بستگی خواهد داشت.
نتیجه دیگری که آنها ارائه دادند نرخ مؤثر پسرفت برای کامپوزیت بهوسیله قانون ساده مخلوطها به دست نیامده و در بیشتر شرایط یک قانون وابسته به ضعیفترین گاز برقرار میشود. لچاد و همکارانش اکسیداسیون کامپوزیت کربن-کربن روی مرز یک سیستم را موردمطالعه آزمایشگاهی قراردادند .[9] آنها در این تحقیق ابتدا آنالیز SEM نمونه را تحت تست اکسیداسیون تکرارپذیر قراردادند و تست را در مراحل مختلف اکسیداسیون بهمنظور فراهم آوردن بستری برای مطالعه، متوقف کردند، سپس مدل واکنش/ نفوذ اندازهگیری شده و در حالت پایا به روش تحلیلی حل گردیده است.
نتیجه این کار مورفولوژی خصیصه زبری سطح بوده است که تابع یک پارامتر فیزیکی-شیمیایی ارائه گردیده است و همچنین اثر نرخ واکنش روی مواد - گرفتهشده از آنها روی اجزا - و فعالیت مؤثر الیاف در کامپوزیت بهوسیله قانون کمپلکس پیچیده نشان دادهشده است. نرخ اکسیداسیون اجزا از آنالیز توپولوژی کال خصیصه زبری سطح نمونه بهدستآمده است. باوجوداینکه پژوهشهای زیادی در این زمینه صورت گرفته است ولی اغلب پژوهشهای انجامگرفته بهصورت تجربی و آزمایشگاهی بوده و تحقیقات انجامشده به شیوه تحلیل عددی و شبیهسازی کمتر صورت گرفته است. هدف تحقیق حاضر، مطالعه عددی و شبیهسازی رفتار اکسیداسیون و فنا شوندگی گرافیت در دمای بالا و ارائه یک تحلیل دقیق از رفتار مواد در واکنشهای سطحی و همچنین محاسبه نرخ پسرفت گرافیت در زمانهای مختلف میباشد. جهت صحت سنجی، نتایج حاصل از شبیهسازی با نتایج ارائه شده توسط ژاو و همکاران مقایسه شده است.[10]
2. پیشینهی آزمایشگاهی
مطالعه آزمایشگاهی توسط ژاو و همکارانش در سال 2014 جهت بررسی رفتار اکسیداسیون و فناشوندگی گرافیت کربن و تأثیر پارامترهای دما سطح و فشار محفظه و گرادیان سرعت بر روی نرخ پسرفت نمونه انجام گرفته است .[10] ژاو و همکارانش اثر دمای سطح - - 2000-1400œC، گرادیان سرعت جریان S - 600-130 - و همچنین اثر فشار محفظه آزمایش - 101-5 KPa - را روی رفتار اکسیداسیون گرافیت مورد مطالعه و بررسی قراردادند، نرخ کاهش وزن گرافیت تقریباً مستقل از دمای سطح بوده و فقط در دمای 2000 درجه سانتیگراد اندکی کاهشش یافته است.
آنها نشان دادند که با افزایش گرادیان سرعت جریان و همچنین افزایش فشار محفظه نرخ کاهش وزن نمونه بهصورت شبه سهمی افزایش یافته است البته در فشارهای بالای KPa 20 این روند محقق نشده است.البته ارزیابی مقاومت اکسیداسیون و فداشوندگی بر مبنای گرافیتهای مختلفقبلاً چندین بار بررسیشده است [15-11] و همچنین همین کار بر مبنای مواد کامپوزیتی کربن-کربن برای استفاده در رسانهها و وسایل نقلیه ماوراه صوت بهعنوان سیستم حفاظت دمایی پیشرفته، بارها صورت گرفته است .[20-16]روند کار تحقیقاتی ژاو و همکارانش به این صورت بوده است: آنها ابتدا یک محفظه بزرگ مستطیلی با دیوارههای عایق بهعنوان محفظه آزمایش در نظر گرفتند.
سپس یک قطعه گرافیت را بهعنوان نمونه آزمایش در داخل محفظه قراردادند، سپس هوا را بهوسیله اجکتور از روی نمونه عبور دادند، سپس با تغییر سرعت هوای خشک ورودی و همچنین دیگر پارامترهای عملیاتی مثل دمای سطح و فشار محفظه شرایط مختلف را بررسی کردند، آنها نتایج آزمایشگاهی خود را سعی کردند با سه مدل تجربی به نامهای مدل فروزن - Frozen mode - ، مدل فلام ناپیوسته - Flame-detached mode - و مدل فلام پیوسته - Flame-attached mode - بهدست بیاورند و از بین نتایج این سه مدل نزدیکترین جواب و مدل به نتایج آزمایشگاهی را انتخاب کنند.آنها کمیت a را به نام گرادیان سرعت جریان معرفی کردند که بتوانند سرعت ورودی اکسیژن را به قطر گرافیت ارتباط دهند:
که d قطر گرافیت و v سرعت اکسیژن ورودی میباشد.
ژاو و همکاران در تحقیق خود سعی کردند اثر همه پارامترهای عملیاتی را بر طول پسرفت گرافیت در زمانهای مختلف بررسی کنند و نتایج را بهصورت نمودار طول پسرفت بر زمان ارائه دادند.
.3 مدلسازی سیستم توسط دینامیک سیالات محاسباتی
دینامیک سیالات محاسباتی تکنیکی براساس روشهای عددی جهت تحلیل مسائل حرکت سیالات، انتقال حرارت، انتقال جرم و واکنش شیمیایی میباشد. هدف این پژوهش بیشتر تحلیل مسئله انتقال جرم و واکنش شیمیایی سطحی نمونه بهمنظور محاسبه نرخ پسرفت گرافیت میباشد، لذا معادلات کلی حاکم بر مسئله عبارتاند از:
