Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí động của máy bay trong quá trình hạ cánh

Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí động của máy bay trong quá trình hạ cánh

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

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

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

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

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

1.2 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí

1.3 Tổng quan các phương pháp xác định đặc tính khí động của máy

1.3.1 Xác định đặc tính khí động của máy bay bằng phương pháp giải

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

1.4.2 Lựa chọn phương pháp thực hiện đề tài nghiên cứu 22

CHƯƠNG 2 Mô hình bài toán xác định đặc tính khí động của máy

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

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

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

CHƯƠNG 3 Xây dựng mô hình toán xác định đặc tính khí động của

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

3.3 Khảo sát đặc tính lực nâng Cy máy bay L-39 khi hạ cánh với cấu

hình cất, hạ cánh bằng phương pháp xoáy rời rạc và bằng Ansys 69

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

4.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến một số đặc tính khí động

4.1.2 Xây dựng mối liên hệ cân bằng giữa các góc điều khiển cánh lái

hướng δH và cánh lái liệng δL 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

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

4.3.2 Một số giải pháp hạn chế ảnh hưởng của gió cạnh đến quá trình

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

 Các hệ số của phương trình đảm bảo không chảy thấu;

ax , ay Gia tốc tiếp đất theo chiều ngang và chiều thẳng đứng của

máy bay khi hạ cánh [m/s2];

bi 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;

bk Dây cung cánh tại mặt cắt k [m];

b  Chiều dài không thứ nguyên của phần tử mặt nâng m của

máy bay (theo trục 0x);

1

pp

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 Đạo hàm của hệ số lực cạnh, mô men nghiêng cánh và mô

men hướng theo góc trượt cạnh [1/rad];

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  ;

pp

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];

g Gia tốc trọng trường [m/s2];

h Độ cao của máy bay trong quĩ đạo khi hạ cánh [m];

ix, iy, iz bán kính mô men quán tính;

Jx, Jy, Jz Mô men quán tính khối lượng;

LMB Sải cánh máy bay thực [m];

LTN Sải cánh của mô hình trong phòng thí nghiệm [m];

L-39 Ký hiệu máy bay huấn luyện hai buồng lái;

Lth Chiều dài thân máy bay [m];

Mx Mô men nghiêng cánh [Nm];

mx Hệ số mô men nghiêng cánh;

M(xo,yo,zo) Tọa độ điểm M trong không gian lân cận cánh;

mx(δ) Hệ số mô men nghiêng cánh do gió cạnh gây ra;

my(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;

Nm Số dải xoáy dọc trên tứ giác thứ m;

nm Số xoáy ngang trong từng dải xoáy trên tứ giác thứ m;

nI, nII, 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;

po Áp suất dòng không nhiễu động [Pa];

pH Áp suất môi trường [Pa];

pPQT, pQRT Nửa chu vi các tam giác PQT, QRT thuộc tứ giác khảo sát

PQRT [m];

 Diện tích tứ giác khảo sát;

s Khoảng cách máy bay từ độ cao khảo sát ban đầu đến điểm

đang khảo sát [m];

sign() Hàm dấu của góc trượt cạnh ;

T Nhiệt độ tuyệt đối [K];

TN Chỉ số chỉ trường hợp thử nghiệm trên mô hình trong ống

Vx Vận tốc theo chiều ngang khi máy bay hạ cánh [m/s];

Vy Vận tốc theo chiều thẳng đứng khi máy bay hạ cánh [m/s];

Vxi; Vyi; Vzi Các thành phần vận tốc tại nút i;

Các giá trị vận tốc xấp xỉ tại nút i theo phương x, y, z;

W Vận tốc nhiễu động; cường độ gió cạnh [m/s];

Wx, Wy, Wz Các thành phần của vận tốc nhiễu động [m/s];

W e Hàm bổ sung đặc biệt cho các phần tử e;

xF, zF Tọa độ tiêu điểm khí động theo trục 0x và 0z [m];

xµk, yµk, zµk Tọa độ đầu mút các xoáy [m];

1 k

x    Tọa độ các điểm kiểm tra [m];

x1 ; y1 ; z1 Ký hiệu tọa độ véc tơ chỉ phương của đoạn xoáy PQ;

x2 ; y2 ; z2 Ký hiệu tọa độ véc tơ chỉ phương của đoạn xoáy PT;

xm ; ym ; zm Ký hiệu tọa độ của véc tơ pháp tuyến mặt phẳng chứa tứ

 Bề rộng không thứ nguyên của phần tử mặt nâng thứ m của

máy bay (theo trục Oz);

Δs Độ lệch tính toán giữa hai bước tính;

Δα Lượng thay đổi góc tấn giữa hai bước tính [rad];

Δ Lượng thay đổi góc trượt cạnh giữa hai bước tính [rad]; )

Ωx1, Ωy1, Ωz1 Góc giữa véc tơ chỉ phương i, j và k của các trục tọa độ

0x, 0y và 0z với véc tơ chỉ phương của đường pháp tuyến với xoáy ngang;

Ωx2, Ωy2, Ωz2 Góc giữa véc tơ chỉ phương , j và k của các trục tọa độ

0x, 0y, 0z với VTCP của đường pháp tuyến với xoáy dọc;

β* Góc trượt cạnh ở giới hạn nguy hiểm [rad];

γ Góc nghiêng máy bay trong hệ tọa độ liên kết [rad];

γc góc nghiêng máy bay trong hệ tọa độ tốc độ [rad];

 Cường độ của lưu số vận tốc xoáy dọc [1/s];

δ Góc thổi của gió cạnh [rad];

H Góc lệch cánh lái hướng [rad];

L Góc lệch cánh lái liệng [rad];

µ Độ nhớt động lực [kg/m/s];

µo Độ nhớt động lực tại điều kiện tiêu chuẩn [kg/m/s];

µ, k, m Chỉ số của xoáy liên kết;

 Các thành phần của vận tốc cảm ứng không thứ nguyên;

I, II, II' Các hệ xoáy tự do vùng I (mép sau), vùng II (mép phải) và

vùng II' (mép trái) của cánh nâng cơ sở;

Ansys Phần mềm Ansys (Analysis Systems);

CAD Thiết kế được hỗ trợ bằng máy tính (Computer-Aided

Design) CFD Động lực học dòng chảy tính toán (Computational Fluid

Matlab Phần mềm máy tính Matlab (Maxtrix Laboratory);

MHI Công nghiệp nặng Mít-su-bi-si (Mitsubishi heavy Industries); NASA Cơ quan Hàng không và Vũ trụ quốc gia (National

Aeronautics and Space Administration);

NACA Ủy ban tư vấn quốc gia về Hàng không (National Advisory

Committee for Aeronautics);

SIMPLE Phương pháp bán ẩn với các phương trình được gắn kết với áp

lực (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations); SIMPLEF Thuật toán ban đầu theo phương pháp SIMPLE;

SIMPLEN Thuật toán nâng cao theo phương pháp SIMPLE;

TL-39 Buồng tập lái máy bay L-39;

TLKT Tài liệu kỹ thuật;

Visual C++ Phần mềm Visual C++ (Visual Studio of Microsolf);

ЦАГИ Đại học hàng không quốc gia (Центральный

Авиационный Государственный Институт);

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số bảng Tên gọi Trang

Bảng 2.1 Hệ số lực nâng Cy của máy bay L-39 xác định bằng các

phương pháp XRR, Ansys và từ TLKT với chế độ bay

thẳng

47

Bảng 2.2 Chênh lệch hệ số lực nâng Cy giữa các phương pháp

XRR(2), Ansys(4) so với TLKT(6) ở chế độ bay thẳng

48

Bảng 3.1 Chênh lệch hệ số lực nâng Cy giữa các phương pháp

trong khoảng tuyến tính của đồ thị đặc tính ở chế độ cất,

Bảng 4.2 Tương quan góc lệch cánh lái hướng δH với góc trượt

cạnh β để cân bằng mô men My(β) do gió cạnh gây ra

80

Bảng 4.3 Tương quan góc lệch cánh lái liệng δL với góc trượt cạnh

β để cân bằng mô men Mx(β) do gió cạnh gây ra

81

Bảng 4.4 Sự thay đổi hệ số lực nâng theo trượt cạnh 83 Bảng 4.5 Góc trượt cạnh tới hạn theo vận tốc hạ cánh 86 Bảng 4.6 Các đặc tính khí động Cy, Cx theo góc tấn α 92

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hình Tên gọi hình vẽ, đồ thị Trang

Hình 1.1 Xác định góc gió thổi δ và góc trượt cạnh β 9 Hình 1.2 Dòng chảy không đồng nhất trong mặt phẳng máy nén

được cảm ứng bởi dòng chảy có gió cạnh 12 Hình 1.3 Ảnh hưởng của gió cạnh đến dòng chảy qua quạt gió 12 Hình 1.4 Vết xoáy sau máy bay, (khi α=10o, β=10o) 14 Hình 1.5 Đồ thị xác định nhiệt độ trong ống khí động 25 Hình 1.6 Sự lệch nhau giữa các hệ số lực nâng lớn nhất trong ống

khí động với hệ số lực nâng lớn nhất khi bay thử 26 Hình 2.1 Sơ đồ minh họa xoáy rời rạc phi tuyến của cánh phẳng đơn 29 Hình 2.2 Sơ đồ phối trí máy bay có cấu hình không gian phức tạp 31 Hình 2.3 Sơ đồ xoáy ghép nối tứ giác ngoài không tiếp giáp và tứ

Hình 2.4 Sơ đồ xoáy ghép nối các tứ giác kiểu phân đoạn 33 Hình 2.5 Mô hình máy bay với cấu hình bay thẳng 37 Hình 2.6 Mô tả mô hình toán mặt nâng cơ sở 37 Hình 2.7 Tiết diện và mô hình thân máy bay L-39 42 Hình 2.8 Hình dạng profil cánh nâng và đuôi máy bay L-39 42 Hình 2.9 Xây dựng mô hình máy bay L-39 bằng Ansys 43 Hình 2.10. Chia lưới miền tính toán bao quanh máy bay L-39

Hình 3.3 Xác định véc tơ chỉ phương của pháp tuyến các đoạn xoáy

Hình 3.5 Mô hình máy bay với cấu hình cánh tà thả 44o 66

Hình 3.7 Mô hình càng máy bay ở vị trí thả xây dựng bằng XRR 68 Hình 3.8 Mô hình máy bay L39 với cấu hình hạ cánh xây dựng

Hình 3.9 Mô hình máy bay L39 với cấu hình hạ cánh bằng Ansys 69 Hình 3.10 Trường vận tốc dòng chảy bao máy bay L-39 xác định

bằng phương pháp XRR khi α=10o, β=0o 69 Hình 3.11 Trường vận tốc dòng chảy bao máy bay L-39 xác định

bằng phần mềm Ansys khi α=10o, β=0o 70 Hình 3.12 Đồ thị hệ số Cy=f(α) khi hạ cánh với vị trí cánh tà 25o và

hình càng thả, cánh tà 44o trong trường hợp α=10o, β=15o 74 Hình 4.4 Đồ thị các hệ số lực cản Cx theo góc trượt cạnh  76 Hình 4.5 Đồ thị các hệ số lực nâng Cy theo góc trượt cạnh  76 Hình 4.6 Đồ thị hệ số lực cạnh Cz theo góc trượt cạnh  76 Hình 4.7 Đồ thị hệ số mô men mx theo góc trượt cạnh  76 Hình 4.8 Đồ thị hệ số mô men hướng my theo góc trượt cạnh  77

Hình 4.9 Đồ thị hệ số mô men chúc ngóc mz theo góc trượt cạnh  77 Hình 4.10 Sự thay đổi vị trí tiêu điểm khí động xF và zF theo trục

0x và 0z khi góc trượt cạnh  thay đổi 78 Hình 4.11 Sự biến thiên góc cánh lái hướng δH và cánh lái liệng δL

theo góc trượt cạnh β khi cân bằng mô men My(β) và mô

Hình 4.16 Quĩ đạo hạ cánh của máy bay L-39 khi có trượt cạnh ở

Hình 4.17 Quĩ đạo hạ cánh của máy bay L-39 khi có trượt cạnh ở

Hình 4.18 Hạ cánh với góc trượt cạnh và nghiêng cánh 96

MỞ ĐẦU Chất lượng bay không những phụ thuộc vào đặc tính khí động của bản thân máy bay mà còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như tác động điều khiển,

sự nhiễu động của môi trường bên ngoài như nhiệt độ, áp suất, nhiễu động không khí v.v

Gió cạnh cũng là một dạng nhiễu làm lệch dòng không khí, biến đổi dòng chảy bao đối xứng quanh máy bay thành dòng phi đối xứng, nên việc tính toán xác định các đặc tính khí động (ĐTKĐ) cũng mất tính đối xứng, tức

là cần thiết phải tính toán cụ thể cho toàn bộ các bộ phận của máy bay mặc dù máy bay thông thường có hình dạng là đối xứng

Trong hoạt động bay thì quá trình hạ cánh bao gồm những giai đoạn bay diễn ra ở độ cao thấp và ở vùng tốc độ nhỏ Đây là những giai đoạn mà các ĐTKĐ của máy bay chịu ảnh hưởng rõ rệt của gió cạnh - một dạng nhiễu xảy ra một cách ngẫu nhiên và khó lường trước nên dễ gây ra tai nạn bay

Một số hình ảnh gió cạnh làm nghiêng và lệch hướng máy bay

Theo thống kê an toàn bay thì có đến khoảng 85% sự cố và tai nạn bay xảy ra liên quan đến gió cạnh khi hạ cánh [65]

Ở Việt Nam chưa quan tâm 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

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 kế chế tạo, khai thác sử dụng máy bay, trong việc lập chương trình điều khiển máy bay một cách chính xác, hiệu quả Mục đích của việc nghiên cứu vấn đề đặt ra là xem xét mức độ ảnh hưởng của gió cạnh đến các ĐTKĐ của máy bay trong quá trình hạ cánh ở vùng tốc độ nhỏ

Để đạt được mục đích đó cần thực hiện các nội dung sau:

1- Xây dựng mô hình toán máy bay theo sơ đồ không gian với cấu hình cất, hạ cánh trong dòng chảy bao dừng, phi đối xứng

2- Xây dựng phương 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) 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, phi 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

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 kiện hiện nay chúng ta hầu như không thể tổ chức thử nghiệm kiểm tra ảnh hưởng của gió cạnh trong OKĐ được vì các OKĐ hiện

có ở Việt Nam không đáp ứng được tất cả yêu cầu của thử nghiệm (trong đó khó khăn nhất là phải đảm bảo các điều kiện về đồng dạng dòng chảy có liên quan đến tính nén, tính nhớt động của dòng chảy bao mô hình)

Việc tổ chức bay thử nghiệm thực tế cũng khó thực hiện vì sẽ rất tốn kém, gặp khó khăn khi đo, thiếu chính xác và khó đảm bảo an toàn 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 và thực hiện đề tài của luận án là việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu phù hợp

và khắc phục được khó khăn về thực nghiệm đã đề cập

Khi sử dụng hai phương pháp có cách tiếp cận khác nhau, (hai phương pháp đã được xác định là có đủ độ tin cậy), để nghiên cứu cùng một vấn đề và nếu kết quả của chúng về vấn đề nghiên cứu là gần nhau (sai lệch tính toán giữa hai phương pháp <15 %) thì kết quả đó có thể tin cậy được

Trong luận án này sẽ sử dụng hai phương pháp số độc lập có bản chất

rõ ràng, có độ tin cậy và thường được 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

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 vùng tốc độ nhỏ khi hạ cánh có gió cạnh bằng việc thực hiện đồng thời

hai phương pháp số: Đó là phương pháp xoáy rời rạc (XRR) và phương pháp

sử dụng phần mềm Ansys Tính hội tụ kết quả tính toán bằng hai phương pháp

phản ánh độ tin cậy của kết quả nghiên cứu đạt được

Luận án sẽ dùng mô hình số đã được xây dựng để xác định ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay với cấu hình cất, hạ cánh và thực hiện việc kiểm định kết quả nghiên cứu bằng cách so sánh một số kết quả tính toán thu được với các số liệu có trong tài liệu kỹ thuật (TLKT) của máy bay

Kết cấu của luận án bao gồm mở đầu, 4 chương, kết luận (gồm 100 trang, 9 bảng, 48 hình vẽ - đồ thị), tài liệu tham khảo và các phụ lục

Chương 1: Giới thiệu Tổng quan vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của gió

cạnh đến ĐTKĐ của máy bay trong quá trình hạ cánh ở vùng tốc độ nhỏ Các phương 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

Chương 2: Trình bày mô hình toán xác định ĐTKĐ của máy bay

Trong đó nêu những nội dung chính sau:

- Mô hình tính toán theo sơ đồ cánh phẳng đơn; mô hình toán xây dựng bằng phương pháp XRR cho máy bay có cấu hình không gian phức tạp

- Các nội dung, thuật toán cơ bản sử dụng trong phần mềm Ansys Xây dựng mô hình bài toán xác định ĐTKĐ của máy bay bằng phần mềm Ansys

- Phương pháp nghiên cứu và đánh giá các kết quả xác định ĐTKĐ của máy bay nhận được bằng hai phương pháp nêu trên Khẳng định tính khách quan của phương pháp nghiên cứu đã lựa chọn

Chương 3: Trình bày về xây dựng mô hình bài toán xác định ĐTKĐ

của máy bay với cấu hình cất, hạ cánh Trong đó đề cập đến việc:

- Xây dựng mô hình không gian bài toán chảy bao cánh nâng cơ sở có tính đến trượt cạnh bằng phương pháp XRR Xây dựng mô hình bài toán xác định ĐTKĐ của máy bay với cấu hình cất, hạ cánh bằng phương pháp XRR (luận án sử dụng mô hình toán của các tác giả đi trước, có sự phát triển và bổ sung thêm các nội dung mới) và bằng phần mềm Ansys

- Khảo sát các ĐTKĐ của máy bay L-39 khi hạ cánh bằng các mô hình toán đã được xây dựng bằng hai phương pháp đã nêu So sánh một số kết quả tính toán thu được với các số liệu theo TLKT của máy bay L-39 Những kết luận rút ra về khả năng sử dụng đồng thời hai phương pháp số để thực hiện đề tài nghiên cứu

Chương 4: Nội dung chủ yếu là nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh

đến ĐTKĐ máy bay khi hạ cánh, ngoài ra còn thực hiện các nội dung:

- Xây dựng mối liên hệ cân bằng giữa các góc lệch điều khiển cánh lái hướng và cánh lái liệng với góc trượt cạnh

- Xác định miền tốc độ an toàn khi máy bay hạ cánh có trượt cạnh

- Khảo sát quĩ đạo hạ cánh có trượt cạnh và các biện pháp khắc phục ảnh hưởng của gió cạnh khi hạ cánh

Những đóng góp mới của luận án

1- Phát triển tiếp mô hình không gian cho cánh nâng cơ sở bằng phương pháp xoáy rời rạc

2- Khẳng định gió cạnh có ảnh hưởng đến các đặc tính khí động của máy bay Đưa ra khái niệm góc trượt cạnh tới hạn và khuyến cáo là sẽ tiềm ẩn nguy hiểm khi góc trượt cạnh lớn hơn góc trượt cạnh tới hạn

Khẳng định khi vận tốc bay giảm thì góc trượt cạnh tới hạn cũng giảm theo

3- Bổ sung thêm các đặc tính khí động của máy bay khi có ảnh hưởng của gió cạnh bằng phương pháp số bên cạnh các số liệu bay thực nghiệm Các kết quả tính toán, các biện pháp đề xuất, một số kết luận rút ra, các phụ lục v.v là những số liệu đủ tin cậy và có thể được sử dụng như tài liệu hướng dẫn, tham khảo

4 - Về mặt phương pháp: Đề xuất phương pháp tiếp cận nghiên cứu và

xác định độ tin cậy kết quả nghiên cứu bằng việc sử dụng hai phương pháp số

có bản chất rõ ràng, độc lập kết hợp với việc so sánh một số kết quả tính toán thu được với các số liệu có trong TLKT để đánh giá một vấn đề về khí động

học của máy bay khi không có điều kiện áp dụng phương pháp thử nghiệm truyền thống

Ý nghĩa khoa học của luận án

Khảo sát một bước sâu hơn về ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay ở vùng tốc độ nhỏ và khẳng định: đối với một vận tốc bay nhất định luôn luôn tồn tại một góc trượt cạnh tới hạn mà khi góc trượt cạnh của dòng chảy bao vượt quá giá trị tới hạn thì sẽ tiềm ẩn nguy hiểm Kết quả nghiên cứu là một trong những cơ sở xem xét vấn đề an toàn bay trong quá trình hạ cánh

Luận án đưa ra phương pháp xác định sự đồng dạng giữa dòng chảy bao mô hình trong OKĐ với dòng chảy bao khi bay thử máy bay trong điều kiện thực ở vùng tốc độ nhỏ có tính đến đồng thời tính nén và tính nhớt của dòng khí

Chỉ ra sự bất cập khi sử dụng phương pháp thử nghiệm trong OKĐ ở vùng tốc độ nhỏ trong điều kiện Việt Nam, đề xuất phương pháp nghiên cứu

về khí động học góp phần giảm bớt khó khăn khi thử nghiệm thực tế

Ý nghĩa thực tiễn của luận án

Phát triển thêm các chương trình tính toán làm công cụ trợ giúp khi nghiên cứu các tác động của gió cạnh lên máy bay trong các giai đoạn bay Là công cụ góp phần đắc lực cho việc lựa chọn thiết kế hiệu quả các chi tiết có ảnh hưởng đến khí động học của máy bay

Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của gió cạnh là cơ sở để xây dựng thêm các nội dung, chương trình đối với các giai đoạn chuẩn bị bay, đối với buồng tập lái và khi soạn thảo các bài bay huấn luyện trong giai đoạn cất, hạ cánh có gió cạnh v.v., qua đó góp phần đảm bảo an toàn bay

Đề xuất một số biện pháp xử lý khi hạ cánh có gió cạnh nguy hiểm Chỉ

ra được miền tốc độ an toàn cho máy bay L-39 khi hạ cánh có trượt cạnh Góp phần mở rộng kiến thức về ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay, nâng cao khả năng khai thác sử dụng có hiệu quả các loại vũ khí kỹ thuật Góp phần mở rộng kiến thức về các phần mềm chuyên dụng và sử dụng chúng như một công cụ hữu ích, có độ tin cậy cao, chi phí thấp, nhanh chóng, hiệu quả và có tính bảo mật cao

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ 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 theo hướng vuông góc với hướng chuyển động của dòng khí) Vì vậy ở trong vùng vận tốc lớn khi tính toán và khảo sát có thể bỏ qua thành phần khuyếch tán

Đối với chuyển động ở vận tốc nhỏ độ biến thiên đối lưu của vận tốc là không lớn và trong tính toán cần phải tính đến độ biến thiên khuyếch tán của vận tốc, tức là phải tính đến ảnh hưởng của lực nhớt động Như vậy khái niệm

"vận tốc nhỏ" ở đây được hiểu là những trường hợp mà lực nhớt động không thể bỏ qua trong quá trình nghiên cứu, tính toán khí động đối với một đối tượng cụ thể

