Xác định các hệ số khí động của tên lửa B-72 khi quay quanh trục dọc bằng phần mềm Ansys

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 199 XÁC ĐỊNH CÁC HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG CỦA TÊN LỬA B-72 KHI QUAY QUANH TRỤC DỌC BẰNG PHẦN MỀM ANSYS Trần Mạnh Tuân*, Nguyễn Phú Thắng, Nguyễn Văn Chúc, Đỗ Tiến Cần, Phạm Khắc Lâm Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định một số hệ số khí động quan trọng của tên lửa chống tăng B-72 khi xoay quanh trục dọc bằng phương pháp mô phỏng số trong ANSYS.CFX. Kết quả nhận được được so sánh với kết quả mô phỏng tên lửa không quay và được dùng làm cơ sở dữ liệu đầu vào của chương trình mô phỏng động lực học bay và hệ thống mô phỏng bán tự nhiên tên lửa B-72. Từ khóa: Hệ số khí động tên lửa quay, ANSYS.CFX. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tên lửa chống tăng B-72 được trang bị cho các đơn vị trong quân đội từ năm 1972 là loại tên lửa có điều khiển một kênh tầm gần. Khi tấn công mục tiêu, tên lửa quay quanh trục đối xứng và được điều khiển theo các phương thẳng đứng cũng như vuông góc chỉ bẳng một kênh điều khiển duy nhất cho máy lái. Tùy thuộc vào góc xoay của tên lửa so với vị trí ban đầu mà mô men điều khiển sinh ra do máy lái sẽ có tác dụng tương ứng. Tên lửa có khả năng tiêu diệt các mục tiêu di động trong cự ly từ 500 đến 3000 m. Một số thông số kỹ thuật chính của tên lửa B-72, theo tài liệu [1, 7, 8]: - Tốc độ bay trung bình: 120 (m/s); - Góc tấn ổn định: 30; - Đường kính thân tên lửa: 0,125 (m); - Chiều dài: 0,86 (m); - Sải cánh: 0,393 (m); - Vận tốc quay quanh trục khi bay: 8,5 (vòng/s); - Khối lượng: 10,9 (kg); - Lực đẩy trung bình của ĐCHT: 81 (N); Để giữ cho tên lửa quay trong khi bay, các cánh được bố trí nghiêng so với trục dọc của tên lửa một góc δ = 3015’. Khi tên lửa B-72 bay, dưới tác dụng của tải trọng khí động, các cánh gây ra mô men Cren làm tên lửa xoay quanh trục đối xứng Ox với vận tốc góc ωx ≈ - 8,5 (vòng/s). Khi tên lửa quay quanh trục bên cạnh các hệ số khí động tương ứng với vị trí góc xoay Cren còn có các thành phần khác sinh ra do chuyển động quay của tên lửa. Khi tính toán xác định các hệ số khí động tên lửa quay bằng các phương pháp truyền thống người ta thường không khảo sát chuyển động quay mà chỉ khảo sát chuyển động tịnh tiến truyền thống và bổ sung các hệ số quy đổi sang chuyển động quay. Để nhận được bộ số liệu tin cậy phục vụ mô phỏng động lực học bay tên lửa, các tác giả trình bày phương pháp xác định một số hệ số khí động quan trọng của tên lửa B-72 khi quay quanh trục đối xứng bằng phần mềm mô phỏng số trong ANSYS.CFX. Khảo sát tên lửa bay trong mặt phẳng đối xứng xOy với vận tốc V = 120 (m/s), góc tấn thay đổi từ 00 đến 100, vận tốc góc ωx = - 8,5 (vòng/s). Các hệ số khí động được quan tâm là hệ số lực cản Cx, hệ số lực nâng Cy, hệ số mô men Cren mx , hệ số mô men chúc ngóc mz và tọa độ tâm áp xta. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay T. M. Tuân, N. P. Thắng, ..., “Xác định các hệ số khí động bằng phần mềm Ansys.” 