Tính toán lực khí động trên cánh

Tính toán lực khí động trên cánh

VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

──────── * ───────

BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

Tên đề tài: Tính toán lực khí động trên cánh

Sinh viên thực hiên: NGUYỄN VĂN HỒNG

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.HOÀNG THI BÍCH NGỌC

HÀ NỘI 10 – 2011

1 Thông tin về sinh viên

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VĂN HỒNG Điện thoại liên lạc: 01687.892.908 Email: hong4world@gmail.com Lớp: k51-Hàng không Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại:

Thời gian làm BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP:

Ngày giao nhiệm vụ: / /

Ngày hoàn thành nhiệm vụ: / /

2 Mục đích nội dung của BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

 Quá trình tính với cánh Naca 4412 Đưa kết luận với loại cánh này

4 Lời cam đoan của sinh viên:

Tôi – Nguyễn Văn Hồng - cam kết BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Thị Bich Ngọc

Các kết quả nêu trong BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm

Tác giả BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

5 Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của ĐATN và cho phép bảo vệ:

Giảng viên hướng dẫn nhận xét các vấn đề:

Hà Nội, ngày….tháng….năm

Giáo viên hướng dẫn

Trong đồ án này, Em đã chọn đề tài “Tính toán lực khí động trên cánh”

Cánh là bộ phận chính tạo lực nâng của máy bay Lực khí động sẽ được tính nhờ mô phỏng đã được chia lưới trong fluent Qua việc xây dựng mô hình và chia lưới các trường

hợp tính toán Từ đó ta sẽ tính được hiệu suất khí động của profil cánh

Với bảng giá trị các hiệu suất khí động, Em đã rút ra được kết luận cho loại cánh mà tính toán Và kiểm nghiệm trong các ứng dụng thực tế

LỜI MỞ ĐẦU

Chương 1 Giới thiệu đề tài 1

Chương 2 Xây dựng mô hình và lý thuyết tính toán cho profil 2d và cánh 3d 3

2.1 Phương trình vẽ cánh naca 4 số 3

2.2 Mẫu naca sử dụng trong tính toán 4

2.3 Lực khí động trên profil 5

2.4 Lực khí động với cánh profil 3d 12

Chương 3 Tính đặc trưng khí động cho một số loại cánh 14

3.1 Vẽ và chia lưới cánh 3D trên Gambit 14

3.2 Tính toán và kết quả lực khí động trong fluent với cánh profil 4412 15

3.3 Tính toán tường tự với trường hợp cánh profil 0012 19

Chương 4 Tính tổng thể lực khí động của cánh profil 4412 với góc tới thay đổi và chiều dài sải thay đổi 23

4.1 Giới thiệu: 23

4.2 Kết quả tính toán: 23

Chương 5 Ứng dụng của cánh đã tính toán 27

5.1 Ứng dụng cho máy bay 27

5.2 Ứng dụng cho tuabin gió 28

KẾT LUẬN 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

Hình 2 2 Hệ sô lực khí động trên bề mặt Airfoil

Hình 2 3 Biểu đồ CL2D cho naca 4412

Hình 2 4 Biểu đồ Cd/Cl của naca 4412

Hình 2 5 Biểu đồ Cl với anpha với Naca 0012

Hình 2 6 Biểu đồ Cd/Cl với Naca 0012

Hình 2 7 Cánh 3D

Hình 3 1.Mô hình chia lưới của Profil Naca 4412

Hình 3.2 Mô tả đường nằm trên bề mặt cánh

Hình 3.3 Phân bổ hệ số áp suất tại các đường cắt ngang trên mặt cánh

Hình 3.4 Vẽ Phân bố hệ số áp suất bằng MathLab

Hình 3.5 Đường phân bố hệ số áp suất tại gốc cánh profil 4412

Hình 3.6 Biểu đồ so sánh phân bố áp suất giữa gốc cánh và trên mặt naca 4412 Hình 3.7 Hệ số áp suất trên các mặt trên cánh

Hình 3.8 biểu đồ phân bố hệ số áp suất trên cánh

Hình 3.9 Biểu đồ so sánh hệ số áp suất của góc cánh profil 3D và trên naca 0012 Hình 4 1 Biểu đồ lực nâng cánh profil 3d 4412

