Xây dựng và áp dụng công cụ mô hình hóa để mô phỏng và tính toán dòng khí 3 chiều bao quanh khí cụ bay

Chủ nhiệm đề tài GS.TSKH. Dương Ngọc Hải
Đơn vị thực hiện Viện Cơ học
Thời gian thực hiện 2006 - 2007
Tổng kinh phí 300 triệu đồng
Nội dung đề tài

Mục tiêu:

  • Nghiên cứu, xây dựng công cụ mô hình hóa để mô phỏng và tính toán (trong thời gian thực) dòng khí 3 chiều bao quanh khí cụ bay (KCB) có số Mach nhỏ (M<0.3-0.4) như máy bay siêu nhẹ, ekranoplan.
  • Áp dụng để mô phỏng và tính toán thử nghiệm cho một KCB.

Nội dung nghiên cứu

  • Thu thập, tổng hợp, phân tích tài liệu trong và ngoài nước về phương pháp tính toán khí động học dòng chảy bao nói chung, tập trung vào các phương pháp mô phỏng dòng chảy 3 chiều, trong đó có các phương pháp tính toán dòng chảy bao chính như các phương pháp dòng thế (panel methods), các phương pháp bề mặt nâng (lifting surface methods), phương pháp phần tử biên, phương pháp giải hệ phương trình Navier-Stokes mô tả dòng rối và phương pháp Boltzmann Gas Latice. Các phương pháp mô tả dòng rối dựa trên việc giải hệ phương trình Navier-Stokes được tổng quan chi tiết hơn.
  • Phân tích, lựa chọn mô hình vật lý toán, mô hình dòng rối, phương pháp xử lý lưới, phương pháp mô hình hóa và phương pháp tính toán phù hợp, trong đó có phân tích cơ sở toán học của phần mềm bao gồm hệ phương trình mô tả, phương pháp đóng kín rối, phương pháp giải số.
  • Xây dựng chương trình tính toán và công cụ vào ra hỗ trợ người sử dụng. Phần mềm tính toán chính được viết trên ngôn ngữ FORTRAN. Phần mềm được viết để chạy trên môi trường Windows. Chức năng để mô phỏng và tính toán dòng khí 3 chiều bao quanh KCB. Phạm vi áp dụng của phần mềm là cho các KCB có vận tốc thấp (số Mach M<0.3-0.4) như máy bay siêu nhẹ, ekranoplan. Phần mềm cũng giới hạn cho việc tính dòng bao quanh các phần tĩnh tương đối như thân và cánh KCB, không tính đến dòng bao quanh các phần động tương đối như cánh quạt trên máy bay.

Dữ liệu đầu vào được cho ở dạng các tệp text bao gồm:


+    Tệp mô tả dạng hình học vật thể cùng lưới tính.
+    Tệp chứa các thông số dòng bao.
+    Tệp chứa các thông số điều khiển của người dùng.


Dữ liệu đầu ra cũng là các tệp dạng text chứa các thông số dòng tại tất cả các điểm lưới tính. Để thuận tiện cho sử dụng, một số chương trình phụ trợ đi cùng sẽ được xây dựng nhằm trợ giúp người dùng trong việc trích xuất các thông tin kết quả quan tâm dưới dạng đọc được của chương trình vẽ Tecplot. Các chương trình này được viết trên ngôn ngữ hướng đối tượng Visual Basic và cũng chạy trong môi trường Windows.
Tài liệu hướng dẫn sử dụng sẽ trình bày phương pháp nhập dữ liệu, cách trích xuất kết quả phục vụ in ấn và biều thị bằng hình vẽ các phần mềm thông dụng. Tài liệu được viết ở mức độ giành cho các đối tượng là sinh viên, cán bộ nghiên cứu thiết kế trong các ngành Cơ học, Thủy khí và Hàng không.

