Numerical investigation of the effects of baffle geometry and number on the flow structure and acoustics in a gun suppressor
Bir silah susturucusunda perde geometrisi ve sayısının akış yapısı ve akustik üzerindeki etkilerinin sayısal incelenmesi
- Tez No: 766777
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ TOLGA DEMİRCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Kırıkkale Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Bir silahta ateşleme sırasında oluşan süpersonik hıza sahip itici gaz, yüksek basınç ve yüksek sıcaklığa ulaşarak namludan dış ortama doğru çıkış yapmaktadır. Bu namludan dış ortama aktarılan süpersonik hızlardaki gaz akışı nedeniyle, dış ortamda namlunun çıkışına yakın bölgelerde yüksek sıcaklık, yüksek hız ve yüksek basınçlara sahip dengesiz yapıda bir akış bölgesi oluşmaktadır. Oluşan bu akış bölgesi, ortamda bulunan insanlar ve çevre üzerinde birçok olumsuz etkiye sebep olabilen yüksek bir gürültünün oluşmasına neden olabilmektedir. Bundan dolayı, oluşan bu yüksek miktardaki gürültünün insan sağlığı ve çevre için güvenli olan seviyelere indirilmesi büyük önem arz etmektedir. Dolayısıyla bir silahın ateşlenmesi sırasında gerçekleşen ve gürültü oluşmasına sebebiyet veren tüm etkenlerin bir arada analiz edilmesi ve optimum susturucu geometrisi ve çalışma parametrelerinin belirlenmesi, oluşan gürültü seviyesinin azaltılabilmesi için çok önemlidir. Bundan dolayı bu çalışmada, bir silah susturucusunun içinde ve susturucu çıkışına yakın bölgelerde dış ortamda gerçekleşen itici gaz akışı hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yardımı ile incelenmiştir. Bu inceleme sırasında hem susturucu içindeki bölgeler için, hem de susturucudan çıkışta susturucuya yakın olan dış ortam bölgeleri için akışın sıcaklık, basınç, hız ve yoğunluk dağılımları elde edilerek irdelemeler yapılmıştır. Ayrıca hesaplamalı aeroakustik (HAA) modelini kullanarak, akustik incelemelerde bulunulmuş, susturucu geometrisinin ve çalışma parametrelerinin oluşan ses seviyesinin azaltılması üzerindeki susturucu etkileri de incelenmiştir. Yapılan sayısal analizler sırasında, incelenen akış geometrisi üç boyutlu ve eksenel simetrik olarak oluşturulmuştur. Akışın türbülanslı olduğu kabul edilmiştir. Türbülans denklemlerinin çözümü için farklı türbülans modelleri denenmiş, yapılan ön analizler sonucunda kω-SST türbülans modelinin kullanımının daha uygun olduğuna karar verilerek yapılan tüm analizlerde kω-SST türbülans modeli kullanılmıştır. Yapılan akustik incelemeler için ise, Ffowcs-Williams ve Hawkins denklemleri (FW-H) kullanılmıştır. Zamana bağımlı denklemlerin sayısal olarak incelenmesi sırasında“second order impicit”yaklaşımı tercih edilmiş, diferansiyel denklemlerin ayrıklaştırma işlemi sırasında ise“second order upwind”yöntemi kullanılmıştır. Bu çalışmada ele alınan susturucu modelinin sayısal olarak incelenmesine başlamadan önce, literatürde bulunan benzer geometriye sahip benzer çalışmalar belirlenmiştir. Bu çalışmaların geometri ve sınır şartları kullanılmış ve doğrulama analizleri yapılmıştır. Bu kapsamda literatürde bulunan iki farklı çalışma belirlenmiş, birisi aracılığı ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yaklaşımının, diğeri ile ise hesaplamalı aeroakustik (HAA) yaklaşımının doğrulaması yapılmaya çalışılmıştır. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda elde edilen sonuçların literatür ile uyumlu olduğu görülmüştür. Dolayısıyla bu çalışmada kullanılan sayısal yöntemlerin ve analizler sonucunda elde edilen sonuçların güvenilebilir seviyede olduğu düşünülmüştür. Ayrıca incelenen her geometri tipi için farklı eleman sayılarına sahip ağ yapıları oluşturularak deneme analizleri yapılmış ve her geometri için birer optimum ağ yapısı belirlenmiştir. Ek olarak farklı zaman adımları için deneme analizleri yapılarak, optimum ağ yapısı belirlenmiştir. Yapılan tüm sayısal analizlerde belirlenen optimum ağ yapıları ve optimum zaman adımı kullanılmıştır. Bu çalışma kapsamında incelenen susturucunun perde tipi değiştirilerek farklı susturucu model geometrileri oluşturulmuştur. Bu kapsamda düz, konik, kavisli, L tipi ve Y tipi perde geometrileri belirlenerek beş farklı susturucu geometrisi belirlenmiştir. Bu modellerin perdesiz, tek perdeli, üç perdeli ve beş perdeli durumları için sayısal incelemeler yapılmıştır. Ayrıca kavisli perdeye sahip geometri