تلاطم سیال در مخازن حامل ها (7)

در مطلب پیشین، بخش اول روشهای متداول میرا نمودن سیال بحث شد؛ در ادامه برای بیان کارکردهای تیغه قائم، تشکیل گردابه وتلاطم چرخشی سیال شرح داده می شود.

1- تلاطم چرخشی[1]
نوع دیگری از تلاطم، حرکت چرخشی سیال می باشد؛ این نوع تلاطم در مخازن کم عمق و عمیق تحت تحریک انتقالی سینوسی اتفاق می افتد و سبب تغییر در توزیع ممان اینرسی و کاهش در نرخ جریان به هنگام تخلیه سوخت می شود. اکثر مطالعات انجام شده در حوزه دینامیک حامل بر فرض شبه پایدار بودن سیال استوار می باشند؛ بنابراین تخلیه سوخت از مخزن تاثیر چندانی بر نیرو و فرکانس تلاطم ندارد. البته با توجه به مطالعات نلسون[2] [41] در نرخ بالای تخلیه سوخت، تفاوت چشمگیری در مشخصه پاسخ سیال مشاهده می شود.

به هنگام تلاطم عرضی سیال[3]، نوسانات موجی سطحی در جهت حرکت انتقالی به صورت هم فاز یا غیر هم فاز و وابسته به فرکانس تحریک مشاهده می شوند (شکل 1). در هر یک از ربع دایره های سطح مقطع، حرکات چرخشی و تبادل از یکی به دیگری مشاهده می شود. حرکت چرخشی در هر کدام از این ربع دایره ها به مرکزیت نقطه ای دور از محور مخزن، در نزدیکی دیواره مخزن و عمود بر جهت تحریک افقی می باشد.

---

[1] Rotory slosh

[2] Nelson

[3] Lateral sloshing

---

فرکانس سرعت چرخشی در هر کدام از این ربع دایره ها در مقایسه با فرکانس حرکت انتقالی کوچک  می باشد. البته نقاطی که در نزدیکی دیواره و محور مرکزی مخزن (موازی با محور تحریک) می باشند از این امر مستثنی می باشند؛ در این نقاط سرعت چرخشی دارای فرکانسی تقریبا برابر با فرکانس حرکت انتقالی مخزن می باشد. پیچیدگی این حرکت زمانی آشکار می شود که بیانگر وجود نوعی ضربان است که در آن مود اول تلاطم شروع به تبدیل شدن به حرکت چرخشی با سرعتی افزاینده (فرض) در جهت خلاف عقربه های ساعت می کند و پس از رسیدن به حا لت بیشینه، کاهش سرعت تا حد صفر رخ داده و سپس تغییر جهت چرخش داده و با سرعت زاویه ای افزاینده در جهت عقربه های ساعت به حرکت در می آید و همینطور این روند تکرار می شود. فرکانس چرخشی کمتر از فرکانس حرکت موجی سطح  می باشد و بنابراین سیال به هنگام چرخش حول محور مخزن دستخوش حرکت عمودی به سمت بالا و پایین می شود. سطح آزاد سیال حداقل در مقادیر نسبی کم دامنه تحریک به صورت ذاتی صفحه ای بوده و این حرکت به صورت حرکت چرخشی شیبدار حول محور عمودی رخ می دهد (شکل 2).

---

این وضعیت تقریبا بدون تغییری در نزدیکی یکی از رزونانسهای مود تلاطم رخ داده و به وجود یا عدم وجود چرخش خالص اولیه وابستگی ندارد.  

2-جریان خروجی و افت مکش[1]

به هنگام تخلیه سوخت[2] از خروجی مرکزی، در مقادیر کم ارتفاع سیال، در سطح تماس یک فرو رفتگی ایجاد می شود. این فرو رفتگی به علت فشار کمتر در نزدیکی مرکز می باشد که ناشی از شتاب به سمت داخل سیال به طرف خروجی تخلیه می باشد. شکل ‏3 به صورت شماتیک این پدیده کاهش فشار را برای هر دو حالت جاذبه معمولی و جاذبه کم برای موقعیتی که جریان خروجی توسط اختلاف فشار بین مخزن و گیرنده خارجی[3] جریان می یابد، نشان می دهد. در شرایط جاذبه معمول، نیروهای حجمی در مقایسه با افت فشار دینامیکی در دریچه خروجی سوخت بزرگ می باشند و این موضوع سبب ایجاد فرورفتگی نسبتا کوچکی در بالای دریچه خروجی سوخت می شود.

---

suction dip  [1] 

drained  [2] 

external receiver  [3] 

 

---

  براساس مطالعات ناسل^[1] و همکاران [43] و همچنین مطالعات صورت گرفته توسط بیوتا^[2] وکاول^[3] [44]در شرایط بی وزنی[4]، تنها نیروی کشش سطحی سبب صاف شدن^[5] سطح آزاد سیال می شود و فرورفتگی تقریبا بزرگی در بالای دریچه خروجی سوخت ایجاد می شود. نکته قابل توجه اینکه به هنگام تشکیل فرو رفتگی، حجم بزرگی از سیال در مخزن باقی می ماند.

 

3-گردابه ی^[6] حین تخلیه

گردابه ممکن است ناشی از کریولیس[7] و اثرات ویسکوز[8] و یا تلاطم چرخشی[9] به روی دریچه خروجی در جاذبه کم یا در جاذبه معمولی اتفاق بیفتد. تاثیر اصلی گردابه بر افت مکش[10] به خصوص در جاذبه کم می باشد که به صورت شماتیک در شکل 3 نشان داده شده است. خوشبختانه، تیغه های صلیبی[11] شکل که در بالای خروجی سوخت تعبیه می شود از تشکیل گردابه جلوگیری می کند. حتی تیغه شبیه به دیسک که برای کاهش افت مکش به کار می رفت، در از بین بردن گردابه موثر است. طول شعاعی بازوهای تیغه صلیبی شکل باید حداقل دو برابر قطر خروجی سوخت و ارتفاع بازوهای آن نیز باید حداقل دو برابر قطر خروجی سوخت باشد.

---

Nussle   [1] 

Bhuta   [2] 

    [3] Koval

[4] weightless conditions

[5] Smooth Out

Vortex  [6] 

Coriolis  [7] 

viscous effects  [8] 

rotary sloshing  [9] 

suction dip [10] 

cross-type baffles [11] 

---

[5]        H. N. Abramson, "The Dynamic behavior of liquids in moving containers," NASA SP 106, 1966.

[41]      R. H. Nelson, "The sloshing of a fluid dralnmg from a flexible tank," Dissertatlon, MIT, 1960.

[42]      H. N. Abramson and W. H. Chu, "Some studies of liquid rotation and vortexing in rocket propellant tanks," DTIC Document1962.

[43]      R. Nussle, J. derdul, and D. petrash, "Photographic Study of Propellant Outflow from a Cylindrical Tank During Weightlessness," NASA TN D-2572, 1965.

[44]      P. Bhuta and L. koval, "Sloshing of a liquid in a draining or filling tank under variable G conditions," AFOSR Symposium on Fluid Mechanics and Heat Transfer Under Low Gravitational Conditions, pp. 10-1 to 10-24, 1965.

ادامه دارد...