Xây dựng mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của đuôi hình côn lên dòng chảy và lực cản của vật đối xứng

Nghiên cứu trình bày ảnh hưởng của hình dạng đuôi lên dòng chảy và lực cản của vật đối xứng tại vận tốc nhỏ. Các mô hình đuôi với chiều dài và góc vát khác nhau được khảo sát bằng phương pháp mô phỏng số. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp trung bình theo Reynolds với mô hình chảy rối k - ω .

Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐI HÌNH CƠN LÊN DÒNG CHẢY VÀ LỰC CẢN CỦA VẬT ĐỐI XỨNG Trần Thế Hùng1*, Nguyễn Trang Minh2, Đào Cơng Trường3 Tóm tắt: Nghiên cứu trình bày ảnh hưởng hình dạng lên dịng chảy lực cản vật đối xứng vận tốc nhỏ Các mơ hình với chiều dài góc vát khác khảo sát phương pháp mô số Nghiên cứu sử dụng phương pháp trung bình theo Reynolds với mơ hình chảy rối k - ω Các tính tốn số thực phần mềm quyền Ansys Fluent Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn Kết nghiên cứu rằng, mơ hình ảnh hưởng lớn tới lực cản vật Tại góc lớn, tượng tách dịng xuất bề mặt đuôi, dẫn tới tăng lực cản vật Phân bố vận tốc dòng chảy, trường áp suất, trường ma sát bề mặt đuôi khảo sát trình bày cụ thể nghiên cứu Từ khóa: Lực cản; Tách dịng; Đi hình ĐẶT VẤN ĐỀ Các vật thể chuyển động với dạng đáy tù sử dụng rộng rãi ngành hàng không sống Ví dụ số thiết bị bay thiết kế với thân đuôi dạng đáy tù để lắp đặt động cơ; xe tải thiết với đáy tù để tăng thể tích tải trọng Tuy nhiên, thay đổi đột ngột hình học sinh tượng tách dịng nhiễu loạn lớn Vùng tách dòng gọi dòng sau vật (near-wake flow) vùng phức tạp dịng chảy [1] Dịng sau ngun nhân sinh lực cản lớn, đồng thời gây vấn đề tiếng ồn, phá hủy cấu trúc giảm độ ổn định vật [2] Giảm lực cản đáy nhằm tăng chất lượng khí động có vai trò quan trọng thiết kế thiết bị bay Các phương pháp giảm lực cản đáy chia thành phương pháp chủ bị động Phương pháp chủ động điều khiển dòng chảy cách tạo dòng bổ sung sau đuôi Thông thường cấu trúc hệ thống phức tạp yêu cầu thêm nguồn lượng cấp Ngược lại, phương pháp bị động điều khiển dịng sau cách thay đổi cấu trúc hình học vật làm hình (boat-tail), tạo lỗ sau vật, gắn hình trụ bổ sung phía sau đuôi Đặc điểm chung phương pháp cấu tạo đơn giản không cần sử dụng nguồn lượng bổ sung Trong phương pháp bị động, hình mơ hình đơn giản cho hiệu lớn Đi hình xác định phần hình học đối xứng với đường kính giảm dần gắn vào đáy vật Tham số hình bao gồm góc β, chiều dài Lb, bán kính rs phần liên kết với thân vật Phần đuôi bổ sung nghiên cứu nhiều với dòng chảy âm [3, 4] Nghiên cứu trước rằng, chiều dài Lb cố định, góc cho lực cản nhỏ vào khoảng β = 7.5º với dịng có vận tốc âm Kết ứng dụng thiết kế loại đạn cỡ nhỏ Tuy nhiên, nghiên cứu mô hình cho dịng âm cịn nhiều hạn chế Do tính nén dịng khí xuất với dịng âm, đặc tính dịng chảy điều kiện âm có khác biệt lớn Điều dẫn đến thay đổi góc tối ưu vật Bài tốn góc tối ưu vật dải vận tốc nhỏ chưa giải hồn tồn Đồng thời, mối quan hệ đặc tính dòng chảy lực cản vật chưa đề cập tới cách hệ thống Một số nghiên cứu hình cho dịng âm thực Mair [5], Mariotti cộng [6] Trần cộng [7, 8] Các nghiên cứu rằng, dòng vận tốc thấp, bề mặt hình xuất vùng tách hợp dòng, làm thay đổi tham số lực cản vật Tuy nhiên, nghiên cứu chủ yếu tiến hành thực nghiệm với vài tham số hình học định Ngày nay, phát triển khoa học công nghệ cung cấp nhiều công cụ hữu ích cho q trình mơ dịng chảy quanh vật Với kích thước lưới lớn mơ hình tính tốn có độ xác cao, đặc trưng dịng chảy rối vật mơ tương đối xác Đồng thời, mơ số cho phép mở rộng toán thực nghiệm việc khảo sát nhiều tham số mơ hình 136 T T Hùng, N T Minh, Đ C Trường, “Xây dựng mơ hình nghiên cứu … vật đối xứng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong nghiên cứu này, cấu trúc dịng chảy sau lực cản vật với mơ hình khác khảo sát cho dịng vận tốc nhỏ Điều hữu ích cho q trình thiết kế thiết bị bay khơng người lái, mục tiêu bay sau tối ưu hóa quỹ đạn pháo giai đoạn cuối nhằm giảm lực cản tăng tầm xa Nghiên cứu thực mô số phần mềm Ansys Fluent khoa Hàng không vũ trụ, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đơn Phương pháp trung bình theo Reynolds (RANS) với mơ hình rối k- ω sử dụng Việc lựa chọn kích thước lưới mơ hình tính tiến hành tỉ mỉ Các kết tính tốn kiểm chứng với thực nghiệm nhằm đảm bảo tính xác mơ hình Trong đó, lực cản vật so sánh với phương pháp đo ống thổi khí động sử dụng từ trường [8] Kết cho thấy rằng, mơ hình tính cho kết sát với thực nghiệm dùng để mở rộng tốn Đồng thời, thay đổi chiều dài đi, góc vát tối ưu nằm khoảng 14° Các đặc tính phân bố áp suất, dịng chảy quanh đi, phân bố hệ số ma sát trình bày thảo luận cụ thể nghiên cứu PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG SỐ 2.1 Mơ hình vật Mơ hình nghiên cứu vật trụ trịn có đường kính D = 30 mm chiều dài L = 230 mm Độ dãn dài mơ hình λ = 7.6 Mơ hình lựa chọn tương tự nghiên cứu thực nghiệm trước thực Trần cộng [7] Việc lựa chọn mơ hình nghiên cứu giúp cho kiểm chứng đánh giá kết mô Đồng thời, với độ dãn dài đủ lớn, thay đổi góc khơng ảnh hưởng tới dịng chảy phía trước vật Phần góc có chiều dài từ 0.5D tới 1.0D với góc 10°, 14°, 18° 20° khảo sát nhằm nghiên cứu ảnh hưởng đuôi lên lực cản phân bố áp suất vật Tổng cộng 12 mơ hình nghiên cứu báo Hình Mơ hình vật 2.2 Mơ hình tính Trong tính tốn khí động thiết bị bay, thông thường phương pháp RANS với hai phương trình chảy rối k - ε k - ω thường sử dụng Trong mô hình này, hệ số độ nhớt động học νT tính thơng qua động chảy rối k, hệ số tiêu tán ε ω Mơ hình chảy rối k - ε cho độ xác cao với trường dịng chảy xa vật Tuy nhiên, sử dụng hàm cho trước nhằm mơ tả phân bố lớp biên, trường dịng chảy mơ tả thiếu xác Mơ hình k - ω phát triển sau này, cho phép tính mơ tả dịng chảy quanh lớp biên với độ xác cao Nhìn chung, mơ hình k - ω có ưu xử lý vùng gần thành nhớt tính tốn cho ảnh hưởng gradient áp suất dòng chảy Do vậy, mơ hình rối k - ω sử dụng báo Trong mơ hình này, biểu thức độ nhớt động học νt tính thơng qua động chảy rối k độ tiêu tán lượng ω Hai phương trình bổ sung theo mơ hình k - ω mô tả sau:   k  k      k    x j    (  ) (  u j )     k     d k    P   *         t x j k x j    x j   x j x j ( k ) ( u j k )     P   * k  t x j x j Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 (1) (2) 137 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực vt  P   ij k  ui x j (3) (4) Trong đó: ρ mật độ; P áp suất; ui thành phần vận tốc theo phương i; τij tensor ứng suất Reynolds lên mặt phẳng ij; µ độ nhớt động học Các hệ số khác hệ phương trình lựa chọn từ thực nghiệm sau: β* = 0.075, σk= 0.85, σω= 0.5, α = 0.52, σd= 0.5 Trong đó, β* lựa chọn để tính động chảy rối k cho dòng đồng đẳng hướng Các hệ số σk , σω , α σd lựa chọn thỏa mãn mơ hình chảy rối gần tường