için, susturucunun uzunluğu ve çapı değiştirilerek farklı susturucu boyutları için ek incelemeler yapılmıştır. Bu analizler sonucunda, incelenen modellerin akış, ısıl ve akustik karakteristikleri belirlenerek birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Bu sayede basınç düşümünün ve ses azalışının optimum gerçekleştiği, susturucu engel tipi ve susturucu boyutları belirlenmeye çalışılmıştır. Çalışma sırasında ilk olarak, susturucu kullanılmamış bir silahın akış ve akustik analizi yapılarak, susturucusuz durum için basınç ve ses seviye değerleri belirlenmiştir. Belirlenen bu değerler, çalışma sırasında yapılan diğer analizler için bir referans noktası olarak kullanılmıştır. Çalışmanın sonucunda düz, L tipi, konik ve kavisli beş adet perdeye sahip susturucu modellerinin susturucusuz duruma göre olan basınç düşüşleri sırasıyla %75,45, %79,75, %79,55 ve %81,3 olarak belirlenmiştir. Susturucu geometrisine 5 adet Y tipi perde sığdırılamaması nedeniyle, 5 adet Y tipi perdeye sahip susturucu için incelemeler yapılamamıştır. Bu nedenle 3 adet Y tipi perdeye sahip model geometrisi, susturucusuz durum ile karşılaştırılmış ve susturucusuz duruma göre %78,33 basınç düşüşünün gerçekleştiği tespit edilmiştir. Bu çalışmada ele alınan parametre aralığında, kavisli perdeye sahip susturucu kullanımının incelenen diğer perde tiplerine sahip susturuculardan daha iyi bir akustik performans gösterdiği tespit edilmiştir. Bu nedenle kavisli perdeye sahip susturucu için, susturucu çapı ve boyutları değiştirilerek ek incelemeler yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda, beş adet kavisli perdeye sahip susturucu geometrisi için maksimum çıkış basıncı 3,748 MPa olarak elde edilmiştir. Beş adet kavisli perde sayısı sabit tutularak, susturucu çapı 1/6 oranında arttırıldığında maksimum çıkış basıncı 3,4961 MPa, susturucu uzunluğu 1/6 oranında arttırıldığında ise maksimum çıkış basıncı 3,3636 MPa olarak belirlenmiştir. Susturucunun hem çapı hem de uzunluğu 1/6 oranında artırıldığında ise maksimum çıkış basıncının değeri 3,177 MPa olarak elde edilmiştir. Dolayısıyla perde sayısı değişmeden, susturucunun boyutlarının artırılmasının basınç ve ses düşüşüne sebep olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışmada incelenen parametreler aralığında, bir silahta susturucu hiç kullanılmadığı durumda 169,498 dB ses basınç seviyesi elde edilmiştir. Aynı silah ve şartlarda, silaha perdesiz bir susturucu takıldığında ise 162,134 dB ses basınç seviyesi belirlenmiştir. Susturucu içerisine bir adet, üç adet ve beş adet kavisli perde eklendiği durumlarda ise, ses basınç seviyesinin değeri sırasıyla 160,234 dB, 159,437 dB ve 158,117 dB olarak tespit edilmiştir. Beş kavisli bölmeye sahip bir susturucu için, susturucu çapı 1/6 oranında artırıldığında ses basınç seviyesi susturucusuz duruma göre 16,515 dB azalarak 152,983 dB olarak belirlenmiştir. Susturucu uzunluğu 1/6 oranında artırıldığında ise 17,541 dB değerinde bir azalış gerçekleşmiş ve ses basınç seviye değeri 150,956 dB olarak elde edilmiştir. Çalışılan parametre aralığında en çok ses azalmasının sağlandığı susturucu geometrisi, beş adet kavisli perdeye sahip ve susturucunun hem çapının hem de uzunluğunun 1/6 oranında arttırıldığı susturucu geometrisi olarak belirlenmiştir. Bu susturucu geometrisi için elde edilen değerler susturucunun hiç kullanılmadığı durum ile karşılaştırıldığında sıcaklık değerinde 484,86 K azalma ve ses basınç seviyesinde ise 20,835 dB değerinde bir azalma gözlemlenmiştir. Başka bir değişle bu susturucu geometrisi susturucusuz geometri ile kıyaslandığında sıcaklık değeri %32,32, ses basınç seviyesi değeri ise %12,29 azalış göstermiştir. Sonuç olarak susturucu geometrisinin boyutlarının, kullanılan perde sayısının ve perde geometrisinin susturucu performansı üzerinde oldukça etkili olduğu gözlemlenmiştir. Susturcunun içinde yer alan perde sayısının ve susturucu boyutlarının artırılması ile susturucu çıkışında oluşan maksimum basıncın azaldığı, dolayısıyla oluşan ses seviyesinde de bir azalış gerçekleştiği gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Supersonic propellant gas is discharged from the barrel during the gunfire. Near the muzzle, the supersonic speed creates an unstable flow with high temperature, pressure, and velocity. This flow field generates a loud noise that has a lot of adverse effects on humans and