Báo cáo các hiện tượng của CÁNH 3D qua DÒNG TRÊN ÂM

Trong khí động học, tốc độ trên âm là một tốc độ vượt quá tốc độ âm thanh, thường được tuyên bố là bắt đầu ở tốc độ Mach 1 trở lên. Số Mach chính xác là tiêu chuẩn để đánh giá máy bay có thể bay ở tốc độ trên âm hay không. Do những thay đổi vật lý riêng lẻ trong luồng khí (như phân ly phân tử và ion hóa) xảy ra ở các tốc độ khác nhau.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ──────── * ─────── KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC II Đề tài CÁNH 3D DÒNG TRÊN ÂM Sinh viên thực : TRẦN VĂN DŨNG ĐINH ĐỨC MẠNH NGUYỄN NGỌC QUỲNH Lớp KTHK – K60 Giáo viên hướng dẫn: PGS TS HOÀNG THỊ KIM DUNG HÀ NỘI, 6-2019 NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁNH 2D VÀ 3D CHƯƠNG II: CÁC HIỆN TƯỢNG CÁNH 3D .7 2.1: SÓNG VA 2.2 ẢNH HƯỞNG NHIỆT 2.3 XOÁY ĐẦU MŨI CÁNH .9 2.3.1 Khái niệm dòng chảy 2.3.2 Xoáy đầu mũi cánh 10 CHƯƠNG III: CÁNH 3D DÒNG TRÊN ÂM 24 3.1 KHÁI NIỆM : 24 3.2 LÝ THUYẾT SÓNG VA: 24 CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG CÁNH 3D DÒNG TRÊN ÂM 26 4.1 CÁC DẠNG CÁNH DÒNG TRÊN ÂM 26 4.2 ỨNG DỤNG TRONG HÀNG KHÔNG 27 DANH SÁCH HÌNH Hình Minh họa cánh 3D Hình 2:: Máy bay âm Hình 3: Xốy đầu mút ở cánh 3D Hình 4: Hiện tượng sóng va .7 Hình 5: Hiện tượng vượt tường âm Hình 6: Cường độ nhiệt bề mặt cánh Hình 7: Xốy bắt đầu 11 Hình 8: Xốy ở cạnh đuôi 12 Hình 9: Xốy bao quanh 12 Hình 10: Xoáy Helmholtz 15 Hình 11: Xoáy Biot – Savart 15 Hình 12: Xốy móng ngựa 17 Hình 13: Downwash 19 Hình 14: Đường nâng Prandtl 20 Hình 15: Vortices trailing 21 Hình 16: Xốy móng ngựa chồng lên dọc theo đường nâng 22 Hình 17: Góc sóng va phụ thuộc vào số Mach .24 Hình 18: Hình dạng cánh thay đổi tùy theo tốc độ 26 Hình 19: Các cánh máy bay hoạt động ở dòng Supersonic thường sử dụng cánh dạng Delta 26 Hình 20: Phân bố dịng khí cánh 27 Hình 21: Biểu đồ lực nâng theo góc 27 Hình 22: Tu-144 prototype in flight on February 1969 .28 Hình 23: British Airways Concorde in 1986 28 Hình 24: Convair B-58 Hustler .29 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁNH 2D VÀ 3D Cánh 2D cánh vô hạn, cánh 3D cánh hữu hạn Đó khác biệt tạo nên những đặc điểm riêng của loại cánh Gọi cánh hữu hạn "3D" bởi khơng khí di chuyển lên xung quanh wingtip để tạo xốy xốy Dịng chảy xung quanh cánh 2D di chuyển chiều thứ ba Tình khơng thể xảy với máy bay thực người ta chế tạo cánh vô hạn Tuy nhiên, phần của cánh máy bay thử nghiệm đường hầm gió cánh 2D tường của đường hầm ngăn dịng chảy khơng thể di chuyển xung quanh đầu Một ví dụ cánh 2D thử nghiệm hầm gió hiển thị bên Trong trường hợp này, cánh gắn theo chiều dọc để sàn trần ngăn khơng khí chảy xung quanh đầu cánh Để phân biệt cánh 2D cánh 3D, người ta vào số đặc điểm hình dạng của cánh AR tỷ số dạng của cánh, b chiều dài sải cánh, S diện tích cánh,c độ dài dây cung, ta phân biệt cánh 2D cánh 3D sau: AR= (với cánh chữ nhật)  b>>c - cánh vô hạn  b dài đáng kể so với c – cánh hữu hạn Hình Minh họa cánh 3D - Tỉ số dạng lớn chất lượng khí động cao Cánh của máy bay âm có : o Tỉ số dạng nhỏ o Góc mũi tên lớn - Tỷ số thon: Máy bay âm - Góc mũi tên (+ -), GócHình nhị2:: diện (+ -)  Ảnh hưởng: Sự khác biệt giữa cánh 2D 3D nằm ở chỗ cánh 3D có phần đầu mút cánh Khơng khí có áp suất cao sẽ di chuyển xung quanh đỉnh phía áp suất thấp cánh Chuyển động tạo luồng khơng khí xốy ở đầu mút cánh Hình 3: Xốy đầu mút ở cánh 3D Về mặt khí động hiệu ứng xốy ở đầu mút cánh làm giảm lực nâng của cánh Vì vậy, hệ số lực nâng của cánh thường 2D tốt so với cánh 3D CHƯƠNG II: CÁC HIỆN TƯỢNG CÁNH 3D 2.1: SÓNG VA Khi mà khơng khí chuyển động tốc độ âm thanh, sóng va sẽ xuất Như học ta biết dịng qua sóng va sẽ bị thay đổi tính chất (áp suất, vận tốc) Cánh của máy bay âm chắn sẽ phải gặp phải tượng với mà máy bay bay với tốc độ Mach 1trở lên Hình 4: Hiện tượng sóng va − Sóng va loại nhiễu lan truyền di chuyển nhanh tốc độ âm Giống sóng thơng thường, sóng va mang lượng truyền qua mơi trường xung quanh đặc trưng bởi đột ngột Gần không liên tục − Với số mach lớn, góc của sóng va thu hẹp lại, điều ảnh hưởng nhiều đến tính chất dịng khí xung quanh bề mặt cánh − Số Mach: M0.3: Dòng nén M 2300 dòng chảy chuyển tiếp từ chảy tầng sang chảy rối − Dòng chảy rối: Re ≥ 104 2.3.2 Xoáy đầu mũi cánh Xốy hình thành chủ yếu ở đầu mũi cánh, ở dịng sau mũi cánh bị cuộn lại thành dịng xốy Ngun nhân : chênh áp giữa mặt mặt của cánh Làm dịng khí ở có xu hướng dịch chuyển lên phía Kết hợp với chuyển động dọc trục của dịng khí bay tạo thành dòng xoay - Ảnh hưởng của xoáy đầu mũi cánh: Nhược điểm : Gây lực cản cho máy bay Các xốy của Wingtip gây nguy hiểm cho máy bay, đặc biệt giai đoạn hạ cánh cất cánh của chuyến bay Ưu điểm : Dịng xốy cánh làm tăng vận tốc cho dịng khí Ở nơi có vận tốc cao áp suất sẽ thấp, mặt cánh xuất vùng có áp suất thấp Từ chênh lệch áp suất giữa mặt mặt của cánh sẽ lớn nhiều làm tăng lực nâng cho cánh 2.3.2a Các hệ thống xốy Sự đóng góp của Lanchester chất thay lực nâng cánh bằng mơ hình lý thuyết bao gồm hệ thống xốy làm cho khơng khí xung quanh chuyển động tương tự dòng chảy thực tế, trì lực tương đương với lực nâng 10 Định lý xoáy Biot – Savart: Ứng dụng ban đầu của luật điện từ, liên quan đến cường độ của từ trường vùng lân cận của dây dẫn mang dòng điện đến độ lớn của dòng Trong ứng dụng lý thuyết khí động học vận tốc sức mạch của xoáy (lưu số) tương tự với cường độ từ trường dịng điện tương ứng, sợi xốy thay dây dẫn điện Do đó, luật Biot-Savart hiểu mối quan hệ giữa vận tốc gây bởi sợi xoáy sức mạnh (lưu số) của ống xốy Hình 11: Xốy Biot – Savart Xem xét sợi xoáy với lưu số Γ hình Một phần tử đoạn d tập trung điểm M của sợi xoáy tạo phần tử vận tốc Trong đó, , 15 Bây chúng ta áp dụng định luật Biot-Savart (1) cho sợi xoáy thẳng có chiều dài vơ hạn phác thảo hình sau Vận tốc d gây điểm P bởi đoạn nguyên tố của sợi xốy cho bởi (1) Bởi sợi xốy đường thẳng, d vng góc với mặt phẳng xác định bởi sợi xoáy điểm P Vận tốc gây điểm P bởi tồn sợi xốy là: Hướng của vận tốc cảm ứng thu từ quy tắc bàn tay phải Độ lớn của nó, V = | |, tính sau Từ hình học thể hình Thay phương trình (2), chúng ta có => Xem xét sợi xốy bán vơ hạn thể hình Sợi xoáy kéo dài từ O đến ∞ => Vận tốc gây ở P bằng sợi xốy bán vơ hạn nửa tạo bởi sợi xốy vơ hạn 2.3.2c Lý thuyết đường nâng 16 Để hiểu khái niệm liên quan đến mô hình hóa hiệu ứng nâng của xốy, xem xét cánh hình chữ nhật đơn giản mơ tả hình Ở dày, xốy tạo nên từ tập hợp xốy móng ngựa nằm mặt phẳng y = Hình 12: Xốy móng ngựa Downwash: Trong hàng khơng downwash thay đổi hướng của khơng khí bị chệch hướng bởi khí động học của cánh máy bay chuyển động, phần của trình tạo lực nâng Ta xét cánh hữu hạn hình vẽ, có dịng khí chảy qua cánh áp suất ở phía cánh sẽ thấp áp suất ở cánh điều tạo lực nâng cho cánh Nhưng chênh lệch áp suất mà ở hai đầu mũi cánh, khơng khí có xu hướng vịng qua đầu mũi cánh để chảy lên cánh cân bằng áp suất Xét cánh hữu hạn 3D hình chữ nhật, có vận tốc vào hướng x dương, lực nâng hướng z dương sải cánh trục y, đầu mũi cánh sẽ suất xốy Chiều dài của cánh hình chữ nhật b, chiều rộng c Nếu trước dày, ta làm với cánh vơ hạn ta sợi xốy kéo dài từ âm vơ đến dương vơ theo trục y Nhưng ở dày cánh hữu hạn sợi xốy sẽ đầu mũi cánh sang đầu 17 mũi cánh Nhưng sẽ khơng bắt đầu kết thúc ở đó, theo định lý xoáy của Helmholtz, định lý thứ hai: Một sợi xốy khơng thể kết thúc chất lỏng; phải mở rộng đến biên của chất lỏng tạo thành đường khép kín, nên sợi xốy sẽ tiếp tục dọc theo trục x tiến tới vơ Các sợi xốy gây lưu số � (circulation), hướng của sợi xoáy dọc theo chiều dài sợi xốy và chiều của áp dụng theo quy tắc bàn tay phải Ta xét airfoil với vận tốc vào , airfoil đặt với góc hình học là góc tạo bởi phương dây cung phương của vận tốc đầu vào Ở dày, nhờ ảnh hưởng của downwash làm thay đổi hướng của vận tốc đầu vào làm giảm hiệu của góc hình học ta góc hiệu hình: Trong đó: góc hiệu quả; góc hình học; góc cảm ứng Và chúng ta có downwash (y) hàm phụ thuộc vào y Lực nâng tạo ở dạng vector ; với trục x y hướng của , lực nâng sẽ hướng z, với cánh vơ hạn Nhưng với cánh hữu hạn hướng của vận tốc dịng chảy thay đổi nên tích có hướng của vector sẽ lệch góc hình vẽ: (cánh hữu hạn) Lực phân tích làm bước song song