Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng đường kính vòng cản đến tầm bay của thiết bị bay không điều khiển trong điều kiện tiêu chuẩn

Bài viết xây dựng mô hình mô phỏng CFD tính toán các đặc trưng khí động của thiết bị bay không điều khiển, xác định các hàm khí động ứng với các giá trị khác nhau của đường kính vòng cản. Với giá trị hàm khí động nhận được, giải phương trình chuyển động trong mặt phẳng bắn, từ đó cho phép đánh giá ảnh hưởng đường kính vòng cản đến tầm bắn của đạn.

Nghiên cứu khoa học công nghệ Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng đường kính vịng cản đến tầm bay thiết bị bay không điều khiển điều kiện tiêu chuẩn Lê Hữu Ban1, Nguyễn Nam Quý1,*, Nguyễn Hải Minh1, Điêu Như Kế2, Nguyễn Quang Lượng1 Học viện Kỹ thuật Quân Trường sĩ quan Tăng-Thiết giáp, Binh chủng Tăng-Thiết giáp *Email: sky_moscow@mail.ru Nhận ngày 08/02/2022; Hoàn thiện ngày 28/3/2022; Chấp nhận đăng ngày 10/4/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.78.2022.159-165 TĨM TẮT Bài báo xây dựng mơ hình mơ CFD tính tốn đặc trưng khí động thiết bị bay khơng điều khiển, xác định hàm khí động ứng với giá trị khác đường kính vịng cản Với giá trị hàm khí động nhận được, giải phương trình chuyển động mặt phẳng bắn, từ cho phép đánh giá ảnh hưởng đường kính vịng cản đến tầm bắn đạn Độ xác kết tính tốn mơ hình CFD giải phương trình chuyển động đảm bảo cách so sánh với giá trị bảng bắn tiêu chuẩn pháo binh tầm bắn ứng với giá trị khác đường kính vịng cản Từ khóa: CFD; Vịng cản; Thiết bị bay ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thực tế tác chiến pháo binh, để thay đổi tầm bắn người ta sử dụng nhiều phương pháp thay đổi góc bắn, dùng đạn nhiều liều hay dùng đạn có vịng cản Tuy nhiên, nghiên cứu cụ thể ảnh hưởng đường kính vịng cản đến tầm bắn đạn phản lực khơng điều khiển lại chưa nhiều Các khảo sát tính tốn báo áp dụng cho đối tượng cụ thể đạn phản lực không điều khiển M21- OФ Một số cơng cụ xác định đặc trưng khí động phổ biến thổi khí, liệu DATCOM, mơ CFD, cơng thức khí động,… Trong nghiên cứu lý thuyết, phương pháp CFD có nhiều ưu điểm độ xác cao, chi phí rẻ, tính tốn nhiều mơ hình vật bay phức tạp Bài báo sử dụng phương pháp CFD phần mềm ANSYS FLUENT để xác định ảnh hưởng đường kính vịng cản đến số đặc trưng khí động đạn M21-OФ, từ đánh giá ảnh hưởng đến tầm bắn đạn Kết tính tốn kiểm chứng cách so sánh tầm bắn đạn có vịng cản với liệu tiêu chuẩn bảng bắn pháo binh Nghiên cứu góp phần làm rõ số vấn đề liên quan đến sở lý thuyết thuật phóng ngồi, phục vụ cho trình thiết kế, chế tạo loại đạn phản lực không điều khiển PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG CFD XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG KHÍ ĐỘNG CỦA ĐẠN 2.1 Mơ hình phương pháp số 2.1.1 Phương trình CFD Phương trình Navier-Stokes cho dịng chảy nén [1], biểu diễn sau:  u f T      u f u f   p f     u f   u f      u f  I   F (1)      t  Trong đó: u f - Vận tốc dòng chảy; p f - Áp suất dòng chảy;  f - Mật độ dòng chảy;  - Độ f  nhớt động lực học dòng chảy; I - Tenso đơn vị Các số hạng: - Biểu diễn nội lực