پایان نامه تحلیل عددی پایداری دینامیکی یک کپسول فضایی بازگشتی در حرکت پیچشی با نوسانات اجباری و آزاد
فهرست محتوا
چکیده
در این تحقیق به تحلیل پایداری دینامیکی کپسول بازگشتی MUSES_C در نوسانات پیچشی اجباری و آزاد با استفاده از شبیهسازی عددی پرداخته شده است. در ابتدا مقدمهای از آیرودینامیک غیردائم، ناپایداری دینامیکی کپسولهای بازگشتی و منشاء آن ذکر شده و تاریخچهای بر مطالعات پیشین و نوسانات اجباری و آزاد آورده شده است. نحوه شبیهسازی عددی جریان ناپایا حول اجسام نوسانی با حرکت پیچشی توسط نرم افزار Ansys/Fluent مورد بررسی واقع شده و با حل جریان حول دو نمونه ایرفویل مشخص از صحت الگوریتم شبیهسازی عددی اطمینان حاصل شده است. سپس شبیهسازی جریان سهبعدی حول هندسه یک فضاپیمای مشخص (کپسول بازگشتی MUSES_C) در حرکت نوسان اجباری صورت گرفته و نتایج حاصله با دادههای تجربی اعتبارسنجی شده است. در این بخش علاوه بر بررسی فیزیک جریان حاکم بر حرکت کپسول، نحوه تعیین ضرایب مشتقات دینامیکی ارائه شده و سپس با استفاده از نتایج بدست آمده از شبیهسازی صورت گرفته، مقدار ضریب دمپینگ پیچشی برای آن محاسبه و معیار پایداری بررسی شده است. در بخش دیگر این تحقیق شبیهسازی عددی جریان سهبعدی در حرکت پیچشی کپسول مورد نظر در شرایط مختلف جریان صورت گرفته و اثر پارامترهای محیطی بر ناپایداری دینامیکی آن مورد مطالعه واقع شده است. نهایتاً، جریان حول کپسول موردنظر در نوسانات آزاد شبیهسازی شده و رفتار دینامیکی آن تحت نوسانات پیچشی آزاد مورد بررسی قرار گرفته است. در واقع این پروژه به بررسی پایداری دینامیکی کپسول در رژیمهای مختلف جریان، زوایای حمله مختلف و فرکانسهای متفاوت پرداخته و در نهایت پایداری دینامیکی کپسول و رفتار دینامیکی آن در نوسانات آزاد، بررسی شده است. بررسی پایداری با استفاده از شبیهسازی عددی در نوسانات آزاد نه تنها در دنیا موضوعی جدید بوده و بررسیهای اندکی در این زمینه صورت گرفته است بلکه بررسی این موضوع در کشور ما (ایران) برای اولین بار است که صورت میگیرد.
واژههای کلیدی: پایداری دینامیکی، اجسام بازگشتی، حرکت پیچشی، نوسانات آزاد و اجباری
فهرست مطالب
- 1- مقدمه ای بر پایداری اجسام پرنده 17
- 1-1- آیرودینامیک غیردائم.. 18
- 1-2- پایداری… 19
- 1-2-1- پایداری استاتیکی.. 20
- 1-2-2- پایداری دینامیکی.. 20
- 1-2-3- تفاوت پایداری استاتیکی و دینامیکی.. 21
- 1-3- ناپایداری دینامیکی کپسولهای بازگشتی… 22
- 1-3-1- توزیع فشار روی سطح کپسول بازگشتی.. 23
- 1-3-2- گردابه ها 25
- 1-4- شبیهسازی عددی جریان ناپایا حول کپسولهای بازگشتی… 27
- 1-5- مدلهای آشفتگی… 29
- 1-6- نوسانات اجباری و آزاد. 32
- 1-7- جمعبندی… 33
- 2- اعتبارسنجی شبیه سازی عددی حرکت یک جسم در نوسان اجباری.. 35
- 2-1- ایرفویل NACA64A010.. 37
- 2-1-1- تنظیمات حل و شرایط مرزی.. 38
- 2-1-2- استفاده از شبکه متحرک… 39
- 2-1-3- استفاده از شبکه لغزشی.. 40
- 2-1-4- نتایج.. 41
- 2-2- ایرفویل NACA0012.. 45
- 2-2-1- تنظیمات حل و شرایط مرزی.. 46
- 2-2-2- استفاده از شبکه متحرک… 47
- 2-2-3- استفاده از شبکه لغزشی.. 48
- 2-2-4- نتایج.. 49
- 2-3- محاسبه مشتقات دینامیکی… 55
- 2-3-1- حرکت نوسانی پیچشی.. 55
- 2-4- جمعبندی… 57
- 3- شبیه سازی عددی و تحلیل پایداری دینامیکی کپسول بازگشتی در نوسانات اجباری.. 58
- 3-1- شبکهبندی… 59
- 3-2- شرایط مرزی و مشخصات حل.. 61
- 3-3- فیزیک حاکم بر جریان.. 63
- 3-4- نتایج… 71