200 2. XÂY DỰNG BÀI TOÁN MÔ PHỎNG 2.1. Xây dựng mô hình hình học và chia lưới Giải bài toán động lực học dòng chảy bằng phần mềm mô phỏng số thực chất là quá trình giải các phương trình vi phân của các tham số dòng chảy bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Theo đó, cần xây dựng mô hình 3D vùng thể tích tính toán và dựng mô hình lưới cho mô hình 3D đó. Sau các thiết lập mô phỏng, chương trình sẽ tiến hành giải các phương trình vi phân cho các mắt lưới và nhận được kết quả khi đạt độ hội tụ cần thiết. Các bước xây dựng bài toán mô phỏng động lực học dòng chảy xác định các hệ số khí động tên lửa B72 được tiến hành theo tài liệu [4] và [5]. Mô hình 3D được dựng theo các kích thước thực tế bao của tên lửa B-72. Hệ tọa độ dựng hình là hệ tọa độ gắn liền. Gốc tọa độ trùng với trọng tâm của tên lửa (xtt = 0,5 m). Trục Ox hướng từ mũi về phía đuôi. Trục Oy hướng thẳng đứng lên trên. Trục Oz hướng sang trái ( nếu nhìn theo chiều trục Ox) (hình 1). Để giảm thiểu thời gian tính toán cũng như tăng chất lượng lưới các chi tiết nhỏ như khe hở nhỏ, các mấu nhỏ được loại bỏ mà không ảnh hưởng nhiều đến kết quả tính toán. Tên lửa khi đó có kết cấu dạng đối xứng trục. Vùng thể tích tính toán là vùng không khí bao quanh tên lửa được dựng là hình nửa elip tròn xoay đường kính trục ngắn 3m và trục dài 9m bao quanh mô hình tên lửa. Các bề mặt biên được dựng cách xa bề mặt chảy bao (1,5 m cách mũi và 2,5 m cách đuôi) để giảm thiểu ảnh hưởng lẫn nhau và tăng độ chính xác của kết quả. Hình 1. Mô hình 3D tên lửa B-72 (a) và kích thước vùng thể tích tính toán (b). Mô hình 3D vùng thể tích tính toán được chia lưới bằng phần mềm ANSYS.Meshing trên cơ sở cân đối giữa khả năng tính toán của máy tính và độ chính xác cần thiết theo một số thiết lập dành cho bài toán mô phỏng CFD bằng gói phần mềm ANSYS.CFX như sau: - Chọn hàm kích thước mở rộng là Proximity and Curvature. Đây là hàm mở rộng chuyên dùng cho mô phỏng CFD. Với hàm này lưới sẽ được chia nhỏ mịn hơn ở những đường hoặc bề mặt có kích thước nhỏ và thô hơn ở những bề mặt lớn hơn hoặc xa tên lửa theo tỉ lệ Growth Rate do người dùng thiết lập (ở đây đặt là 1, 2). Trong mô phỏng CFD ta quan tâm nhiều đến vùng không gian gần bề mặt đối tượng nghiên cứu nên lưới ở khu vực này cần có độ mịn cần thiết. - Thiết lập kích thước mắt lưới nhỏ nhất trên bề mặt chảy bao của tên lửa là 1 mm. - Thiết lập kích thước mắt lưới lớn nhất trên bề mặt chảy bao của tên lửa là 10 mm. - Để nghiên cứu dòng chảy gần tường ta sử dụng thuộc tính Inflation chia 5 lớp lưới lăng trụ bao quanh mô hình tên lửa. Chiều dày của lớp đầu tiên là 1 mm và tăng dần theo tỉ lệ Growth Rate = 1,2. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 201 Kết quả nhận được mô hình lưới với gần 420.000 nút (Nodes) và gần 1.700.000 phần tử (Elements) như hình 2. Sau khi chia lưới cần kiểm tra chất lượng lưới được chia thông qua các chỉ số đánh giá. Một chỉ số chất lượng lưới quan trọng là chỉ số Aspect Ratio [2]. Chỉ số này càng nhỏ thì bài toán mô phỏng càng đảm bảo tính hội tụ cao của kết quả. Với mô hình lưới đã nhận được chỉ số chất lượng lưới Aspect Ratio tối đa là 18,9. Giá trị tối đa cho phép của bài toán mô phỏng động lực học dòng chảy CFD là 100. Bên cạnh đó chỉ số Skewness càng nhỏ hơn 1 càng tốt. Ở đây chỉ số Skewness cực đại bằng 0,94. Như vậy, mô hình lưới hoàn toàn đáp ứng yêu cầu mô phỏng. a) b) Hình 2. Chia lưới bề mặt tên lửa B-72 (a) và lưới vùng thể tích tính toán (b). 2.2. Một số thiết lập các điều kiện mô phỏng Điều kiện mô phỏng gồm điều kiện biên và điều kiện ban đầu. Trước hết, ta chọn thuộc tính dòng chảy cho vùng thể tích tính toán là không khí ở nhiệt độ thường (250C), áp suất bằng áp suất khí quyển (1 atm). Chọn mô hình dòng chảy rối k-epsilon với giả thiết toàn bộ dòng chảy gần tường là dòng chảy rối. Sử dụng một số hàm định nghĩa Expression để thiết lập đầu vào và đầu ra của mô phỏng: LIBRARY: CEL: EXPRESSIONS: Sm = pi*dM^2/4 # Diện tích đặc trưng V = 120[m/s] # Vận tốc Vx = V*cos(alpha) # Vận tốc theo phương Ox Vy = V*sin(alpha) # Vận tốc theo phương Oy alpha = 3[deg] # Góc tấn cx = (force_x()@body/qSm)*cos(alpha)+(force_y()@body/qSm)*sin(alpha) # Hệ số lực cản cy = (force_y()@body/qSm)*cos(alpha)-(force_x()@body/qSm)*sin(alpha) # Hệ số lực nâng dM = 0.125[m] # Ðường kính thân tên lửa mx = torque_x()@body/(qSm*dM) # Hệ số mô men Cren mz = torque_z()@body/(qSm*dM) # Hệ số mô men chúc ngóc qSm = V*V/2*massFlowAve(Density )@inlet*Sm # Tích Áp suất động với diện tích đặc trưng xta = torque_z()@body/force_y()@body # Tọa độ tâm áp END Cơ học & Điều khiển thiết bị bay T. M. Tuân, N. P. Thắng, ..., “Xác định các hệ số khí động bằng phần mềm Ansys.” 202 END END Đối với điều kiện biên, ta thiết lập 3 bề mặt biên lần lượt là Inlet (đầu vào), Outlet (đầu ra) và Wall (tường). Đầu vào thiết lập thuộc tính vận tốc theo các thành phần tương ứng với hàm Expression. Đầu ra được thiết lập dạng áp suất tham chiếu pref = 0 (atm). Điều này đảm bảo tổng áp suất Domain và áp suất tham chiếu đúng bằng áp suất khí quyển (1 atm). Khi nghiên cứu kết quả trường phân bố áp suất nhận được chính là áp suất dư gây ra tải trọng khí động. Thuộc tính của Wall được đặt mặc định là tường trơn nhẵn và đẳng nhiệt. Để xây dựng bài toán nghiên cứu chuyển động quay của tên lửa, trong phần Basic Settings cần thiết lập thuộc tính Domain Motion sang Rotating quanh trục Ox và đặt vận tốc góc tương ứng là -8,5(vòng/s). Chỉnh sửa thuộc tính Frame Type của bề mặt chảy bao của tên lửa về Rotating. Thiết lập một số thuộc tính điều khiển trình giải trong phần Solver Control. Đặt số vòng lặp tối đa là 100, Time Scale là 10 và chọn đích sai số kiểu RMS với giá trị 10-5. Hệ số Time Scale mặc định là 1. Tăng hệ số Time Scale sẽ làm giảm thời gian đạt đến hội tụ của lời giải, tuy nhiên dễ xuất hiện hiện tượng đích sai số tăng ngược trở lại. Việc lựa chọn Time Scale bằng 10 căn cứ vào các kinh nghiệm mô phỏng cũng như hướng dẫn ở tài liệu [4] và [5]. Để tiện quan sát quá trình hội tụ của các hệ số khí động ta thiết lập trong thuộc tính Monitor đồ thị hội tụ theo thời gian cho các hệ số tương ứng. Sau khi thiết lập các thuộc tính ta tiến hành giải bài toán bằng CFX.Solver. Hình 3. Đồ thị hội tụ đích sai số và kết quả. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 203 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT Sau gần 100 vòng lặp dòng chảy đạt ổn định và các hệ số hội tụ ở mức sai số cho phép. Ta nhận được bảng các giá trị hệ số khí động tên lửa B-72 khi bay với vận tốc V = 120 (m/s) theo góc tấn tương ứng với trường hợp tên lửa không quay và có quay quanh trục Ox với vận tốc góc ωx = -8,5 (vòng/s) như bảng 1. Một vài hình ảnh kết quả mô phỏng động lực học dòng chảy tên lửa B-72 như hình 4. Bảng 1. Hệ số khí động tên lửa B-72 theo góc tấn. α0 Cx Cy mx mz xta (m) Không quay Quay Không quay Quay Không quay Quay Không quay Quay Không quay Quay 0 0.3733 0.3415 0.0001 0.0014 - 0.5184 0.0023 - 0.0002 0.0006 - - 2 0.3898 0.3550 0.4891 0.4857 - 0.5248 0.0089 0.0679 0.0619 0.0169 0.0156 4 0.4361 0.3971 0.9854 0.9788 - 0.5428 0.019 0.1519 0.1412 0.0187 0.0176 6 0.5131 0.4696 1.4966 1.4845 - 0.5674 0.0284 0.2621 0.2447 0.0213 0.0201 8 0.6179 0.5748 2.0053 1.9967 - 0.5758 0.0391 0.3793 0.3685 0.0229 0.0224 10 0.7559 0.7109 2.5144 2.5061 - 0.5818 0.0614 0.5188 0.5024 0.0249 0.0242 Hình 4. Đồ thị so sánh các hệ số khí động tên lửa B-72 quay và không quay. Từ bảng tổng hợp số liệu và đồ thị so sánh nhận thấy: Khi tên lửa quay quanh Cơ học & Điều khiển thiết bị bay T. M. Tuân, N. P. Thắng, ..., “Xác định các hệ số khí động bằng phần mềm Ansys.” 204 trục Ox với vận tốc góc ωx = -8,5 (vòng/s) hệ số lực cản chính diện Cx giảm (dưới 10%) so với tên lửa không quay, hệ số lực nâng Cy và hệ số mô men chúc ngóc mz thay đổi không đáng kể. Hệ số lực cản giảm có thể được giải thích là do khi tên lửa quay, thành phần vận tốc theo phương Ox bị giảm so với khi tên lửa không quay. Hệ số mô men Cren mx là tăng xấp xỉ về 0 với góc tấn nhỏ dưới 3 0 và lớn hơn 0 ở các góc tấn lớn hơn. Điều này được giải thích là do ở tên lửa không quay, các cánh nghiêng góc 3015’ so với trục dọc của tên lửa. Dưới ảnh hưởng của tải trọng khí động tác dụng lên các cánh xuất hiện mô men xoắn (mô men Cren) có xu hướng làm tên lửa quay theo chiều âm của vận tốc góc ωx . Khi tên lửa quay với vận tốc góc ωx = -8,5 (vòng/s), các cánh bên trái và bên phải xuất hiện các thành phần vận tốc theo phương vuông góc bằng nhau về độ lớn và ngược dấu, làm xuất hiện mô men giống mô men cản dịu (Damping moment) triệt tiêu mô men quay [6,9,10]. Khi tên lửa đạt vận tốc góc ổn định thì tổng mô men cản dịu và mô men do tải trọng khí động sinh ra bằng 0. Ở các góc tấn lớn hơn do xuất hiện hiện tượng đứt dòng và tính đối xứng của dòng chảy bị phá vỡ nên mô men cản dịu và mô men do tải trọng khí động sinh ra không triệt tiêu được nhau. a) b) Hình 5. Áp suất phân bố bề mặt tên lửa B-72 (a) và đường dòng khi tên lửa quay (b). Chính vì vậy, khi nghiên cứu xác định tải trọng khí động của tên lửa quay quanh trục đối xứng với vận tốc ổn định bằng các phương pháp khác ta có thể sử dụng mô hình tên lửa khi không quay (do ít phức tạp hơn) với sai số cho phép và bổ sung thêm giá trị mô men Cren xấp xỉ bằng 0. Điều này có nhiều lợi ích nhất là khi làm thực nghiệm thổi mô hình do không cần thiết kế đồ gá làm quay tên lửa quanh trục đối xứng. 4. KẾT LUẬN Sử dụng các phần mềm mô phỏng số trong giải quyết các bài toán phức tạp đang là xu thế tất yếu hiện nay. Bài báo đã trình bày phương pháp sử dụng phần mềm ANSYS.CFX để nghiên cứu xác định một số hệ số khí động quan trọng của tên lửa B-72 khi quay quanh trục cũng như so sánh với kết quả các hệ số đó khi mô phỏng tên lửa không quay. Kết quả nhận thấy từ 2 dạng bài toán mô phỏng: các hệ số khí động cơ bản tương đồng nhau và phù hợp với các nghiên cứu lý thuyết. Bảng giá trị các hệ số khí động tên lửa quay ở trên được dùng cơ sở dữ liệu đầu vào của chương trình mô phỏng động lực học bay và hệ thống mô phỏng bán tự nhiên tên lửa B-72. Bên cạnh đó bài báo cũng đề xuất một phương pháp đơn giản hơn để nghiên cứu tải trọng khí động của tên lửa khi quay quanh trục đối xứng. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 205 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Giáo trình huấn luyện: “Tổ hợp tên lửa chống tăng 9K11”, Bộ tư lệnh Pháo binh, Cục Kỹ thuật, Hà Nội, năm 2006. [2]. ANSYS Release 12.0: “Meshing Help”. [3]. ANSYS CFX Release 12.0: “ANSYS CFX-Solver Theory Guide”. [4]. ANSYS Release 12.0: “Training Manual Workbench - Mechanical Introduction”. [5]. [6]. А.А. Лебедев, “Динамика беспилотных летательных аппаратов”, стр. 329 Москва Машиностроение, 1973 г. [7]. “Наземная аппаратура управления снарядом 9М14, Пулть управления – Техническое Описание”, Ордена Трудового Красного Знамени Военное ИЗд. Министрерства Обороны СССР, Москва, 1972 г. [8]. “Наземная аппаратура управления снарядом 9М14 – Техническое Описание”, Военное ИЗд. Министрерства Обороны СССР, Москва, 1966 г. [9]. В.М. Кашин, А.Л.Лифир, М.И.Ефремов, “Основы проектирования переносных зенитных ракетных комплексов”, изд. МГТУ им. Баумана, Москва 2014 г. [10]. Астрахова Т.П, “Основы Аэродинамической компоновки”, изд. МГТУ им. Баумана. ABSTRACT DETERMINATION OF THE AERODYNAMIC COEFFICENT OF B-72 MISSILE AS ROTATING AROUND THE LONGITUDINAL AXIS WITH THE SOFTWARE ANSYS.CFX In this paper, a method of determining some important aerodynamic coefficients of anti-tank B-72 missile as rotating around the longitudinal axis by simulation in ANSYS.CFX is presented. The obtained results were compared with not-rotating rocket’s one and used as the input data of the flight dynamics system and semi-natural simulation of B-72 missile. Keywords: Aerodynamic coefficents of rotating rocket, ANSYS.CFX. Nhận bài ngày 16 tháng 07 năm 2016 Hoàn thiện ngày 04 tháng 08 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 09 năm 2016 Địa chỉ: Viện Tên lửa, Viện KH-CNQS. * Email: tuanmanh1308@gmail.com