ترجمه تلاطم مایع بی اصطکاک در مخازن استوانه ای

توضیحات

 عنوان فارسی:  تلاطم مایع بی اصطکاک در مخازن استوانه ای

عنوان انگلیسی مقاله:

Frictionless liquid sloshing in circular cylindrical container configurations

چکیده:

در صورتیکه سطح سیال آزاد در یک مخزن استوانه ای، با قطعات صلب سازه ای پوشانده شود، فرکانسهای طبیعی و واکنش سیال درون مخزن، به طرز چشمگیری تغییر میکند. این موضوع همچنین با رفتار کمتر جریان گونه داخل مخزن مشخص میباشد. مزیت سطح سیال آزادی که تا حدودی پوشیده شده، در افزایش فرکانسهای طبیعی پیشرانه و دور کردنشان از فرکانس کنترل ماشینهای فضایی و کاهش نوسانات اجرام دخیل در حرکت دینامیکی سیستم میباشد. فرکانس طبیعی پایه یک مایع غیرقابل تراکم و غیر ویسکوز برای یک بافل حلقوی با عرض زیاد شونده که متصل به دیواره مخزن است، محاسبه شده است. با افزایش پوشش سازه ای سطح سیال آزاد، فرکانسهای طبیعی به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابند. واکنش به تحریک انتقالی، با محاسبات عددی تخمین زده شد که حاکی از افزایش فرکانسهای تشدید(رزونانسها) میباشد. ساز و کار معرفی شده در این مقاله، بدون هیچ دشواری ای میتواند برای پوششهای مختلف سطح آزاد سیال به کار گرفته شود. این روش میتواند همچنین به عنوان چارچوبی برای آزمایشات روشهای عددی نظری مانند روش المان محدود و …  استفاده شود.

پیش گفتار

با افزایش اندازه ماشینهای فضایی و هواپیماها، با مقدار سوخت بیشتر و مخازن با ابعاد بزرگتر، اثر تلاطم سوخت بر روی عملکرد، کنترل و پایداری این ماشینها برای عملیات پرواز بسیار مهم و حتی خطرناک میباشد. این اثرات تلاطمی منجر به دشواریهای بزرگی در طول فاز صعود موشکها و ماشینهای فضایی شده است و ناکامی های دردناکی در سالهای اولیه پرواز به فضا ایجاد کرده است. معضلی که در ماشینها پدیدار میشود ، نزدیکی فرکانس کنترل به فرکانس نوسان بنیادی میباشد، که در ورودیهای بیشتر از تندباد، موجب تحریک پیوسته تلاطم سوخت میگردد. این رخداد خطرناک میباشد چون حجمه نوسان بنیادی، که در نواسانات دخیل میباشد، به طرز منحصربه فردی عظیم میباشد و با حرکت مداوم خود در طول فاز صعود، نیازمند انحرافات موتور میباشد که دیگر امکان پذیر نیستند. این اتفاق میتواند به کنترل ناپذیری و انهدام کل ماشین منجر گردد.

