NGHIÊN cứu xác ĐỊNH tải TRỌNG GIÓ tác DỤNG lên ANTEN PHỤC vụ QUÁ TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT kế hệ THỐNG cơ KHÍ điều KHIỂN ANTEN GIÁM sát vệ TINH địa TĨNH ĐƯỜNG KÍNH 7,6 m

HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN ANTEN PHỤC VỤ Q TRÌNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ-ĐIỀU KHIỂN ANTEN GIÁM SÁT VỆ TINH ĐỊA TĨNH ĐƯỜNG KÍNH 7,6 M Phạm Quốc Hồng, Đỗ Mạnh Tùng, Bùi Hữu Tốn Học viện Kỹ thuật Qn TĨM TẮT: Anten giám sát vệ tinh địa tĩnh (VTĐT) phương pháp mơ hình hóa số dòng chảy rối anten dùng để thu tín hiệu từ vệ khí tính tốn tải trọng gió tác dụng lên trạm tinh địa tĩnh (các vệ tinh bay quỹ đạo địa tĩnh, Anten giám sát VTĐT đường kính 7,6 m nhờ sử độ cao 35.786 km phía đường xích đạo dụng mơ đun CFX tổ hợp chương trình Trái đất) phục vụ cho nhiều mục đích khác Ansys Các kết tính tốn thu số liệu Khả chịu tải, độ ổn định tín hiệu thu, khả đầu vào quan trọng phục vụ cho q trình tính đỡ hướng anten quay xác đến tốn thiết kế hệ thống khí – điều khiển anten VTĐT không gian phụ thuộc nhiều giám sát VTĐT vào hệ thống khí-điều khiển Bài báo giới thiệu Từ khóa: anten, vệ tinh địa tĩnh, tải trọng gió, hệ khí-điều khiển, Ansys CFX ĐẶT VẤN ĐỀ Trong kết cấu anten giám sát VTĐT, chảo hệ thống thu tiêu chuẩn hóa, lại hệ thống khí xác có điều khiển Hệ thống có chức đỡ chảo anten điều khiển chảo anten quay hướng xác đến vệ tinh địa tĩnh khơng gian thơng qua góc ngẩng góc phương vị Do VTĐT khoảng cách xa với vị trí đặt anten nên sai số góc độ cứng vững hệ thống ảnh hưởng lớn đến khả thu tín hiệu Việc xác định xác tải trọng gió tác dụng lên anten q trình làm việc thơng số đầu vào quan trọng làm sở thiết kế hệ thống khí anten Các thơng số đầu vào dùng để mơ hình hóa tính tốn: đường chảo anten VTĐT 7,6 m; chiều sâu chảo 1,4 m độ dày chảo 0,03 m (Hình 3), tốc độ gió tới hạn anten làm việc 25 m/s; hướng gió tương đối so với trục đối xứng Anten thay đổi từ 00-1800 (Hình 3) Việc mơ hình hóa tính tốn tải trọng khí động tác dụng lên anten thực mô đun CFX ansys Mơ đun cho phép thực mơ hình hóa số trực tiếp dòng chảy rối tĩnh động gió thổi vào vật thể xác định hệ số khí động, mơ men tải trọng tác dụng lên chúng dựa tảng phương pháp số máy tính điện tử Trong mơ số phân bố áp suất gió, miền tính tốn đóng lại cách thiết lập số bề mặt tường để đảm bảo khả bị chặn 5% Ngồi ra, miền tính tốn cần có kích thước phù hợp với kích thước vật thể đặt dòng chảy gió để kết tính toán đạt tin cậy Mối quan hệ kích thước miền tính tốn (L1+h+L2)BxH kích thước vật thể lxbxh miền tính tốn để kết tính tốn tin cậy thể Bảng Hình [1, 2] Bảng Thiết lập miền tính tốn Kích thước mơ hình Kích thước miền tính tốn LxHxB L1≥5l L2≥15l H≥8h B≥10b Trang 307 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Mặt phẳng đứng miền tính tốn Hình Mặt phẳng ngang miền tình tốn XÂY DỰNG MƠ HÌNH Hình Ba vị trí chảo anten chịu tác dụng gió Miền tính tốn dạng hình hộp chữ nhật với thuộc tính mặt đất Hình dạng chảo anten kích thước bao xác định theo kích thước chảo dựa theo mối quan hệ Bảng 1, mặt bên phía mơ hình hóa theo miền tính tốn biếu diễn Hình Hình Chảo anten Hình Miền tính tốn Để xây dựng phương trình trạng thái dòng khí miền tính tốn, gắn miền tính tốn với hệ tọa độ Oxyz, đỉnh O hệ tọa độ trùng với đỉnh chảo Anten (Hình 3, 5) Vận tốc khí điểm tính tốn đầu vào (Inlet) phụ thuộc vào độ cao so với mặt đất xác định theo công thức (Hình 3) [3]: u y  0,68.u  y  5 0,17 (1) Tại đầu (Outlet), Gradient số đại lượng vật lý trường dòng chảy 0: p v w    0, y y y Trang 308 (2) Trong miền tính tốn (Domain): trạng thái dòng khí rối khơng nén xung quanh chảo Anten xác định phương trình Navier-Stokes, có dạng [3]:  vi  y  0,  i    ,(3)   u u   p     vi  v j    u ' u '  j i  y j j i yi dyi   yi y j       (1), (2) (3): u - vận tốc gió độ cao 10 m so với mặt đất, m/s; p- áp suất điểm tính tốn, N/m2; u, v, w – vận tốc gió theo phương Ox, HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Oy, Oz điểm tính tốn, m/s; x, y, z – tọa độ điểm tính tốn, m Giải phương trình Navier-Stokes (3) cho phép xác định trạng thái khí tải trọng khí động điểm miền tính tốn Trong báo này, sử dụng mơ hình dòng rối SST k- phương pháp phần tử hữu hạn CFX để miêu tả giải phương trình (3) THIẾT LẬP LƯỚI PHẦN TỬ CHO MƠ HÌNH Lưới phần tử cho miền tính tốn xây dựng phần tử tứ diện với lớp phần tử hình lăng trụ gần biên cứng (wall) công cụ CFX-Mesh tổ hợp chương trình Ansys Ngồi ra, sử dụng công cụ Egde sizing, Inflation phương pháp chia lưới công bố [1, 4], để chia lưới cho mặt a) đường phức tạp mặt anten mặt đất Chất lượng lưới phần tử mơ hình tính tốn đánh giá qua đại lượng y+ theo công thức [5]: y  u y ,  (4) đó: u - vận tốc mài sát; - mật độ khí; - hệ số động học tính nhớt dòng khí b) c) d) Hình Mơ hình lưới phần tử miền tính tốn Trên biên miền tính tốn sử dụng điều kiện biên: “Inlet”: đặt cho miền đầu vào dòng khí, “Outlet”: - miền dòng khí, “wall” - bề mặt anten mặt đất; “Opening”- mặt bên mặt phía miền tính tốn Mơ hình lưới phần tử mơ hình tính tốn biểu diễn Hình 6, bao gồm: 466604 nút; 2011543 phần tử Giá trị y + lớp gần chảo anten nhỏ 20, chứng tỏ độ tin cậy mơ hình lưới chia KẾT QUẢ TÍNH TỐN Xác định tải trọng khí động cho mơ hình pháp phần tử hữu hạn CFX, bước tích phân với vận tốc đầu vào gió u=25 m/s, hướng gió tương đối so với trục anten thay đổi từ từ 150-200 bước Kết phân bố vận tốc, áp suất tải trọng khí động tác dụng lên anten tên thể Hình 7-13 001800 Tính tốn thực nhờ phương Trang 309 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Trường phân bố vận tốc dòng vận tốc mặt phẳng đối xứng anten hướng gió 0 Hình Trường phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng bề mặt anten hướng gió 0 Hình Trường phân bố vận tốc dòng vận tốc mặt phẳng đối xứng Anten hướng gió 60 Hình 10 Trường phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng bề mặt anten hướng gió 60 Hình 11 Trường phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng bề mặt anten hướng gió 90 Trang 310 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình 12 Dòng vận tốc trường phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng anten hướng gió 140 Hình 13 Đồ thị tải trọng gió tác dụng lên anten phụ thuộc vào hướng gió tương đối so với trục anten KẾT LUẬN Trên sở mơ hình hóa số mơ tả đặc tính dòng chảy rối nhớt nhờ tổ hợp chương trình Ansys CFX, sử dụng phương pháp chia lưới tin cậy (được công bố các men quay Mz (quay quanh trục Oz) có dấu thay đổi hướng gió thay đổi từ 00 đến 1800; Fy đạt báo [1], [4]) xác định lực, mơ men khí động tác dụng lên anten đường kính 7,6 m (Fy=-484,4 N); Mz đạt giá trị lớn hướng =00 1800 (Mz=-206,16 Nm) (xem vận tốc gió u=25 m/s, hướng gió thay đổi từ 0 đến 180 Kết tính tốn rằng, lực đẩy khí động (theo phương Ox) đạt giá trị lớn hướng gió tác dụng lên anten =00 (Fx=22174,3 N) đạt giá trị nhỏ khí hướng gió =900; Lực nâng khí động Fy (theo phương Oy) mô giá trị lớn hướng gió =50-600 (Fy=30670,4 N) đạt giá trị nhỏ =100 gió =1400 (Mz=-18145,4 Nm) đạt giá trị nhỏ Hình 13) Kết tính tốn sử dụng làm thơng số đầu vào để tính tốn thiết kế kết cấu khí cho anten giám sát VTĐT đường kính 7,6m, lần chế tạo nước ta TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] DU Qiang, XIE Wubin, MA Sujun Study on a modeling and meshing method in numerical simulation for wind loads on Antennas Applied mechanics 2012; 287-291 [2] Mahesh Dundage, R.O Bhagwat, Suhas Chavan Numerical Modelling of wind patterns around a solar parabolic trough collector International journal of modern engineering research 2013; 2127-2132 [3] N Naeeni, M Yaghoubi Analysis of wind flow around a parabolic collector fluid flow Renewable energy 2007; 1898-1916 Trang 311 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM [4] Shuzo Murakami, Jie Zeng, Tatsuya Hayashi CFD analysis of wind environment around a human body Journal of wind engineering and Industrial aerodynamics 1999; 393-408 Trang 312 [5] Yan Liu, Hong-liang Quian and Feng Fan The large all-movable antenna and its effect on reflector surface precision Advanced steel construction 2017l 1-29  ... HCM Oy, Oz đi m tính tốn, m/ s; x, y, z – tọa độ đi m tính tốn, m Giải phương trình Navier-Stokes (3) cho phép xác định trạng thái khí tải trọng khí động đi m miền tính tốn Trong báo này, sử dụng. .. sử dụng l m thơng số đầu vào để tính tốn thiết kế kết cấu khí cho anten gi m sát VTĐT đường kính 7, 6m, lần chế tạo nước ta TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] DU Qiang, XIE Wubin, MA Sujun Study on a modeling... các men quay Mz (quay quanh trục Oz) có dấu thay đổi hướng gió thay đổi từ 00 đến 1800; Fy đạt báo [1], [4]) xác định lực, m men khí động tác dụng lên anten đường kính 7,6 m (Fy=-484,4 N); Mz