Untitled TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K8 2015 Page 5 Xây dựng mô hình mô phỏng chong chóng máy bay không người lái trong điều kiện Reynolds thấp Phan Quốc Thiện1 Ngô Khánh Hiếu2 1Công[.]
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K8- 2015 Xây dựng mơ hình mơ chong chóng máy bay không người lái điều kiện Reynolds thấp Phan Quốc Thiện1 Ngô Khánh Hiếu2 Công ty DFM-Engineering, Việt nam Bộ môn Kỹ thuật Hàng không, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 30 tháng 10 năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 10 tháng 11 năm 2015) TĨM TẮT Trong có rât nhiều nghiên cứu liên điều kiện hệ số Reynold 100.000 số quan đến chong chóng cho máy bay điều vịng quay thấp 10.000 vịng/phút dựa kiên mơi trường rối cao nghiên cứu đặc tính hình học mặt cắt chong cho chong chóng máy bay Reynold thấp chóng 75% chiều dài cánh, phân bố góc cho máy bay mơ hình hay UAV lại xoắn chiều dài cung cánh sử dụng phần trọng Tuy nhiên có nhiều mềm nguồn mở OpenFOAM Kết mơ chong chóng lại sử dụng cho mục đích so sánh với thực nghiệm để chuẩn hóa mơ hình tính tốn Trong báo chúng tơi xây dựng mơ hình mơ cho chong chóng Từ khóa: Chong chóng máy bay khơng người lái, mơ hình rối, OpenFOAM GIỚI THIỆU Những chong chóng cỡ nhỏ hoạt động điều kiện hệ số Reynold thấp ngày đóng vai trị quan trọng thiết kế liên quan đến dạng bay tự động không người lái hay drone Đặc tính chong chóng có chút khác biệt so với chong chóng đồng dạng có kích thước lớn Theo nghiên cứu dựa thực nghiệm Durand [1], chong chóng có đường kính từ 9-14 inch có hiệu suất thấp khoảng 7% dến 15% so với chong chóng có đường kính khoảng 36 inch có tỉ lệ góc xoắn theo đường kính Và có nhiều nghiên cứu khác ứng xử khác biệt Reynold thấp chong chóng lý tiến hành nghiên cứu chong chóng Trong báo chúng tơi trình bày mơ hình mơ số đặc tính hoạt động chong chóng máy bay khơng người lái dãy Reynolds thấp 105, áp dụng mơ hình đưa cho chong chóng Master Airscrew E96 (một dịng chong chóng phổ biến cho máy bay không người lái loại nhỏ sử dụng động điện) Kết mơ số thu có so sánh với kết thực nghiệm để đánh giá độ tin cậy mơ hình mơ số đề xuất Page SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K8- 2015 Trong viết này, mơ hình mơ số sử dụng phần mềm mã nguồn mở OpenFOAM v2.4 MƠ TẢ VẤN ĐỀ Q trình mơ bắt đầu việc xây dựng mơ hình số chong chóng máy tính Hình học thật chong chóng Master Airscrew E96 mơ tả hình vấn đề biên dạng vị trí 75% bán kính tính từ tâm chong chóng chọn làm biên dạng cánh đặt trưng theo phân bố dây cung cánh (c) phân bố góc xoắn () vị trí bán kính (r) đảm bảo với phân bố thực tế chong chóng (xem hình 2) Biên dạng chong chóng Master Airscrew E96 khảo sát phương pháp quét không tiếp xúc với máy qt NextEngine 3D Scanner [3] phân tích hình học để kiểm chứng với phân bố Trường Illinois [2] đưa hình Hình biểu diễn mơ hình chong chóng sau dựng máy tính Hình Chong chóng Master Airscrew E96 Đặc trưng hình học chong chóng biểu diễn phân bố chiều dài dây cung (c) góc xoắn () phần tử cách theo vị trí bán kính (r) phần tử xét với R bán kính chong chóng Hình thể đặc trưng hình học chong chóng Master Airscrew E96 (MA E96) cơng bố Trường Illinois [2] Hình Đặc trưng hình học chong chóng Master Airscew E96 Dựa đặc trưng hình học chong chóng nhóm tác giả xây dựng hình học tương ứng máy tính phần mềm CAD Khó khăn lớn q trình dựng lại hình học chong chóng máy tính xác định biên dạng phần tử cánh chong chóng vị trí bán kính xét Để giải Page Hình Mơ hình 3D chong chóng MA E96 QUY TRÌNH MƠ PHỎNG SỐ ĐỀ XUẤT CHO CHONG CHĨNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI Ở DÃY REYNOLDS THẤP Quy trình mơ số đặc tính chong chóng bắt đầu việc xác định miền tính tốn chia lưới Miền tính tốn miêu tả hình Miền tính tương tự với việc mơ biên dạng cánh với việc lấy chiều dài đặc trưng đường kính chong chóng Theo đó, đường kính miền mơ tối thiểu 10 lần đường kính chong chóng Đầu vào dịng khí tự nên cách chong chóng khoảng 10 lần đường kính, cịn ngõ dịng lưu chất nên cách chong chóng khoảng 20 lần đường