the environment, so analyzing and attenuating this noise is essential. This work aimed to examine propellant flow within and outside the suppressor using computational fluid dynamics (CFD). It also studied the suppressor effect on sound attenuation using the computational aeroacoustics (CAA) model. The fluid flow study was simulated using a pressure-based 3D axisymmetric and transient kω-SST turbulence model. The Ffowcs-Williams and Hawkins equations (FW-H) were utilized for the aeroacoustics simulation. The second-order implicit time approach for transient simulation and the second-order upwind scheme for spatial discretization was used. Validation was done by comparing the numerical and experimental results of overpressure reduction and average sound amplitude attenuation. According to the comparison, this numerical method was found to be compatible. The effects of critical parameters, such as the suppressor's baffle shape, the baffling number, and suppressor volume, were studied without considering the projectile effect. Finally, the overpressure and acoustics results were compared with and without the suppressor. The maximum overpressure reduction straight and L-shaped baffle suppressors were 75.45% and 79.75%, respectively, achieved with five baffles. The overpressure reduction of suppressors with five conical baffles was 79.55% and for suppressors with three Y-shaped baffles was 78.33%. The percentage drop in overpressure for the suppressor with one, three, and five curved baffles were 76.01%, 78.79%, and 81.3%, respectively, compared to the initial inlet pressure. The curved suppressor performed better than the other silencers examined in this study; further analysis was done for this silencer. The maximum exit pressure for a suppressor with five curved baffles was 3.748 Mpa. However, when the diameter suppressor increased by 1/6, the maximum exit pressure was reduced to 3.4961Mpa. When the length increased by 1/6, the maximum pressure became 3.3636Mpa. Lastly, when the diameter and length were increased by 1/6, the maximum exit pressure became 3.177Mpa. For unsuppressed conditions, 169.498 dB of SPL was recorded. When using a suppressor without a baffle, this value was reduced to 162.134 dB. For the suppressor with one, three, and five curved baffles, the SPL value was 160.234 dB, 159.437 dB, and 158.117 dB, respectively. For a suppressor with five curved baffles, when the diameter was increased by 1/6, the SPL attenuation increased to 16.515 dB and became 152.983 dB. When the length was increased by 1/6, the attenuation was 17.541 dB, and the SPLvalue became 150.956 dB. Lastly, when the suppressor diameter and length increased 1/6, The suppressor achieved a 20.835 dB (12.29 %) sound pressure level attenuation with 16.823 MPa (84.115 %) overpressure and 484.86 K or 32.32% temperature reduction. Generally, This study shows that the suppressor's efficiency is directly proportional to its size, shape, and number of baffles. The attenuation increased with the increase in the suppressor's internal volume and the baffles' number and complexity.
Benzer Tezler
- Sismik yükler etkisindeki silindirik tanklarda mod süperpozisyonu yönetimi ile sıvı yapı etkileşimi problemlerinin çözümü
Başlık çevirisi yok
MUSTAFA SAATÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiYapı Mühendisliği Bilim Dalı
PROF. DR. M. ERTAÇ ERGÜVEN
- İç yüzeyinde engeller bulunan dairesel kanal içerisinde türbülanslı akış ve ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi
The investigation of fully having baffles on its inner surface turbulent flow and heat transfer in circular duct
ERKAN KIZILIRMAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OĞUZ TURGUT
- Numerical investigation of stirred tank hydrodynamics
Karıştırma tankı hidrodinamiğinin nümerik incelenmesi
KERİM YAPICI
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Bölümü
Y.DOÇ.DR. YUSUF ULUDAĞ
- Doğal dolaşımlı, kendinden depolu güneş toplayıcısının ısıl analizi
The Thermal analysis of a novel built-in-stroge solar water heater
İ.NECMİ KAPTAN
- Pürüzlü yüzeylerin kollektör verimine etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of surface roughness on collector efficiency
BURCU GÜLMEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
EnerjiManisa Celal Bayar ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AYŞE BİLGEN AKSOY