  • Kiểm định và hiệu chỉnh trên cơ sở so sánh với các kết quả tính toán, số liệu thí nghiệm trong và ngoài nước, trong đó có việc kiểm định phần mềm tính toán trên cơ sở so sánh với các số liệu công bố cho dòng bao quanh các dạng vật thể khác nhau như hình trụ, profile cánh, hình đầu đạn ... Các thí nghiệm được lựa chọn lấy từ các công bố trên tạp chí, ấn phẩm khoa học trong nước và quốc tế.
  • Áp dụng mô hình hóa, tính toán thử nghiệm cho một KCB cụ thể. Trong đó trình bày số liệu tính toán liên quan đến dòng bao một KCB cụ thể (dự kiến máy bay siêu nhẹ của Bộ Quốc phòng hay Hội Cơ học Việt Nam), các kết quả tính toán cụ thể như phân bố các đại lượng đặc trưng dòng, lực cản, lực nâng.
Kết quả đạt được
  • Trên cơ sở thu thập, tổng hợp, phân tích tài liệu trong và ngoài nước về phương pháp tính toán khí động học dòng chảy bao nói chung, nghiên cứu tổng quan về các phương pháp đã được thực hiện trong đó tập trung vào các phương pháp mô phỏng dòng chảy thực 3 chiều.
  • Dựa trên nghiên cứu tổng quan, tính đến điều kiện tính toán và áp dụng ở Việt Nam, mô hình vật lý toán, mô hình dòng rối, phương pháp xử lý lưới, phương pháp mô hình hóa và phương pháp tính toán đã được lựa chọn đảm bảo yêu cầu tiên tiến cũng như tính khả thi. Hệ lưới cong có cấu trúc được lựa chọn tạo thuận lợi cho việc xấp xỉ điều kiện biên cho các bài toán thực tế. Giả thiết không nén được chấp nhận để giảm thiểu thời gian tính toán trong điều kiện máy tính ở Việt Nam trong khi vẫn phù hợp với các KCB có vận tốc dưới âm. Kỹ thuật giải ẩn với phương pháp sai phân dựa trên đường đặc tính được sử dụng nhằm nâng cao tốc độ, độ ổn định của chương trình tính toán.
  • Từ mô hình và các kỹ thuật giải lựa chọn, chương trình tính toán đã được xây dựng trên ngôn ngữ FORTRAN. Do khối lượng số liệu đầu vào và đầu ra rất lớn nên để tránh nhầm lẫn, chương trình được thiết kế theo kiểu đọc và ghi dữ liệu qua các tệp. Mỗi phương án tính cũng được quy định chứa trong một thư mục riêng. Tệp nguồn của chương trình chứa khoảng 9000 dòng lệnh.
  • Chương trình tính toán được kiểm định bằng việc sử dụng mô phỏng dòng quanh hai dạng vật thể khác nhau (một dòng bao quanh vật thể hình trụ và một dòng bao quanh vật thể dạng đầu đạn) tương ứng với hai thí nghiệm được coi là chuẩn rộng rãi trên thế giới. Khả năng mô phỏng các đặc trưng quan trọng nhận được trong cả hai dạng dòng. So sánh các kết quả tính toán với các số liệu thí nghiệm chuẩn trên cho thấy sự trùng hợp tốt giữa tính toán và đo đạc.
    Chương trình tính toán cũng được sử dụng mô phỏng dòng quanh một dạng máy bay gần giống máy bay siêu nhẹ VNS41 của Bộ Quốc phòng. Kết quả tính toán cho thấy khả năng mô phỏng các đặc trưng quan trọng của dòng chảy bao quanh dạng vật thể bay có cánh. So sánh kết quả tính toán với số liệu thí nghiệm và kết quả tính toán theo công thức nửa thực nghiệm của Viện Kỹ thuật phòng không - Không quân cho thấy sự xấp xỉ tốt về lực nâng nhưng có sự sai khác về lực cản.
    Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu được đề ra. Kết quả nghiên cứu của đề tài cũng cho thấy tính toán dòng chảy quanh vật thể bay là một công việc phức tạp với nhiều vấn đề giải quyết liên quan đến khó khăn trong việc xấp xỉ biên dạng hình học, chia lưới, xấp xỉ điều kiện động lực học ... Như đã đặt ra trong mục tiêu đề tài: Mô hình và chương trình tính toán ở đây chỉ phù hợp cho các vật thể bay với vận tốc nhỏ (dưới âm). Mô phỏng chính xác động lực học dòng chảy bao quanh vật thể bay với vận tốc cao (gần âm hoặc trên âm) cần thiết phải xem xét tính nén được của dòng và tính đến các hiệu ứng nhiệt.
  • Khả năng và phương thức ứng dụng kết quả nghiên cứu
  • Phần mềm có thể áp dụng trong việc tính toán, phân tích dòng chảy bao quanh KCB cụ thể.

Bản quyền thuộc về Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Địa chỉ: 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội. Email: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Khi phát hành lại thông tin trên Website cần ghi rõ nguồn: "Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam".