Đặc tính chong chóng máy bay mô hình mô phỏng tính toán số và thực nghiệm

I H C QU C GIA TP H CHÍ MINH I H C BÁCH KHOA -o0o - NG QU C B O C TÍNH CHONG CHĨNG MÁY BAY MƠ HÌNH: MƠ PH NG TÍNH TỐN S VÀ TH C NGHI M LU N TP H Chí Minh, tháng 11 I H C QU C GIA TP H CHÍ MINH I H C BÁCH KHOA -o0o - NG QU C B O C TÍNH CHONG CHĨNG MÁY BAY MƠ HÌNH: MƠ PH NG TÍNH TỐN S VÀ TH C NGHI M CHUYÊN NGÀNH: K THU T HÀNG KHÔNG MÃ S CHUYÊN NGÀNH: 60 52 31 LU NG D N: TS NGƠ KHÁNH HI U TS PH TP H Chí Minh, tháng 11 c hoàn thành t i: i h c Bách Khoa Cán b ng d n khoa h c 1: Ti n Cán b ng d n khoa h c 2: Ti n Cán b ch m nh n xét 1: Ti u n Chí Cơng Cán b ch m nh n xét 2: Ti c Ánh Lu tháng 12 i h c Bách Khoa, ov t Thành ph n H HCM ngày 30 m: PGS TS Nguy n Thi n T ng - Ch t ch H PGS TS Nguy n Anh Thi - Thành viên TS Lê Th H ng Hi u - TS Nguy n Chí Cơng - Thành viên c Ánh ng - Thành viên Xác nh n c a Ch t ch H ngành sau lu CH T CH H HCM NG ng khoa qu n lý chuyên c s a ch a NG KHOA KTGT Tôi xin chân thành c n quý th y cô b môn K thu t Hàng không i h c Bách Khoa i h c Qu c gia TP H Chí Minh, nh truy t nh ng ki n th c quý báu v hàng không, nh ng tri th c, nh ng kinh nghi ng thu n l i nh t trình h c th c hi n lu n Tôi xin g i l i c Khánh Hi u, Ti c nh n PGS-TS Nguy n Thi n T ng, Ti m Minh V n khích, ch b o, ng d n t n tình cho tơi su t q trình th c hi n nghiên c u Tôi xin chân thành c i Công ty K thu t DFM p cho nh ng thông tin, ngu ph c v tài nghiên c u Tôi xin g i l i tri ân sâu s nghi u, tài li u h u ích , nh i b o, ng i Ban An ninh An tồn T ng cơng ty C ng hàng khơng Vi t ng viên, h tr r t nhi u t trình h c t p hồn thành lu u ki n t t nh t cho su t ng Qu c B o Chong chóng thi t b chuy dịng t o l ng t ng c a y ph c v cho tàu bay, thuy Vì v y vi c xác c tính c a chong chóng y u t r t quan tr ng vi tính c a tàu bay, thuy thi t k Vi c c tính chong chóng sau c th c hi n b ng ng d ng lý thuy t, mô ph ng s th c nghi m V i u c u trên, tác gi c tính chong chóng máy bay mơ hình: Mơ ph ng tính tốn s th c nghi trung nghiên c N tài t p ng 3D c a chong chóng máy bay mơ hình Master Airscrew 9x6 dùng ph n m c a chong chóng t m xây d ng mơ hình 3D c Sau xây d ng mơ hình 3D, lu n s d chong chóng theo lý thuy t ph n t nm thơng s c tính cánh Bên c , Lu xây d ng mơ hình s s d ng tính tốn c tính c a chong chóng Sau có k t qu phân tích t lý thuy t mô ph ng s , lu c nghi chóng h m gió t i Phịng thí nghi m hàng khơng TPHCM i h c Bách Khoa ki m nghi m l i k t qu c a mơ hình s lý thuy t Mơ hình s sau c hi u ch nh, ki m nghi chóng di c tính c a chong tin c y s áp d c s d ng cho thuy c tính chong t 02 ch ng i SUMMARY Propeller is the energy conversing equipment from motor/engine energy to energy of fluid flow to produce propulsive system for aircrafts, , identifying the performance ofit is one of the most important factors in assessing the performance of aircrafts, Airboats Determining the propeller performance after design by three methods: theory, experiment, simulation For the above requirements, the author of th focuses on researching 3D SCAN method of Master Airscrew 9x6 and using software SolidWord to building 3D model of the propeller After developing the 3D model, this research use MATLAB to analyze the performance propeller according to the Blade element theory Besides, the OpenFoam is used in this research to calculate the the performance propeller After having the results of the theoretical analysis and numerical simulation, this research is going to present the experimental measurements of the propeller performance in the Wind tunnel at Aviation Laboratory of University of Technology Ho Chi Minh to verify the results of the theoretical analysis and Numerical simulation Numerical simulation after being verifiedand adjusted,will be applied to calculate the performance of1 - meter-diameter propeller which is used for two-seat Airboat th c hi n qu s d ng lu n trích d n s li u k t c d n ngu xác cao nh t ph m vi hi u bi t c a K t qu trình bày lu trình nghiên c u trung th ng p c công b TP HCM, tháng Tác gi , ng Qu c B o L IC TÓM T T LU SUMMARY L M C L C DANH SÁCH CÁC HÌNH 10 T NG QUAN 12 1 Gi i thi u chung 12 T ng quan tình hình nghiên c u 14 M c tiêu nghiên c u 17 u 17 N i dung lu 17 LÝ THUY T 19 Lý thuy t chong chóng 19 1 Lý thuy ng 19 2 H th ng xoáy c a chong chóng 23 Lý thuy t ph n t cánh 25 Phân tích vơ th ngun 31 2 Mơ hình s 34 2 Stockes 34 2 35 2 Gi thuy t Boussinesq 37 2 Mơ hình r i r c 2 nh lu 38 ng r n (law of the wall) 38 2 Multiple Reference Frames 39 XÂY D NG MÔ HÌNH HÌNH H C 41 Xây d ng hình h c c 41 1 Vài nét v công ngh Scan Laser 41 Quy trình qt chong chóng Master Airscrew E9×6 43 3 X lý k t qu 44 Xây d ng mơ hình 3D 49 XÂY D NG MƠ HÌNH S MƠ PH NG DỊNG CHUY NG QUA CHONG CHÓNG 51 Xây d i 51 Xây d ng mơ hình s 4.2.1 Mơ hình r i 2 u ki Thông s 4 56 56 u ki u 58 t solver 62 t q trình tính tốn 63 C TÍNH CHONG CHĨNG B NG TH C NGHI M VÀ LÝ THUY T 65 c tính chong chóng b ng th c nghi m 65 1 M a h th ng kh ng chong chóng 65 Thi t k chi ti t c a h th ng kh Quy trình ti n hành th c nghi ng chong chóng 65 c tính chong chóng 69 ng chong chóng theo lý thuy t ph n t cánh 73 K T QU VÀ K T LU N 76 K t qu 76 6 1 ng h ng h 76 ng 78 ng d ng Mơ hình s cho chong chóng di K t lu ng phát tri ng kính 1m7 86 tài 90 TÀI LI U THAM KH O 92 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình S truy ng l ng lý t ng c y c a l u ch t 19 Hình 2: H th ng xốy c a chong chóng hai cánh 23 Hình S tam giác v n t c c a lý thuy t ph n t cánh 25 quan h u+ y+ 39 Hình Bi Hình Quan h gi a h tr c quán tính khơng qn tính 40 Hình S nguyên lý ho ng c a Scan Laser 42 Hình Máy qt biên d ng khơng ti p xúc 42 m c a chong chóng Master Airscrew E9× sau qt 43 Hình S Hình 10 S gi i thu t l m 45 gi i thu t s p x m 46 Hình 11: Biên d ng chong chóng Master Airscrew E9× t i v trí 75R sau x lý m quét 47 Hình 12 Phân b c/R c a chong chóng Master Airscrew E9× theo v trí bán kính 48 Hình 13 Phân b t c a chong chóng Master Airscrew E9× theo v trí bán kính 48 Hình 14: Mơ hình ba chi u c a chong chóng Master Airscrew v i t p h m quét theo bán kính 49 Hình 15: Mơ hình hình h c c a chong chóng Master Airscrew E9× d ng t m qt 50 Hình 16 Mơ hình 3D c a chong chóng Master Aircrew 9x6 51 Hình 17 Các mi n l Hình 18 Mi n l i tính tốn 52 i b m t cánh 53 Hình 19 L p biên b m t chong chóng 54 Hình 20 L p biên b m t chong chóng 54 Hình 21 Mi n l i quay xung quanh chong chóng 55 tl ng l i 55 h i t c a mơ hình r i Kepsilon 57 u ki n biên mô hình tính tốn 59 Hình 26 Kích th a b kh ng chong chóng 65 Hình 27 Kích th c mica l p c a b kh ng chong chóng 66 Hình 28 Kích th c mica l p c a b kh ng chong chóng 66 Hình 30 Kích th c mica l p c a b kh ng chong chóng 67 Hình 31 Mơ hình thi t k 3D AutoCAD