với dòng chảy cản cảm ứng, vng góc với dịng chảy lực nâng Vậy ta thấy hiệu tượng 18 Hình 13: Downwash downwash làm ảnh hưởng khí động tạo xốy, thay đổi hướng dòng chảy làm giảm lực nâng tạo lực cản cảm ứng Lý thuyết đường nâng Prandtl: Trên cánh ba chiều, hữu hạn, lực nâng mỗi đoạn cánh không tương ứng đơn giản với dự đốn phân tích hai chiều Thay vào đó, lực nâng bị ảnh hưởng mạnh bởi lực nâng tạo ở phần cánh bên cạnh Rất khó để dự đốn phân tích tổng thể của lực nâng mà cánh của hình học định sẽ tạo Lý thuyết đường nâng cho phân phối lực nâng dọc theo hướng chiều rộng, dự hình dạng cánh điều kiện dòng chảy điều kiện dòng chảy Lý thuyết dây nâng áp dụng khái niệm lưu số định lý Kutta – Joukowski , để thay hàm số phân phối lực nâng , đại lượng chưa biết trở thành cách hiệu việc phân phối lưu số sải cánh, 19 Hình 14: Đường nâng Prandtl Theo định lý của Helmholtz, sợi xốy khơng thể bắt đầu chấm dứt vào khơng khí, nên sợi xốy khơng kết thúc cánh mà sẽ chảy phía sau hình vẽ Vịng xốy này, có sức mạnh đạo hàm của phân bố lưu số, ảnh hưởng đến dòng chảy bên trái bên phải của phần cánh Các upwash downwash gây bởi xốy tính tốn mỗi phân khúc bên cạnh Ảnh hưởng ngang chìa khóa cho lý thuyết đường dây nâng Bây giờ, thay đổi phân phối lực nâng biết đến phần lực nâng cho, dự đốn phần ảnh hưởng đến lực nâng bên cạnh: vận tốc theo chiều dọc (upwash downwash, ) định lượng bằng cách sử dụng phân bố tốc độ vịng xốy liên quan đến thay đổi góc hiệu phần lân cận Điều dẫn đến phương trình vi phân tích phân ở dạng 20 Ở dày, thể bằng hình học của cánh Giải pháp cho phương trình hàm , mơ tả xác lưu số phân bố cánh hữu hạn của hình học biết Ta có phân bố lực nâng mặt cắt Vortices trailing gây vận tốc dọc theo bound vortex với hai đóng góp theo hướng xuống (w theo hướng z âm) Hình 15: Vortices trailing Thay �= hằng số, chúng ta cần tìm hàm �=�(y) Đại diện cho cánh bởi số lượng lớn xốy móng ngựa, mỡi xốy có chiều dài khác của bound vortex, với tất bound vortex bị ràng buộc trùng dọc theo đường thẳng Đường gọi đường nâng Lưu số, �, thay đổi dọc theo đường bound vortex 21 Sức mạnh của mỗi trailing vortex sẽ bằng với thay đổi lưu số dọc theo đường nâng Xốy móngngựa ngựa chồng dọcdọc theotheo đườngđường nâng nâng , có phân Xét vơ sốHình 16: xốy móng chồnglên lênnhau bố liên tục �=�(y) gốc �=�o Các trailing vortex xoáy liên tục (song song với V∞) Sức mạnh tồn phần lấy tích phân ngang của cánh bằng không -Lưu số ở y �(y) - Thay đổi lưu số dy -Sức mạch của trailing vortex at y = dọc theo dường nâng Xem xét vị trí tùy ý y0 dọc theo đường nâng Đoạn dx sẽ tạo vận tốc y0 định luật Biot-Savart đưa Vận tốc dw y0 gây bởi trailing vortex bán vô hạn y là: Tổng vận tốc w gây y0 bằng tồn trailing vortex sheet tìm