Mô phỏng số bài toán tương tác FSI trên mô hình khinh khí cầu

- LƯƠNG CHÍ NHÂN KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÔ PHỎNG SỐ BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC FSI TRÊN MÔ HÌNH KHINH KHÍ CẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC 16AMTK.CLC Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- LƯƠNG CHÍ NHÂN TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN MÔ PHỎNG SỐ BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC FSI TRÊN MÔ HÌNH KHINH KHÍ CẦU Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : 1.
- xi CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHINH KHÍ CẦU.
- 1 1.1 Lịch sử phát triển của khinh khí cầu.
- 1 1.2 Ưu điểm và ứng dụng của khinh khí cầu.
- 1 1.3 Phân loại khinh khí cầu.
- 2 1.3.2 Phân loại theo kích cỡ của khinh khí cầu.
- 3 1.3.3 Phân loại theo kết cấu của khinh khí cầu động (Airship.
- 3 1.4 Cấu tạo và kết cấu các loại khinh khí cầu động (Airship.
- 4 1.4.1 Cấu tạo khinh khí cầu.
- Kết cấu loại khinh khí cầu cứng.
- Kết cấu loại khinh khí cầu bán cứng.
- 9 1.5 Các bộ phận chung trên khinh khí cầu động (airship.
- 11 1.8 Mô hình khinh khí cầu sử dụng trong luận văn.
- 12 CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA KHINH KHÍ CẦU 14 2.1 Mô hình bài toán, yêu cầu tính toán.
- 18 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG TĨNH CỦA KHINH KHÍ CẦU.
- 23 3.1 Lý thuyết ổn định của khinh khí cầu.
- 23 3.2 Ổn định tĩnh của khinh khí cầu.
- 23 3.3 Mô phỏng ảnh hưởng của đuôi ngang lên tính chất khí động của khí cầu.
- MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN TƯƠNG TÁC FSI MÔ HÌNH KHÍ CẦU.
- 44 5.3.4 Cải tiến kết cấu khung – vỏ khí cầu.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan : Luận văn thạc sỹ “Mô phỏng số bài toán tương tác FSI trên mô hình khinh khí cầu ” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, không sao chép của bất cứ ai.
- Bài toán tương tác FSI là mục tiêu nghiên cứu trong luận văn này, trong đó mô hình nghiên cứu là một mô hình khinh khí cầu đã được học viện kỹ thuật quân sự nghiên cứu, chế tạo[1].
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang vi BẢNG VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu, Viết tắt Giải thích Đơn vị KKC Khinh khí cầu CFD Computational Fluid Dynamics – Tính toán động lực học chất lưu CSD Computational Structure Dynamics – Tính toán động lực học kết cấu FSI Fluid – Structure Interaction – Tương tác lỏng rắn Cy Hệ số lực nâng Cx Hệ số lực cản Cm Hệ số mômen Cyt Hệ số lực nâng thân KKC Cxt Hệ số lực nâng thân KKC Cmt Hệ số mômen thân KKC α Góc tấn hoạt động của KKC Độ  Góc chuyển động của KKC so với mặt phằng nằm ngang Độ β Góc nghiêng của đuôi ngang so với trục dọc của KKC Độ V Thể tích khí cầu m3 GVHD : PGS.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang viii DANH MUC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các loại khinh khí cầu theo cấu tạo.
- 4 Hình 1.2 Kết cấu khinh khí cầu mềm.
- 5 Hình 1.3 Chức năng của túi khí phụ trong khinh khí cầu mềm.
- 6 Hình 1.4 Kết cấu khinh khí cầu cứng.
- 7 Hình 1.5 Kết cấu khinh khí cầu bán cứng.
- 9 Hình 1.6 Lực tác động lên Airship.
- 11 Hình 1.7 mô hình khinh khí cầu.
- 12 Hình 2.1 Mô hình khinh khí cầu.
- 15 Hình 2.3 Mô hình chia lưới không gian tính toán.
- 16 Hình 2.4 Mô hình chia lưới xung quanh khinh khí cầu.
