Tính toán thiết kế bộ thí nghiệm cho máy bay trực thăng không người lái

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu đặc tính khí động máy bay khơng người lái có dao động nhỏ PHẠM VĂN MẠNH Ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Hoàng Thị Kim Dung Viện: Cơ khí động lực HÀ NỘI, 12/2021 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Phạm Văn Mạnh Đề tài luận văn: Nghiên cứu đặc tính khí động máy bay khơng người lái có dao động nhỏ Chuyên ngành: Kỹ thuật hàng không Mã số SV: CBC20486 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 30/12/2021 với nội dung sau: 1) Chỉnh sửa lỗi tả’ 2) Đưa hình ảnh quy chuẩn bao gồm kích thước, độ co kéo; 3) Điều số liệu đồ thị phù hợp trường hợp khảo sát; 4) Thay chương V mục Kết Luận chỉnh sửa lại phần kết luận; 5) Sửa đổi tài liệu tham khảo theo quy chuẩn Ngày 18 tháng 01 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn PGS.TS Hoàng Thị Kim Dung Phạm Văn Mạnh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Họ tên học viên: Phạm Văn Mạnh SHHV: CBC20486 Chuyên ngành: Kỹ thuật hàng không Lớp: CLC2020B Người hướng dẫn: PGS.TS Hồng Thị Kim Dung Đơn vị: Bộ mơn Kỹ thuật Hàng khơng Vũ trụ, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tên đề tài (tiếng Việt): Nghiên cứu đặc tính khí động máy bay khơng người lái có dao động nhỏ Tên đề tài (tiếng Anh): Research on Aerodynamic of UAV with Small Fluctuations Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài: Với ứng dụng rộng rãi UAV dân quân sự, việc nghiên cứu thiết kế UAV tốn cấp bách Giải tốn khí động UAV thực tế giải toán thiết kế Tuy nhiên, thực tế, chuyển động UAV chuyển động tĩnh mà hàm chuyển động theo thời gian Với lý đó, đề tài lựa chọn nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động máy bay không người lái trường hợp có dao động nhỏ Đây khâu khơng thể thiếu q trình chế tạo sản xuất máy bay nói chung UAV nói riêng Mục đích đề tài (các kết cần đạt được): - Nghiên cứu tổng quan đặc tính khí động máy bay không người lái; - Nghiên cứu Hàm UDF ANSYS FLUENT ứng dụng giải toán CFD; - Khảo sát đặc tính khí động máy bay khơng người lái có dao động nhỏ Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: - Tổng quan máy bay không người lái đặc tính khí động - Hàm UDF ANSYS FLUENT - Khảo sát đặc tính khí động máy bay khơng người lái có dao động nhỏ 10 Dự kiến kế hoạch thực : Luận văn dự kiến hoàn thiện thời gian tháng nghiên cứu cụ thể sau: - Tháng thứ 1: Tổng quan máy bay không người lái đặc tính khí động - Tháng thứ 2: Đặc tính khí động giải toán CFD - Tháng thứ 3: Hàm UDF ANSYS FLUENT - Tháng thứ 4&5: Khảo sát đặc tính khí động máy bay khơng người lái có dao động nhỏ - Tháng thứ 6: Hoàn thiện luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Người hướng dẫn PGS.TS Hoàng Thị Kim Dung Lời cảm ơn Sau tốt nghiệp đại học khoa Kỹ thuật Hàng không - Đại học Bách khoa Hà Nội, em có thời gian dài làm việc lĩnh vực hàng không dân dụng Việt Nam Giờ đây, em có hội quay lại trường để tiếp tục học tập, hồn thành chương trình thạc sỹ khoa học Trong trình nghiên cứu, thực luận văn, gặp nhiều khó khăn nhờ giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo em hoàn thành luận văn: “Nghiên cứu đặc tính