منبع پایان نامه با موضوع كامپوزيت، حرارتي، افزايش

دانلود پایان نامه ارشد

مي توان فرض كرد مقدارش برابر با 0.1mp_a باشد.
در مدل سازي پاسخ حرارتي ماده كامپوزيتي، Henderson و همكاران [35] همچنين مبادله حرارتي همرفت (جابه جايي) و تشعشع در سطح داغ را توصيف كردند، اين امر به وسيله فرمول زير تجزيه و تحليل مي شود:

(‏212)

τ_r: قابليت تشعشع منبع حرارتي
ε_m: قابليت تشعشع ماده كامپوزيتي (معمولا براي كامپوزيت ها مقدار 9/0 است)
α_m: ضريب جذب كامپوزيت176
Henderson و همكاران [35] دقت مدلشان را به وسيله مقايسه دماي نظري و تئوريك با پروفايل هاي دمايي اندازه گيري شده براي كامپوزيت شيشه/فنوليك تحت مجاورت فلاكس حرارتي بالا (279/9 kw/m^2 ) در زمان هاي بالاي 800 ثانيه ارزيابي كردند.
فلاكس حرارتي بالا براي ايجاد دماي به مقدار لازم و كافي بالا كه منجر به تجزيه مشخص ماتريس پليمري و ايجاد واكنش ميان الياف شيشه و ذغال، به كار برده مي شود.
شکل ‏214 مقادير پروفايل دمايي هاي اندازه گيري شده و محاسبه شده رابا هم و در عمق‌هاي متفاوت در قطعات با ضخامت 3 سانتي متر مقايسه مي‌كند و تطابق خوبي مشاهده مي‌‌‌شود.

شکل ‏214: مقایسه تغییرات دمایی تئوری و ازمایشگاهی تعیین شده در نقاط مختلف در جهت ضخامت کامپوزیت فنولیک/الیاف شیشه تحت فلاکس حرارتی 280.توسط Henderson و همکاران
Henderson and wiecek [38] مدلي را پيشنهاد كردند كه تاثيرات تركيبي انبساط حرارتي كامپوزيت و همچنين گير كردن گاز حاصل از تجزيه دركامپوزيت177 در فرايند آناليز مي‌كند. اين امر باعث ايجاد بهبود كمي در اعتبار مدل در پيش بيني افزايش دما خواهد گذاشت.
مدلي كه توسط Henserson و همكاران [35] بهبود يافت. توسط Gibson و همكاران[51] ساده‌سازي و براي پيش بيني قابليت اشتعال كامپوزيت لايه‌اي GRP معرفي شد.
مدل به وسيله فرض اينكه واكنش شيشه – ذغال اتفاق نمي‌افتد ساده شد و بنابراين براي آتش‌هايي با فلاكس‌هاي حرارتي كمتر تقريبا kw/m^2 125 (~〖1000〗^0 c يا kw/m^2 25~) قابل استفاده است.
اين مدل در اصل براي پيش‌بيني قابليت اشتعال پنل‌هاي GRP زمانيكه تحت مجاورت شعله‌ها و آتش‌هاي هيدروكربني قرار مي‌گيرند و همچنين از مواد افزودني براي بهبود مقاومت اشتعال178 ديواره و كف راهور سازه هاي سكوهاي حفاري دريايي179 استفاده مي شود.
اخيرا از اين مدل براي پيش بيني رفتار آتش كامپوزيت GRP لايه اي گريد دريايي تحت مجاورت آتش هاي سلولزي180 و فلاكس هاي حرارتي پايين تا متوسط (kw/m^2 100-25) استفاده شده است. [52]
همچنين Gibson و همكاران [51] مدل ارائه شده توسط Henderson [35] را به وسيله فرض اينكه خواص انتقال گاز و حرارت در طول زمان تجزيه ماتريس پليمري ثابت است، ساده‌سازي كرد. فرض شود كه خواص هدايت حرارتي و گرماي به ويژه كامپوزيت با افزايش دما ثابت باقي خواهد ماند و مقادير دماي محيط به صورت عمومي در آناليز به كار مي‌رود.
خواص حرارتي به وسيله آناليز قانون اختلاط (ارائه شده در بخش 5-5) محاسبه مي شود.
همچنين فرض مي كنيم ميزان و نرخ واكنش تجزيه را به وسيله معادله آرنيوس مرتبه اول181 كه براي بسياري از سيستم هاي پليمري كه در سازه هاي كامپوزيتي دريايي مانند پلي استرها، وينيل استرها و اپوكسي ها صادق است محاسبه مي شود.
اگرچه اين مدل كردن واكنش هاي تجزيه با مرتبه هاي بالاتر مثل رزين هاي فنوليك كه طي فرايند چند مرحله اي تخريب مي شود را دارد.
مدل ارائه شده به وسيله Gibson و همكاران [51] قابليت آناليز 3 نوع از مهمترين فرايندهاي انتقال انرژي زمانيكه كامپوزيت در مجاورت شعله قرار مي گيرد را دارد. اين فرايندها عبارتند از : انتقال حرارت هدايتي در سرتاسر ماده (ضخامت) ، تجزيه گرماگير ماتريس پليمري، انتقال جرم جابه جايي محصولات ناپايدار از ناحيه واكنش به سطح داغ كامپوزيت.
اين مدل به صورت يك معادله غيرخطي يك بعدي182 كه اين فرايندها را در خود جاي مي دهد و شبيه معادله(‏29) است و گزارش شده است.
(‏213)