- 3-5- تحلیل پایداری دینامیکی… 73
- 3-6- استقلال شبکه.. 76
- 4- بررسی اثر پارامترهای محیطی بر پایداری دینامیکی کپسول بازگشتی.. 77
- 4-1- شبکهبندی… 80
- 4-2- شرایط مرزی و مشخصات حل.. 80
- 4-3- تاثیر زاویه حمله متوسط… 81
- 4-4- تاثیر عدد ماخ.. 90
- 4-5- تاثیر فرکانس نوسانات… 98
- 4-6- تحلیل پایداری دینامیکی… 104
- 4-7- جمعبندی… 110
- 5- شبیه سازی عددی و تحلیل پایداری دینامیکی کپسول بازگشتی در نوسانات آزاد. 111
- 5-1- شبکهبندی… 112
- 5-2- شرایط مرزی و مشخصات حل.. 113
- 5-3- معادلات حاکم.. 113
- 5-4- الگوریتم UDF نوسان آزاد. 119
- 5-5- نتایج نوسانات آزاد کپسول فضایی… 123
- 5-6- جمعبندی… 127
- 6- جمعبندی و ارائه پیشنهاد. 128
- 7- فهرست منابع.. 131
1- مقدمهای بر پایداری اجسام پرنده
یک فضاپیما در مسیر برگشت به زمین، برای موفقیت در مأموریت و سالم رسیدن به زمین، علاوه بر پایداری استاتیکی، جهت حفظ مسیر خود نیازمند پایداری دینامیکی و کنترل دامنه زاویه نوسانات حرکتی خود میباشد.
به طور کلی اجسام بازگشتی به دو دسته تقسیم میشوند. دسته اول پرتابههای بالستیکی هستند که برای محدوده برد زیاد استفاده میشوند. دسته دوم کپسولهای تحقیقاتی برگشتپذیری هستند که یا در مدار زمین چرخیده و سپس به زمین بازگشته و یا به سمت سیارات دیگر برای تحقیق فرستاده شده و نمونهها را برمیگردانند. کپسولهای بازگشتی به دلیل مسافت زیاد تا سطح زمین دارای سرعت بسیار بالایی هستند و بنابراین دارای مشکلات حرارتی و کنترلی میباشند. برای رفع مشکل حرارت معمولاً از شکلهای بلانت استفاده میشود. این اشکال با ایجاد یک موج ضربهای جدا شده از بدنه علاوه بر ایجاد نیروی پسای زیاد، حرارت کمتری به بدنه منتقل میکنند. از طرفی برای کپسولهای برگشتی که از چتر نجات به عنوان وسیله بازیابی آیرودینامیکی استفاده میکنند، نوسانات حرکتی موضوع بسیار مهمی است؛ چون باید قبل از باز شدن چترنجات زاویه حمله کپسول کمتر از ده درجه باشد تا چتر به درستی باز شده و عمل نماید. در غیر اینصورت چتر عمل نکرده و کپسول سقوط آزاد نموده و با سرعت خیلی زیاد به سطح زمین اصابت میکند. با دلایل ذکر شده میتوان نتیجه گرفت کنترل پایداری دینامیکی اجسام بازگشتی مسئله حائز اهمیتی است. جهت کنترل این اجسام، نیاز به محاسبه نیروهای آیرودینامیکی در حالت ناپایا میباشد. در نتیجه، بررسی پایداری دینامیکی این اجسام در حالت غیردائم و به دست آوردن ضرایب آیرودینامیکی تاثیرگذار در پایداری دینامیکی، از الزامات طراحی اجسام بازگشتی میباشد.
از آنجا که هدف این پروژه بررسی پایداری دینامیکی یک کپسول بازگشتی در نوسانات پیچشی اجباری و آزاد است در ادامه به مطالعه آیرودینامیک جریان غیردائم، انواع پایداری، پایداری دینامیکی، عوامل مؤثر در ایجاد ناپایداری دینامیکی، مدلهای آشفتگی و نوسانات اجباری و آزاد پرداخته خواهد شد.
1-1- آیرودینامیک غیردائم
هنگامی که یک جسم پرنده تحت شرایط پروازی ثابتی) شامل سرعت، زاویه حمله، ارتفاع و(… در هوا حرکت میکند، پس از گذشت مدت زمان کوتاهی جریان حول آن به شرایط دائم و پایدار رسیده و خواص جریان حول آن از جمله توزیع فشار به مقدار ثابتی خواهد رسید. در این حالت نیروهای وارد بر جسم تابعی از عدد ماخ، عدد رینولدز و زاویه حمله جریان بوده و مستقل از زمان میباشند. برای حل چنین جریانهایی و بدست آوردن نیروهای آیرودینامیکی دراین حالت روشهای تئوری و تحلیلی فراوانی در رژیمهای مختلف سرعت از جریان تراکمناپذیر گرفته تا جریانهای ماوراءصوت وجود دارد[1].
اما موارد زیادی وجود دارد که در آن خواص جریان حول جسم و در نتیجه نیروهای آیرودینامیکی مربوطه وابسته به زمان بوده و با گذشت زمان مقادیر آنها تغییر میکند. در حقیقت تغییراتی که در هندسه جسم و یا شرایط جریان نسبت به زمان پیش میآید باعث میشود خواص جریان حول جسم به یک حالت دائم نرسیده و نسبت به زمان تغییر نماید. غیردائم بودن جریان و نیروهای آیرودینامیکی میتواند ناشی از عوامل مختلفی باشد. گاهی اوقات حرکات نوسانی جسم در طول مسیر پروازی خود باعث غیردائم شدن جریان میشود که به عنوان مثال میتوان به نوسانات زاویهای ایرفویل حول یک محورخاص (Pitch) و یا نوسانات جابجایی آن در راستای عمود بر جریان (حرکت Plunge) و یا تغییر شکلهایی که در موشکهای با نسبت طول به قطر بالا حرکت ایجاد میشود اشاره نمود. دربعضی از مواقع نیز تغییر در شرایط پروازی باعث غیردائم شدن جریان میشود. به عنوان مثال هنگام شتاب گرفتن جسم، سرعت برخورد جریان به آن نسبت به زمان تغییر کرده و باعث تغییر نیروهای آیرودینامیکی میشود و یا تندبادهای ناگهانی (Gust) که در طول مسیر پرواز یک جسم به آن برخورد میکند باعث ایجاد تغییرات لحظهای درخواص جریان خواهد شد. گاهی اوقات نیز ناپایداریهایی که در خود جریان بهوجود میآید باعث غیردائم شدن آن میشود که میتوان به پدیده جدایش گردابهها از روی اجسام در زوایای حمله بالا اشاره کرد.
غیردائم بودن جریان حول جسم ناشی از هر عاملی که باشد باعث پیچیدگی جریان حول آن شده و محاسبه نیروهای وارد بر جسم دیگر به سادگی آنچه درحالت دائم انجام میشود، نخواهد بود. دراین حالت برخلاف حالت دائم، پارامتر زمان نقش تعیین کنندهای در تعیین مقدار نیروهای آیرودینامیکی وارد بر جسم خواهد داشت و در بسیاری از مواقع نیروهای آیرودینامیکی دیگر تنها تابعی از عدد ماخ و عدد رینولدز نبوده و به پارامترهای دیگری نیز وابسته میشوند. به عنوان مثال برای یک جسم نوسانی (چه نوسانات زاویهای وچه نوسانات طولی) نیروهای آیرودینامیکی که بافرکانس زاویهای در حالت نوسان است، و در جریانی با سرعت V قرار دارد براساس آنالیز ابعادی بصورت تابعی از عدد رینولدز، عدد ماخ و فرکانس کاهش یافته خواهد بود[1].
1-2- پایداری
پایداری به معنای عکس العمل جسم پرنده در راستای دمپ و یا تصحیح اختلالات درونی و بیرونی اعمال شده به آن، در طول مسیر حرکت میباشد[2]. در علم آیرودینامیک ناپایا پایداری یک جسم بر دو نوع است:
- پایداری استاتیکی (Static stability)
- پایداری دینامیکی (Dynamic stability)
1-2-1- پایداری استاتیکی
پایداری استاتیکی به معنای تمایل جسم پرنده به ایجاد نیرو و گشتاورهایی است که مستقیماً با اغتشاشات لحظهای به وجود آمده در متغیرهای حرکت هواپیما، از شرایط پرواز حالت دائم، مخالفت میکنند[2].
به عنوان مثال در وسیله پرنده اگر دماغه به هر دلیلی، نسبت به مسیر پرواز بالا رود و به دنبال آن روی وسیله پرنده گشتاوری ایجاد شود که با بالا رفتن دماغه مخالفت نماید آنگاه گفته میشود که وسیله پرنده برای چنین اغتشاشی از نظر استاتیکی پایدار است
Abstract
In this research, the dynamic stability analysis of MUSES_C reentry space capsule is studied in pitching motion with free and forced oscillations by using numerical simulation. The introduction of the unsteady flow, force and free oscillations concepts, dynamic instability and source of instability and history of previous surveys are explained. Accuracy of the numerical algorithm for simulation of the unsteady flow around a moving body with pitching oscillation is verified by flow analyzing around two specific airfoil. Then, the 3D numerical flow simulation around the spacecraft geometry (re-entry capsule MUSES_C) is performed in forced oscillation motion and the results are validated with the experimental data. In addition, flow structure around the capsule and method of determination of the dynamic derivatives coefficients are investigated. Then using the results of the flow simulations around the capsule, the dynamic derivatives coefficients and the stability criterion are examined for the capsule. Also, effect of some important environmental parameters on the dynamic stability of the space capsules are numerically discussed. Finally, flow structure around the capsule in free pitching oscillations is numerically simulated and dynamic behavior of the capsule is studied.
Keyword:Dynamic Stability, Reentry Objects, Pitching Motion, force and free oscillations.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.