NGHIÊN cứu xác ĐỊNH tải TRỌNG GIÓ tác DỤNG lên ANTEN PHỤC vụ QUÁ TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT kế hệ THỐNG cơ KHÍ điều KHIỂN ANTEN GIÁM sát vệ TINH địa TĨNH ĐƯỜNG KÍNH 7,6 m

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG
LÊN ANTEN PHỤC VỤ QUÁ TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
HỆ THỐNG CƠ KHÍ-ĐIỀU KHIỂN ANTEN
GIÁM 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
phương pháp mô hình hóa số dòng chảy rối của
anten dùng để thu tín hiệu từ một hoặc một số vệ
khí và tính toán tải trọng gió tác dụng lên trạm
tinh địa tĩnh (các vệ tinh bay trên quỹ đạo địa tĩnh,
Anten giám sát VTĐT đường kính 7,6 m nhờ sử
ở độ cao 35.786 km phía trên đường xích đạo của
dụng mô đun CFX của tổ hợp chương trình
Trái đất) phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.
Ansys. Các kết quả tính toán thu được là số liệu
Khả năng chịu tải, độ ổn định tín hiệu thu, khả
đầu vào quan trọng phục vụ cho quá trình tính
năng đỡ và hướng anten quay chính xác đến một
toán thiết kế hệ thống cơ khí – điều khiển anten
VTĐT nào đó trong không gian phụ thuộc nhiều
giám sát VTĐT.
vào hệ thống cơ khí-điều khiển. Bài báo giới thiệu
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 mô hình
Kích thước miền tính toán

LxHxB
L1≥5l

L2≥15l

H≥8h

B≥10b

Trang 307


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Hình 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

thuộc tính của mặt đất. Hình dạng của chảo anten

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

và miền tính toán được biếu diễn trên Hình 4 và
5.

Hình 4. Chảo anten

Hình 5. Miền tính toán

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
xác định theo công thức (Hình 3) [3]:

u y  0,68.u . y  5

0,17

.

(1)

Tại đầu ra (Outlet), Gradient của bất kỳ số đại
lượng vật lý nào trong trường dòng chảy bằng 0:

p v w


 0,
y y y

Trang 308

(2)

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]:

 vi
 y  0,
 i



 ,(3)
  u u   p     vi  v j    u ' u ' 
j i
 y j j i
yi dyi   yi y j 








trong (1), (2) và (3): u - vận tốc gió ở độ cao 10
m so với mặt đất, m/s; p- áp suất của điểm tính
toán, N/m2; u, v, w – vận tốc gió theo phương Ox,


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Oy, Oz tại điểm tính toán, m/s; x, y, z – tọa độ của
điểm tính toán, m.
Giải phương trình Navier-Stokes (3) cho
phép xác định trạng thái khí và tải trọng khí động

của điểm bất kỳ trong miền tính toán. Trong bài
báo này, chúng ta sử dụng mô hình dòng rối SST
k- và phương pháp phần tử hữu hạn trong CFX

để miêu tả và giải phương trình (3).

3. THIẾT LẬP LƯỚI PHẦN TỬ CHO MÔ HÌNH
Lưới 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

a)

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]:

y 

u y
,


(4)

trong đó: u - vận tốc mài sát; - mật độ khí;
- hệ số động học của tính nhớt của dòng khí.

b)

c)

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

pháp phần tử hữu hạn trong CFX, bước tích phân

trên với vận tốc đầu vào của gió u=25 m/s,
hướng gió tương đối so với trục anten thay đổi từ

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.

001800. Tính toán được thực hiện nhờ phương

Trang 309


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Hình 7. Trường phân bố vận tốc và dòng vận tốc trong mặt phẳng đối xứng anten khi hướng gió 0

0

Hình 8. Trường phân bố áp suất trên mặt phẳng đối xứng và các bề mặt của anten khi hướng gió 0

0

Hình 9. Trường phân bố vận tốc và dòng vận tốc trong mặt phẳng đối xứng Anten khi hướng gió 60

0

Hình 10. Trường phân bố áp suất trên mặt phẳng đối xứng và các bề mặt của anten khi hướng gió 60

0

Hình 11. Trường phân bố áp suất trên mặt phẳng đối xứng và các bề mặt của anten khi hướng gió 90

0

Trang 310

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Hình 12. Dòng vận tốc và trường phân bố áp suất trên mặt phẳng đối xứng anten khi hướng gió 140

0

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

men quay Mz (quay quanh trục Oz) có dấu thay
đổi khi hướng gió thay đổi từ 00 đến 1800; Fy đạt

bài báo [1], [4]) đã xác định được lực, mô men khí
động tác dụng lên anten đường kính 7,6 m khi

(Fy=-484,4 N); Mz đạt giá trị lớn nhất khi hướng

0

nhất khi =00 và 1800 (Mz=-206,16 Nm) (xem

vận tốc gió u=25 m/s, hướng gió thay đổi từ 0
0

đến 180 . 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

giá

trị

lớn

nhất

khi

hướng

gió

=50-600

(Fy=30670,4 N) và đạt giá trị nhỏ nhất khi =100

0

gió =1400 (Mz=-18145,4 Nm) và đạt giá trị nhỏ
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 311


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

[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.

Trang 312

[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.