dịng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 78, - 2022 159 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực chảy; - Biểu diễn áp suất dòng chảy; - Biểu diễn lực nhớt dòng chảy; - Biểu diễn ngoại lực tác dụng lên dịng chảy 2.1.2 Mơ hình vật rắn chia lưới Để tính tốn đặc trưng khí động đạn M21-OФ phương pháp CFD, giả thiết đạn M21-OФ vật rắn tuyệt đối có kích thước hình [2] Hình Các kích thước mơ hình đạn M21-OФ Đường kính vòng cản khảo sát 76; 86; 96 106 mm lấy dựa theo bảng bắn Lưới chia tự động, bề mặt tiếp xúc (tường) có hệ số “growth rate”  1.2 [3]; chất lượng lưới đánh giá qua thông số lưới skewness (độ lệch), orthogonal quality (độ trực giao) aspect ratio (tỷ lệ mặt lưới) Chia lưới thông số đạt mức tốt 2.1.3 Các điều kiện biên ban đầu dòng chảy Theo [3], điều kiện biên ban đầu điều kiện vật lý dòng chảy thiết lập bảng Bảng Các thơng số dịng chảy Boundary Reference parameters Control volume conditions Solver condition conditions Pressure Fluid material: Static Inlet l : Rocket length far field Ideal gas; temperature: Density rf Viscosity: 288 K based; Pressure Outlet S : Cross sectional Sutherland Static couple Outlet rf Three pressure: solver area of body Wall No Slip Coefficient 101325 Pa 2.1.4 Xác minh mơ hình CFD Để đánh giá tính xác mơ hình CFD thiết lập, tiến hành tính tốn hàm lực cản đạn M21-OФ trường hợp khơng có vịng cản so sánh với kết tính tốn liệu DATCOM, cơng bố [4] Hình ảnh so sánh thể hình 160 L H Ban, …, N Q Lượng, “Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng … điều kiện tiêu chuẩn.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Mach Hình Hàm lực cản xác định theo hai phương pháp CFD DATCOM Hình cho thấy kết tính tốn CFD sát với kết tính tốn cơng bố Chấp nhận mức độ xác phương pháp tính tốn, báo sử dụng mơ hình CFD thiết lập để khảo sát ảnh hưởng đường kính vịng cản đến đặc trưng khí động đạn M21-OФ 2.2 Ảnh hưởng đường kính vịng cản đến số đặc trưng khí động đạn M21-OФ Thực tính tốn đặc trưng khí động theo phương pháp CFD phần mềm ANSYS FLUENT Kết tính tốn khí động số đường kính vòng cản thể bảng đến bảng Bảng Các đặc trưng khí động đạn M21-OФ khơng vịng cản  0 M 0.1 0.2 0.4 0.8 1.0 1.1 1.4 1.8 2.2 CXa 0.468 0.460 0.449 0.433 0.583 0.627 0.535 0.476 0.413  0.5 CXa 0.592 0.573 0.560 0.562 0.616 0.661 0.579 0.529 0.458 CYa 0.160 0.144 0.115 0.077 0.047 0.061 0.056 0.041 0.160  1 Cm -0.319 -0.324 -0.332 -0.334 -0.327 -0.352 -0.319 -0.290 -0.247 CXa 0.724 0.692 0.674 0.713 0.823 0.883 0.817 0.785 0.671 CYa 0.415 0.374 0.298 0.201 0.122 0.131 0.158 0.146 0.108  2 Cm -0.201 -0.187 -0.191 -0.246 -0.352 -0.378 -0.353 -0.352 -0.314 CXa 0.847 0.810 0.789 0.834 1.000 1.077 0.956 0.918 0.752 CYa 0.498 0.449 0.358 0.241 0.147 0.158 0.189 0.175 0.129 Cm -0.233 -0.217 -0.221 -0.285 -0.408 -0.439 -0.409 -0.408 -0.364 Bảng Các đặc trưng khí động đạn M21-OФ có vịng cản, đường kính vịng cản 76 mm  0 M 0.1 0.2 0.4 0.8 1.0 1.1 1.4 1.8 2.2 CXa 0.475 0.465 0.455 0.442 0.587 0.636 0.542 0.528 0.457  0.5 CXa 0.601 0.580 0.570 0.567 0.616 0.675 0.589 0.589 0.508 CYa 0.160 0.147 0.117 0.074 0.049 0.042 