Hình 4 2 Biểu đồ lực cản cánh profil 3d 4412

Hình 4 3 Biểu đồ tỷ số lực nâng với lực cản cánh profil 3d 4412

Hình 5 1 Máy bay Orličan VT-425

Hình 5 2 Máy bay Zlin Z-50L

Hình 5 3 Ảnh tuabin gió trục đứng

Trong thời kỳ phát triển của đất nước hiện nay, khoa học và kĩ thuật càng ngày đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống của con người Mỗi một sản phẩm của một công ty đều được trọn lựa từ nhiều mô hình thiết kế, để nhằm chọn được mô hình tối ưu phù hợp với yêu cầu của cộng ty với nhu cầu khác nhau mà công ty mà người chọn sử dụng những phần mềm ứng dụng cho việc thiết kế sản phẩm cũng khác nhau, như công ty thiết kế kiến trúc sử dụng autocad, nghiên cứu về lực thì dung solidworks, tính toán khí động thì sử dụng ansys…

Nhằm làm rõ hơn những kiến thức trong quá trình học tập, em đã được thực hiện thí nghiệm trong thời gian qua Để hiểu rõ thêm kiến thức trong 5 năm học thật

là khá khó khăn, sinh viên cần phải có khả năng tổng hợp kiến thức, kỹ năng tự học cũng như phát huy khả năng tư duy sáng tạo Xin trân thành cảm ơn cô giáo PGS.TS Hoàng Thị Bích Ngọc đã giúp đỡ, chỉ dẫn, tạo điều kiện cho em để hoàn thành thực tập tốt nghiệp trong thời gian vừa qua Nhờ cô mà em biết được nhiều kiến thức về đời sống cũng như chuyên ngành, và để tạo nên được bản đồ án chuyên ngành này thi không thể không có sự giúp đỡ của cô, những kiến thức cô dạy rất quý báu khi đi làm việc, lần nữa em xin cảm ơn cô

Chương 1 Giới thiệu đề tài

Mục tiêu của đề tài của tôi là tính toán lực khí động trên cánh Điều đầu tiên

mà ta cần giả thiết đó là biên dạng cánh Ở trong bài báo cáo này, tôi xin đưa ra hai loại biên dạng cánh để xem xét:

Biên dạng cánh thứ nhất là Naca 4412

Hình 1 1 Biên dạng cánh Naca 4412 Biên dạng cánh thứ hai là Naca 0012

Hình 1 2 Biên dạng cánh Naca 0012 Hai biên dạng cánh này rất được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Với nhiều ứng dụng như cho cánh máy bay, cánh tuabin gió Ở các nước phát triển về công nghệ như Mỹ, Nhật bản, Australia , người ta cũng rất hay ưu tiên cho việc nghiên cứu của sinh viên về loại cánh này, vì khi so sánh hai loại biên dạng cánh với nhau ta được một cái nhìn trực quan và rõ rệt về khí động lực học hơn các loại cánh khác

Để làm rõ kiến thức trên lớp về lực khí động trên cánh Tôi đã nghiên cứu với nhiều trường hợp đầu vào khác nhau cho cánh Các yêu tố về lực khí động được xét đầy đủ với sự thay đổi của Góc tới α, và tỷ lệ độ dài b/c của cánh

Hình 1 3 Sự thay đổi góc tấn và tỷ lệ cánh Các bước thực hiện cho việc nghiên cứu của hai loại cánh này:

- Thiết kế và chia lưới cho các cánh trên Gambit

- Mô phỏng với các trường hợp riêng biệt trên Fluent để tính toán lực khí động cho mỗi thông số đầu vào Lưu ý, các thông số đầu vào được thay đổi khi chúng ảnh hưởng rõ rệt cho lực khí động trên cánh

- Rút ra kết quả cần thiết để mô tả các ảnh hưởng của mội trường đối với lực khí động của cánh

- Kết luận các vấn đề đạt được hay các vấn đề được làm rõ cho đặc điểm của lực khí động khi có sự thay đổi của môi trường

Qua phần nghiên cứu này, tôi xin đưa ra một vài ứng dụng cho cánh được sử dụng ở các nước công nghiệp

Chương 2 Xây dựng mô hình và lý thuyết tính toán cho profil 2d và cánh 3d

Trong quá trính tính toán và mô phỏng, ta cần phải dựa trên các lý thuyết đã được xây dựng, nhằm nhận xét và đánh giá kết quả trong quá trình mô phỏng Tại trong phần này, tôi xin trình bày các lý thuyết cơ bản về khí động lực học, nội dung được chia làm các phần:

- Phương trính vẽ cánh naca 4 số

- Xác định các mẫu Naca được sử dụng trong tính toán mô phỏng

- Khí động lực học trên của profil và cánh 3D

Tại phần này, với mục đích sử dụng lý thuyết để áp dụng cho phần tính toán Ở đây, tôi sẽ không quá đi sâu về nguyên nhân, trong quá trình chỉ trình bày lý thuyết áp dụng trực tiếp trong mô phỏng

2.1 Phương trình vẽ cánh naca 4 số

Hình 2 1 Profile geometry – 1: Zero lift line; 2: Leading edge; 3: Nose circle; 4: Camber; 5: Max thickness; 6: Upper surface; 7: Trailing edge; 8: Camber mean-line; 9: Lower surface

Đường camberline của airfoil chuẩn NACA 4 chữ số có dạng

Ở đây:

m là maximum camber (m là số đầu tiên của Naca 4 chữ số),

p là location of maximum camber (10 p số thứ 2 của Naca 4 chữ số xpxx)

Bề dày airfoil có phương trình:

Với:

c : chiều dài đường chord,

x : vị trí trên đường chord có giá trị từ 0 tới c,

y : một nửa độ dày tại vị trí, và

t : độ dày tối đa tại một vị trí của chord (được xác định bằng hai số cuối cùng của Naca 4 chữ số)

Đường upper (xU, yU) và lower (xL, yL) có dạng :

Với :

2.2 Mẫu naca sử dụng trong tính toán

Trong quá trình tính toán, mẫu naca 4412 và 0012

được ứng dụng trong tất cả quá trình Bài toán chỉ

thay đổi các thông số về Sải cánh b và Góc tới anpha để xét các giá trị lực nâng Cl,

+Bề dày lớn nhất 12% chiều dài airfoil : t=0.12

+Naca đối xứng qua đường chord

Với dz = ds sin ε Nên: dX = -(P-P ∞ ) F dz Tương tự vậy, Phần tử lực tại mặt

sau(After suface) theo phương x: dX = -(P-P ∞ ) A dz

Hình 2 3 Biểu đồ CL2D cho naca 4412

Hình 2 4 Biểu đồ Cd/Cl của naca 4412

Hình 2 5 Biểu đồ Cl với anpha với Naca 0012

Hình 2 6 Biểu đồ Cd/Cl với Naca 0012

Với: C D3D : hệ số lực cản 3d của cánh

C D03D : hệ số lực cản khi không tồn tại lưc nâng

Và e : hệ số Oswald

Chương 3 Tính đặc trưng khí động cho một số loại cánh

Giả thiết:

Ta tính toán giá trị Cl, Cd và Cm cho một profil 3D:

Profil có thông số: - Naca 4412

- b/c=5, c=1m

- góc tới = 0o Không gian tính toán: - v = 10m/s

Các bước tính toán:

3.1 Vẽ và chia lưới cánh 3D trên Gambit

Hình 3 1.Mô hình chia lưới của

Profil Naca 4412

Tại cánh có thông số là

Naca 4412: Chiều dài: b=5m,

Rộng: c=1m, Góc tới=0o,

Số điểm trên Naca =100 điểm

3.2 Tính toán và kết quả lực khí động trong fluent với cánh profil 4412

3.2.1 Tính toán:

Với mô hình dòng chảy lý tưởng, không nhớt (inviscid)

Giá trị đầu vào cần tính toán với vận tốc v=10m/s(phù hợp với vận tốc gió)

3.2.2 Ta được giá trị lực khí động:

Bảng giá trị cho trường hợp cánh profil với naca 4412, b/c=5 và góc tới = 0o

Phân bố apsuat trên các đường của cánh Profil4412:

Hình 3.2 Mô tả đường nằm trên bề mặt cánh

Biểu diễn hệ số áp suất tại các đường nằm trên bề mặt của cánh

Hình 3.3 Phân bổ hệ số áp suất tại các đường cắt ngang trên mặt cánh Biểu đồ vẽ trên mathlab:

Hình 3.4 Vẽ

Phân bố hệ số áp suất bằng MathLab Nhận xét: Phân bố hệ số áp suất khác nhau với tỷ lệ b/c khác nhau Áp suất từ gốc cánh tới típ cánh có quy luật giảm dần vì có hiệu ứng 3d

Phân bố hệ số áp suất tại các đường các gốc cánh đoạn:

4 So sánh tính toán áp suất trên profil 3D với 2D

Qua quá trình tính toán trên fluent với cánh profil 3d Để nhận xét độ chính xác trong quá trình, em xin so sánh đường áp suất tại trên bề mặt gốc của profil 3d với đường áp suất 2d

Khi ta lấy kết quả từ fluent ta được đồ thị của đường áp suât trên gốc cánh profil 3D

Hình 3.5 Đường phân bố hệ số áp suất tại gốc cánh profil 4412 Khi ta đưa đường phân bố áp suất trên naca thì ta được biểu đồ so sánh:

Hình 3.6 Biểu đồ so sánh phân bố áp suất giữa gốc cánh và trên mặt naca 4412

Nhận xét: Qua quá trình mô phỏng bằng fluent với cánh profil 4412 3D với góc tới

=0 và vận tốc là 10 m/s, giá trị của đường áp suất tại gốc cánh tương tự như khi ta xét áp suất phân bố trên naca 4412 góc tới =0 và số Mach =0.03 Điều này ta có thể nhận xét rằng quá trình mô phỏng cánh profil 3D bằng fluent cho kết quả chính xác Khi đó, các giá trị tiếp theo với sự thay đổi vận tốc v, và góc tới anpha được chấp nhận

3.3 Tính toán tường tự với trường hợp cánh profil 0012

Để kiểm tra tính tin cậy của quá trình mô phỏng, em xin trình bày thêm một mô hình nữa Tại đâu em xin đưa ra thông số của profil 3D như sau:

Naca 0012: Chiều dài: b=3m,

Rộng: c=1m, Góc tới=4o,

Số điểm trên Naca =100 điểm

Ta được giá trị của Cl, Cd và Cm:

Bảng giá trị cho trường hợp cánh profil 0012, b/c=3 và góc tới = 4o

Phân bố áp suất trên các đường của profil0012, b/c=3 và góc tới = 4o:

Mặt lấy phân bố hệ số áp suất trên cánh

Phân bố hệ số áp suất cho các đường:

Hình 3.7 Hệ số áp suất trên các mặt trên cánh

Hình 3.8 biểu đồ phân bố hệ số áp suất trên cánh Nhận xét: Tương tự như trường hợp cánh profil 4412 Hệ số áp suất thay đổi trên mỗi bề mặt cánh, và hệ số áp suất giảm dần khi b/c tăng

So sánh giá trị Hệ số áp suất trên naca 0012 và tại gốc của profil 0012 3d với cùng góc tới = 4 độ :

Hình 3.9 Biểu đồ so sánh hệ số áp suất của góc cánh profil 3D và trên naca 0012

Nhận xét: Trong quá trình tinh toán còn có nhiều sai số, cùng với sự khác nhau về vận tốc Với cánh Profil 3d trong vận tốc v= 10m/s còn với Naca ta tính trong số mach=0.03 Kết quả sau quá trình là tương tự nhau, nên ta có thể đánh giá quá trình

mô phỏng cho cánh profil 3D với fluent la tương đối chính xác

Chương 4 Tính tổng thể lực khí động của cánh profil 4412 với góc tới thay đổi và chiều dài sải thay đổi

Hình 4 1 Biểu đồ lực nâng cánh profil 3d 4412 Nhận xét: Qua biểu đồ, ta có thể nhận thấy được các đặc tính sau:

- Giá trị lực nâng tăng tỷ lệ thuận với góc tới

- Khi chiều dài sải cánh tăng thì hệ số lực nâng tăng theo

Hình 4 2 Biểu đồ lực cản cánh profil 3d 4412 Nhận xét: Với biểu đồ ta có thể nhận thấy:

- Giá trị lực cản tăng tỷ lệ thuận với góc tới

- Độ sải cánh càng tăng thì lực cản càng tăng

Qua nhận xét về biểu đồ lực nâng và lực cản ta vẫn chưa rút ra được sự tối ưu khi sử dụng profil Vì vậy , ta xét thêm một biểu đồ của tỷ lệ khí động

Biểu đồ Cl/Cd:

Hình 4 3 Biểu đồ tỷ số lực nâng với lực cản cánh profil 3d 4412

Nhận xét: Qua quá trình mô phỏng cho cánh profil 4412 trong các trường hợp từ trên đồ thị ta có được hai nhận xét:

- Khi góc va = 4o thì tỷ số Cl/Cd đạt cực đại

- Khi b/c tang, sự chênh lệch về tỷ số lực nâng trên lực cản Cl/Cd giảm Với nhận xét đầu, ta nếu sử dụng cánh profil 4412, nên đặt góc tới tại 4 độ sẽ hiệu quả hơn với tỷ lệ lực khí động với nhận xét thứ 2, độ sải cánh b/c >3 sự thay đổi rất nhỏ về tỷ lệ khí động, để hiệu quả kinh tế ta nên sử dụng độ sải cánh b/c=3

Chương 5 Ứng dụng của cánh đã tính toán

Có rất nhiều ứng dụng với cánh mã ta đã tính toán ở trên, nhưng tôi xin đưa

ra hai vĩ dụ điển hình là ứng dụng cho cánh máy bay và ứng dụng cho cánh quạt của tuabin gió

5.1 Ứng dụng cho máy bay

Với máy bay thì cánh là một bộ phận không thể thiếu được để tạo lực nâng cho máy bay muốn bay được Yêu cầu ở đây chính là khi vận tốc máy bay không thay đổi, ta phải tìm ra cách thiết kế cánh để đạt được lực nâng lớn nhất và lực cản nhỏ nhất, hay là hiệu suất lực khí động là cực đại

Trong phần tổng kết của chương III, ta đã tìm ra được với loại cánh có biên dạng Naca 4412 thì hiệu suất lực khí động đạt cực đại khi cánh có góc tới 4 độ và tỷ số

độ dài là 3

Với loại biên dạng cánh Naca 4412 thì được sử dụng với máy bay Orličan VT-425 trong những năm 1955

Hình 5 1 Máy bay Orličan VT-425

Cánh được thiết kế với biên dạng Naca 0012 được sử dụng cho máy bay Zlin Z-50L

của những năm 1975 dùng trong mục đích huấn luyện nhào lộn trên không Tốc độ

bay: 240 km / h; tốc độ tối đa đạt tới 300 km/h; Trọng lượng 600 kg và với bình

xăng 60 lít máy bay Zlin Z-50L có thể bay trong vòng 200 km

Hình 5 2 Máy bay Zlin Z-50L

5.2 Ứng dụng cho tuabin gió

Trong tuabin gió thì nghiên cứu trong báo cáo này tiên ích hơn với tuabin gió trục đứng, còn các loại tuabin gió khác rất khó sử dụng kết luận này Vì trong các loại tuabin gió khác thì vận tốc đầu vào thay đổi với vị chí của tỷ lệ cánh khác nhau

Trong tuabin gió trục đứng thì ta thường dùng loại cánh có biên dạng Naca 4412 Nhưng nếu muốn khảo sát về lực khí động tác đụng nên tuabin gió khi đang hoạt động thì chúng ta vẫn ưu tiên cho nghiên cứu cánh với biên dạng Naca 0012

Hình 5 3 Ảnh tuabin gió trục đứng