ترم اول سمت راست ، معادله اي مرتبط با هدايت حرارتي ناپايدار183 در سرتاسر ضخامت كامپوزيت است. ترم آخر، ترم تجزيه گرماگير است كه نشان دهنده نرخ واكنش تجزيه ماتريس پليمري است.
به وسيله حل متناوب و تكراري معادله به وسيله افزايش دما زمانيكه كامپوزيت شعله گرم مي‌شود، محاسبه خواص شعله زير امكان پذير خواهد بود: زمان شروع احتراق، نرخ افت جرم و تشكيل جسم زغال. همچنين مدل مي تواند به وسيله آناليز المان محدود184 حل شود. [53, 54]
همانند مدل ارائه شده توسط Henderson [35]، معادله 8-5 گزارش ويژه اي از تشكيل جسم ذغال نمي دهد كه اعتقاد بر اين است كه در طولاني مدت سودمند است يا در حقيقت الياف قرارگرفته در سطح داغ لايه به صورت پيشرونده اي بعد از يك مدت تحت مجاورت شعله قرار گرفتن تخريب خواهد شد.
با اين وجود، دقت مدل در تعيين قابلیت اشتعال185 بسياري از انواع كامپوزيت هاي لايه اي قابل اثبات است [51-55]. شکل ‏215 يك مقايسه ميان نمودار دماهاي اندازه گيري شده و محاسبه شده به عنوان تابعي از زمان براي كامپوزيت شيشه /پلي استر تحت مجاورت شعله هيدروكربني نشان مي‌دهد.

شکل ‏215:مقایسه تغییرات دمایی تئوری و ازمایشگاهی تعیین شده در نقاط مختلف کامپوزیت فنولیک/الیاف شیشه تحت مجاورت فلاکس حرارتی 280.توسط Florio و همکاران
ترم x/l نشان دهنده فاصله تا سطح داغ (x) تقسيم بر ضخامت قطعه (L) مي باشد كه در اين مورد 9/10 ميلي‌متر است.
دماها در سطح داغ، در فاصله‌هاي 1/10 سرتاسر ضخامت كامپوزيت، در نيمه كامپوزيت (x/L=5/10) و در سطح سرد، تعيين خواهد شد. تطابق فوق العاده‌اي ميان دماي پيش‌بيني شده و آزمايشگاهي وجود دارد.
Mourtitz و همكاران [52] اخيرا نشان دادند كه اين مدل مي تواند به صورت دقيق ميتواند زمان شروع به احتراق ، افت جرم، نرخ افت جرم و رش جسم ذغال در كامپوزيت لايه اي GRP را پيش بيني كند.
مدل مهم ديگر كه براي پيش بيني قابليت اشتعال يك كامپوزيت در حال تجزيه ، به وسيله Florio ، Henderson ، Test وHariharan [40] معرفي شد. اين مدل بر اساس كار اصلي توسط Henderson و همكاران [35, 38] ساخته شد. اين مدل تنها به توصيف فرايندهاي هدايت حرارتي، گرماي جابه جايي حاصل از جريان گازهاي تجزيه و پيروليز نمي پردازد بلكه شامل تاثير فرايندهاي ديگر انبساط حرارتي و افزايش فشار داخلي حاصل از تشكيل گازهاي ناپايدار نيز مي‌شود. Florio و همكاران [40] يك تعريف كلي ازمدل اثبات شده را ارائه كردند و معادله كامل تعادل انرژي (Full energy –balance eq) به صورت زير نشان داده شده:

