Ağır silah namlularında zorlanmış konveksiyon ile soğutmanın sayısal incelenmesi
Numerical analysis of forced convection cooling for heavy weapon barrels
Yazar: MURAT AKBULUT
Danışman: PROF. DR. ŞENOL BAŞKAYA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Ağır silah namlularında, seri atışlar yapıldığında, sevk barutunun yanması sonucu açığa çıkan gazlardan namlu iç yüzeyine büyük miktarda ısı transferi gerçekleşmektedir. Gerçekleşen bu ısı transferi ile birlikte namluda aşınma ve erozyon miktarları artmaktadır. Ayrıca ısınan namlu coof-off riskini de tetiklemektedir. Isınma sorununu önlemeye yönelik zorlanmış konveksiyonla soğutma tekniği ağır silahlarda uygulanmaktadır. Bu çalışmada ilk olarak tanımlanan sınır koşulları altında 155 mm'lik doğal ve aktif soğutmalı namluların tek ve seri atışlardaki sıcaklık dağılımları, sonlu elemanlar programı olan ANSYS Mechanical modülü ile sayısal olarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar daha önceden yapılan deneysel ve sayısal çalışmalar ile doğrulanmıştır. Hesaplamalarda değişken termofiziksel özellikler kullanılarak sıcaklık dağılımına olan etkileri gösterilmiştir. Sabit özellik kabulünün genel olarak atışlar sonundaki iç yüzey sıcaklığına etkisinin olmadığı görülmüştür. Sıvı soğutmalı namlularda parametrik çalışmalar gerçekleştirilmiştir.  Bu kapsamda; yarım dairesel, yarım elips ve dikdörtgen kanal geometrilerinde hesaplamalar yapılmıştır. Kanal geometrisinin sıcaklık değerleri üzerinde belirgin bir etkisinin olmadığı gözlemlenmiştir. Yarım dairesel kanal geometrisinde soğutma performansı; kanal sayısının 8, 10, 12, 14 ve 16 ve soğutucu akışkan hızının 2, 3 ve 4 katına çıkarıldığı durumlar için ayrı ayrı incelenmiştir. Kanal sayısı ve soğutucu akışkan hızının artmasının atışlar esnasındaki sıcaklık değerlerini düşürdüğü tespit edilmiştir. Ancak etkilerinin giderek azaldığı ve son değerlere yaklaşıldıkça hissedilmediği gözlemlenmiştir. Bunlara ilave olarak; nano akışkanın soğutucu akışkan olarak kullanıldığı sistemler için analizler gerçekleştirilmiştir. Suyun kullanıldığı sistemlere göre % 3'lük iyileştirme sağlanmıştır. Son olarak çoklu atış görevlerinde doğal ve aktif soğutmalı namlulardaki sıcaklık değerleri karşılaştırılmıştır. Doğal soğutmalı namlunun çoklu atış görevi için yetersiz olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
When firing with a heavy weapon barrel, the released gas from the burning of ammunition  propellant to the inner surface of barrel results in  large amounts of heat flow into the weapon bore surfaces. Together with this, heat transfer wear and erosion rates are increased in the barrel. In addition, heated barrel triggers the risk of cook-off. Forced convection cooling technique is implemented for preventing the heating problem in heavy weapons. In this study, first of all, under the defined boundary conditions, temperature distribution was solved numerically by finite element programs ANSYS Mechanical module in the 155 mm naturally and actively cooled barrels, for single round and continuous rounds. The results were validated by comparing  numerical and experimental data from literature. The influences of the variation of thermophysical  properties to the temperature distribution were shown in calculations. The assumption of constant thermophysical  properties had no effect on the inner surface temperature  at the end of rounds.  Parametric studies are made in liquid cooling barrels. In this context, the calculations in semicircular, semielliptical and rectangular channel geometries were performed. It was observed that channel geometries had no significant effect on temperature values. The cooling performance in semicircular geometries was investigated seperately when channel number were 8, 10, 12, 14 and 16, and the coolant velocity was increased 2, 3 and 4 times. It was found that the increase in channel number and coolant velocity decreased the temperatures during rounds. However, it was also observed that their effects got lesser and as it was closer to the final values they had no remarkable effect. Moreover, analsyis were made in which nano fluids are used as coolant. Compared to the systems that use water, a 3 % improvement was obtained. Finally, natural and active cooling barrels' temperature values were compared in multiple fire missions. It was found out that barrels cooled naturally were insufficient for multiple fire missions.