0.054 0.036 0.138  1 Cm -0.319 -0.330 -0.338 -0.321 -0.320 -0.245 -0.309 -0.256 -0.213 CXa 0.734 0.705 0.680 0.702 0.855 0.879 0.820 0.849 0.724 CYa 0.420 0.378 0.300 0.189 0.121 0.13 0.152 0.146 0.110  2 Cm -0.204 -0.189 -0.192 -0.232 -0.349 -0.374 -0.340 -0.353 -0.32 CXa 0.898 0.851 0.818 0.893 1.024 1.110 1.040 1.100 1.016 CYa 0.528 0.472 0.371 0.258 0.151 0.163 0.206 0.210 0.174 Cm -0.247 -0.228 -0.229 -0.305 -0.418 -0.452 -0.445 -0.489 -0.492 Bảng Các đặc trưng khí động đạn M21-OФ có vịng cản, đường kính vịng cản 86 mm  0 M 0.1 0.2 0.4 0.8 1.0 1.1 1.4 CXa 0.532 0.523 0.518 0.499 0.668 0.695 0.599  0.5 CXa 0.687 0.664 0.658 0.675 0.680 0.714 0.655 CYa 0.346 0.315 0.251 0.245 0.063 0.085 0.099  1 Cm -0.689 -0.709 -0.724 -1.064 -0.442 -0.491 -0.565 CXa 0.879 0.856 0.854 0.847 0.891 0.910 0.854 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 78, - 2022 CYa 0.637 0.579 0.298 0.301 0.146 0.156 0.205  2 Cm -0.309 -0.289 -0.191 -0.368 -0.422 -0.451 -0.459 CXa 1.027 0.988 0.974 0.910 1.030 1.140 1.114 CYa 0.638 0.576 0.458 0.270 0.166 0.179 0.138 Cm -0.298 -0.278 -0.283 -0.319 -0.461 -0.497 -0.298 161 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực 1.8 0.635 0.715 0.078 -0.553 1.036 0.218 -0.525 1.239 0.215 -0.502 2.2 0.561 0.611 0.031 -0.477 0.917 0.156 -0.454 1.026 0.154 -0.435 Bảng Các đặc trưng khí động đạn M21-OФ có vịng cản, đường kính vịng cản 96 mm  0 M 0.1 0.2 0.4 0.8 1.0 1.1 1.4 1.8 2.2 CXa 0.603 0.603 0.597 0.569 0.686 0.749 0.666 0.769 0.692  0.5 CXa 0.766 0.750 0.747 0.722 0.727 0.799 0.715 0.842 0.758 CYa 0.161 0.148 0.118 0.070 0.042 0.042 0.052 0.036 0.127  1 Cm -0.321 -0.332 -0.341 -0.303 -0.295 -0.240 -0.297 -0.256 -0.197 CXa 0.889 0.871 0.863 0.867 0.896 0.958 0.948 1.261 1.124 CYa 0.434 0.392 0.312 0.219 0.118 0.087 0.143 0.146 0.117  2 Cm -0.210 -0.196 -0.200 -0.269 -0.339 -0.250 -0.319 -0.353 -0.340 CXa 1.045 1.016 1.005 0.924 1.066 1.162 1.374 1.447 1.248 CYa 0.520 0.469 0.375 0.246 0.147 0.158 0.321 0.170 0.135 Cm -0.243 -0.227 -0.232 -0.291 -0.408 -0.439 -0.695 -0.397 -0.381 Bảng Các đặc trưng khí động đạn M21-OФ có vịng cản, đường kính vòng cản 106 mm  0  0.5  1  2 M CXa CXa CYa Cm CXa CYa Cm CXa CYa Cm 0.1 0.745 0.928 0.175 -0.349 1.100 0.441 -0.213 1.281 0.533 -0.249 0.2 0.758 0.923 0.158 -0.355 1.084 0.396 -0.198 1.267 0.477 -0.231 0.4 0.762 0.922 0.124 -0.359 1.083 0.317 -0.203 1.252 0.383 -0.237 0.8 0.703 0.866 0.082 -0.354 0.906 0.133 -0.163 0.980 0.243 -0.287 1.0 0.729 0.791 0.039 -0.270 0.961 0.110 -0.318 1.127 0.143 -0.398 1.1 0.807 0.807 0.044 -0.254 1.044 0.117 -0.336 1.231 0.154 -0.427 1.4 0.748 0.796 0.047 -0.269 1.038 0.172 -0.384 1.456 0.305 -0.661 1.8 0.917 0.969 0.036 -0.257 1.430 0.146 -0.353 1.594 0.165 -0.385 2.2 0.915 0.958 0.133 -0.206 1.415 0.123 -0.358 1.561 0.137 -0.386 Trong bảng 2-6, đại lượng CXa, CYa, Cm hệ số lực cản khí động, hệ số lực nâng hệ số mơ-men khí động Sự phụ thuộc hệ số lực cản vào đường kính vịng cản tương ứng với góc góc khác thể hình 162 L H Ban, …, N Q Lượng, “Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng … điều kiện tiêu chuẩn.