(‏214)

∆A: مساحت سطح مقطع
P : فشار داخلي گاز
∆A: انبساط حرارتي سيستم كنترل
∅ : تخلخل
V :سرعت گاز
ترم اول سمت راست شمارنده و نشاندهنده ميزان و نرخ خالص سرعت جريان گاز، ترم دوم نماينده تاثير هدايت حرارتي، ترم سوم نشان دهنده ميزان و نرخ خالص انتقال انرژي به وسيله جابه جايي گازهاو ترم چهارم نشان دهنده نرخ و ميزان كار انبساط و ترم آخر بيانگر مصرف و يا تجمع انرژي به وسيله واكنش هاي تجزيه مي باشد.
يا به كار بستن مدل، پيش بيني مدل ها ، افت جرم، تخلخل، انبساط حجمي ماده كامپوزيتي و همچنين دما، فشار گاز ،‌فلاكس جرمي و توده گازها186 ممكن خواهد بود.
اعتبار مدل توسط Florio و همكاران [40] با استفاده از كامپوزيت شيشه /فنوليك با ضخامت 3cm تحت مجاورت شعله با فلاكس حرارتي تقريبي kw/m^2 280 تاييد شد. (اين همان ماده و فلاكس حرارتي استفاده شده توسط Henderson و همكاران [35] براي تاييد مدلشان بود.)
شکل ‏216 پروفايل هاي دمايي آزمايشگاهي و تحليلي به عنوان تابعي از زمان در عمق هاي متفاوت در سرتاسر لايه (ضخامت) بررسي و مقايسه مي كند.

شکل ‏216:تغییرات فشار در برابر زمان تئوری و آزمایشگاهی تعیین شده درنقاط مختلف از ضخامت تحت فلاکس حرارتی 280.توسط Florio و همکاران