c a b kh ng chong chóng 67 10 t giá tr l n nh t n m vùng J t s gi m h s n 0.65, u su t chong chóng c gi m v hai phía cao c a chong chóng s i s d ng x chóng cho hi u su t cao nh t m có cơng su t ho c vùng có hi u su t m thi t k c a chong i v i chong chóng Master Aircrew 9x6 ng t t nh t J kho ng 0.55 0.8 0.7 0.6 ETA 0.5 ETA_Num_13.11 0.4 ETA_Num_13.88 0.3 ETA_Num_10 0.2 ETA_Num_15 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 J Hình 49 Phân b hi u su t chong chóng T k t qu c q trình tính tốn s , ta xây d công su t c a chong chong theo t u ch nh t chong chóng t im tt c a chong m t t l theo J i v i gi m it trên, m tv nt y công su t quay khác Qua hình 50, 51 ta nh n th y Vì v y ho vịng quay cơng su ng h p bay v n t y ng cl vòng quay v n t c bay th p l n l vịng quay t i m i v n t c bay khác quay c a chong chóng s ng c gi ng ch y cao công su t v n t c bay th p, t i p cho chong chóng ph i 81 T (N) 16 14 12 10 T_Num_13.11 T_Num_13.88 T_Num_10 T_Num_15 1000 3000 5000 7000 9000 11000 RPM P (W) Hình 50 Bi l y chong chóng theo RPM 300 270 240 210 180 150 120 90 60 30 P_Num_13.11 P_Num_13.88 P_Num_10 P_Num_15 2000 4000 6000 8000 10000 12000 RPM Hình 51 Bi l c tính hình h c quan h gi a l y chong chóng theo RPM ng kính chong chóng ta xây d y, cơng su t theo t s J cho t ng v n t c bay Qua bi u Hình 52, 53 ta nh n th y l t s l , u gi m t y cơng su t c a chong chóng gi m vịng quay chong chóng cơng su t y s gi m t i m t v n t c bay chóng, c bi u i s d ng xác a chong m thi t k c m thi t k c a thi t b bay 82 18 16 14 12 T_Num_13.11 T_Num_13.88 T_Num_10 T_Num_15 T (N) 10 -2 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 J Hình 52 Bi l y chong chóng theo J 600 500 P (W) 400 P_Num_13.11 300 P_Num_13.88 P_Num_10 200 P_Num_15 100 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 J Hình 53 Bi cơng su t chong chóng theo J Phân b v n t c, phân b áp su t b m t chong chóng ho ng v nt c bay 13 86 m/s t s theo t s J phân b áp su t t i v trí 0.75R c a chong chóng n 58 áp su t d ng t m g n leading edge c a biên d ng cánh, áp su t m t phía c a biên d ng chong chóng có giá tr âm, m i 83 có giá tr S chênh l ch áp su t m y u t t o l t su chóng gi m i m t c a chong chóng y c a chong chóng n th y, J vịng quay gi m) tr m, i chênh l ch gi a áp su t âm áp u ch ng t u phù h p v y c a chong c tính c a chong chóng Hình 54 Phân b áp su t t i J=0 4, V=13.86 m/s Hình 55 Phân b áp su t t i J=0 5, V=13.86 m/s Hình 56 Phân b áp su t t i J=0 6, V=13.86 m/s Hình 57 Phân b áp su t t i J=0 7, V=13.86 m/s Hình 58 Phân b áp su t t i J=0 8, V=13.11 m/s 84 , T Hình 59 n Hình 63 phân b áp su t t i m t c t 0.75R c a chong chóng T i m t v n t c bay k t b m t c t gi m theo chênh l m d n vịng quay gi m) áp su t phân l n c a áp su t âm áp su m d ng d ch chuy n lên phía m t c a chong chóng P -6000 -4000 0.01 0.005 -2000 -0.005 -0.01 2000 4000 Hình 59 Phân b áp su t t i J= 4, V= 13 86 m/s P -4000 -2000 0.01 0.005 -0.005 -0.01 -0.005 -0.01 2000 Hình 60 Phân b áp su t t i J= 5, V= 13 86 m/s p 0.01 0.005 -2000 -1000 1000 2000 Hình 61 Phân b áp su t t i J= 6, V= 13 11 m/s 85 P 0.01 -2000 -1000 0.005 -0.005 -0.01 -0.005 -0.01 1000 2000 Hình 62 Phân b áp su t t i J= 7, V= 13 11 m/s P 0.01 -1000 -500 0.005 500 1000 Hình 63 Phân b áp su t t i J= 8, V= 13 11 m/s 6.2 ng d ng Mô hình s cho chong chóng di K t qu c t mơ hình s ng kính 1m7 t v i d li u th c nghi m cho th y kh t qu c tính l c y c a chong chóng t thơng s hình h c biên d ng cánh c a Q trình xây d ng mơ tính tốn s th c hi c th c hi i v i chong chóng mơ hình T mơ hình 3D xây d ng t ph n m m Solid Word, tác gi ti ig ng, i b m t chong chóng, c bên ngồi L chong chóng t i v trí y+ = 100, chóng ph n t i t di n s d ng mi T ng s ph n t u tiên cách b m t dày l p biên 0.15 mm, s l p biên c chia 10 l p Ph n t s d ng ph n t tri u ph n t ng t i tam giác b m t chong r i r c mi n tính tốn, k c mi is d i r i r c mi n tính tốn i 86 Solver MRFSimpleFoam, mơ hình r i Spalart Allmaras v hình tính tốn Các m c s d ng mơ u ki n biên, mơ hình r i r (fvscheme), i bi n (fvsolution), công c changeDictiontary, CreatBaffles, controlDictv toposet, cs d u ki n tính tốn c a mơ hình s Hình 64 i chong chóng 1m7 Sau q trình tính tốn, mơ hình s cho k t qu tính h s l a chong chong di vòng it ng h p ng kính 1m7 (v n t c vào b ng 0), t n 2700 RPM Thông qua k t qu ta ch s l y c a chong chóng theo t CT vòng quay 0.12 0.11 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 1000 1500 2000 2500 3000 RPM Hình 65 H s l a chong chóng 1m7 theo RPM 87 ng h p tính tốn chong chóng có v n t c vào, i t t i v n t c vào 30 m/s, 40 m/s, ta xây d J, n 1, c tính chong chóng theo i 0.12 0.1 0.08 0.06 CT_Num_30 0.02 CT_Theory CT 0.04 CT_Num_40 -0.02 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 -0.04 -0.06 J Hình 66 H s l Theo bi y c a chong chóng 1m7 theo J Hình 66, k t qu tính tốn s so v i k t qu phân tích lý thuy t g n gi ng v i K t qu phân tích lý thuy t l t qu c t tính tốn s kho ng 10% 3000 2500 T (N) 2000 1500 T_Num_30 1000 T_Num_40 500 0 0.2 -500 0.4 0.6 0.8 1.2 J Hình 67 L y c a chong chóng 1m7 theo J 88 140000 120000 P (W) 100000 80000 60000 P_Num_30 40000 P_Num_40 20000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 J ETA Hình 68 Cơng su t c a chong chóng 1m7 theo J 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 ETA_Num_30 ETA_Num_40 -0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 -0.2 J Hình 69 Hi u su t c a chong chóng 1m7 theo J Chong chóng ho ng t m J = 0.5 s cho hi u su t cao nh t Hi n t i c áp d ng cho thuy t 02 ch ng i B môn k thu t hàng không ch t o 89 6.3 K t lu n ng phát tri tài n m ph c v tính tốn CFD Vì d nm i s d ng ph i b sung thêm nh ng công c , k thu t tí ng tốn riêng bi t m i có th cho k t qu t t Ngày nay, i v i vi c tính tốn, mơ ph ng s dịng chuy n ng qua c th quay b ng OpenFoam, nhà khoa h ng áp d ng k thu t thi t l p b m t chuy n ti p gi a vùng chuy ng quay không chuy n ng Tuy nhiên, tùy thu c t ng toán, solver gi c áp d ng khác m i có th cho k t qu t t Trong lu , tác gi d ng k thu topoSet, changDictiontary, xây d ng nên mơ hình mơ ph ng s cho dịng khí chuy tb trên, Ngồi y u t ng s ph y+ c a l i AMI k t h p thêm công c u tiên, n y u t l a ch n mô hình r i, u kiên biên, giá tr ng t i k t qu tính tốn t d ng mơ hình r i Spallat u r t quan tr ng nh h i t c a toán Trong lu Allmaras, giá tr y+ = 100, h p v i b n ch t v t lý c a tốn giá tr thơng s u ki n biên phù c tính tốn theo u c a tốn Mơ hình s có k t qu h i t r t nhanh, sau kho ng 600 l n l p mơ hình s c tiêu chu n h i t u K t qu tính tốn t mơ hình s có sai s 10% s v i k t qu th c nghi m, nhiên k thu t tính tốn CFD ngày sai s ch p nh tin c ngu n m t có th áp d turbine, chong chóng l n (v n t c Lu c mơ hình s mà lu xây d M