بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازي جریان و انتقال حرارت یک نانوسیال در کانالهاي خنک کننده لوله جنگ افزار توپ
-1 چکیده
یکی از راههاي بهبود کارایی سلاح، کنترل دماي لوله آن میباشد. در طول زمان شلیک مقدار زیادي از گرماي ناشی از انفجار به لوله و سایر قطعات منتقل میشود. دماي شعله ناشی از انفجار در مواقعی تا دماي میرسد. مشکلات ناشی از افزایش دما، از قبیل فرسایش بیش از حد سطح لوله به میزان قابل توجهی عملکرد سلاح را محدود میکند. این عامل در طولانی مدت باعث کاهش دقت و تخریب سلاح میشود. بنابراین خنککاري در سلاحهاي توپخانه، عامل موثر در افزایش طول عمر و همچنین افزایش مدت زمان ماموریتهاي فردي و کاهش زمان ریکاوري بین ماموریتها میباشد.
اساساً فرآیند خنککاري لوله را میتوان به دو دسته منفعل و غیرمنفعل تقسیم کرد. روشهایی مانند آبکاري کروم با ایجاد یک سد حرارتی بین سوخت گاز گرم و فولاد به منظور کاهش انرژي حرارتی ورودي، از جمله اقدامات غیرمنفعل است. استفاده از بالههاي خنک کننده روي لوله براي افزایش اتلاف حرارتی توسط هوا و همچنین خنککاري توسط آب براي افزایش طول عمر لوله یک اقدام منفعل است.
براي خنککاري پوسته لوله سلاح توسط آب میتوان از جریان سیال در کانالهاي تعبیه شده در حالتهاي مختلف، استفاده کرد. بررسی اثر استفاده از سیال خنک کننده بر میزان انتقال حرارت و جریان سیال در این تجهیزات از اهمیت ویژهاي برخوردار است. تبادل حرارت بین لوله و کانالهاي خنک کننده موضوع بررسی این پژوهش میباشد. در این پژوهش ابتدا به تاریخچه توپ و مدلهاي سلاح توپ رایج در ارتشهاي دنیا پرداخت شده و به چندین مورد در خنککاري توسط آب سلاح اشاره شده است.
در این پژوهش براي اجراي فرآیند خنککاري با استفاده از جریان سیال سه روش پیشنهاد شده است. این روشها شامل جریان لایهاي در کانال حلقوي، جریان در لولههاي موازي و جریان در لوله مارپیچ میباشد. میزان انتقال حرارت در هر یک از این روشها با استفاده از محاسبات تئوري به دست آمده و در حالت هاي مختلف با هم مقایسه شده است. در انتها این روشها با هم مقایسه شده و روش اپتیمم معرفی شده است.
با توجه به اینکه در سالهاي اخیر نوع جدیدي از سیالات با عنوان نانوسیال با راندمان حرارتی بالاتر به صنعت معرفی شده است، در این پژوهش سعی خواهد شد تاثیر استفاده از این نوع سیالات بر انتقال حرارت لوله، مورد بررسی قرار گیرد.
ایده به کارگیري کانالهاي انتقال دهنده حرارت با استفاده از نانوسیال در پوسته لوله توپ، ایده جدیدي است که در این پژوهش به آن پرداخته شده است. در این پژوهش یک برنامه کامپیوتري ارائه شده است که با استفاده از آن میتوان به طراحی این سیستم خنک کننده در شرایط کاري مختلف پرداخت. در نهایت نتایج تحت شرایط مختلف کاري محاسبه شده و در قالب نمودارهاي مختلف ارائه شده است.
-2 مقدمه
دفع گرما در تجهیزاتی که انفجار در آنها صورت می پذیرد ، از اهمیت زیادي برخوردار است. موضوع مورد بررسی در این پژوهش یک لوله توپ می باشد که با اجراي فرآیند خنک کاري در آن میتوان راندمان کاري آنرا بالاتر برده و از ذوب و تغییر شکل فلز تشکیل دهنده لوله در دماهاي بالا جلوگیري کرد. این خنککاريبه روشهاي مختلفی انجام میشود. اکثر توپهاي فعلی هوا خنک می باشند اما در این پروژه خنک کردن توپ با تعبیه کردن تعدادي مجراي آب به شلکل هاي مختلف در یک پوسته مجاور پیشنهاد شده است. هدف ما از ارائه این پژوهش محاسبه میزان حرارت انتقالی توسط مایع خنک کننده و همچنین طراحی لولههاي مورد نیاز براي انتقال این حرارت میباشد.
