Tính toán lực khí động trên cánh

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ──────── * ─────── BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Tên đề tài: Tính tốn lực khí động cánh Sinh viên thực hiên: NGUYỄN VĂN HỒNG Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.HỒNG THI BÍCH NGỌC HÀ NỘI 10 – 2011 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên Họ 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 quy Đồ án tốt nghiệp thực tại: Thời gian làm BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP: Ngày giao nhiệm vụ: / / Ngày hồn thành nhiệm vụ: / / Mục đích nội dung BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Tính tốn lực khí động cho cánh Kiểm nghiệm lại lý thuyết khí động học cho cánh phương pháp mơ phần mền fluent Tổng kết mơ hình cánh ứng dụng thực tế Các nhiệm vụ cụ thể BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP  Tính lực khí động cánh  Bảng số liệu điểm Naca cần tình tốn Vận tốc đầu vào Mơ hình khơng gian tính  Q trình tính với cánh Naca 4412 Đưa kết luận với loại cánh Lời cam đoan sinh viên: Tôi – Nguyễn Văn Hồng - cam kết BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn PGS.TS Hồng Thị Bich Ngọc Các kết nêu BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP trung thực, chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành ĐATN cho phép bảo vệ: Giảng viên hướng dẫn nhận xét vấn đề: Hà Nội, ngày….tháng….năm Giáo viên hướng dẫn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÓM TẮT NỘI DUNG BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Trong đồ án này, Em chọn đề tài “Tính tốn lực khí động cánh” Cánh phận tạo lực nâng máy bay Lực khí động tính nhờ mơ chia lưới fluent Qua việc xây dựng mơ hình chia lưới trường hợp tính tốn Từ ta tính hiệu suất khí động profil cánh Với bảng giá trị hiệu suất khí động, Em rút kết luận cho loại cánh mà tính tốn Và kiểm nghiệm ứng dụng thực tế LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Chƣơng Giới thiệu đề tài Chƣơng Xây dựng mơ hình lý thuyết tính tốn cho profil 2d cánh 3d 2.1 Phƣơng trình vẽ cánh naca số 2.2 Mẫu naca sử dụng tính tốn 2.3 Lực khí động profil 2.4 Lực khí động với cánh profil 3d 12 Chƣơng Tính đặc trƣng khí động cho số loại cánh 14 3.1 Vẽ chia lưới cánh 3D Gambit 14 3.2 Tính tốn kết lực khí động fluent với cánh profil 4412 15 3.3 Tính tốn tường tự với trường hợp cánh profil 0012 19 Chƣơng Tính tổng thể lực khí động cánh profil 4412 với góc tới thay đổi chiều dài sải thay đổi 23 4.1 Giới thiệu: 23 4.2 Kết tính tốn: 23 Chƣơng Ứng dụng cánh tính tốn 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ HÌNH Hình 1 Biên dạng cánh Naca 4412 Hình Biên dạng cánh Naca 0012 Hình Sự thay đổi góc tỷ lệ cánh Hình 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 meanline; 9: Lower surface Hình 2 Hệ sơ lực khí động bề mặt Airfoil Hình Biểu đồ CL2D cho naca 4412 Hình Biểu đồ Cd/Cl naca 4412 Hình Biểu đồ Cl với anpha với Naca 0012 Hình Biểu đồ Cd/Cl với Naca 0012 Hình Cánh 3D Hình 1.Mơ hình chia lưới Profil Naca 4412 Hình 3.2 Mơ tả đường nằm bề mặt cánh Hình 3.3 Phân bổ hệ số áp suất đường