- 16 Hình 2.5 Đường đặc trưng hệ số lực nâng Cy theo góc tấn.
- 18 Hình 2.6 Đường đặc trưng hệ số lực cản Cx theo góc tấn.
- 19 Hình 2.7 Đường đặc trưng hệ số Cm theo góc tấn.
- 19 Hình 2.8 Trường áp suất ở mặt đối xứng – góc tấn 0 độ.
- 21 Hình 2.12 Trường áp suất lên bề mặt KKC – góc 0 độ.
- 22 Hình 3.1 Các lực tác dụng lên khí cầu trong mặt phẳng XY.
- 24 Hình 3.2 Đường đặt trưng Cy theo góc tấn.
- 26 Hình 3.3 Đường đặc trưng Cx tại góc tấn -2,5 độ.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang ix Hình 3.4 Đường đặc trưng khí động Cm tại góc tấn -2,5 độ.
- 27 Hình 3.5 Góc nghiêng của cánh đuôi ngang khinh khí cầu.
- 28 Hình 3.6 Hệ số lực nâng khí động của thân và toàn bộ khinh khí cầu theo góc β.
- 29 Hình 4.1 FSI một chiều.
- 32 Hình 4.2 FSI hai chiều.
- 36 Hình 5.1 Mô hình khung – vỏ của khí cầu.
- 37 Hình 5.2 Mô hình khung của khinh khí cầu.
- 38 Hình 5.3 Phân bố áp suất trên bề mặt khinh khí cầu.
- 40 Hình 5.4 Phân bố lực cắt trên bề mặt khinh khí cầu.
- 40 Hình 5.5 Mô hình lưới kết cấu khinh khí cầu.
- 41 Hình 5.6 Trường áp suất và ứng suất cắt tác động lên vỏ khinh khí cầu.
- 43 Hình 5.8 Phân bố biến dạng trên khung.
- 49 Hình 5.16 Chuyển vị trên lớp vỏ trên của khinh khí cầu.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang x Hình 5.17 Chuyển vị trên lớp vỏ sau của khinh khí cầu.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHINH KHÍ CẦU 1.1 Lịch sử phát triển của khinh khí cầu KKC là thành quả đầu tiên của con người trong ước mơ chinh phục bầu trời, với dạng KKC đầu tiên được đề xuất bởi Jean-Baptiste Meusiner vào năm 1784.
- 1.2 Ưu điểm và ứng dụng của khinh khí cầu KKC nắm giữ nhiều ưu điểm mà các khí cụ bay khác như máy bay và trực thăng không có.
- 1.3 Phân loại khinh khí cầu 1.3.1 Phân loại theo phương thức chuyển động Khinh khí cầu tĩnh (Balloon.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 3 Khinh khí cầu động (Airship.
- KKC cũng bay lên theo chiều thẳng đứng khi xuất phát nhưng khi di chuyển sang nơi khác thì khí cầu có thể được điều chỉnh để bay theo một hướng tùy ý.
- 1.3.2 Phân loại theo kích cỡ của khinh khí cầu a.
- Khinh khí cầu cỡ trung bình Các KKC loại này có kích thước dưới 4000m3.
- Khí cầu cỡ lớn Loại KKC này có thể tích lên tới 12000 m3, chúng có thể bay liên tục từ vài tuần đến vài tháng, chúng có tải trọng mang vác lớn.
- 1.3.3 Phân loại theo kết cấu của khinh khí cầu động (Airship) Theo kết cấu, KKC có thể chia làm ba loại đó là : KKC cứng (rigid), KKC nửa cứng (semi-rigid) và KKC mềm (non-rigid).
- Khinh khí cầu mềm: là loại KKC có vỏ mềm, thường được làm từ các loại vải đặc biệt.
- Khinh khí cầu cứng: là loại KKC được bao bởi một lớp vỏ cứng làm bằng các hợp kim nhẹ, loại KKC này thường được dùng với các mục đích vận chuyển hàng hóa loại nặng hoặc mục đích quân sự.