در این پژوهش براي نمونه لوله یک توپ 270 میلی متري مورد بررسی قرار می گیرد. پایین آوردن دماي لوله پس از شلیک و آماده کردن آن براي شلیک بعدي هدف ما از خنککاري لوله توپ میباشد. ابتدا با استفاده از معادلات بقاي انرژي، میزان حرارتی که باید از پوسته لوله گرفته شود تا دماي آن در زمان تعیین شده به دماي مورد نظر برسد محاسبه میگردد. سپس باید تعداد مجراهایی که براي انتقال این میزان حرارت مورد نیاز است محاسبه گردد.
در طول دهههاي اخیر، مهندسان، در جستجوي یافتن راههاي جدید، براي افزایش کارایی وسایل مختلف دفعکننده گرما، بودهاند. پایین بودن ضریب هدایت حرارتی سیالات انتقال دهنده حرارت معمولی، مانند آب، روغن و مخلوط اتیلن گلیکل، در تجهیزات مهندسی، باعث ایجاد محدودیت براي افزایش کارایی و فشردگی این محصولات میشود. براي غلبه بر این مشکل انگیزه زیادي براي یافتن سیالی با قابلیت هدایت حرارتی بیشتر، وجود دارد. یکی از این راهها اضافه کردن ذرات بسیار کوچک جامد در سیال میباشد. این کار باعث افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال میشود. در سالهاي اخیر استفاده از ذرات نانو براي این منظور گسترش پیدا کرده است. در این پژوهش با در نظر گرفتن این نوع سیال ها به عنوان سیال عامل تاثیر استفاده از این نانوسیالها در انتقال حرارت لوله بررسی خواهد شد.
در انتها، پارامترهاي مختلف موثر بر جریان در حالت هاي مختلف بررسی میگردد. نوع جریان مایع خنک کننده مورد بررسی در این پژوهش از نوع توربولانت (متلاطم) میباشد بنابراین باید از روابط توربولانت استفاده شود. شرایط مرزي، شرایط اولیه، دبی سیال عامل، کالیبر لوله، قطر کانال، شارحرارتی، نوع سیال و غلظت نانوذرات پارامتر هاي مهمی هستند که تاثیر آنها بر پارامترهاي انتقال حرارت و جریان سیال بررسی خواهد شد.
-3 توصیف کلی پژوهش
در این پژوهش یک توپ در ابعاد متوسط مورد بررسی قرار خواهد گرفت. این طرح شامل پوسته اصلی توپ و لایه خنک کننده با شکل هاي مختلف است که مجراهاي جریان آب را در بر دارد.
هدف ما در این طرح جلوگیري از افزایش بیش از حد دماي پوسته لوله توپ هنگام شلیک خمپاره میباشد. با توجه به اینکه میزان تحمل فلز سازنده لوله محدود است اگر دماي لوله از نقطه ذوب آن بیشتر شود باعث ذوب شدن فلز میگردد. فرض کنید دماي لوله درست بعد از شلیک و فاصله بین دو شلیک باشد باید کاري کنیم که در این فاصله دماي لوله تا دماي کاري یعنی کاهش یابد. براي جریان دادن سیال اطراف لوله توپ از سه نوع هندسه مختلف استفاده کرده و میزان انتقال حرارت و ابعاد کانال را در این حالت ها محاسبه می کنیم.
مایع خنک کننده در این طرح یک نانوسیال شامل آب مایع با ذر (9)ات میباشد. این سیال با ذرات شناور موجود داراي ضریب انتقال حرارت بیشتري نسبت به سیال معمولی میباشد.
