بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به شبیه سازی جریان فراصوت تراکم پذیر با معادلهی اغتشاشی k-و حالت غیرویسکوز حین خروج از لوله پرداخته شد. به دلیل گرادیان های فشاری بسیار زیاد گاز حین خروج از لوله، از روش مش تطبیقی دینامیک استفاده شد که اندازه ی مش ها متناسب با مقادیر گرادیان های فشاری ریزتر شدند. برای گرادیان فشار استاتیک در حالت نرمالیزه مقیاس شده1 ، معیار درشتی و ریزتر شدن شبکه به ترتیب برابر 0/4 و 0/8 در حالت دینامیک برای هر 10 حلقهی تکرار در نظر گرفته شد.
مقایسهی نتایج سایه نگاری تجربی با نتایج شبیه سازی در هردو حالت بررسی شده تطابق بسیار خوب با نتایج تجربی نشان داد. در مرحلهی بعدی به شبیه سازی آکوستیکی جریان گاز حین خروج از لوله به روش فوز-ویلیام هاوکینگ پرداخته شد و مقادیر فشار صوتی در فواصل 6، 10و 15 متری به دست آمد و در دو حالت گاز غیرویسکوز و گاز با معادلات اغتشاشی مقایسه شد.
-1 مقدمه
شبیه سازی بالستیک میانی سلاح از این نظر دارای اهمیت است که با مدلسازی پدیده های سیالاتی و حرارتی حین خروج جریان گاز از درون سلاح می توان به مقدار نیروی حاصل از جریان گاز وارد بر سلاح2، میزان شعلهی مشتعل شده از دهانه همچنین به میزان صدای ایجاد شده از آزاد شدن گازهای پرفشار از دهانه دست یافت.
با صحه گذاری نتایج شبیه سازی توسط مقایسهی نتایج با داده های تجربی از طریق مقایسهی نتایج سایه نگاری، دوربین های حرارتی برای آنالیز دما و سنسورهای فشاری قرار گرفته درموقعیت های مناسب برای آنالیز دادههای فشاری و مقایسهی آنها با نتایج شبیه سازی میتوان به اطمینان از صحت حل دست یافت. پس از آن می توان به طراحی و بهینه سازی ادوات دهانه برای پوشاندن شعله1، کاهش صدا2 پرداخت. همچنین می توان به طراحی تجهیزاتی در دهانه ی سلاح برای کاهش نیروی حاصل از جریان گاز پرداخت.
در شبیه سازی حرکت پرتابه در داخل سلاح از جنبه ی دینامیک سیالات محاسباتی دیدگاه های متفاوت مش دینامیک و دیدگاه اولرین- لاگرانژین موجود است. در دیدگاه مش متحرک، دامنه ی حل مساله با زمان با حرکت پرتابه تغییر می کند. گان سانگ3 در سال 2013 به شبیه سازی حرکت پرتابه در داخل سلاح با دیدگاه ذرات چند فازی در یک سل که حالت تصحیح شده ی دیدگاه اولرین-لاگرانژین می باشد پرداختند.
به دلیل زمان محاسبات طولانی برای یافتن برهم کنش جامد -گاز، از این دیدگاه تصحیح شده استفاده شد. در این شبیه سازی، دیدگاه اولرین برای شبیه سازی هوا و گازهای به دست آمده از احتراق و دیدگاه لاگرانژین برای شبیه سازی ذرات باروت جامد به کار رفته است. فاز گازی غیرویسکوز در نظرگرفته شد در حالیکه فاز جامد متشکل از ذرات باروت همراه با ضریب تخلخل مربوطه در محاسبات وارد شده است.
این دیدگاه برای بررسی تاثیر ضریب تخلخل در سرعت دهانه به کار رفت و با کاهش ضریب تخلخل افزایش سرعت دهانه گزارش شد.[1] بین و همکاران4 در سال 2007 به بررسی تولید نویز در بالستیک داخلی و میانی پرداختند. برای این منظور از شبیه سازی دوبعدی دیدگاه اولرین- اولرین با تقارن محوری استفاده شد. نتایج شبیه سازی شامل بررسی امواج انفجاری، حرکت های جت، گردابه ها و تولید نویز حاصل از برهم کنش آنها بود.
