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 .
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xây dựng mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của đuôi hình côn lên dòng chảy và lực cản của vật đối xứng Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐUÔI HÌNH CÔN LÊN DÒNG CHẢY VÀ LỰC CẢN CỦA VẬT ĐỐI XỨNG Trần Thế Hùng1*, Nguyễn Trang Minh2, Đào Công Trường3 Tóm tắt: 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 . Các tính toán số được thực hiện trên phần mềm bản quyền Ansys Fluent tại Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, mô hình đuôi ảnh hưởng rất lớn tới lực cản của vật. Tại các góc đuôi lớn, hiện tượng tách dòng xuất hiện trên bề mặt đuôi, dẫn tới tăng lực cản của vật. Phân bố vận tốc của dòng chảy, trường áp suất, trường ma sát trên bề mặt đuôi được khảo sát và trình bày cụ thể trong nghiên cứu này. Từ khóa: Lực cản; Tách dòng; Đuôi hình côn. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các vật thể chuyển động với dạng đáy tù được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không cũng như trong cuộc sống. Ví dụ như một số thiết bị bay được thiết kế với thân đuôi dạng đáy tù để lắp đặt động cơ; xe tải được thiết với đáy tù để tăng thể tích tải trọng. Tuy nhiên, sự thay đổi đột ngột hình học sinh ra hiện tượng tách dòng cùng nhiễu loạn lớn tại đuôi. Vùng tách dòng này được gọi là dòng sau vật (near-wake flow) và là một trong những vùng phức tạp nhất của dòng chảy [1]. Dòng sau đuôi là nguyên nhân chính sinh lực cản lớn, đồng thời gây ra các vấn đề về tiếng ồn, phá hủy cấu trúc và giảm độ ổn định của vật [2]. Giảm lực cản đáy nhằm tăng chất lượng khí động có vai trò quan trọng trong thiết kế thiết bị bay. Các phương pháp giảm lực cản đáy có thể chia thành phương pháp chủ và bị động. Phương pháp chủ động điều khiển dòng chảy bằng cách tạo dòng bổ sung sau đuôi. Thông thường cấu trúc hệ thống rất phức tạp và yêu cầu thêm nguồn năng lượng cấp. Ngược lại, phương pháp bị động điều khiển dòng sau đuôi bằng cách thay đổi cấu trúc hình học của vật như làm đuôi hình côn (boat-tail), tạo lỗ trên hoặc sau vật, gắn các hình trụ bổ sung phía sau đuôi. Đặc điểm chung của các phương pháp này là cấu tạo đơn giản và không cần sử dụng nguồn năng lượng bổ sung. Trong các phương pháp bị động, đuôi hình côn là một mô hình đơn giản cho hiệu quả rất lớn. Đuôi hình côn được xác định là phần hình học đối xứng với đường kính giảm dần được gắn vào đáy của vật. Tham số của đuôi hình côn bao gồm góc β, chiều dài Lb, và bán kính rs tại phần liên kết với thân vật. Phần đuôi bổ sung đã được nghiên cứu rất nhiều với dòng chảy trên âm [3, 4]. Nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng, khi chiều dài Lb cố định, góc đuôi cho lực cản nhỏ nhất vào khoảng β = 7.5º với dòng có vận tốc trên âm. Kết quả này đã được ứng dụng trong thiết kế các loại đạn cỡ nhỏ. Tuy nhiên, nghiên cứu mô hình đuôi cho dòng dưới âm còn nhiều hạn chế. Do tính nén của dòng khí có thể xuất hiện với dòng trên âm, đặc tính của dòng chảy ở điều kiện dưới và trên âm có sự khác biệt lớn. Điều này dẫn đến thay đổi góc đuôi tối ưu của vật. Bài toán về góc tối ưu của vật tại dải vận tốc nhỏ chưa được giải quyết hoàn toàn. Đồng thời, mối quan hệ giữa đặc tính dòng chảy và lực cản của vật chưa được đề cập tới một cách hệ thống. Một số nghiên cứu về đuôi hình côn cho dòng dưới âm được thực hiện bởi Mair [5], Mariotti và cộng sự [6] và Trần và cộng sự [7, 8]. Các nghiên cứu trên chỉ ra rằng, tại dòng vận tốc thấp, trên bề mặt đuôi hình côn có thể xuất hiện vùng tách và hợp dòng, làm thay đổi tham số lực cản của vật. Tuy nhiên, nghiên cứu trên chủ yếu được tiến hành bởi thực nghiệm với một vài tham số về hình học nhất định. Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ cung cấp nhiều công cụ hữu ích cho quá trình mô phỏng dòng chảy quanh vật. Với các kích thước lưới lớn và mô hình tính toán có độ chính xác cao, các đặc trưng về dòng chảy rối của vật có thể được mô phỏng tương đối chính xác. Đồng thời, mô phỏng số cho phép mở rộng bài toán của thực nghiệm bằng việc khảo sát nhiều tham số của mô hình. 136 T. T. Hùng, N. T. Minh, Đ. C. Trường, “Xây dựng mô hình nghiên cứu … vật đối xứng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong nghiên cứu này, cấu trúc dòng chảy sau đuôi và lực cản của vật với các mô hình đuôi khác nhau được khảo sát cho dòng vận tốc nhỏ. Điều này hữu ích cho quá trình thiết kế thiết bị bay không người lái, mục tiêu bay sau này hoặc tối ưu hóa quỹ đạn pháo ở giai đoạn cuối nhằm giảm lực cản và tăng tầm xa. Nghiên cứu được thực hiện bằng mô phỏng số trên phần mềm Ansys Fluent tại khoa Hàng không vũ trụ, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn. Phương pháp trung bình theo Reynolds (RANS) với mô hình rối k- ω được sử dụng. Việc lựa chọn kích thước lưới và mô hình tính được tiến hành tỉ mỉ. Các kết quả tính toán được kiểm chứng với thực nghiệm nhằm đảm bảo tính chính xác của mô hình. Trong đó, lực cản của vật được so sánh với phương pháp đo trong ống thổi khí động sử dụng từ trường [8]. Kết quả cho thấy rằng, mô hình tính cho kết quả sát với thực nghiệm và có thể được dùng để mở rộng bài toán. Đồng thời, khi thay đổi chiều dài của đuôi, góc vát tối ưu nằm trong khoảng 14°. Các đặc tính về phân bố áp suất, dòng chảy quanh đuôi, phân bố hệ số ma sát sẽ được trình bày và thảo luận cụ thể trong nghiên cứu này. 2. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ 2.1. Mô hình vật Mô hình trong nghiên cứu là vật trụ tròn có đường kính D = 30 mm và chiều dài L = 230 mm. Độ dãn dài của mô hình là λ = 7.6. Mô hình được lựa chọn tương tự như các nghiên cứu thực nghiệm trước đó được thực hiện bởi Trần và cộng sự [7]. Việc lựa chọn mô hình nghiên cứu giúp cho kiểm chứng và đánh giá kết quả bởi mô phỏn ...