مدار جریان سیال در شکل 1-2 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود. سیال گرم شده در جنگ افزار توپ وارد رادیاتور شده و گرماي خود را به محیط میدهد. نیروي مورد نیاز جهت گردش سیال در سیستم توسط یک پمپ تامین میشود. جهت کنترل دماي سیال در سیستم میتوان از چندین ترموستات و شیر کنترلی در مدار استفاده کرد.
-4 سابقه خنککاري در سلاح
مسلسل آب سرد کلاسیک براونینگ روي پایه مشترك M2A1نصب شده و ساخت کشور فرانسه است وتوسط آب خنک میشود.
توجه داشته باشید لولههاي آب خنک کننده در کل اسلحه و منبع تغزیه گردش میکند. مسلسل کالیبر 50، سلاح موثري در برابر هواپیماهاي ژاپنی بوده است. این سلاح به طور کلی با از بین بردن حملات در ارتفاع پایین علیه تاسیسات ما توسط هواپیماهاي ژاپنی به معروفیت رسید.
هنگامی که مسلسل در مدت زمان طولانی کار میکند حرارت آن بیش از حد افزایش مییابد. این افزایش حرارت ابتدا دقت سپس سرعت نواخت تیر را کاهش میدهد. با توجه به اینکه لوله سلاح غیر قابل تعمیر نیست باید در برابر حرارت از آن محافظت شود. براي این کار میتوان یک لایه آب در اطراف لوله به گردش در آورد.
در این پوشش خنک کننده در حدود 10 لیتر آب جریان دارد. این سیستم توسط دو شلنگ به یک مخزن 8 گالنی متصل شده است. در هنگام شلیک یک پمپ دستی جریان آب در مدار، بین پوشش خنک کننده و مخزن را بر قرار میکند. لوله سلاحی که با هوا خنک میشود براي نواخت شلیک در کوتاه مدت مناسب میباشد.
سلاح کالیبر 50 که با آب خنک میشود
فولاد-5
فولاد آلیاژي است که عمدتا از آهن و کربن با محتواي بین 0,2 ٪و 2,1 ٪ وزن، که بسته به نمره آن میباشد، تشکیل شده است.کربن شایع ترین مواد آلیاژ ساز براي آهن است، اما انواع عناصر آلیاژي دیگر مانند منگنز ، کروم ، وانادیم واستفادهتنگستن، نیز میشود.کربن و عناصر دیگر به عنوان یک عامل سخت شدن عمل می کنند.به این صورت که از دررفتگی در شبکه بلور هاي اتم آهن و لغزش روي یکدیگر جلوگیري می کنند. تغییر میزان عناصر آلیاژي و شکل حضور آنها در فولاد (عناصر محلول ، رسوب فاز) باعث کنترل کیفیت مانند سختی ، انعطاف پذیري و استحکام کششی فولاد میشود. فولاد با افزایش کربن میتواند سخت تر و قوي تر از آهن شود ، اما فولادکمتر از آهن چکش خوار است.
آلیاژ با کربن بالاتر از 2,1 ٪ به عنوانچدن شناخته شده داراي نقطه ذوب کمتري است وسختی بیشتري دارد. اگرچه فولاد توسط روشهاي مختلف ناکارآمد مدتها قبل از رنسانس تولید شده بود، اما استفاده از آنبعد از روشهاي تولید و کارآتر در قرن 17با اختراع،شایع تر شد. روند Bessemer در اواسط قرن 19، فولاد ارزان قیمت به تولید انبوهرسید. امروزه، فولاد یکی از رایج ترین مواداز در جهان، با بیش 1,3 میلیارد تن تولید سالانه میباشد.این فلز این ایک جزء اصلی در ساختمان ها ، زیرساخت ها، ابزارها ، کشتی ها، اتومبیل ها، ماشین آلات، لوازم و سلاح هاي نظامی است. . فولاد مدرن به طور کلی توسط گریدهاي مختلف تعریف شده و مورد استفاده قرار می گیرد.