به مسئله نوسانات مایع در هندسه های مختلف مخزن به طور گسترده ای پرداخته شده است که در منابع 2 و 8 و 23 موجود است. همچنین مشخص گردیده که محل قرارگیری مخزن سوخت، تاثیر بسزایی در پایداری کل ماشین دارد. اگر مخازن بین مرکز دوران لحظه ای و مرکز جرم قرار گیرند، پیشرانه نیازمند ادوات مستهلک کننده زیادی جهت حفظ پایداری کل ماشین میباشد. کاهش تاثیر پیشرانه بر روی پایداری کل، میتواند از طریق نصب مستهلک کننده های بافل شکل پیشرانه و یا با دور کردن فرکانس پایه طبیعی از فرکانس کنترل صورت گیرد. قطعی از مخزن با دیواره های طولی(یعنی آرایش مخزن یک چهارم یا یک هشتم) این امر را تحقق خواهد بخشید. به علاوه، حجمه نوسانی دخیل به طرز چشمگیری کاهش یافت که نشان میدهد این روش در مهار اثر ناپایدارکننده سوخت متلاطم کاملا موثر است. با این وجود عیب این روش کاملا مشهود است چون نیازمند افزایش وزن سازه میباشد که کاهش ظرفیت ترابری را در پی خواهد داشت. از آنجایی که حل دقیق مشکل نوسانات مایع در مخازن متحرک با هندسه های مختلف بینهایت مشکل است، ما به فرضیات ساده سازی متوسل شدیم که مسئله را تا اندازه ای قابل مدیریت، تسهیل میکندکه با تحلیل و بررسی مهمترین پارامترهای ضروری برای طراحی فضاپیما و سیستم کنترلی شان را ارائه میدهد. پژوهش های اینچنینی در مورد مخازن کروی توسط Budiansky(17) ، Riley(29)  و Trembath وChu(19) و برای مخازن بیضی شکل توسط Chu(18) انجام شده است، درحالیکه برای مخازن مخروطی شکل، تلاطم مایع بی اصطکاک توسط Dokuchaev(20) و Bauer(11) بررسی شده اند. مخازن با هندسه سهمی گون(10،12) ، بیضی گون (14) و مستطیلی(9،22،26) که در هواپیماها کاربرد دارد، هم مورد بررسی قرار گرفته اند. برای جلوگیری از جریمه افزایش وزن ناشی از نوسانگیرهای سازه ای، این پژوهش از المانهای سازه ای سبک که تا حدودی سطح سیال آزاد سوخت را میپوشانند، استفاده میکند(شکل 1). از این طریق فرکانس پایه طبیعی به مقادیر بالاتری انتقال می یابد و به علاوه حرکت مایع خیلی تقلیل می یابد که این امر توده متلاطم دخیل در نوسان را هم کاهش میدهد. این یک مزیت بزرگ برای کارایی کل ماشین فضایی خواهد بود. در یک فضاپیمای چندمرحله ای، برخی مخازن دقیقا بین مرکز دوران لحظه ای و مرکز جرم واقع شده اند که نیازمند ظرفیتهای بزرگ مستهلک کننده برای پرواز پایدار و کنترل وضعیت میباشند. مخصوصا برای چنین مخازنی، پوشش سطح سیال آزاد با یک المان سازه ای، حرکت مایع را به طرز چشمگیری آرام میکند، توده متلاطم را کاهش میدهد ، فرکانسهای طبیعی پیشرانه را بالا برده و از فرکانس کنترل کل ماشین دور میکند. به علاوه برای حفظ فشار تبرید پیشرانه، به دلیل کاهش حرکت نوسانی مایع، گاز تنظیم فشار کمتری در فضای بالای پیشرانه برای دستیابی به هد فشاری مورد نیاز پمپهای سوخت نیاز است. فرکانسهای طبیعی یک مایع بی اصطکاک و غیرقابل تراکم در یک مخزن استوانه ای عمودی با سطح سیال آزاد، کاملا تعیین شده اند (1،4،6،23،28) ، به صورت زیر میباشد که در آن σ، تنش سطحی مایع میباشد: (فرمول 1)

برای m=0,1,2,… و n=1,2,… ، در این معادله h  ارتفاع سطح مایع، ζ چگالی مایع، 2a قطر مخزن، g ثابت گرانش یا شتاب طولی و مایع مجاز به لغزش روی دیواره مخزن میباشد، که یک خط تماس لغزش بر جای میگذارد.  ریشه های مشتق اول E,,,~  تابع بسل نوع اول از مرتبه mth میباشد. این معادله ساده(1) حتی زمانی که خط تماس مایع روی دیواره مخزن در r=aبالا و پایین رفته باشد معتبر است. برای مخازن با اشکال نامنظم هندسی Siekmann and Schilling (30) یک روش عددی مفید برای محاسبه فرکانسهای طبیعی ارائه کرده اند. در صورتی که تنش سطحی قوی باشد یا لبه سطح تیز باشد ممکن است (برای انرژی اغتشاش کم) خط تماس ثابت شود که نشانگر عدم جابجایی سیال آزاد روی دیوار در فاصله r=a میباشد، یعنی 0=ζ . در این وضعیت شاهد مقادیر بالاتر فرکانسهای طبیعی هستیم(13) که وابسته به مقادیر پارامترهای       a/(ea3)    و      Bo = ega2/a (= a2 in [ 131).        هستند. اخیرا تلاشهای دیگری برای تشریح حرکت مایع به شکلی واقعی تر با در نظر گرفتن ویسکوزیته سوخت صورت گرفته است. این مورد در پاسخ تلاطمی مایع به تحریک اجباری با مقادیر محدود فرکانس تشدید(رزونانس) وجود دارد، امری که در مورد مایع بی اصطکاک قابل حصول نیست چون مقادیر رزونانس نامحدود هستند.

توجه:

• برای دانلود فایل کامل ورد لطفا اقدام به خرید نمایید.
• پس از خرید بلافاصله لینک دانلود فایل برای شما ایمیل خواهد شد.