bằng cách tích phân từ –b / đến b / 2: 22 23 CHƯƠNG III: CÁNH 3D DÒNG TRÊN ÂM 3.1 KHÁI NIỆM : Trong khí động học, tốc độ âm tốc độ vượt tốc độ âm thanh, thường tuyên bố bắt đầu ở tốc độ Mach trở lên Số Mach xác tiêu chuẩn để đánh giá máy bay bay ở tốc độ âm hay không Do những thay đổi vật lý riêng lẻ luồng khí (như phân ly phân tử ion hóa) xảy ở tốc độ khác 3.2 LÝ THUYẾT SÓNG VA: Khi máy bay bay, tạo sóng áp lực ở trươc sau máy bay Những sóng di chuyển với tốc độ âm thanh, vận tốc máy bay lớn vận tốc âm thanh, những sóng bị nén lại tạo thành sóng va Sinα= Vận tốc máy bay cao góc sóng va bé Hình 17: Góc sóng va phụ thuộc vào số Mach Dịng khí tn theo phương trình bản: 24 Từ phương trình khí bản, dùng cho phương trình Saint-Venant: Khai triển với hàm : Cơng thức xác: 25 CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG CÁNH 3D DÒNG TRÊN ÂM 4.1 CÁC DẠNG CÁNH DÒNG TRÊN ÂM Hình 18: Hình dạng cánh thay đổi tùy theo tốc độ Hình 19: Các cánh máy bay hoạt động ở dòng Supersonic thường sử dụng cánh dạng Delta Máy bay hoạt động ở tốc độ Supersonic thường sử dụng cánh delta vì: o Loại cánh gây lực cản việc tăng độ bền ở gốc cánh o Khi hoạt động ở tốc độ M > sẽ có những dịng sóng va, dễ bị phá hủy kết cấu 26 o Với những máy bay hoạt động ở M>2 thường sử dụng cánh delta với dịng supersonic cịn phải đáp ứng yêu cầu nhiệt chúng làm bằng vật liệu có độ bền nhiệt cao - Với cánh delta, ta thấy vấn đề hoàn tồn khác Đó dịng xốy bề mặt cánh thực chất lại giúp tăng lực nâng cho máy bay Hình khí Hình20: 21:Phân Biểubố đồdịng lực nâng theocánh góc 4.2 ỨNG DỤNG TRONG HÀNG KHƠNG Máy bay thương mại vận tải siêu Nga o Nó thực 55 chuyến bay phục vụ hành khách, ở độ cao dịch vụ trung bình 16.000 mét (52.000 ft) bay với tốc độ khoảng 2.000 km mỗi (1.200 dặm / giờ) (Mach 1.6) o Hoạt động từ năm 1977 đến 1978 27 Hình 22: Tu-144 prototype in flight on February 1969 Máy bay thương mại vận tải siêu Concorde Pháp o Được vận hành từ năm 1976 năm 2003 Nó có tốc độ tối đa hai lần tốc độ âm ở tốc độ Mach 2.04 ( 1.354 dặm / 2.180 km / ở độ cao hành trình), với chỡ ngồi cho 92 đến 128 hành khách Chuyến bay vào năm 1969, Concorde tham gia dịch vụ vào năm 1976 tiếp tục bay 27 năm Hình 23: British Airways Concorde in 1986 Máy bay ném bom chiến lược siêu thanh: 28 Loại Convair B-58 Hustler , lần bay vào năm 1956 gần nhất, Rockwell B-1B Lancer , vào năm 1983 Mặc dù loại số loại khác hoạt động ngày nay, khơng cịn sản xuất Hình 24: Convair B-58 Hustler 29 ... IV: ỨNG DỤNG CÁNH 3D DÒNG TRÊN ÂM 4.1 CÁC DẠNG CÁNH DÒNG TRÊN ÂM Hình 18: Hình dạng cánh thay đổi tùy theo tốc độ Hình 19: Các cánh máy bay hoạt động ở dòng Supersonic thường sử dụng cánh dạng... dịng khí xung quanh bề mặt cánh − Số Mach: M0.3: Dòng nén M