- Khinh khí cầu nửa cứng: là loại KKC kết hợp giữa hai loại KKC cứng và mềm, sử dụng vỏ mềm như KKC loại mềm nhưng có thêm khung cứng ở phần vỏ dưới, do đó có thể gắn thêm các thiết bị có tải trọng vừa phải.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 4 Hình 1.1 Các loại khinh khí cầu theo cấu tạo.
- 1.4 Cấu tạo và kết cấu các loại khinh khí cầu động (Airship) 1.4.1 Cấu tạo khinh khí cầu KKC được phân loại theo nhiều cách.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 5 Kết cấu khinh khí cầu loại mềm Hình 1.2 Kết cấu khinh khí cầu mềm Hình trên thể hiện một kết cấu điển hình của loại KKC mềm cổ điển, còn được gọi là “Blimps”.
- Các túi khí phụ (ballonet): được điền đầy không khí để giữ áp suất cố định bên trong khinh khí cầu ( tránh tác động khi thay đổi nhiệt độ và độ cao.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 6 Hình 1.3 Chức năng của túi khí phụ trong khinh khí cầu mềm Hệ thống cáp treo bên trong (internal suspension system): nằm bên trong vỏ và kéo dài từ khoang tải đển đỉnh của KKC.
- Khả năng chống đỡ các điều kiện môi trường cao để bảo vệ khinh khí cầu khỏi nhiệt độ, hơi ẩm và bức xạ tia cực tím.
- Kết cấu loại khinh khí cầu cứng Hình 1.4 Kết cấu khinh khí cầu cứng Trái ngược với KKC mềm, hình dạng của KKC cứng có thể giữ mà không phụ thuộc vào áp suất trên bề mặt vỏ, do hình dạng lớp vỏ được tạo nên từ các khung kim loại như trên hình vẽ trên.
- Kết cấu của khinh khí cầu cứng bao gồm: Các vòng (intermediate ring, main ring) và xà dọc (longitudinal girders) bằng nhôm tạo thành các khung chịu lực, cho phép KKC cứng có thể mang được nhiều loại khoang tải có kích cỡ khác nhau.
- Kết cấu loại khinh khí cầu bán cứng Hình 1.5 Kết cấu khinh khí cầu bán cứng KKC bán cứng mang nhiều ưu điểm tốt của KKC cứng và mềm.
- 1.5 Các bộ phận chung trên khinh khí cầu động (airship) a.
- Các trang thiết bị khác Các KKC hiện đại được trang bị thêm các thiết bị điện tử, vũ khí hiện đại hay gắn pin năng lượng mặt trời lên vỏ khí cầu để tang thêm tính năng cho KKC.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 11 Hình 1.6 Lực tác động lên Airship 1.7 Một số ứng dụng của KKC ngày nay KKC đang được ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống, đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự và công nghiệp giải trí.
- Trong thế chiến thứ nhất, Anbert Caquot đã chế tạo ra khinh khí cầu trinh sát cho quân đội Pháp vào năm 1914.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 12 1.8 Mô hình khinh khí cầu sử dụng trong luận văn Mô hình KKC được sử dụng nghiên cứu trong luận văn là mô hình do học viện kỹ thuật quân sự đã nghiên cứu, chế tạo[1].
- Các thông số chính và các mặt cắt chính của KKC trên được mô tả trên hình 1.7 như sau: Hình 1.7 mô hình khinh khí cầu Mẫu mô hình trên là loại KKC bán cứng có thể tích vùng chứa khí nâng là 34m3 và khả năng tải có ích của KKC là khoảng 10 kg nhằm lắp đặt các thiết bị quan sát như camera hoặc các máy chụp ảnh có độ phân giải lớn.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 14 CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA KHINH KHÍ CẦU Với những mục tiêu luận văn được đưa ra ở chương trên, trong phần này chúng ta sẽ đi kiểm tra đặc tính khí động của KKC bằng phần mềm mô phỏng FLUENT [4] (Phụ lục A), ngoài mục đích kiểm tra chất lượng khí động của mô hình KKC nghiên cứu, những kết quả khí động thu được từ trong mô phỏng FLUENT sẽ được lấy ra làm điều kiện biên ban đầu để tính toán kết cấu KKC.
- 2.1 Mô hình bài toán, yêu cầu tính toán Hình 2.1 Mô hình khinh khí cầu KKC bay ở chế độ bay bằng với vận tốc U=12 m/s ở các góc tấn.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 16 Hình 2.3 Mô hình chia lưới không gian tính toán Hình 2.4 Mô hình chia lưới xung quanh khinh khí cầu Vùng chia lưới xung quanh bề mặt KKC được chia khá mịn và các kích thước các lưới khá đều do vùng này có thể xuất hiện sự thay đổi giá trị áp suất tĩnh và động khá lớn.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 19 Hình 2.6 Đường đặc trưng hệ số lực cản Cx theo góc tấn Hình 2.7 Đường đặc trưng hệ số Cm theo góc tấn GVHD : PGS.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 21 Hình 2.10 Trường vector vận tốc ở mặt đối xứng – góc tấn 0 độ Hình 2.11 Trường xoáy xuất hiện ở phần đuôi – góc 0 độ GVHD : PGS.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 22 Hình 2.12 Trường áp suất lên bề mặt KKC – góc 0 độ Từ các đường đặc trưng khí động cũng như các hình phân bố lực khí động trên bề mặt KKC cho thấy chất lượng khí động của mô hình KKC nghiên cứu là rất tốt: 1.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 23 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG TĨNH CỦA KHINH KHÍ CẦU 3.1 Lý thuyết ổn định của khinh khí cầu Theo các nghiên cứu về ổn định của KKC [5] và các quy tắc chung khi thiết kế KKC [3] thì : KKC ở trong trạng thái cân bằng tĩnh thì điều kiện cần là lực nâng cân bằng với tổng khối lượng, điều kiện này diễn ra ở một độ cao xác định khi mà tổng lượng không khí bị chiếm chỗ bằng tổng khối lượng của KKC.
- 3.2 Ổn định tĩnh của khinh khí cầu.
- Xét điều kiện bài toán khi KKC Hình 3.1 Các lực tác dụng lên khí cầu trong mặt phẳng XY Chúng ta nghiên cứu bài toán khi KKC chuyển động lên so với mặt phẳng nằm ngang một góc.
- lực Ld nghiêng β so với trục khí cầu như hình vẽ 3.1.
- L cosβ ( L là khoảng cách từ tâm khí động của đuôi ngang đến tâm trọng lực của khí cầu.
- Lực nâng khí tĩnh F tác dụng qua trọng tâm của lực nâng khí tĩnh C.B  Tổng khối lượng của khí cầu W tác dụng tại trọng tâm của khí cầu C.G  Mô men do lực khí tĩnh tạo ra quang trọng tâm C.G là MF= F.h.sin(+α) (3.7) Phương trình cân bằng khi chuyển động dọc của khí cầu như sau.
- Mt+T.c-F.h.sin(+α)- Md =0 (3.10) Theo điều kiện thiết kế đưa ra là lực nâng khí tĩnh cân bằng với tổng trọng lượng khí cầu tức F=W thì.
- Nguyễn Phú Khánh Luận văn cao học Học viên : Lương Chí Nhân Trang 26 Áp dụng công thức trên, xét lại bài toán khí động nghiên cứu ở Chương 2 để khí cầu chuyển động ngang (==0) ổn định với vận tốc U=12m/s với góc đuôi ngang β=-5 độ, thì rõ ràng Cy=0 và T=Rx.
- Theo hình 3.3 thì Cx = 0,0556 .
- Hình 3.3 Đường đặc trưng Cx tại góc tấn -2,5 độ Khi khí cầu hoạt động ở góc αc = -2,5 thì lực động cơ cần đặt vào để đảm bảo bù trừ cho lực cản khí động là : GVHD : PGS.
- Như vậy, với việc áp dụng kết quả khí động ta hoàn toàn có thể tính toán góc hoạt động cân bằng cũng như lực đẩy động cơ cần thiết tác động lên khí cầu

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt