Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí động của máy bay trong quá trình hạ cánh
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN ĐÌNH SƠN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ CẠNH TỚI ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CÁNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN ĐÌNH SƠN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ CẠNH TỚI ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CÁNH Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62 52 01 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Phạm Vũ Uy 2. GS. TSKH Nguyễn Đức Cương Hà Nội - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu và các số liệu sử dụng trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố ở trong bất kỳ công trình nào khác. NGHIÊN CỨU SINH Nguyễn Đình Sơn ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn hai Thầy giáo: - PGS. TS. Phạm Vũ Uy - GS. TSKH. Nguyễn Đức Cương đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành được luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự; Viện Tên lửa; Học viện Phòng không-Không quân; Viện Kỹ thuật Quân sự PK-KQ; Học viện Kỹ thuật Quân sự; Phòng ĐCTBPL-Viện Tên lửa; Trung tâm DASI- ĐH Bách khoa Hà Nội và Phòng MBĐC-Viện Kỹ thuật Quân sự PK-KQ đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy giáo Trong Viện Tên lửa, các đồng chí trong các cơ quan quản lý của Viện Tên lửa, Phòng Đào tạo và Ban sau đại học-Viện KH & CN Quân sự đã cho tôi những lời khuyên quý báu, những điều kiện thực hiện các học phần và luận án tốt nhất. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những người bạn và đồng nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Nghiên cứu sinh iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Mục lục iii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt vi Danh mục các bảng xiv Danh mục các hình vẽ, đồ thị xv MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. Tổng quan về ảnh hưởng của gió cạnh đến đặc tính khí động của máy bay, các phương pháp nghiên cứu 8 1.1. Một số đặc điểm dòng khí chảy bao ở vùng vận tốc nhỏ khi có ảnh hưởng của gió cạnh 8 1.2. Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí động của máy bay ở vùng vận tốc nhỏ 9 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 9 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước 13 1.3. Tổng quan các phương pháp xác định đặc tính khí động của máy bay 14 1.3.1. Xác định đặc tính khí động của máy bay bằng phương pháp giải tích 15 1.3.2. Phương pháp nghiên cứu thử nghiệm. 15 1.3.3. Xác định đặc tính khí động của máy bay bằng phương pháp số 17 1.4. Các nội dung đề tài cần nghiên cứu và phương pháp thực hiện 21 1.4.1. Các nội dung đề tài cần nghiên cứu 21 1.4.2. Lựa chọn phương pháp thực hiện đề tài nghiên cứu 22 Kết luận chương 1 28 CHƯƠNG 2. Mô hình bài toán xác định đặc tính khí động của máy bay 29 iv 2.1. Mô hình toán xác định đặc tính khí động của máy bay bằng phương pháp xoáy rời rạc, phi tuyến trong dòng chảy bao dừng 29 2.1.1. Mô hình tính toán theo sơ đồ cánh phẳng đơn 29 2.1.2. Mô hình toán xây dựng bằng phương pháp xoáy rời rạc cho máy bay có cấu hình không gian phức tạp 31 2.1.3. Áp dụng mô hình toán xác định một số đặc tính khí động của máy bay L-39 bằng phương pháp xoáy rời rạc 36 2.2. Phương pháp xác định đặc tính khí động của máy bay bằng Ansys 38 2.2.1. Phương pháp giải số ứng dụng trong Ansys 38 2.2.2. Phương pháp giải bài toán xác định một số đặc tính khí động của máy bay bằng Ansys 40 