cắt ngang mặt cánh Hình 3.4 Vẽ Phân bố hệ số áp suất MathLab Hình 3.5 Đường phân bố hệ số áp suất gốc cánh profil 4412 Hình 3.6 Biểu đồ so sánh phân bố áp suất gốc cánh mặt naca 4412 Hình 3.7 Hệ số áp suất mặt cánh Hình 3.8 biểu đồ phân bố hệ số áp suất cánh Hình 3.9 Biểu đồ so sánh hệ số áp suất góc cánh profil 3D naca 0012 Hình Biểu đồ lực nâng cánh profil 3d 4412 Hình Biểu đồ lực cản cánh profil 3d 4412 Hình Biểu đồ tỷ số lực nâng với lực cản cánh profil 3d 4412 Hình Máy bay Orličan VT-425 Hình Máy bay Zlin Z-50L Hình Ảnh tuabin gió trục đứng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI MỞ ĐẦU Trong thời kỳ phát triển đất nước nay, khoa học kĩ thuật ngày đóng vai trị quan trọng sống người Mỗi sản phẩm công ty trọn lựa từ nhiều mơ hình thiết kế, để nhằm chọn mơ hình tối ưu phù hợp với yêu cầu cộng ty với nhu cầu khác mà công ty mà người chọn sử dụng phần mềm ứng dụng cho việc thiết kế sản phẩm khác nhau, công ty thiết kế kiến trúc sử dụng autocad, nghiên cứu lực dung solidworks, tính tốn khí động sử dụng ansys… Nhằm làm rõ kiến thức trình học tập, em thực thí nghiệm thời gian qua Để hiểu rõ thêm kiến thức năm học thật khó khăn, sinh viên cần phải có khả tổng hợp kiến thức, kỹ tự học phát huy khả tư sáng tạo Xin trân thành cảm ơn giáo PGS.TS Hồng Thị Bích Ngọc giúp đỡ, dẫn, tạo điều kiện cho em để hoàn thành thực tập tốt nghiệp thời gian vừa qua Nhờ cô mà em biết nhiều kiến thức đời sống chuyên ngành, để tạo nên đồ án chuyên ngành thi khơng thể khơng có giúp đỡ cô, kiến thức cô dạy quý báu làm việc, lần em xin cảm ơn cô LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương I : Giới thiệu đề tài Chƣơng Giới thiệu đề tài Mục tiêu đề tài tính tốn lực khí động cánh Điều mà ta cần giả thiết biên dạng cánh Ở báo cáo này, xin đưa hai loại biên dạng cánh để xem xét: Biên dạng cánh thứ Naca 4412 Hình 1 Biên dạng cánh Naca 4412 Biên dạng cánh thứ hai Naca 0012 Hình Biên dạng cánh Naca 0012 Hai biên dạng cánh sử dụng rộng rãi toàn giới Với nhiều ứng dụng cho cánh máy bay, cánh tuabin gió Ở nước phát triển công nghệ Mỹ, Nhật bản, Australia , người ta hay ưu tiên cho việc nghiên cứu sinh viên loại cánh này, so sánh hai loại biên dạng cánh với ta nhìn trực quan rõ rệt khí động lực học loại cánh khác Để làm rõ kiến thức lớp lực khí động cánh Tôi nghiên cứu với nhiều trường hợp đầu vào khác cho cánh Các yêu tố lực khí động xét đầy đủ với thay đổi Góc tới α, tỷ lệ độ dài b/c cánh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương I : Giới thiệu đề tài Hình Sự thay đổi góc tỷ lệ cánh Các bước thực cho việc nghiên cứu hai loại cánh này: - Thiết kế chia lưới cho cánh Gambit - Mô với trường hợp riêng biệt Fluent để tính tốn lực khí động cho thơng số đầu vào Lưu ý, thông số đầu vào thay đổi chúng ảnh hưởng rõ rệt cho lực khí động cánh - Rút kết cần thiết để mô tả ảnh hưởng mội trường lực khí động cánh - Kết luận vấn đề đạt hay vấn đề làm rõ cho đặc điểm lực khí động có thay đổi môi trường Qua phần nghiên cứu này, xin đưa vài ứng dụng cho cánh sử dụng nước công nghiệp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương II : Xây dựng mơ hình lý thuyết tình tốn cho cánh 3d Chƣơng Xây dựng mơ hình lý thuyết tính tốn cho profil 2d cánh 3d Trong q trính tính tốn mơ phỏng, ta cần phải dựa lý thuyết xây dựng, nhằm nhận xét đánh giá kết q trình mơ Tại phần này, tơi xin trình bày lý thuyết khí động lực học, nội dung chia làm phần: - Phương trính vẽ cánh naca số - Xác định mẫu Naca sử dụng tính tốn mơ - Khí động lực học profil cánh 3D Tại phần này, với mục đích sử dụng lý thuyết để áp dụng cho phần tính tốn Ở đây, tơi khơng q sâu ngun nhân, q trình trình bày lý thuyết áp dụng trực tiếp mơ 2.1 Phƣơng trình vẽ cánh naca số Hình 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 airfoil chuẩn NACA chữ số có dạng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương II : Xây dựng mơ hình lý thuyết tình tốn cho cánh 3d Ở đây: m maximum camber (m số Naca chữ số), p location of maximum camber (10 p số thứ Naca chữ số xpxx) Bề dày airfoil có phương trình: Với: c : chiều dài đường chord, x : vị trí đường chord có giá trị từ tới c, y : nửa độ dày vị trí, t : độ dày tối đa vị trí chord (được xác định hai số cuối Naca chữ số) Đường upper (xU, yU) lower (xL, yL) có dạng : Với : 2.2 Mẫu naca sử dụng tính tốn Trong q trình tính tốn, mẫu naca 4412 0012 ứng dụng tất q trình Bài tốn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh Biểu diễn hệ số áp suất đường nằm bề mặt cánh Hình 3.3 Phân bổ hệ số áp suất đường cắt ngang mặt cánh Biểu đồ vẽ mathlab: Hình 3.4 Vẽ Phân bố hệ số áp suất MathLab Nhận xét: Phân bố hệ số áp suất khác với tỷ lệ b/c khác Áp suất từ gốc cánh tới típ cánh có quy luật giảm dần có hiệu ứng 3d 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh Phân bố hệ số áp suất đường gốc cánh đoạn: Z=0; 1; 2; 3; 4; 4.5; 4.9; (m) Z= 0m Z= 1m Z= 2m Z= 3m Z= 4m Z= 4.5m Z= 4.9m Z= 5m 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh So sánh tính tốn áp suất profil 3D với 2D Qua q trình tính tốn fluent với cánh profil 3d Để nhận xét độ xác trình, em xin so sánh đường áp suất bề mặt gốc profil 3d với đường áp suất 2d Khi ta lấy kết từ fluent ta đồ thị đường áp suât gốc cánh profil 3D Hình 3.5 Đường phân bố hệ số áp suất gốc cánh profil 4412 Khi ta đưa đường phân bố áp suất naca ta biểu đồ so sánh: Hình 3.6 Biểu đồ so sánh phân bố áp suất gốc cánh mặt naca 4412 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh Nhận xét: Qua q trình mơ fluent với cánh profil 4412 3D với góc tới =0 vận tốc 10 m/s, giá trị đường áp suất gốc cánh tương tự ta xét áp suất phân bố naca 4412 góc tới =0 số Mach =0.03 Điều ta nhận xét q trình mơ cánh profil 3D fluent cho kết xác Khi đó, giá trị với thay đổi vận tốc v, góc tới anpha chấp nhận 3.3 Tính tốn tƣờng tự với trƣờng hợp cánh profil 0012 Để kiểm tra tính tin cậy q trình mơ phỏng, em xin trình bày thêm mơ hình Tại đâu em xin đưa thông số profil 3D sau: Naca 0012: Chiều dài: b=3m, Rộng: c=1m, Góc tới=4o, Số điểm Naca =100 điểm Ta giá trị Cl, Cd Cm: Bảng giá trị cho trường hợp cánh profil 0012, b/c=3 góc tới = 4o Cl Cd Cm 0.80389614 0.071491385 0.20020527 Phân bố áp suất đường profil0012, b/c=3 góc tới = 4o: 19 