kính chong chóng [4] Việc mở rộng miền tính hạn chế ảnh hưởng điều kiện biên tốn mơ Tuy nhiên tăng thể tích miền làm tăng độ lớn lưới làm tăng thời gian chạy tốn máy tính Bài tốn mơ chuyển động quay chong chóng khơng khí nên kỹ thuật áp dụng viết kỹ thuật phân tách TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K8- 2015 miền tính thành nhiều vùng khác (Multi Reference Frame) tương ứng với phương trình vật lý khác Bài tốn tĩnh (steady) lưới không chuyển động trượt lên vùng quay tức vùng có chứa chong chóng phần cịn lại vùng phương trình động lượng(1) cộng thêm thành phần tác động lực Coriolis chuyển động quay gây : ứng suất nhớt : ngoại lực Do đặc tính hoạt động chong chóng máy bay khơng người lái dãy Reynolds thấp nên mơ hình rối chọn viết mơ hình Spalart Allmaras [5] Theo đó, chong chóng mơ vận tốc quay 5000 vịng/phút 6000 vòng/phút với dòng chuyển động m/s, 10 m/s, 15 m/s, 20 m/s 30 m/s (ứng với dãy Reynolds từ 5104 đến 7104) KẾT QUẢ MƠ PHỎNG SỐ ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA CHONG CHĨNG MASTER AIRSCREW E96 Hình Miền mơ số chong chóng MA E96 _ v v r v v vt p F t Hệ số Y+ thể độ xác mơ hình tường ứng xử lớp biên bên bề mặt chong chóng Trong OpenFoam giới hạn cho phép 300 Kết mơ số thu cho trường hợp có độ rối cao tương ứng với vận tốc quay 6000 vòng/phút vận tốc dòng tự 30 m/s (xem hình 5) giá trị Y+ lớn ghi nhận 26.5 Như ứng xử lớp biên phù hợp (1) Thành phần gia tốc Coriolis là: v v t Phương trình bảo tồn khối lượng(2) tương tự phương trình Navier Stoke thơng thường: vr (2) t Với: : vận tốc tuyệt đối : vận tốc tương đối tham chiếu vùng quay : vận tốc tịnh tiến vùng quay : vận tốc quay : bán kính quay : mật độ khối lượng lưu chất : áp suất Hình Phân bố Y+ kết mô số chong chóng MA E96 vận tốc quay 6000 vịng/phút Chong chóng quay tương ứng với vùng lưới quay Do phân bố vận tốc bề mặt tăng tuyến tính từ tâm đến đầu mút Hình thể trường vận tốc phân bố chong chóng quay vận tốc 6000 vịng/phút Trang SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K8- 2015 Hình hình thể phân bố vận tốc phân bố áp suất quanh chong chóng MA E96 vòng quay 6000 vòng/phút với vận tốc dịng 20 m/s từ mơ số Kết mô số so sánh với kết thực nghiệm chong chóng tiến hành ống khí động hở có Bộ mơn Kỹ thuật Hàng không, Đại học Bách khoa [6][7], với kết cơng bố Đại học Illinois [1][8] Hình Phân bố vận tốc chong chóng MA E96 vận tốc quay 6000 vịng/phút Hình Hệ số lực đẩy chong chóng MA E96 theo mơ số theo thực nghiệm Hình 10, hình 11 thể kết hệ số công suất hiệu suất chong chóng MA E96 có từ mơ số kết thực nghiệm công bố Đại học Illinois Hình Phân bố vận tốc quanh chong chóng MA E96 vận tốc quay 6000 vịng/phút vận tốc dịng 20 m/s Hình 10 Hệ số cơng suất chong chóng MA E96 theo mơ số theo thực nghiệm Hình Phân bố áp suất quanh chong chóng MA E96 vận tốc quay 6000 vịng/phút vận tốc dịng 20 m/s Hình thể đặc tính lực đẩy chong chóng MA E96 thông qua hệ số lực đẩy (CT) thu Page Kết so sánh hệ số lực đẩy CT theo hệ số tiến J (với J = V/nD, V vận tốc dịng vào, n số vịng quay chong chóng giây, D đường kính chong chóng) biểu diễn Hình cho thấy độ xác kết mô cao, sai số khoảng từ 2% đến 10% chong chóng hoạt động điều kiện mà hệ số tiến nhỏ TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K8- 2015 khoảng 0.2 đến 0.5; hệ số tiến tăng lên sai lệch lớn Hình 11 Hiệu suất chong chóng MA E96 theo mô số theo thực nghiệm Đối với hệ số cơng suất (CP) giá trị mơ số cao hẳn giá trị thực nghiệm Điều lý giải với hệ số tiến lớn, vận tốc tương đối dịng khí so với bề mặt chong chóng tăng cao đồng thời góc tới phần tử cánh chong chóng nhỏ Do thay đổi nhỏ phân bố biên dạng cánh dẫn đến khác biệt kết Hiện viết này, mơ hình chong chóng MA E96 xây dựng với biên dạng vị trí 0.7R đặc trưng (đặc trưng hình học biên dạng bề dày, độ cong biên dạng giữ nguyên cho vị trị bán kính chong chóng) Thực tế vùng gần gốc bề dày biên dạng chong chóng có xu hướng tăng, độ cong biên dạng chong chóng có xu hướng giảm Ngược lại vùng gần mũi bề dày độ cong biên dạng chong chóng có xu hướng giảm Sự khác biệt mơ hình