بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش مشخصات آئرودینامیکی پرتابهای با کالیبر 155 میلی متر، با استفاده از کد نیمه تجربی ام دی و شبیهسازی عددی، در ماخ 0,76 در زوایای حمله 0 تا 5 درجه موردمطالعه قرارگرفته است. این گلوله، در تأسیسات تونل باد مرکز تحقیقاتی ارتش ایالت متحده آمریکا ساختهشده و موردمطالعه تجربی قرارگرفته است. بهاینترتیب با ضرایب بهدستآمده از هر دو روش شبیهسازی نیمه تجربی و عددی میتوان مقایسهای را با دادههای تجربی ارائه نمود. از علل انتخاب این هندسه در این مطالعه میتوان به انتشار دادههای تجربی حاصل از آزمایش تونل باد آن اشاره نمود که نمونه بسیار خوبی جهت صحت سنجی جریان روی پرتابههایی با کالیبر متوسط پایین است. نتایج عددی حاصل از پژوهش حاضر، نشان میدهد که مدلهای آشفتگی K-ε Standard و k-ω SST با داشتن حداقل خطا، به عنوان مدلهای مناسب میتوانند مورد استفاده قرار گیرند. مقایسه نتایج حاصل از روش عددی و نیمه تجربی با دادههای تونل باد، تطابق خوب ضریب نیروی عمودی و ضریب گشتاور پیچشی را نشان داد. ضریب نیروی محوری حاصل از روش عددی دارای تطابق خوبی با نتیجه تونل باد بود، درحالیکه نتیجه حاصل از روش نیمه تجربی 25 درصد بالاتر از مقادیر تونل باد بود.
کلمات کلیدی: مشخصات آئرودینامیکی، کالیبر 155 میلیمتر، شبیهسازی عددی، کد نیمه تجربی ام دی، تونل باد
-1 مقدمه
یکی از مهمترین عوامل که در طراحی اجسام پرنده بهویژه موشکها و پرتابهها 1 نقش اساسی ایفا میکند، مشخصات آئرودینامیکی2 مرتبط با آنها است. از مزایای محاسبه هر چه دقیقتر این ضرایب میتوان به افزایش کارایی و بهبود عملکرد اجسام پرنده در انجام مأموریتهای تعریفشده برای آنها اشاره نمود. پیشبینی ضرایب آئرودینامیکی بهمنظور تعیین قابلیت جسم پرندهی طراحیشده، امری اجتنابناپذیر است. روشهای زیادی ازجمله: روشهای نیمه تجربی [1-2]، تجربی [3-4]، پروازآزاد[5-8] 3 و روشهای دینامیک سیالات محاسباتی[9- 10] 4،عموماً بهمنظور تعیین ضرایب آئرودینامیکی اجسام پرندهی بدون کنترل جریان 5 استفاده می شوند. یکی از نیازهای طراح در طول طراحی اولیهی اجسام پرنده، محاسبه ضرایب آئرودینامیکی جسم در کوتاه ترین زمان، با دقت مناسب و قابلیت اطمینان بالا است. یکی از مشکلات اصلی برای طراحان گلوله و پرتابههایی با ابعاد کوچک، عدم وجود پایگاه دادهای جامع، از آزمایشهای تجربی و یا عددی در این زمینه است. یکی دیگر از مشکلاتی که طراحان با آن مواجه هستند، استفاده از نرمافزارها یا شبیهسازهای در دسترس، بدون مقایسه با نتایج آزمایشگاهی موجود برای آن است که این مهم، میتواند صحت دادههای بهدستآمده از شبیه سازی ها را زیر سؤال ببرد.
این امر با آمیخته شدن بحث هدایت پذیری گلولهها و موشکها بیشازپیش مورد اهمیت واقع میگردد. خوشبختانه با پیشرفتفنّاوری و رویکردهای عددی، مسائل پیچیده مرتبط با شبیهسازی و تحلیل سهبعدی جریان حول موشکها و پرتابهها، با دقت بالایی امکانپذیر شده است .[11-12] در این پژوهش، گلولهی 155 میلی متری - ام - 864 در رژیم جریان مادون صوت - ماخ - 0,76 و زوایای حملهی 0 تا 5 درجه، با کد نیمه تجربی ام دی6 و نرمافزار تجاری فلوئنت [13] 6- 3-26 موردمطالعه قرار گرفته و در انتها نتایج حاصل از این دو روش با نتایج آزمایشگاهی ارائهشده در تأسیسات تونل باد [14] مرکز مهندسی، تحقیق و توسعه تسلیحات ارتش ایالت متحده آمریکا7 مورد مقایسه قرار گرفته است. بدنه پرتابه از نوعاُجایو می باشد. طول قسمت استوانهای و قایقی به ترتیب 1,86 و 0,5 کالیبر است. طول کلی بدنه 5,79 کالیبر و فاصله مرکز جرم نسبت به دماغه 3,775 کالیبر در نظر گرفتهشده است.
کد نیمه تجربی ام دی [15-16] توسط نیروی هوایی ایالاتمتحده آمریکا مورد تدوین قرارگرفته و بیش از چند دهه بر روی آن اصلاحاتی بهمنظور رفع نقاط ضعف و افزایش قابلیت کد انجام پذیرفته و در دسترس عموم قرارگرفته است. فلوئنت 6-3-26 نرمافزار تجاری در دسترس عموم است که با داشتن حل گرهای عددی متنوع و فراهم نمودن گزینههای مختلف جهت انتخاب کاربر، قابلیت شبیهسازی جریان سیال در محدوده های تراکم ناپذیر، گذرا و تراکم پذیر را فراهم میآورد. تعدد مدلهای فیزیکی موجود در فلوئنت، به کاربر این امکان را میدهد تا با دقت بالایی جریانهای آرام، آشفته، مدلهای متنوع انتقال حرارت، واکنشهای شیمیایی، جریانهای چند فازی و پدیدههای فیزیکی پیچیده دیگری از این قبیل را، در محدوده وسیعی از رژیمهای جریان شبیه سازی کند.
در این پژوهش ابتدا هندسه پرتابه توسط نرمافزار ام دی شبیه سازی و در مرحله بعد در نرم افزار تجاری فلوئنت مورد شبیهسازی عددی سهبعدی قرار میگیرد. در حل عددی حاضر، ابتدا دامنهی محاسباتی و شبکه آن در محیط نرمافزار گمبیت تولیدشده، سپس تأثیر مدلهای آشفتگی مختلف بر نتایج بهدستآمده از حل عددی موردبررسی قرار میگیرد و در انتها بهمنظور صحت سنجی نتایج، ضرایب آئرودینامیکی حاصل از حل نیمه تجربی و عددی، با نتایج تجربی تونل باد [14] مورد مقایسه قرار میگیرد.
-2 روند حل
یک پرتابه در حین پرواز خود می تواند شرایط متنوعی را ازنظر ماخ پروازی و زاویه حمله تجربه نماید. به همین سبب در زمان طراحی، بررسی آئرودینامیک آن در شرایط مختلف پروازی بهمنظور ایجاد افزایش کارایی پرتابه در انجام مأموریت از پیش تعریفشدهاش، امری اجتنابناپذیر است. از طرفی آزمایشهای تجربی و آزمونهای تونل باد، محدودیتهای خاص به خود و همچنین هزینههای بالا، برای رسیدن به این مطلوب را در بردارد. این محدودیتها سبب میشوند که بررسی تمامی شرایط پروازی در تأسیسات تونل باد امری نامطلوب و یا غیرممکن باشد. به همین سبب بهمنظور تعیین مشخصات آئرودینامیکی پرتابهعموماً از روشهای عددی یا نیمه تجربی استفاده میگردد. در ادامه به تشریح هر دو روند حل پرداخته میشود.
-1-2 تخمین ضرایب آئرودینامیکی به روش نیمه تجربی
کد نیمه تجربی ام دی ، توسط نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا مورد تدوین قرار گرفت و بیش از چند دهه بر روی آن اصلاحاتی بهمنظور رفع نقاط ضعف و افزایش قابلیت کد انجام پذیرفته و هماکنون در دسترس عموم قرارگرفته است. بهمنظور به حداقل رساندن مقادیر دادههای ورودی موردنیازعموماً، مقادیر مورداستفاده برای بسیاری از ورودیها، پیشفرض کد در نظر گرفته میشود. بااینحال تمامی پیشفرضهای برنامه میتواند توسط کاربر بهمنظور افزایش دقت مدل مطلوب کاربر، لغو گردد. در این پژوهش برای تخمین ضرایب آئرودینامیکی، ابعاد هندسی پرتابه، عدد ماخ، ارتفاع پروازی و زوایای حمله بهعنوان ورودیهای برنامه در نظر گرفتهشده است. نتایج بهدستآمده با این روش شامل کلیه ضرایب آئرودینامیکی، مشتقات پایداری و همچنین محل مرکز فشار است. جدول 1 بخشی از ضرایب آئرودینامیکی حاصل از شبیهسازی پرتابه به روش نیمه تجربی را نشان میدهد. جدول 2 سایر ضرایب آئرودینامیکی بهدستآمده از روش نیمه تجربی را نشان میدهد.
-2-2 شبیه سازی عددی
-1-2-2 هندسه، تولید شبکه، شرایط مرزی
ابعاد هندسه موردمطالعه در آزمایش تونل باد مطابق شکل 1 نصف ابعاد هندسه اصلی - و هندسه حل عددی - در نظر گرفته شده است. اندازه دامنه محاسباتی به پارامترهای گوناگونی بستگی دارد که ازجمله آنها میتوان به تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر بودن جریان، وجود یا عدم وجود پدیدههای نا پایایی - گردابههای جداشونده از روی سطح جسم - ، تقارن هندسه موردبررسی و همچنین تقارن یا عدم تقارن میدان جریان حول یک محور یا نقطه در فضا اشاره نمود. در این پژوهش ازآنجاکه با جریان مادون صوت و تراکم پذیر روبرو هستیم میدان محاسباتی در مقایسه با جریانهای مافوق صوت، بزرگتر انتخابشده است. شکل 2 مرزهای بیرونی دامنه حل را که استوانهای شکل طراحیشده، نشان میدهد . طول استوانه 20 برابر طول پرتابه تا انتها و 10 برابر طول پرتابه از دماغه به سمت جلو و شعاع آن 10 برابر طول پرتابه نسبت به اطراف امتدادیافته است. این امر به این
