Bài báo giới thiệu phương pháp mô hình hóa số dòng chảy rối của khí và tính toán tải trọng gió tác dụng lên trạm Anten giám sát VTĐT đường kính 7,6 m nhờ sử dụng mô đun CFX của tổ hợp c
Trang 1GIÁM SÁT VỆ TINH ĐỊA TĨNH ĐƯỜNG KÍNH 7,6 M
Phạm Quốc Hoàng, Đỗ Mạnh Tùng, Bùi Hữu Toán
Học viện Kỹ thuật Quân sự
TÓM TẮT:
Anten giám sát vệ tinh địa tĩnh (VTĐT) là
anten dùng để thu tín hiệu từ một hoặc một số vệ
tinh địa tĩnh (các vệ tinh bay trên quỹ đạo địa tĩnh,
ở độ cao 35.786 km phía trên đường xích đạo của
Trái đất) phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau
Khả năng chịu tải, độ ổn định tín hiệu thu, khả
năng đỡ và hướng anten quay chính xác đến một
VTĐT nào đó trong không gian phụ thuộc nhiều
vào hệ thống cơ khí-điều khiển Bài báo giới thiệu
phương pháp mô hình hóa số dòng chảy rối của khí và tính toán tải trọng gió tác dụng lên trạm Anten giám sát VTĐT đường kính 7,6 m nhờ sử dụng mô đun CFX của tổ hợp chương trình Ansys Các kết quả tính toán thu được là số liệu đầu vào quan trọng phục vụ cho quá trình tính toán thiết kế hệ thống cơ khí – điều khiển anten giám sát VTĐT
Từ khóa: anten, vệ tinh địa tĩnh, tải trọng gió, hệ cơ khí-điều khiển, Ansys CFX
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong kết cấu anten giám sát VTĐT, ngoài
chảo và hệ thống thu được tiêu chuẩn hóa, còn
lại là hệ thống cơ khí chính xác có điều khiển Hệ
thống này có chức năng đỡ chảo anten và điều
khiển chảo anten quay hướng chính xác đến một
vệ tinh địa tĩnh nào đó trong không gian thông
qua góc ngẩng và góc phương vị
Do VTĐT ở khoảng cách rất xa với vị trí đặt
anten nên các sai số góc và độ cứng vững của hệ
thống ảnh hưởng lớn đến khả năng thu tín hiệu
Việc xác định chính xác tải trọng gió tác dụng lên
anten trong quá trình làm việc là một thông số
đầu vào rất quan trọng làm cơ sở thiết kế hệ
thống cơ khí anten
Các thông số đầu vào dùng để mô hình
hóa và tính toán: đường chảo anten VTĐT 7,6 m;
chiều sâu chảo là 1,4 m và độ dày chảo là 0,03 m
(Hình 3), tốc độ gió tới hạn khi anten làm việc 25
m/s; hướng gió tương đối so với trục đối xứng
của Anten thay đổi từ 00
-1800 (Hình 3)
Việc mô hình hóa và tính toán tải trọng khí động tác dụng lên anten được thực hiện bằng mô đun CFX của ansys Mô đun này cho phép thực hiện mô hình hóa số trực tiếp dòng chảy rối tĩnh
và động của gió thổi vào vật thể và xác định các
hệ số khí động, mô men và tải trọng tác dụng lên chúng dựa trên nền tảng các phương pháp số và máy tính điện tử Trong mô phỏng số sự phân bố
áp suất gió, miền tính toán được đóng lại bằng cách thiết lập một số bề mặt tường để đảm bảo khả năng bị chặn là ít hơn 5% Ngoài ra, miền tính toán này cần có kích thước phù hợp với kích thước của vật thể được đặt trong dòng chảy của gió để kết quả tính toán đạt được là tin cậy Mối quan hệ giữa kích thước của miền tính toán (L1+h+L2)BxH và kích thước vật thể lxbxh trong miền tính toán để kết quả tính toán tin cậy được thể hiện trong Bảng 1 và trên Hình 1 [1, 2]
Bảng 1 Thiết lập miền tính toán
Kích thước miền tính toán L1≥5l L2≥15l H≥8h B≥10b
Trang 2Hình 1 Mặt phẳng đứng của miền tính toán Hình 2 Mặt phẳng ngang của miền tình toán
2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH
Hình 3 Ba vị trí của chảo anten chịu tác dụng của gió
Miền tính toán dạng hình hộp chữ nhật với
các kích thước bao được xác định theo kích
thước chảo dựa theo mối quan hệ trong Bảng 1,
mặt bên phía dưới được mô hình hóa theo các
thuộc tính của mặt đất Hình dạng của chảo anten
và miền tính toán được biếu diễn trên Hình 4 và
5
Để xây dựng các phương trình trạng thái
dòng khí trong miền tính toán, chúng ta gắn miền
tính toán với hệ tọa độ Oxyz, đỉnh O của hệ tọa
độ trùng với đỉnh của chảo Anten (Hình 3, 5) Vận
tốc khí tại điểm tính toán bất kỳ của đầu vào
(Inlet) phụ thuộc vào độ cao so với mặt đất được
Trong miền tính toán (Domain): trạng thái
của dòng khí rối không nén được xung quanh chảo Anten được xác định bởi phương trình Navier-Stokes, có dạng [3]:
v i
, 0
Trang 3Lưới phần tử cho miền tính toán được xây
dựng bởi phần tử tứ diện với các lớp phần tử
hình lăng trụ gần các biên cứng (wall) và các
công cụ CFX-Mesh của tổ hợp chương trình
Ansys Ngoài ra, chúng ta sử dụng các công cụ
Egde sizing, Inflation và phương pháp chia lưới
được công bố trên [1, 4], để chia lưới cho các mặt
và các đường phức tạp trên các mặt anten và mặt đất Chất lượng lưới phần tử của mô hình tính toán được đánh giá qua đại lượng y+
theo công thức [5]:
uy
trong đó: u- vận tốc mài sát; - mật độ khí;
- hệ số động học của tính nhớt của dòng khí
d)
Hình 6 Mô hình lưới phần tử của miền tính toán
Trên các biên của miền tính toán sử dụng
các điều kiện biên: “Inlet”: được đặt cho miền
đầu vào của dòng khí, “Outlet”: - miền ra của
dòng khí, “wall” - các bề mặt của anten và mặt
đất; “Opening”- các mặt bên và mặt phía trên của
miền tính toán Mô hình lưới phần tử mô hình tính toán được biểu diễn trên Hình 6, bao gồm:
466604 nút; 2011543 phần tử Giá trị y+
của lớp đầu tiên gần chảo anten nhất nhỏ hơn 20, chứng
tỏ độ tin cậy của mô hình lưới được chia
4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
Xác định tải trọng khí động cho mô hình
trên với vận tốc đầu vào của gió u=25 m/s,
hướng gió tương đối so với trục anten thay đổi từ
001800 Tính toán được thực hiện nhờ phương
pháp phần tử hữu hạn trong CFX, bước tích phân
từ 150-200 bước Kết quả phân bố vận tốc, áp suất và các tải trọng khí động tác dụng lên anten tên được thể hiện trên các Hình 7-13
Trang 4Hình 7 Trường phân bố vận tốc và dòng vận tốc trong mặt phẳng đối xứng anten khi hướng gió 00
Hình 8 Trường phân bố áp suất trên mặt phẳng đối xứng và các bề mặt của anten khi hướng gió 00
Hình 9 Trường phân bố vận tốc và dòng vận tốc trong mặt phẳng đối xứng Anten khi hướng gió 600
Hình 10 Trường phân bố áp suất trên mặt phẳng đối xứng và các bề mặt của anten khi hướng gió 600
Trang 5Hình 12 Dòng vận tốc và trường phân bố áp suất trên mặt phẳng đối xứng anten khi hướng gió 1400
Hình 13 Đồ thị tải trọng gió tác dụng lên anten phụ thuộc vào hướng gió tương đối so với trục anten
5 KẾT LUẬN
Trên cơ sở mô hình hóa số và mô tả các đặc
tính cơ bản của dòng chảy rối nhớt nhờ tổ hợp
chương trình Ansys CFX, sử dụng các phương
pháp chia lưới tin cậy (được công bố trên các các
bài báo [1], [4]) đã xác định được lực, mô men khí
động tác dụng lên anten đường kính 7,6 m khi
vận tốc gió u=25 m/s, hướng gió thay đổi từ 00
đến 1800 Kết quả tính toán chỉ ra rằng, lực đẩy
khí động (theo phương Ox) đạt giá trị lớn nhất khi
hướng gió tác dụng lên anten =00 (Fx=22174,3
N) và đạt giá trị nhỏ nhất khí hướng gió =900;
Lực nâng khí động Fy (theo phương Oy) và mô
men quay Mz (quay quanh trục Oz) có dấu thay đổi khi hướng gió thay đổi từ 00 đến 1800; Fy đạt giá trị lớn nhất khi hướng gió =50-600 (Fy=30670,4 N) và đạt giá trị nhỏ nhất khi =1000 (Fy=-484,4 N); Mz đạt giá trị lớn nhất khi hướng gió =1400 (Mz=-18145,4 Nm) và đạt giá trị nhỏ nhất khi =00 và 1800 (Mz=-206,16 Nm) (xem Hình 13)
Kết quả tính toán được sử dụng làm thông
số đầu vào để tính toán và thiết kế kết cấu cơ khí cho anten giám sát VTĐT đường kính 7,6m, lần đầu tiên được chế tạo ở 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 6[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
[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