Để hiểu rõ phương tình mơ hình trên, bạn đọc tham khảo tài liệu [9, 10] Kiểm chứng mơ hình tính thực nghiên cứu trước [8] Kết với lưới có 2.8 triệu ô trở nên, hệ số lực cản hội tụ tới gần giá trị đo thực nghiệm Trong báo này, lưới với 4.8 triệu ô sử dụng nhằm giảm thời gian tính tốn đảm bảo tính xác tốn Phân bố lưới bề mặt vật hình Hình Lưới phân bố quanh vật Mô số thực khoa Hàng không vũ trụ, Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn, nơi có phần mềm quyền Ansys Fluent Vận tốc dòng chảy đầu vào cố định U∞ = 22 m/s Số Reynolds theo đường kính mơ hình Re = 4.34 × 104 Chú ý rằng, vận tốc tương tự nghiên cứu thực nghiệm trước [7, 8] Đồng thời giá trị nhỏ nhiều so với vật thể bay dòng âm ứng dụng thực tế MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN, THẢO LUẬN 3.1 Lực cản vật Hình đưa kết hệ số lực cản góc vát chiều dài đuôi khác Các kết đo thực nghiệm ống thổi khí động cho góc vát 10°, 14° 20° [8] Do việc đo ống thổi phức tạp nên góc đo Kết mơ tương đối phù hợp với thực nghiệm Có thể thấy rằng, kích thước lưới mơ hình tính tốn tốt việc mô lực cản vật Tại chiều dài khác nhau, hệ số lực cản có chung xu hướng Cụ thể, giá trị lực cản giảm tới góc vát nằm khoảng 14° sau tăng dần Điều giải thích góc vát lớn, tách dịng xuất bề mặt hình làm tăng lực cản vật Kết rằng, góc vát cố định, tăng chiều dài dẫn đến giảm lực cản vật Rõ ràng rằng, chiều dài giảm, vùng xốy sau bị thu hẹp lực cản mơ hình giảm nhiều Tuy nhiên, thực tế, việc kéo dài chiều dài đuôi thực nhiều nguyên nhân kỹ thuật như: Vượt chiều dài thùng chứa, giảm xung lực ban đầu viên đạn, gây nhiều khó khăn bố trí động Do vậy, việc lựa chọn góc có chiều dài hợp lý với lực cản nhỏ quan trọng 138 T T Hùng, N T Minh, Đ C Trường, “Xây dựng mơ hình nghiên cứu … vật đối xứng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Ảnh hưởng chiều dài góc lên lực cản 3.2 Phân bố áp suất bề mặt đuôi Để hiểu rõ lực cản vật, việc phân tích trường áp suất bề mặt đuôi quan trọng Hình phân bố hệ số áp suất mặt góc β = 20° Vị trí x/D = phần liên kết vật hình Có thể thấy rằng, thay đổi hình học vùng liên kết làm giảm áp suất hình Kết rằng, chiều dài hình nhỏ, phân bố áp suất hình bị ảnh hưởng Tuy nhiên, chiều dài lớn, phân bố áp suất vùng liên kết gần không thay đổi Điều cho thấy rằng, dùng kết phân bố áp suất chiều dài hình lớn để phân tích cho trường hợp hình có chiều dài nhỏ Kết nghiên cứu phù hợp với nhận định trước Mair [5] Hình Phân bố áp suất bề mặt đuôi 3.3 Các thành phần lực cản mơ hình Từ phân bố áp suất bề mặt đuôi, thành phần lực cản áp suất bao gồm cản đuôi cản đáy tính Phương pháp tính tương tự trình bày nghiên cứu trước tác giả [8] Các kết phân tích cho góc hình 20° hình Các góc khác, kết tương tự nhận được, vậy, khơng trình bày nghiên cứu Có thể thấy rằng, chiều dài đuôi tăng, hệ số lực cản đuôi lực cản đáy giảm Điều giúp làm giảm lực cản vật Kết phù hợp với tổng lực cản vật Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 139 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực hình Nhìn chung việc tăng chiều dài đuôi giúp làm giảm lực cản vật Tuy nhiên, giới hạn thiết kế kết cấu, chiều dài đuôi thường lựa chọn giới hạn khoảng 0.5 tới 1.0 đường kính mơ hình Đồng thời, nghiên cứu tập trung vào lực cản tổng mơ hình Sự thay đổi thành phần lực cản theo góc hình trình bày nghiên cứu trước, vậy, không đề cập tới nghiên cứu Cần ý rằng, với dịng âm, cản cản đáy thường có xu hướng ngược nhau, hình thành góc tối ưu 7.5°, nghiên cứu trước [3] Hình Các thành phần lực cản áp suất cho trường hợp góc 20° 3.4 Phân bố vận tốc dịng chảy quanh đuôi β = 10° β = 14° β = 18° β = 20° Hình Đặc tính dịng chảy quanh [8] Hình đưa phân bố vận tốc dịng chảy quanh cho trường hợp góc khác Kết rằng, vùng xốy với vận tốc thấp xuất phía sau đuôi vật Đây 140 T T Hùng, N T Minh, Đ C Trường, “Xây dựng mơ hình nghiên cứu … vật đối xứng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ nguyên nhân dẫn đến dẫn đến tăng lực cản vật Tuy nhiên, so sánh với nghiên cứu trước góc β = 0°, kích thước vùng xoáy giảm đáng kể Nghiên cứu rằng, kích thước vùng xốy giảm góc đuôi tăng từ 10° tới 14° Điều giúp giảm đáng kể lực cản vật Tại góc β = 20°, vùng xoáy nhỏ xuất bề mặt hình Điều dẫn đến tăng lực cản vật, hình Tuy nhiên, để khẳng định diện tách dịng, trường ma sát bề mặt cần phân tích Kết cho thấy rằng, mơ hình tính tốn lưới chia chưa thực tốt, dẫn đến phân bố trường dòng chảy quanh vật chưa đối xứng qua trục Việc cải thiện lưới sử dụng mơ hình tính tốn tốt xốy lớn mô số trực tiếp cần thiết cho tính tốn sau Đây mục tiêu cho nghiên cứu sau nhóm tác giả Tuy nhiên, kết chấp nhận phân tích đặc tính dịng chảy lực cản mơ hình Đồng thời, tính tốn khác khơng ảnh hưởng tới kết luận tốn Do vậy, nghiên cứu này, nhóm tác giả không tiến hành chia lại lưới thay đổi mơ hình tính tốn 3.5 Phân bố ma sát quanh Hình đưa phân bố hệ số ma sát bề mặt đuôi Việc phân tích trường ma sát cho phép xác định vị trí tách hợp dịng bề mặt vật Ở đây, vị trí tách dịng xác định hệ số ma sát thay đổi dấu từ dương sang âm Vị trí hợp dịng bề mặt vật xác định hệ số ma sát chuyển từ âm sang dương Có thể thấy rằng, góc β = 10°, hệ số ma sát hình dương khơng có tách dịng bề mặt Tuy nhiên, β = 14°, vùng tách hợp dòng nhỏ xuất Các kết tương đồng với kết thực nghiệm Trần cộng [8] Tại góc lớn β ≥ 18°, vùng tách dịng xuất tồn đi, dẫn đến tăng lực cản vật Hình Phân bố trường ma sát góc khác Có thể thấy rằng, dịng chảy bề mặt hình ảnh hưởng lớn đến lực cản vật Phương pháp mô số cho kết tốt sát với thực nghiệm Tuy nhiên, để tăng độ xác tốn, phương pháp mô số tốt phương pháp xốy lớn (LES) phương pháp mơ số trực tiếp (DNS) cần thực Việc sử dụng hai phương pháp địi hỏi máy tính phải có cấu hình lớn chạy thời gian dài Đây nhiệm vụ quan trọng cho nghiên cứu sau KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng hình dạng lên lực cản dịng chảy sau đuôi vật đối xứng vận tốc âm nghiên cứu Phương pháp mô số tiến hành cho nhiều góc vát chiều dài khác Các kết nghiên cứu rằng, góc tối ưu nằm khoảng 14° vận tốc thấp Đồng thời, sử dụng hình có chiều dài Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 72, 04 - 2021 141 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực lớn để dự báo phân bố áp suất cho mơ hình có chiều dài nhỏ Hình ảnh dịng chảy trường ma sát tồn vùng tách hợp dịng bề mặt Tuy nhiên, mơ hình tính cịn có hạn chế định Việc cải thiện mơ hình tính tính tốn cho mơ hình với hình dạng đuôi khác vận tốc khác cần tiếp tục thực sau TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R.A Merz, “Subsonic axisymmetric near-wake studies,” AIAA Journal, Vol.16, No.7 (1978), pp.656-662 [2] G Rigas, A.R Oxlade, A.S Morgans, J.F Morrison “Low-dimensional dynamics of a turbulent axisymmetric