MA E96 mô tả nguyên nhân dẫn đến gia tăng hệ số lực đẩy (CT) hiệu suất chong chóng vùng J cao; tăng hệ số công suất (CP) giữ kết mô số kết thực nghiệm Và khác biệt hồn tồn giải xây dựng mơ hình mơ số chong chóng sát với mơ hình thực tế Về tổng thể, nhận thấy kết mơ số với mơ hình Spalart Allmaras [4] thực thi OpenFOAM đề xuất viết phản ánh đặc tính hoạt động chong chóng áp dụng với mơ hình chong chóng Master Airscrew E96 Mơ hình đề xuất hồn tồn áp dụng cho chong chóng máy bay khơng người lái loại nhỏ khác hoạt động dãy Reynolds thấp, phát triển tiếp để cải thiện độ xác kết mô KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mơ hình mơ số cho chong chóng mơ hình dịng có độ rối thấp Tuy kết chưa thật xác điều kiện vận tốc tốc độ vòng quay cao, mơ hình tính tốn số đề xuất cho kết phản ánh đặc tính hoạt động chong chóng áp dụng cho chong chóng Master Airscrew E96 Và mơ hình số đề xuất triển khai cho chong chóng khác Mặc khác, để cải thiện độ tin cậy kết thu từ mơ hình số đề xuất viết đặc tính hình họa mơ hình chong chóng mơ nên bám sát đặc tính hình học thực tế chong chóng Điều thực với phương án sử dụng máy quét không tiếp suất kỹ thuật xử lý đám mây điểm quét để dựng lại mơ hình chong chóng máy tính với độ xác cao Kết trình bày nghiên cứu Trang SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K8- 2015 On modeling of a small UAV’s propeller for CFD simulation in low Reynolds numbers Phan Quoc Thien1 Ngo Khanh Hieu2 DFM-Engineering Ltd Department of Aerospace Engineering, Ho Chi Minh city University of Technology, VNU-HCM ABSTRACT rotating speed lower than 10,000 rpm The While there are many studies related to propeller geometry is created in computer propeller in high turbulent environment based on real propeller properties at conditions, the studies on propeller at low sections at 75% propeller blade length Reynold for model aircraft or UAV get little OpenFOAM, an opened source software, is attention However there are many propeller used The simulation results were compared is used for this condition In this article, we with experimental data to verify will build simulation process for propeller in conditions of below 100,000 Reynold and Key words: UAV propeller, turbulent model, OpenFOAM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Durand, W F., Experimental research on air-propeller, NACA Report no.141, 1923 [2] Brandt, J B and Selig, M S., Small-scale propeller performance at low speeds – Online Database, http://www.ae.illinois edu/m-selig/props/propDB.html, 2010 [3] Ngô Khánh Hiếu, Đặng Quốc Bảo, Phạm Minh Vương, Xây dựng hình học mơ hình lưới cho mơ dịng chuyển động qua chong chóng máy bay mơ hình, Tạp chí khoa học công nghệ giao thông vận tải, số 8-9, 2013 [4] Nguyễn Anh Thi, “Tính tốn số động lực học lưu chất”, Nhà Xuất Bản Đại học Quốc gia TPHCM, 2011 Page 10 [5] Teymour Javaherchi, Review of SpalartAllmaras Turbulence Model and its Modifications, 2010 [6] Ngô Khánh Hiếu, Huỳnh Thiện Lộc, Propeller’s static thrust measurement for small UAVs, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Giao thơng vận tải, số 12, 2014 [7] Ngô Khánh Hiếu, Phạm Quốc Hưng, Khảo sát thực nghiệm đặc tính lực đẩy chong chóng máy bay mơ hình, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Giao thông vận tải, số 5-6, 2013 [8] Merchant, M P., Propeller performance measurements for low Reynolds number unmanned aerial vehicle applications, Master’s thesis, Kansas, 2005 ... dịng khí so với bề mặt chong chóng tăng cao đồng thời góc tới phần tử cánh chong chóng nhỏ Do thay đổi nhỏ phân bố biên dạng cánh dẫn đến khác biệt kết Hiện viết này, mơ hình chong chóng MA E96... phản ánh đặc tính hoạt động chong chóng áp dụng với mơ hình chong chóng Master Airscrew E96 Mơ hình đề xuất hồn tồn áp dụng cho chong chóng máy bay khơng người lái loại nhỏ khác hoạt động dãy Reynolds... lại hình học chong chóng máy tính xác định biên dạng phần tử cánh chong chóng vị trí bán kính xét Để giải Page Hình Mơ hình 3D chong chóng MA E96 QUY TRÌNH MƠ PHỎNG SỐ ĐỀ XUẤT CHO CHONG CHĨNG