نتایج تحقیق آنها نشان داد که روش های آئروآکوستیکی نه تنها یک روش مطمئن برای دینامیک امواج انفجاری است، بلکه روشی برای مطالعه ی فیزیک مساله و جزئیات تولید و پیشروی نویز به وجود آمده در ساختار پیچیده ی حرکت سیال در لوله ی سلاح می باشد.[2] یو5 و همکاران در سال 2013 به شبیه سازی سلاح با لوله ی چرخان در سه بعد پرداختند. تطابق خوب سرعت و فشار بیشینه با نتایج تجربی در شبیه سازی ها گزارش شد.
برای مدلسازی توربولانسی از معادلات k-e استاندارد، برای حرکت پرتابه از مش متحرک استفاده شد.[3] الگوی جریان در دهانه دارای تقارن محوری و حرکت پرتابه به صورت افقی گزارش شد. دنگ و همکاران6 در سال 2014 به بررسی تغییر شکل پرتابه حین عبور از لوله پرداختند و نیروهای تنشی را حین حرکت داخل لوله بررسی کردند.[4] الیور و همکاران درسال 2009 به شبیه سازی آکوستیکی به روش FW-H در لوله های گرم کننده محتوای جریان اغتشاشی داخل آن پرداختند.
در تحقیق آنها جریان های با گردایان فشار زیاد به عنوان ایجاد کنندهی نویز زیاد نسبت به جریانهای با فشار پایین، همچنین جریان های با ویسکوزیتهی زیاد به عنوان منبع ایجاد کنندهی نویز در فرکانس 500Hz نسبت به جریان های با ویسکوزیتهی پایین مطرح شدند.[5] شایویلو7 و همکاران درسال 2013 به شبیه سازی میدان جریان حین حرکت پرتابه با تکنیک دینامیک مش، حل معادلات صوت برای شبیه سازی سیگنال های صوت و حل معادلات اغتشاش با روش LES1 با شرایط مرزی تقارن محوری پرداختند.
نتایج شبیه سازی آنها برای کاهش آسیب های شنیداری شوک، تغییرات در فرکانس و کاهش نویز با تغییرات شکل، تعداد و حجم موانع در حجم محدود لوله ی سلاح مورد استفاده قرار گرفت .[6] لیو و همکاران در سال 2012 به شبیه سازی تولید نویز در یک سوت پرداختند. برای شبیه سازی از معادلات تراکم پذیر و غیرقابل تراکم در دو مدل توربولانسی و مدل پرداختند. نتایج شبیه سازی آنها با نتایج تجربی برای گاز تراکم پذیر با تطابق بیشتری همراه بود و آن به دلیل پیش بینی بهتر نوسانات فشاری در جریان تراکم پذیر است که پیش بینی نتایج آکوستیکی از این نوسانات حاصل میشود .[7]
در تحقیق حاضر به مدلسازی و شبیه سازی جریان گاز حین خروج از لولهی سلاح پرداخته شد. با توجه به گرادیانهای فشاری زیاد ایجاد شده حین خروج جریان گاز از لوله، از روش مش تطبیقی دینامیک استفاده شد. بر مبنای این روش و آزاد شدن جریان گاز از دهانهی لوله، ساختار مش ریزتر شد. با توجه به اینکه دانسیتهی گاز مبنای مقایسهی نتایج سایه نگاری و نتایج شبیه سازی است، در این مطالعه به مقایسه-ی کانتورهای دانسیته و نتایج سایه نگاری پرداخته شد و نتایج تطابق بسیار خوب با مشاهدات تجربی نشان داد. پس از اطمینان از نتایج آئرودینامیکی، به شبیه سازی آکوستیکی و مقدار فشار صوتی ایجاد شده حین خروج جریان فراصوت از لوله پرداخته شد و نتایج فشار صوتی درسه فاصلهی مختلف گزارش گردید و در دو حالت جریان توربولانسی و غیرویسکوز مقایسه گردید.
-2 معادلات حاکم
جریان ناپایا و اکوستیک توسط پیشروی امواج شوک، برهم کنش امواج شوک و آشفتگی های نزدیک دهانه ایجاد میشوند. اگرچه زمان بروز این پدیده ها بسیار کوتاه است، ولی در همان زمان کوتاه تاثیرات بسیار زیادی را در آزادشدن امواج شوک از دهانه دارند. به منظور بررسی دقیق آکوستیک و ارزیابی فشار صوتی تحلیل دقیق از میدان جریان ضروری است. برای این منظور در ابتدا به حل معادلهی پیوستگی، مومنتم و انرژی توسط روش دانسیته پایه پرداخته شد و از حل میادین سرعت و فشاری در ارزیابی آکوستیک به روش فوز-ویلیام هاوکینگ2 پرداخته شد.