2.3. Kết quả khảo sát đặc tính lực nâng của máy bay L-39 bằng phương pháp xoáy rời rạc và bằng Ansys. Một số nhận xét, đánh giá 45 Kết luận chương 2 49 CHƯƠNG 3. Xây dựng mô hình toán xác định đặc tính khí động của máy bay với cấu hình cất, hạ cánh 50 3.1. Xây dựng mô hình không gian bài toán chảy bao cánh nâng cơ sở có tính đến trượt cạnh bằng phương pháp xoáy rời rạc 50 3.2. Xây dựng mô hình toán xác định đặc tính khí động của máy bay với cấu hình cất, hạ cánh bằng phương pháp xoáy rời rạc 64 3.2.1. Nguyên tắc ghép nối không đồng phẳng 64 3.2.2. Xây dựng mô hình cánh tà ở vị trí thả 66 3.2.3. Xây dựng mô hình càng ở vị trí thả 67 3.3. Khảo sát đặc tính lực nâng C y máy bay L-39 khi hạ cánh với cấu hình cất, hạ cánh bằng phương pháp xoáy rời rạc và bằng Ansys 69 Kết luận chương 3 72 v CHƯƠNG 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh đến đặc tính khí động của máy bay trong quá trình hạ cánh 73 4.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến một số đặc tính khí động của máy bay L-39 khi hạ cánh. Xây dựng mối liên hệ cân bằng giữa các góc điều khiển với góc trượt cạnh 73 4.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến một số đặc tính khí động của máy bay L-39 khi hạ cánh 73 4.1.2. Xây dựng mối liên hệ cân bằng giữa các góc điều khiển cánh lái hướng δ H và cánh lái liệng δ L với góc trượt cạnh β khi hạ cánh 78 4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh phụ thuộc vào vận tốc hạ cánh. Xây dựng miền vận tốc an toàn cho máy bay L-39 khi hạ cánh có trượt cạnh 83 4.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh phụ thuộc vào vận tốc hạ cánh 83 4.2.2. Xây dựng miền vận tốc an toàn cho máy bay L-39 khi hạ cánh có trượt cạnh 85 4.3. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến quĩ đạo hạ cánh của máy bay. Một số giải pháp hạn chế ảnh hưởng của gió cạnh 87 4.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến quĩ đạo hạ cánh của máy bay 87 4.3.2. Một số giải pháp hạn chế ảnh hưởng của gió cạnh đến quá trình hạ cánh của máy bay 96 Kết luận chương 4 98 KẾT LUẬN 99 Danh mục các công trình khoa học đã công bố 101 Tài liệu tham khảo 102 Phụ lục 112 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT a Vận tốc âm thanh [m/s]; [A e ] Ma trận phần tử; a ij Các giá trị trong các ma trận hệ số; 1pp1k k a Các hệ số của phương trình đảm bảo không chảy thấu; a x , a y Gia tốc tiếp đất theo chiều ngang và chiều thẳng đứng của máy bay khi hạ cánh [m/s 2 ]; b Dây cung trung bình cánh; b i Điều kiện ban đầu thay đổi có tính đến các yếu tố điều chỉnh đối với nút i; BT Chỉ số chỉ trường hợp bay thử nghiệm máy bay; b k Dây cung cánh tại mặt cắt k [m]; )( 1pp b Dây cung trung bình của tứ giác khảo sát; b m Dây cung mút cánh [m]; b o Dây cung gốc cánh [m]; m1pp b Chiều dài không thứ nguyên của phần tử mặt nâng m của máy bay (theo trục 0x); 1pp s B Tích vô hướng của véc tơ đơn vị dòng không nhiễu động và véc tơ pháp tuyến với mặt nâng cơ sở tại các điểm kiểm tra; C x Hệ số lực cản; C y Hệ số lực nâng; C z Hệ số lực cạnh; yxz m,m,C Đạo hàm của hệ số lực cạnh, mô men nghiêng cánh và mô men hướng theo góc trượt cạnh [1/rad]; HHH yxz m,m,C Đạo hàm của hệ số lực cạnh, mô men nghiêng cánh và mô men hướng theo góc nghiêng cánh lái hướng [1/rad]; C Hệ số tức thời và hệ số trung bình đối với biến ; vii 1pp C Tích vô hướng của véc tơ đơn vị của dòng không nhiễu động với véc tơ pháp tuyến của mặt nâng tại các điểm kiểm tra; F Ngoại lực tác động lên một đơn vị khối lượng [N]; F s Lực ma sát [N]; g Gia tốc trọng trường [m/s 2 ]; G Trọng lượng máy bay [kg]; h Độ cao của máy bay trong quĩ đạo khi hạ cánh [m]; i Chỉ số nút thứ i; i x , i y , i z bán kính mô men quán tính; J x , J y , J z Mô men quán tính khối lượng; )k,j,i( Véc tơ đơn vị hệ trục tọa độ 0xyz; k Chỉ số chỉ các mặt cắt dọc trên cánh; k-ε, k-Ω Mô hình chảy rối k-ε, k-Ω; L Sải cánh [m]; L MB Sải cánh máy bay thực [m]; L TN Sải cánh của mô hình trong phòng thí nghiệm [m]; L-39 Ký hiệu máy bay huấn luyện hai buồng lái; L th Chiều dài thân máy bay [m]; l o Độ dài dây xoáy [m]; 1k k0 l Độ dài dây xoáy ngang [m]; 1k k0 l Độ dài dây xoáy dọc [m]; )( 1pp l Sải trung bình của tứ giác khảo sát [m]; 1k k )x,lcos( Cosin chỉ hướng đoạn xoáy ngang theo trục 0x; k1 k )x,lcos( Cosin chỉ hướng đoạn xoáy dọc theo trục 0x; M Số Mach; m Tứ giác nâng cơ sở thứ m; viii M x Mô men nghiêng cánh [Nm]; M y Mô men hướng [Nm]; M z Mô men chúc ngóc [Nm] ; m x Hệ số mô men nghiêng cánh; m y Hệ số mô men hướng ; m z Hệ số mô men chúc ngóc; M(x o ,y o ,z o ) Tọa độ điểm M trong không gian lân cận cánh; M x(δ) Mô men nghiêng cánh do trượt cạnh gây ra [Nm]; M y(δ) Mô men hướng do trượt cạnh gây ra [Nm]; M y(δL) Mô men hướng do lệch cánh lái liệng gây ra [Nm]; m x(δ) Hệ số mô men nghiêng cánh do gió cạnh gây ra; m y(δ) Hệ số mô men hướng do gió cạnh gây ra; N Số dải xoáy trên tấm nâng cơ sở; n Số các sợi xoáy ngang trên mỗi dải xoáy; N m Số dải xoáy dọc trên tứ giác thứ m; n m Số xoáy ngang trong từng dải xoáy trên tứ giác thứ m; n I , n II , n' II Lần lượt là số tiết diện dùng để mô hình hóa các dây xoáy tự do trong hệ I, II và II'; m n véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng chứa tứ giác khảo sát; Oxyz Hệ trục tọa độ liên kết không tiêu chuẩn (có trục Ox ngược với trục Ox trong hệ trục tọa độ thuận); p Chỉ số điểm được kiểm tra thuộc mặt cắt dọc p; p o Áp suất dòng không nhiễu động [Pa]; p H Áp suất môi trường [Pa]; p PQT , p QRT Nửa chu vi các tam giác PQT, QRT thuộc tứ giác khảo sát PQRT [m]; r Các yếu tố điều chỉnh; Re Số Rây-non; [...]... hạ cánh (càng) để cất hạ cánh trên đường băng Đối tượng nghiên cứu cụ thể là máy bay huấn luyện L-39 Giới hạn nghiên cứu của luận án là khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến một số đặc tính khí động (chỉ thuộc chuyên ngành hẹp khí động học) của máy bay trong quá trình hạ cánh ở vùng vận tốc nhỏ, trong đó chủ yếu là nghiên cứu ảnh hưởng đến khả năng tạo nâng của máy bay khi hạ cánh trong dòng chảy bao dừng,... nhiều đến ảnh hưởng của gió cạnh đến hoạt động bay và chưa xem gió cạnh như là một trong những nguyên nhân chính gây ra uy hiếp an toàn bay và tai nạn bay 2 Vì thế "Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới ĐTKĐ của máy bay trong quá trình hạ cánh" là cần thiết, có ý nghĩa thiết thực không những đối với việc đảm bảo an toàn bay trong quá trình hạ cánh mà còn có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu, thiết... khi bay với tốc độ nhỏ Từ đó cho thấy việc thử nghiệm kiểm tra là một trong những khó khăn nan giải của đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí động của máy bay trong quá trình hạ cánh Đây cũng là một trong những lý do mà việc nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay không có nhiều, thiếu các kết quả cụ thể Như vậy, vấn đề quan trọng có liên quan đến kết quả nghiên cứu. .. sử dụng trong tính toán khí động lực học để khắc phục khó khăn đã nêu Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học 4 kỹ thuật, các phần mềm chuyên dụng và máy tính có tốc độ cao, vấn đề Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí động của máy bay trong quá trình hạ cánh có thể giải quyết được bằng các công cụ tính toán hiện có Nghiên cứu các đặc điểm của dòng khí chảy bao không đối xứng máy bay ở... thân; ảnh hưởng của các xoáy thân đến ĐTKĐ của máy bay trong điều kiện giao thoa khí động thân -cánh, có tính đến ảnh hưởng của tính nhớt động dòng chảy bao ở các số Re khác nhau Một số tác giả như Will E Graf [91], Yann Colin [93] khi nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh đến dòng chảy trước thiết bị vào của động cơ, của quạt gió đã chỉ ra gió cạnh có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất làm việc của động cơ máy bay, ... đẩy quá trình tách dòng diễn ra sớm hơn so với dòng chảy bao máy bay đối xứng Qua đó cho thấy gió cạnh sẽ có ảnh hưởng đến các ĐTKĐ của máy bay Để đơn giản hóa khi nghiên cứu, tính toán ta coi gió cạnh thổi trong mặt phẳng nằm ngang, có góc thổi δ=90o và có cường độ không đổi 1.2 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí động của máy bay ở vùng vận tốc nhỏ 1.2.1 Tình hình nghiên cứu. .. pháp nghiên cứu xác định mức độ ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay trong quá trình hạ cánh ở vùng tốc độ nhỏ 3- Đề ra một số giải pháp làm giảm ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay cũng như nâng cao chất lượng bay, đảm bảo an toàn bay Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án được xác định là máy bay có phần tạo lực nâng cố định, được cơ giới hóa (cánh tà) và có các thiết bị hạ cánh (càng)... pháp nghiên cứu Các nội dung chính trong chương 1 gồm: - Đặc điểm dòng khí chảy bao máy bay ở vùng tốc độ nhỏ khi có ảnh hưởng của gió cạnh - Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới ĐTKĐ của máy bay ở vùng tốc độ nhỏ ở trên thế giới và trong nước - Các phương pháp nghiên cứu ĐTKĐ của máy bay - Những khó khăn khi nghiên cứu thực hiện đề tài luận án và lựa chọn giải pháp giải quyết 5 Chương 2: Trình. .. tuyến Kết quả nghiên cứu khoa học thu được bằng lý thuyết thông thường được chứng minh thông qua kiểm nghiệm thực tế Kiểm định kết quả nghiên 3 cứu về ảnh hưởng của gió cạnh đến đặc tính khí động của máy bay trong quá trình hạ cánh ở vùng tốc độ nhỏ có thể được thực hiện trên mô hình trong ống khí động (OKĐ) hoặc được thực hiện bằng việc bay thử nghiệm máy bay trong điều kiện có gió cạnh thực Trong điều... ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ CẠNH ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY, CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Một số đặc điểm dòng khí chảy bao ở vùng vận tốc nhỏ khi có ảnh hưởng của gió cạnh Khi chảy bao ở vận tốc lớn thì thành phần lực quán tính (làm các hạt phân tử khí chuyển động đối lưu theo hướng chuyển động của dòng khí) có giá trị lớn hơn nhiều so với lực nhớt động (làm các hạt phân tử khí chuyển động khuyếch tán . ảnh hưởng của gió cạnh đến đặc tính khí động của máy bay trong quá trình hạ cánh 73 4.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến một số đặc tính khí động của máy bay L-39 khi hạ cánh. Xây dựng mối. sát ảnh hưởng của gió cạnh đến quĩ đạo hạ cánh của máy bay. Một số giải pháp hạn chế ảnh hưởng của gió cạnh 87 4.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến quĩ đạo hạ cánh của máy bay 87 4.3.2 SỰ NGUYỄN ĐÌNH SƠN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ CẠNH TỚI ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CÁNH Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62 52 01 16