همانطور كه ديده مي شود تطابق خوبي وجود دارد اگرچه تفاوت چنداني با نتايج ارائه شده توسط مدل ساده‌تر Henderson [35] وجود ندارد.
واضح است كه تاثيرات انبساط حرارتي و فشار گاز بر روي انرژي داخلي، بهبود مشخصي در پيش بيني دما در تجزيه ماده كامپوزيتي ندارد.
يگانه ويژگي و ويژگي منحصر به فرد مدلFlorio [40]، توانايي محاسبه افزايش فشار داخلي ايجاد شده توسط تجمع گازهاي ناپدار مي باشد.
اين پارامتر (افزايش فشار داخلي) براي فهم و درك مناسب خواص نفوذ گازهاي داغ در سرتاسر ضخامت كامپوزيت و تشكيل شيارهاي لايه لايه كه زماني به وجود مي آيند كه فشار از تنش شكست بين لايه ها بيشتر شود.
Rumamurhy و همكاران [56] افزايش فشار در كامپوزيت مستقل شيشه/فنوليك براي امتحان كردن دقت مدل، اندازه‌گيري كردند.
فشار به وسيله استفاده از لوله هاي حساس به فشار قرار داده شده در موقعيت هاي متفاوت درورن كامپوزيت اندازه‌گيري مي‌كنند.
شکل ‏216 ميزان فشار اندازه گيري شده و نظري در زمان‌هاي متفاوت و در عمق cm6/0 و cm55/2 از سطح داغ و ضخامت mm3 براي نمونه كامپوزيت شيشه- فنوليك، مقايسه مي‌كند.
فشار ناشي از گازهاي ناپايدار (p) به فشار محيطي درون كامپوزيت قبل از آزمون شعله (p0) نرمالايز مي‌شود.
تطابق ميان فشار اندازه گيري شده و محاسبه شده ضعيف است. نه مقادير فشار و نه تغييرات فشار با زمان، با دقت پيش‌بيني مي‌شود.
اما Florio و همكاران [40] اين مغايرت و مشكل را به مدل نسبت ندارند اما به جاي آن اعتقاد آنها بر اين بوده كه زماني با اين مشكلات مواجهه مي شويم كه در زمان اندازه گيري فشار و گاز ، مقادير آزمايشگاهي كمتر از مقدار واقعي فشار187 باشد.
چندين مدل براي پيش بيني انبساط حرارتي مواد كامپوزيتي در دماهاي بالا وجود دارد. [37, 39, 48]
پيش‌بيني انبساط حرارتي يكي از بزرگترين چالش‌ها و مشكلات است زيرا ماده كامپوزيتي مي تواند باافزايش دما با ميزان هاي متفاوتي انسباط يا انقباض يابد. به عنوان مثال شكل 9-5 انبساط حجمي تعريف شده بر اساس درجه تغييرات طولي – كامپوزيت شيشه- كه با ميزان هاي 20-5 0c/min تا دماي نهايي 2000 درجه سانتي‌گراد گرم مي شود را نشان مي‌دهد.
زمانيكه حرارت دهي از دماي اتاق188 شروع شود، كامپوزيت در ابتدا با افزايش حرارتي به صورت خطي و آهسته (شيب كم) منبسط مي‌شود. دامنه و ميزان افزايش در شكل 9-5 كاملا مشخص واضح است. اين امر به دليل انبساط الياف شيشه و ماتريس پليمري است.
در حدود دماي 300 درجه سانتي‌گراد زمانيكه پيروليز ماتريس آغاز مي شود، ميزان انبساط به دليل تشكيل گازهاي ناپايدار و افزايش فشار داخلي به ميزان خيلي سريع افزايش خواهد يافت. با افزايش دما انبساط كامپوزيت ادامه خواهد يافت و مقادير بيشتري از ماتريس پليمري به مواد ناپايدار تبديل خواهد شد.
شکل ‏217 نشان مي‌دهد كه ميزان انبساط در نرخ گرمايش‌هاي بيشتر، افزايش خواهد يافت و اين امر به دليل وابستگي واكنش پيروليز به نرخ گرمايش است.

شکل ‏217: تغییرات طول جزئی با افزایش دما برای کامپوزیت فنولیک/الیاف شیشه تحت نرخ گرمایش 5 و 20.توسط Florio و همکاران
با افزايش نرخ گرمايش، ميزان توليد گاز در يك خاص افزايش خواهد يافت و نتيجه آن انبساط بيشتر خواهد بود.
كامپوزيت در دماي تقريبا 500 سانتي گراد به دليل تشكيل جسم دغال شروع به انقباض مي كند و ميزان انقباض به شدت با رسيدن دما به بالاي 1600 درجه سانتيگراد افزايش خواهد يافت. دليل اين افزايش واكنش الياف با ذغال (filer-carban) مي‌باشد.
روابط پيچيده ميان انبساط و دما در بسياري از انواع مواد كامپوزيتي [36, 37, 57, 58] مشاهده مي‌شود.
Florio و همكاران [39] يك مدل ترموفيزيكي189 ارائه داد كه انبساط كامپوزيت را زمانيكه تحت مجاورت شعله قرار مي گيرد را پيش‌بيني مي‌كند.
محاسبه انبساط حرارتي به وسيله به كار بردن و حل معادله ديفرانسيل جزئي غير خطي190 زير امكان‌پذير است.

(‏215)

L :طول لحظه اي
α_v: ضريب انبساط خطي مواد اوليه
L_0: طول اوليه
: α_cضريب انبساط خطي جسم ذغال
m : جرم لحظه اي
η : ضريب نرخ گرمايش
ε :ضريب تجزيه
ε ,ζ به صورت آزمايشگاه در محدوده هاي دمايي

پایان نامه
Previous Entries منبع مقاله درمورد عرفان و تصوف Next Entries منبع مقاله درمورد سليمان، تسخير، كوه