wake,” Journal of Fluid and Mechanics, Vol.755, R5 (2014) [3] P.R Viswanath, S.R, Patil, “Zero-lift drag characteristics of afterbodies with a square base,”, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol.34, No.3 (1997), pp.290-293 [4] G.N, Lavrukhin, K.F, Popovich, “Aero-gazadynamics of jet nozzles - flow around the base,” TSAGI, Moscow Russia (written in Russian), Vol.2 (2009) [5] W.A Mair, “Reduction of base drag by boat-tailed afterbodies in low speed flow,” Aeronautical Quarterly, Vol.20 (1969), pp.307-320 [6] A Mariotti, G Buresti, G Gaggini, M.V Salvetti, “Separation control and drag reduction for boattailed axisymmetric bodies through contoured transverse grooves,” Journal of Fluid Mechanics, Vol 832 (2017), pp.514-549 [7] T H Tran, T Ambo, T Lee, L Chen, T Nonomura, K Asai, “Effect of boattail angles on the flow pattern on an axisymmetric afterbody surface at low speed,” Experimental Thermal and Fluid Science, Vol.99 (2018), pp.324-335 [8] T H Tran, H Q Dinh, H Q Chu, V Q Duong, C Pham and V.M Do, “Effect of boattail angle on near-wake flow and drag of axisymmetric models: A numerical approach,” Journal of Mechanical Science and Technology, Vol.35, No.2 (2020) [9] D.C Wilcox, “Reassessment of the scale-determining equation for advanced turbulent models,” AIAA Journal, Vol.26, No 11 (1988) [10] F.R Menter, “Zonal two equation k-ω turbulence models for aerodynamic flows,” AIAA Paper (1993), pp.93-2906 ABSTRACT EFFECT OF BOATTAIL GEOMETRY ON FLOW STRUCTURE AND DRAG OF AXISYMMETRIC BODY The effect of the boattail model on flow behavior and drag of axisymmetric model at low-speed conditions is presented in this study Boattail geometry with different lengths and angles was investigated by numerical approach This study uses Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with turbulent model k- ω The numerical process was conducted at Le Quy Don Technical University Numerical results showed that boattail geometry strongly affects the drag of the model At a high boattail angle, separation flow occurs on the surface and increases the drag of the model Distributions of velocity, pressure, skin friction on the boattail surface were investigated and presented in detail in this study Keywords: Aerodynamic drag; Separation flow; Boattail Nhận ngày 15 tháng 01 năm 2021 Hoàn thiện ngày 24 tháng 02 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng năm 2021 Địa chỉ: 1Khoa Hàng không vũ trụ, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn; Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Phòng Khoa học quân sự, Quân chủng Phịng khơng - Khơng qn *Email: thehungmfti@gmail.com 142 T T Hùng, N T Minh, Đ C Trường, “Xây dựng mô hình nghiên cứu … vật đối xứng.” ... Đ C Trường, ? ?Xây dựng mơ hình nghiên cứu … vật đối xứng. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Ảnh hưởng chiều dài góc lên lực cản 3.2 Phân bố áp suất bề mặt đuôi Để hiểu rõ lực cản vật, việc phân... 0.5D tới 1.0D với góc đuôi 10°, 14°, 18° 20° khảo sát nhằm nghiên cứu ảnh hưởng đuôi lên lực cản phân bố áp suất vật Tổng cộng 12 mô hình nghiên cứu báo Hình Mơ hình vật 2.2 Mơ hình tính Trong tính... cấu hình lớn chạy thời gian dài Đây nhiệm vụ quan trọng cho nghiên cứu sau KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng hình dạng lên lực cản dịng chảy sau đuôi vật đối xứng vận tốc âm nghiên cứu