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh Mặt lấy phân bố hệ số áp suất cánh Phân bố hệ số áp suất cho đường: Hình 3.7 Hệ số áp suất mặt cánh 20 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh Hình 3.8 biểu đồ phân bố hệ số áp suất cánh Nhận xét: Tương tự trường hợp cánh profil 4412 Hệ số áp suất thay đổi bề mặt cánh, hệ số áp suất giảm dần b/c tăng So sánh giá trị Hệ số áp suất naca 0012 gốc profil 0012 3d với góc tới = độ : Hình 3.9 Biểu đồ so sánh hệ số áp suất góc cánh profil 3D naca 0012 21 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh Nhận xét: Trong q trình tinh tốn cịn có nhiều sai số, với khác vận tốc Với cánh Profil 3d vận tốc v= 10m/s với Naca ta tính số mach=0.03 Kết sau q trình tương tự nhau, nên ta đánh giá trình mơ cho cánh profil 3D với fluent la tương đối xác 22 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương IV : Kết luận lực khí động cánh Naca 4412 Chƣơng Tính tổng thể lực khí động cánh profil 4412 với góc tới thay đổi chiều dài sải thay đổi 4.1 Giới thiệu: Phần ta sử dụng Gambit fluent để tính tốn cho giá trị Profil trường hợp Trường hợp : - Naca 4412 - Có c=1m - Với tỷ lệ: b/c = 1; 2; 3; 4; - Góc tới = 0o; 4o; 8o; 12o; 16o; 20o - v = 10m/s 4.2 Kết tính tốn: Với Naca 4412: Giá trị lực nâng Cl: Cl 0.2485563 0.580666 0.922603 1.268147 1.617313 0.4740424 1.125647 1.80346 2.488386 3.180568 0.6872121 1.288709 2.611784 3.610189 4.61571 12 0.9085143 2.137845 3.417083 4.716262 6.028366 16 1.1128584 2.582336 4.113982 6.046983 8.624802 20 1.3098924 3.0125881 4.779056 6.5750211 8.3833513 23 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương IV : Kết luận lực khí động cánh Naca 4412 Hình Biểu đồ lực nâng cánh profil 3d 4412 Nhận xét: Qua biểu đồ, ta nhận thấy đặc tính sau: - Giá trị lực nâng tăng tỷ lệ thuận với góc tới - Khi chiều dài sải cánh tăng hệ số lực nâng tăng theo Giá trị Lực Cản Cd: Cd 0.0266848 0.05195 0.077072 0.102195 0.127186 0.0465027 0.094878 0.143157 0.191509 0.239768 0.0835901 0.168931 0.267446 0.360176 0.45317 12 0.1406694 0.297878 0.457081 0.616838 0.777412 16 0.2141288 0.454453 0.698672 0.958902 1.181981 20 0.3099643 0.662316 1.023949 1.390302 1.758898 24 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương IV : Kết luận lực khí động cánh Naca 4412 Hình Biểu đồ lực cản cánh profil 3d 4412 Nhận xét: Với biểu đồ ta nhận thấy: - Giá trị lực cản tăng tỷ lệ thuận với góc tới - Độ sải cánh tăng lực cản tăng Qua nhận xét biểu đồ lực nâng lực cản ta chưa rút tối ưu sử dụng profil Vì , ta xét thêm biểu đồ tỷ lệ khí động Biểu đồ Cl/Cd: Hình Biểu đồ tỷ số lực nâng với lực cản cánh profil 3d 4412 25 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương IV : Kết luận lực khí động cánh Naca 4412 Nhận xét: Qua q trình mơ cho cánh profil 4412 trường hợp từ đồ thị ta có hai nhận xét: - Khi góc va = 4o tỷ số Cl/Cd đạt cực đại - Khi b/c tang, chênh lệch tỷ số lực nâng lực cản Cl/Cd giảm Với nhận xét đầu, ta sử dụng cánh profil 4412, nên đặt góc tới độ hiệu với tỷ lệ lực khí động với nhận xét thứ 2, độ sải cánh b/c >3 thay đổi nhỏ tỷ lệ khí động, để hiệu kinh tế ta nên sử dụng độ sải cánh b/c=3 26 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương V : Ứng dụng cho cánh tính tốn Chƣơng Ứng dụng cánh tính tốn Có nhiều ứng dụng với cánh mã ta tính tốn trên, tơi xin đưa hai vĩ dụ điển hình ứng dụng cho cánh máy bay ứng dụng cho cánh quạt tuabin gió 5.1 Ứng dụng cho máy bay Với máy bay cánh phận khơng thể thiếu để tạo lực nâng cho máy bay muốn bay Yêu cầu vận tốc máy bay khơng thay đổi, ta phải tìm cách thiết kế cánh để đạt lực nâng lớn lực cản nhỏ nhất, hiệu suất lực khí động cực đại Trong phần tổng kết chương III, ta tìm với loại cánh có biên dạng Naca 4412 hiệu suất lực khí động đạt cực đại cánh có góc tới độ tỷ số độ dài Với loại biên dạng cánh Naca 4412 sử dụng với máy bay Orličan VT-425 năm 1955 Hình Máy bay Orličan VT-425 Cánh thiết kế với biên dạng Naca 0012 sử dụng cho máy bay Zlin Z-50L năm 1975 dùng mục đích huấn luyện nhào lộn không Tốc độ bay: 240 km / h; tốc độ tối đa đạt tới 300 km/h; Trọng lượng 600 kg với bình xăng 60 lít máy bay Zlin Z-50L bay vịng 200 km 27 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương V : Ứng dụng cho cánh tính tốn Hình Máy bay Zlin Z-50L 5.2 Ứng dụng cho tuabin gió Trong tuabin gió nghiên cứu báo cáo tiên ích với tuabin gió trục đứng, cịn loại tuabin gió khác khó sử dụng kết luận Vì loại tuabin gió khác vận tốc đầu vào thay đổi với vị chí tỷ lệ cánh khác Trong tuabin gió trục đứng ta thường dùng loại cánh có biên dạng Naca 4412 Nhưng muốn khảo sát lực khí động tác đụng nên tuabin gió hoạt động ưu tiên cho nghiên cứu cánh với biên dạng Naca 0012 Hình Ảnh tuabin gió trục đứng 28 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KẾT LUẬN Qua tuần làm việc, với cơng cụ thiết kế mơ hình, chia lưới Gambit mơ với fluent Em lấy hệ số áp suất điểm bề mặt Profil, nhờ mà tính lực nâng Cl, lực cản Cd tỷ số khí động Cl/Cd Từ kết tính tốn tỷ số khí động Cl/Cd ta lấy tỷ lệ Cl/Cd max, với cánh Profil 4412 giá trị mã góc va = 4o, tỷ lệ sải cánh tối ưu =3 Nhờ kết mà làm việc Profil hiệu 29 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO AER 303F Aerospace Laboratory I Aerodynamic Forces on an Airfoil http://en.wikipedia.org/wiki/Lifting-line_theory http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/dragco.html http://my.fit.edu/itresources/manuals/ Wind energy engineering, Pramod Jain,Ph.D (2011) Wind energy renewable energy and the environment,Vaughn Nelson (2009) Ứng dụng cánh cho máy bay http://airfoils.webpark.cz/gallery/gallery.html 30 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... tài ? ?Tính tốn lực khí động cánh? ?? Cánh phận tạo lực nâng máy bay Lực khí động tính nhờ mơ chia lưới fluent Qua việc xây dựng mơ hình chia lưới trường hợp tính tốn Từ ta tính hiệu suất khí động. .. hình lý thuyết tính toán cho profil 2d cánh 3d 2.1 Phƣơng trình vẽ cánh naca số 2.2 Mẫu naca sử dụng tính tốn 2.3 Lực khí động profil 2.4 Lực khí động với cánh profil... Tính đặc trƣng khí động cho số loại cánh 14 3.1 Vẽ chia lưới cánh 3D Gambit 14 3.2 Tính tốn kết lực khí động fluent với cánh profil 4412 15 3.3 Tính tốn tường tự với trường hợp cánh