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Sự phụ thuộc hệ số lực cản CXa vào đường kính vịng cản giá trị khác góc góc α ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG KÍNH VỊNG CẢN ĐẾN TẦM BẮN ĐẠN M21-OФ 3.1 Mơ hình tốn học chuyển động phẳng đạn M21-OФ Khi bỏ qua biến dạng uốn, chuyển động đạn khơng khí chuyển động không gian bậc tự do; độ lệch bên điểm rơi thường nhỏ so với tầm bắn nên coi tầm bắn đạn không gian tầm bắn đạn chuyển động phẳng [5] Hệ lực tác dụng lên đạn mô tả hình Hình Hệ lực tác dụng lên đạn trình chuyển động Trong hình 4: OX aYa Z a - Hệ tọa độ tốc độ; OX 1Y1Z1 - Hệ tọa độ liên kết;  - Góc nghiêng véc tơ vận tốc;  - Góc véc trục đạn phương ngang;  - Góc tấn; P - Lực đẩy; X a , Ya cản khơng khí, lực nâng Chuyển động phẳng đạn mô tả hệ sau [5]:  Pcos  X a  mg sin   , m   Psin  Ya  mg cos  , m V M  , Iz V    , x  V cos  , (2) y  V sin  , Trong đó: m - Khối lượng đạn, đại lượng thay đổi theo thời gian; I z - Mơ-men qn tính xích đạo đạn Các lực khí động xác định theo công thức X a  q  S  CX a ; Ya  q  S  CYa M  q  S  l  Cm Trong đó: q - Áp suất động tác dụng lên đạn, q   V 2 với  mật độ khơng khí; S - Diện tích mặt cắt ngang đạn; l - Chiều dài đạn 3.2 Ảnh hưởng đường kính vịng cản đến tầm bắn đạn M21-OФ Để xác định tầm bắn đạn, hệ (2) giải đồng thời với tốn thuật phóng động đạn M21-OФ Các quỹ đạo đạn góc bắn 300, sơ tốc 40 m/s tương ứng với đường kính vịng cản khác thể hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 78, - 2022 163 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực Tầm bắn đạn góc bắn khác tương ứng với đường kính vịng cản khác thể bảng Hình Quỹ đạo đạn góc bắn 300, sơ tốc 40 m/s tương ứng với đường kính vịng cản khác Bảng Tầm bắn đạn M21-OФ [m] ứng với đường kính khác vịng cản Đường kính vịng Khơng 76 86 96 106 cản, mm vịng cản Góc bắn 100 7374 7150 6665 6224 5802 20 13680 13280 12310 11470 10600 300 16520 16070 14830 13790 12590 400 18710 18230 16850 15610 14180 Sự phụ thuộc tầm bắn vào kích thước vịng cản góc bắn khác thể hình Hình Sự phụ thuộc tầm bắn vào đường kính vịng cản góc bắn khác 3.3 Thảo luận Từ hình 5, 6, số nhận xét rút sau: - Ở góc bắn, có vịng cản, tầm bắn đạn giảm Điều vịng cản tạo chênh áp suất phía trước sau nó, dẫn đến tăng áp suất tác dụng lên đạn theo hướng dòng chảy, hay lực cản tăng 164 L H Ban, …, N Q Lượng, “Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng … điều kiện tiêu chuẩn.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ - Nếu vịng cản nhỏ tầm bắn thay đổi khơng nhiều so với khơng có vịng cản Khi tăng góc bắn, thời gian đạn bay tăng, ảnh hưởng lực cản đến tầm bắn đạn theo tăng Nói cách khác, độ dốc thay đổi tầm bắn tăng lên - Tầm bắn đạn khơng có vịng cản có vịng cản đường kính D = 86 mm sai lệch so với giá trị tiêu chuẩn bảng bắn nhỏ 10% Điều cho thấy tính tốn đảm bảo độ xác cần thiết [2] - Khi góc bắn tăng, đồ thị thay đổi tầm bắn có xu hướng sát lại Điều góc bắn tăng, tầm bắn thay đổi chậm dần KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mô hình mơ CFD cho phép tính tốn đặc trưng khí động đạn, từ xác định phụ thuộc số đặc trưng khí động vào đường kính vịng cản Kết mơ tả đặc điểm vật lý dòng chảy qua vật thể Từ hàm khí động xác định, chuyển động đạn M21-OФ mặt phẳng giải để xác định phụ thuộc tầm bắn vào đường kính vòng cản Kết cho thấy phụ thuộc gần hàm đơn điệu giảm, độ dốc tăng dần tầm bắn tăng; kết tính tốn nằm sai lệch cho phép so với bảng bắn đạn khơng có vịng cản có vòng cản trang bị Qua nội dung đạt được, báo đề xuất phương pháp khoa học cho việc xây dựng mối liên hệ đường kính vịng cản tầm bắn đạn Điều cung cấp phần sở lý thuyết cho nghiên cứu mở rộng việc sử dụng vòng cản nhằm thay đổi tầm bắn đạn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Konečný P., Le H.B., Nguyen H.M., Tran Q.T., Mai Q.H and Ngo T.S, “Analysis of Basic Methods for Aerodynamic Characteristics Determination of MIsile Structure’s Components” International Conference on Military Technologies 2019 (ICMT’19), Brno, Czech Republic, 2019 [2] “Đạn phản lực M21-ΟΦ-VN” Tiêu chuẩn công nghiêp 06TCN743, 1999 [3] Sharma N and Kumar R “A Ready Reckoner of CFD for Wrap-around Fins” INCAS Bulletin, vol 11, Is 2, pp 155 - 170, 2019 [4] Khalil M., Abdalla H and Kamal O., “Trajectory Prediction for a Typical Fin Stabilized Artillery Rocket” In 13th International Conference on Aerospace Sciences & Aviation, Military Technical College, Kobry Elkobbah, Cairo, Egypt, 2009 [5] Lê Anh Dũng, Nguyễn Hữu Độ Huỳnh Lương Nghĩa, “Lý thuyết bay hệ thống điều khiển tên lửa phòng không” Học viện Kỹ thuật Quân sự, 1998 ABSTRACT Investigating and evaluating the influence of drag ring diameter on the range of an ungovernable flying device in standard conditions The article builds a CFD simulation model to calculate the aerodynamic characteristics of the ungovernable flying device, then determine the aerodynamic functions corresponding to different values of the diameter of drag rings With the received aerodynamic functions, the article solved the rocket's equation motion in the firing plane, thereby allowing to evaluate the influence of drag ring diameter on the firing range of the rocket The accuracy of the calculation results from the motion equation is evaluated by comparing with the standard values in the artillery firing table about the range corresponding to the diameters of drag rings Keywords: Flying device; CFD; Drag ring Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 78, - 2022 165 ... Lượng, ? ?Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng … điều kiện tiêu chuẩn. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Sự phụ thuộc hệ số lực cản CXa vào đường kính vịng cản giá trị khác góc góc α ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG KÍNH... pháp tính tốn, báo sử dụng mơ hình CFD thiết lập để khảo sát ảnh hưởng đường kính vịng cản đến đặc trưng khí động đạn M21-OФ 2.2 Ảnh hưởng đường kính vịng cản đến số đặc trưng khí động đạn M21-OФ... giá ảnh hưởng … điều kiện tiêu chuẩn. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ - Nếu vịng cản nhỏ tầm bắn thay đổi khơng nhiều so với khơng có vịng cản Khi tăng góc bắn, thời gian đạn bay tăng, ảnh hưởng