خواص
سایر مواد اغلب به مخلوط آهن- کربن براي تولید فولاد با خواص مورد نظر اضافه میشود. نیکل و منگنز در فولاد باعث استحکام کششی آن و ایجاد پایداري شیمیایی بیشتر، کروم باعث افزایش سختی و دماي ذوب، وانادیوم نیز باعث افزایش سختی میشوددر حالی که کاهش اثرات خستگی فلزرا ناشی می شوند. جهت جلوگیري از خوردگی، حداقل 11 ٪ کروم به فولاد اضافه شده به طوري که اشکال هاي سخت اکسید در سطح فلز، نشانهن است وبه عنوان فولاد ضد زنگ شناخته میشود.
محدوده ذوب بسیار مهم است. موفقیت عملیات ذوب و ریختهگري بستگی به انتخاب صحیحدارد دما . پس از منجمد و فرآوري شدن اولیه (نورد یا فورج) توسط فرایند فولادسازي، دماي ذوب ، داراي اهمیت زیادي براي طراحان، مهندسین و کاربران فولاد است. در جدول ذیل خواص 4 نوع فولاد زنگ نزن 302، 304، 316، و 347 آورده شده است. (1) در این پژوهش فرض بر آن است که پوسته توپ فولاد 304باشد.
-6 معادلات حاکم
1-6 روش خنک کاري فیلمی
در این روش فیلمی (لایه) از جریان سیال اطراف لوله را احاطه کرده و حرارت را از لوله جذب و به بیرون منتقل میکند.
این نوع جریان در واقع جریان داخلی حلقوي بین دو لوله هم مرکز است(شکل .(2-2 سیال از فضاي حلقوي بین لولههاي هم مرکز عبور میکند و انتقال گرماي جابه جایی در سطوح داخلی اتفاق می افتد.
شار گرماي در این سطوح را میتوان محاسبه کرد.
ضخامت بین دو لوله که جریان از آن عبور میکند با استفاده از رابطه زیر به دست می اید .
شار گرما در سطح داخلی را میتوان با عبارت زیر محاسبه کرد
عدد نوسلت براي سطح داخلی عبارتست از
در این حالت با استفاده از قطر هیدرولیکی محاسبه میگردد
بنابر این رینولدز هیدرولیکی به صورت زیر محاسبه میگردد
اگر شرایط شار گرماي یکنواخت در هر دو سطح برقرار باشد، اعداد نوسلت را از عبارات زیر میتوان محاسبه کرد
ضرایب تاثیر را در حالت توربولانت میتوان از جدول 1-2 به دست آورد.
2-6 روش خنککاري موازي در جهت شلیک
در این روش حرارت ایجاد شده توسط انفجار، با تعبیه کردن لولههاي حاوي مایع خنک کننده در راستاي لوله منتقل میشود. مدل مسئله شامل یک لوله استوانه اي بوده که از تعدادي مجرا با مقطع دایره داخل آن تشکیل شده است. این لوله، حول لوله توپ میباشد و با گردش مایع خنک کننده در داخل مجراهاي آن باعث خنک شدن لوله میشود.
شکل :3-2 مدل ارائه شده براي روش جریان مستقیم
مکانیزم انتقال حرارت در این لولهها از نوع جابهجایی بوده که با محاسبه آن میتوان تعداد لوله هاي مورد نیاز را محاسبه کرد .
زیر به دست میآید
معادله بقاي انرژي براي حجم کنترل به صورت ذیل است
در اثر انفجار ناشی از شلیک توپ گرمایی ایجاد میشود که دماي لوله توپ را به می رساندفرض می کنیم پوسته لوله رفتار لامپ داشته به عبارت دیگر دماي تمام نقاط آن یکسان باشد.مقدار حرارتی که باید از لوله دفع شود تا دماي آن در زمان برسد را محاسبه می کنیم:
این میزان حرارت به دیواره خنک کننده تعبیه شده در اطراف لوله توپ منتقل میشود. مقداري از این حرارت از طریق هوا و مقداري از آن از طریق لولههاي خنک کننده منتقل میشود. فرض کنیم ضریب میزان حرارت منتقل شده از کانالهاي خنک کننده باشد. در این صورت