khí động máy bay khơng người lái có dao động nhỏ” Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS TS Hoàng Thị Kim Dung, người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho em Cô dành cho em nhiều thời gian, tâm sức, cho em nhiều ý kiến, nhận xét quý báu, chỉnh sửa cho em chi tiết nhỏ luận văn, giúp luận văn em hoàn thiện mặt nội dung hình thức Cơ quan tâm, động viên, nhắc nhở kịp thời để em hồn thành luận văn tiến độ Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Viện Cơ khí động lực, Phịng Đào tạo trường tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em trình học tập, thực luận văn Do hạn chế kiến thức, kinh nghiệm, thời gian tìm hiểu thực nên luận văn chắn cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp thầy, để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung luận văn Máy bay phương tiện chuyên chở ngành giao thông vận tải Hàng không dân dụng, quân máy bay chiến đấu tạo thành quân chủng Không quân Máy bay phương tiện vận tải đại đòi hỏi đảm bảo kỹ thuật khắt khe tai nạn máy bay thường gây thiệt hại lớn nhân mạng tài sản Máy bay không người lái (unmanned aerial vehicle, UAV) công nghệ hàng không đại hàng đầu Không công cụ đắc lực cho hoạt động an ninh quốc phịng, cịn phục vụ cách hữu hiệu cho đời sống xã hội Vậy, bạn biết cơng nghệ này? Nó hình thành hoạt động nào? Công nghệ này, dù đại, có phải xa lạ với châu Á Việt Nam hay không? Như tên gọi nó, máy bay khơng người lái hồn tồn khơng có phi cơng “phịng lái” Những người phi cơng điều khiển máy bay - hay tiểu đội máy bay trang bị trí khôn nhân tạo - nơi giới thơng qua vệ tinh Và “phịng lái” máy bay không người lái hộp đen trang bị hệ thống máy vi tính điều khiển cảm biến Tùy theo phi vụ, có hai phi cơng cho chuyến bay UAV có nhiều chức bao gồm quốc phịng dân Khi dùng quân đội, UAV trang bị hệ thống cảm biến với chức trinh thám, trang bị vũ khí dùng để công từ cao Về mặt dân sự, UAV dùng hoàn cảnh gây nguy hiểm cho người thám cháy rừng, thám núi lửa, truy lùng tội phạm, nghiên cứu khoa học Trong luận văn em tìm hiểu lựa chọn mơ hình UAV khảo sát đặc tính khí động tĩnh mơ hình UAV lựa chọn Tuy nhiên, thực tế, chuyển động UAV chuyển động tĩnh mà hàm chuyển động theo thời gian, lý em chọn đề tài “Khảo sát đặc tính khí động máy bay khơng người lái có dao động nhỏ” Đây khâu thiếu trình chế tạo sản xuất máy bay nói chung UAV nói riêng Nội dung luận văn gồm chương sau:  Chương I Tổng quan UAV  Chương II Ảnh hưởng góc trượt cạnh đến đặc tính khí động UAV chế độ bay  Chương III Đặc tính khí động UAV chế độ bay UAV quay quanh trục 0x,0y,0z  Chương IV Đặc tính khí động UAV chế độ bay vận tốc thay đổi theo thời gian (hàm Sin) HỌC VIÊN Phạm Văn Mạnh MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ UAV I.1 Giới thiệu UAV I.1.1 UAV theo mục đích sử dụng I.1.2 Phân loại UAV theo phạm vi độ cao I.2 Mơ hình UAV lựa chọn I.3 Đặc tính khí động tĩnh UAV lựa chọn 10 CHƯƠNG II ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC TRƯỢT CẠNH ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA UAV TRONG CHẾ ĐỘ BAY BẰNG 12 II.1 Đặt vấn đề 12 II.2 Kết 13 II.2.1 Góc trượt cạnh β = 0º 13 II.2.2 Góc trượt cạnh β ≠ 14 CHƯƠNG III ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA UAV TRONG CHẾ ĐỘ BAY BẰNG KHI UAV QUAY QUANH CÁC TRỤC 0Z, 0Y, 0X 20 III.1 Đặt vấn đề 20 III.1.1 Giới thiệu hàm UDF 20 III.1.2 Điều kiện biên xây dựng hàm UDF 23 III.2 Kết 25 III.2.1 UAV quay quanh trục 0z 25 III.2.2 UAV quay quanh trục 0y 28 III.2.3 UAV quay quanh trục 0x 30 CHƯƠNG IV ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA UAV TRONG CHẾ ĐỘ BAY BẰNG KHI VẬN TỐC THAY ĐỔI THEO THỜI GIAN (HÀM SIN) 33 IV.1 Đặt vấn đề 33 IV.2 Kết 34 IV.2.1 Vận tốc thay đổi theo thời gian – hàm sin 34 IV.2.2 Ảnh hưởng vận tốc ban đầu Vo 39 IV.2.3 Ảnh hưởng tần số dao dộng 41 KẾT LUẬN 44 Kết luận 44 Hướng phát triển: 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống UAV Hình 1.2 Predator Hình 1.3 KATA Hình 1.4 Aerosonde Hình 1.5 Desert Hawk Hình 1.6 Civilian Scientific UAV Hình 1.7 Mini-UAV Surveillance System Hình 1.8 SHADOW MK-I Hình 1.9 TORNADO Hình 1.10 Mơ hình 3D tốn Hình 1.11 Hệ số lực nâng CL 10 Hình 1.12 Hệ số lực cản CD 11 Hình 1.13 Hệ số chất lượng khí động f = CL/CD 11 Hình 2.1 Góc trượt cạnh 12 Hình 2.2 Mơ hình tốn 13 Hình 2.3 Áp suất mặt bên β=0˚ 14 Hình 2.4 Áp suất mặt bên với góc trượt cạnh β = 0-12° 15 Hình 2.5 Áp suất mặt đầu máy bay với β=0-8° 16 Hình 2.6 Phân bố áp suất mặt đầu 17 Hình 2.7 Đồ thị lực nâng 18 Hình 2.8 Đồ thị lực cản 18 Hình 2.9 Đồ thị chất lượng khí động 19 Hình 3.1 Mơ hình lưới 24 Hình 3.2 Đồ thị hệ số lực nâng 26 Hình 3.3 Đồ thị hệ số lực cản 27 Hình 3.4 Đồ thị hệ số mơmen 27 Hình 3.5 Đồ thị hệ số lực nâng 29 Hình 3.6 Đồ thị hệ số lực cản 29 Từ kết thu ta tiến hành so sánh dạng đồ thị sau: CL 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 -5 -4 -3 -2 -1 Góc quay (độ) 4 Hình 3.8 Đồ thị hệ số lực nâng CD 0.2 0.15 0.1 0.05 -5 -4 -3 -2 -1 Góc quay (độ) Hình 3.9 Đồ thị hệ số lực cản 31 Cm -5 -4 -3 -2 -1 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 Góc quay (độ) Hình 3.10 Đồ thị hệ số mơmen Nhận xét: Từ kết tính tốn ta thấy máy bay ổn định quay xung quanh trục 0x Chính tác động quay quanh trục giúp cho máy bay có độ ổn định Như vậy, máy bay ổn định quay quanh trục 0x 0y 32 CHƯƠNG IV ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA UAV TRONG CHẾ ĐỘ BAY BẰNG KHI VẬN TỐC THAY ĐỔI THEO THỜI GIAN (HÀM SIN) IV.1 Đặt vấn đề Trong chuyển động, vận tốc máy bay thay đổi theo thời gian, điều có ảnh hưởng tới chất lượng khí động máy bay nào? Ta vào khảo sát toán thay đổi vận tốc đầu theo hàm thời gian, cụ thể hàm sin: V=Vo+Asin(ωt) với (A=0,25Vo) Để giải toán chuyển động thẳng thay đổi theo thời gian ta sử dụng ứng dụng hàm UDF trình bày chương trước với ứng dụng hàm DEFINE_CG_MOTION vào để mơ tốn với điều kiện sau: Mơ hình lưới: giống với chương III Điều kiện biên toán:  Vo = 10; 15; 20; 25 m/s  H = 100m  ρ = 1.213 (kg/m3)  Tần số f=0.1 ; 0.2  Biên độ A=25%Vo Xây dựng hàm UDF sử dụng toán: /******************************************************** unsteady.c UDF for specifying a transient velocity profile boundary condition ********************************************************/ #include "udf.h" DEFINE_PROFILE(unsteady_velocity, thread, position) { face_t f; real t = CURRENT_TIME; begin_f_loop(f, thread) 33 { F_PROFILE(f, thread, position) = 20 + 5*sin(0.628*t); } end_f_loop(f, thread) } IV.2 Kết IV.2.1 Vận tốc thay đổi theo thời gian – hàm sin a Trường phân bố áp suất Trường phân bố áp suất máy bay biểu diễn Hình 4.1 Hình 4.1a phân bố áp suất bề mặt máy bay trường hợp tĩnh (khơng phụ thuộc thời gian), cịn hình cịn lại (Hình 4.1b đến 4.1f) phân bố áp suất bề mặt máy bay thời điểm khác 34 a Không phụ thuộc thời gian b Sin(ωt) = 0, (L=27.5; Cl=0.373) t=0s c Sin(ωt) = 1/2(L=35.6;Cl=0.367)t=1.25s e Sin(ωt) = -1/2(L=19.9;Cl=0.37) t=6.25s d Sin(ωt) = (L=40.7; Cl=0.353) t=2.5s f Sin(ωt) = -1 (L=14.9; Cl=0.356) t=7.5s Hình 4.1 Trường phân bố áp suất thời điểm khác 35 Nhận xét: Áp suất bề mặt phía cánh vị trí thời gian khác chu kỳ dao động Ở thời gian t = 2.5s tương ứng với sin(ωt) = áp suất nhỏ lực nâng lớn sau thời điểm sin(ωt) = 1/2; 0; -1/2; -1 áp suất bề mặt cánh tăng lực nâng giảm v giảm phù hợp với lý thuyết khí động học b Chất lượng khí động Ảnh hưởng vận tốc theo thời gian – hàm sin đến lực nâng lực L (N) D(N) V(m/s) cản UAV Thời gian (s) Hình 4.2 Vận tốc, lực nâng lực cản theo thời gian Nhận xét: Nhìn vào đồ thị ta nhận thấy vận tốc biến thiên theo hàm sin lực nâng lực cản UAV biến thiên theo hàm sin trùng pha với chu kỳ dao động Ảnh hưởng vận tốc theo thời gian – hàm sin đến hệ số lực nâng, hệ sô lực cản chất lượng khí động UAV 36 V(m/s) CL Thời gian (s) CD V(m/s) Hình 4.2 Đồ thị vận tốc-hệ số lực nâng theo thời gian Thời gian (s) Hình 4.3 Đồ thị vận tốc-hệ số lực cản theo thời gian 37 V(m/s) CL/CD Thời gian (s) Hình 4.4 Đồ thị vận tốc-chất lượng khí động theo thời gian Nhận xét: Trong chu kỳ dao động [0,T] vận tốc biến thiên theo hàm sin với biên độ [-A, A], đồ thị hệ số lực nâng CL hệ số lực cản CD biến thiên có chu kỳ theo dạng hình sin có độ trễ pha so với vận tốc - Giai đoạn I: [0,T/4] vận tốc tăng từ [Vo,Vo+A] hệ số lực nâng Cl tăng,hệ số lực cản Cd tăng dần,hệ số chất lượng Cl/Cd giảm dần - Giai đoạn II: [T/4, T/2] vận tốc giảm từ [Vo+A, Vo] hệ số lực nâng Cl tăng, hệ số lực cản Cd tăng, hệ số chất lượng Cl/Cd tiếp tục giảm dần - Giai đoạn III: [T/2,3T/4] vận tốc giảm từ [Vo,Vo-A] hệ số lực nâng tiếp tục tăng đạt cực đại tai lân cận thời điểm 3T/5 sau có xu hướng giảm dần, hệ số lực cản Cd tăng đạt cự đại lân cận thời điểm 3T/5 sau có xu hướng giảm dần, hệ số chất lượng khí động Cl/Cd tiếp tục giảm đạt cực tiểu lân cận thời điểm 3T/5 sau có xu hướng tăng dần - Giai đoạn IV:[3T/4, T] vận tốc tăng từ [Vo-A, Vo] hệ số lực nâng Cl tiếp tục giảm đạt cực tiểu lân cận thời điểm T sau có xu hướng tăng dần vào chu kỳ sau, hệ số lực cản Cd tiếp tục giảm đạt cực tiểu lân 38 cận thời điểm T sau có xu hướng tăng vào chu kỳ tiếp theo, hệ số chất lượng khí động Cl/Cd tiếp tục tăng đạt cực đại lân cận thời điểm T sau có xu hướng giảm vào chu kỳ Như nhìn chung tồn chu kỳ ta thấy hệ số lực nâng lực cản trùng pha có xu hướng thay đổi hệ số chất lượng khí động Cl/Cd lại có xu hướng ngược lại thấy V=Vo cho ta chất lượng khí động lớn IV.2.2 Ảnh hưởng vận tốc ban đầu Vo Để đánh giá ảnh hưởng Vo tới chất lượng khí động máy bay vận tốc đầu vào thay đổi theo thời gian có chu kỳ ta tiến hành mơ với trường hợp vận tốc Vo=10,15,20,25 m/s tần số f=0.1 cho ta kết CL sau: Thời gian (s) a Hệ số lực nâng 39 CD Thời gian (s) CL/CD b Hệ số lực cản Thời gian (s) c Chất lượng khí động Hình 4.5 Đặc tính khí động UAV theo vận tốc ban đầu V0 40 Nhận xét: Dựa vào đồ thị ta thấy V0 khơng ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khí động máy bay dải làm việc IV.2.3 Ảnh hưởng tần số dao dộng Để đánh giá ảnh hưởng tần số f tới chất lượng khí động máy bay vận tốc đầu vào thay đổi theo thời gian có chu kỳ ta tiến hành mô với trường hợp: f=0.1; 0.2 với vận tốc V0=20m/s Kết nhận sau: CL • Đồ thị hệ số lực nâng theo thời gian: Thời gian (s) Hình 4.6 Đồ thị hệ số lực nâng theo thời gian • Đồ thị hệ số lực cản theo thời gian: 41 CD Thời gian (s) Hình 4.7 Đồ thị hệ số lực cản theo thời gian CL/CD • Đồ thị hệ số chất lượng khí động theo thời gian: Thời gian (s) Hình 4.8 Đồ thị hệ số chất lượng khí động theo thời gian 42 Nhận xét: Dựa vào đồ thị ta thấy ảnh hưởng rõ rệt tần số dao động f, tần số dao động nhỏ biên độ dao động hệ số chất lượng khí động máy bay nhỏ tần số dao động lớn 43 KẾT LUẬN Kết luận Qua nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động máy bay không người lái (UAV) ta rút số kết luận sau: 1.1 Đặc tính khí động UAV: Khi góc α tăng Cl, Cd, f (hệ số chất lượng khí động) tăng làm tăng hiệu suất maý bay Nhưng mức tăng có giới hạn tăng nhiều gây nên thất tốc, lực nâng, làm cho giảm hiệu suất máy bay Dựa vào kết thu ta kết luận α=8º chất lượng khí động tốt 1.2 Ảnh hưởng góc trượt cạnh đến chất lượng khí động UAV: Ảnh hưởng khơng có lợi góc trượt cạnh tới chất lượng khí động học máy bay có xu hướng làm giảm lực nâng, tăng lực cản qua làm giảm mạnh hệ số chất lượng khí động 1.3 Ảnh hưởng UAV quay quanh trục 0x, 0y, 0z: Từ việc khảo sát trường hợp quay quanh trục ta kết luận máy bay ổn định có chuyển động quay 1.4 Ảnh hưởng vận tốc thay đổi theo thời gian (hàm sin): Dao động nhỏ vận tốc theo hàm sin có ảnh hưởng tới hệ số lực nâng, hệ số lực cản khơng làm ảnh hưởng tới hệ số chất lượng khí động máy bay  Vận tốc ban đầu V0 = 10÷25 m/s (thay đổi dải làm việc UAV) khơng làm ảnh hưởng tới chất lượng khí động máy bay  Ảnh hưởng tần số dao động f: Khi tần số dao động nhỏ biên độ giao động hệ số chất lượng khí động nhỏ Hướng phát triển: - Từ kết khí động mơ hình lựa chọn ta vào kiểm bền kết cấu tính tốn để đưa kết cấu tối ưu - Chế tạo bay thử; nghiên cứu thực nghiệm … 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO Unsteady Aerodynamics, Aeroacoustics and Aeroelasticity of Turbomachines FLUENT 6.3 UDF Manual James, Introduction of Aircraft Aeroelasticity and Loads, Mc Graw - Hill International edition, New York Bài giảng học tính tốn vật bay, GS.TS Lê Quang 45 ... UAV Máy bay không người lái (unmanned aerial vehicle, UAV) công nghệ hàng không tối tân Không công cụ đắc lực cho hoạt động an ninh quốc phịng, máy bay khơng người lái phục vụ cách hữu hiệu cho. .. quan máy bay không người lái đặc tính khí động - Tháng thứ 2: Đặc tính khí động giải tốn CFD - Tháng thứ 3: Hàm UDF ANSYS FLUENT - Tháng thứ 4&5: Khảo sát đặc tính khí động máy bay khơng người lái. .. giải quyết: - Tổng quan máy bay không người lái đặc tính khí động - Hàm UDF ANSYS FLUENT - Khảo sát đặc tính khí động máy bay khơng người lái có dao động nhỏ 10 Dự kiến kế hoạch thực : Luận văn