Thực nghiệm [61] trong OKĐ đã chỉ ra rằng ở các vận tốc khoảng dưới

12 m/s dòng chảy qua mô hình thí nghiệm đã thể hiện sự không ổn định Sự không ổn định này tăng lên khi dòng chảy không đối xứng (có trượt cạnh) Gió cạnh là một trong những tác nhân làm cho dòng chảy bao không đối xứng Cường độ gió phụ thuộc vào độ chênh áp giữa các miền, vào địa hình mà nó đi qua [78, 79, 90] Cường độ và hướng của gió thay đổi theo thời gian, không có qui luật rõ ràng, khó mô phỏng được chính xác Mức độ ảnh hưởng của gió cạnh phụ thuộc vào các yếu tố hình dạng, kích thước và vào vận tốc V của máy bay; vào vận tốc W và góc thổi δ của gió cạnh, hình 1.1

Hình 1.1

Xác định góc gió thổi δ và góc trượt cạnh β

Gió cạnh tham gia phân bố lại áp suất trên cánh, làm mất tính đối xứng của dòng chảy bao, làm thay đổi cấu trúc lớp biên ở một số vị trí từ chảy tầng sang chảy rối và thúc 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 ở nước ngoài

Nghiên cứu các hiện tượng khí động lực học của dòng chảy bao ở vận tốc nhỏ đã được quan tâm khá sớm ở thế kỷ trước Năm 1937, nhà nghiên cứu khí động lực A.П Ковалев của Nga đã thực hiện nhiều lần thí nghiệm trong OKĐ và phát hiện thấy lực cản tăng lên rất ít ở vùng vận tốc nhỏ nhưng không rõ nguyên nhân Từ năm 1939-1940 cho đến đầu những năm 70 vấn đề này được nhiều nhà khí động lực học nghiên cứu và đã đạt được những kết quả nhất định về các đặc trưng dòng chảy ở vận tốc nhỏ [18, 25, 37, 41, 50,

61, 88, 89] Một trong những người có nhiều đóng góp cho sự nghiên cứu về khí động học vận tốc nhỏ phát triển đó là nhà khoa học người Đức F.W Schmitz [61, 88, 89] Ông đã nghiên cứu và sớm phát hiện ra sự rối của dòng chảy trong ống thổi có ảnh hưởng đáng kể đến các hệ số khí động

F.W Schmitz đã thực hiện các thí nghiệm trong OKĐ đối với nhiều mô hình khác nhau trong dòng chảy có các vận tốc nhỏ dần (trong khoảng 30-50 m/s đến 4-12 m/s) để xác định điểm giới hạn mà tại đó dòng chảy bao không còn ổn định F.W Schmitz chỉ ra kết quả đo lực và các tham số trong OKĐ phụ thuộc rất nhiều vào mô hình thử nghiệm, vào đặc trưng dòng chảy trong OKĐ cũng như vào độ chính xác của thiết bị đo, vì lực khí động tác động lên

mô hình ở các vận tốc trên rất nhỏ Ông cũng chỉ ra kết quả đo còn phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường (ngày nóng, ngày lạnh)

Trong giai đoạn này các nội dung nghiên cứu có liên quan đến vùng vận tốc nhỏ là nghiên cứu lý thuyết [18, 25, 50] và thực nghiệm [37, 41, 61]

về khí động học; tìm các giải pháp làm giảm sự chảy rối trong OKĐ [61]; đề xuất phương pháp lựa chọn hình dạng profil cánh cho các thiết bị quạt gió, cho cánh mô hình máy bay ở các số Re nhỏ [18, 61, 88, 89] v.v

Từ cuối những năm 70 thế kỷ trước trở lại đây là thời kỳ phát triển mạnh mẽ về khí động học và động lực học của máy bay vượt âm Tuy nhiên cũng có nhiều công trình nghiên cứu về dòng chảy bao có vận tốc dưới âm như [26, 27, 32, 38, 42, 44, 46, 48, 54, 56, 58, 75, 84] Trong các công trình này đã trình bày kết quả nghiên cứu cho dòng nén được và không nén được ở vùng có số Re tương đối lớn, có thể bỏ qua ảnh hưởng của lực nhớt động Trong các công trình nghiên cứu được công bố thì phần lớn chưa quan tâm đến khoảng vận tốc nhỏ, có số Re thấp, vì thế khó tìm được kết quả hay một

đồ thị nói về ĐTKĐ ở vùng vận tốc nhỏ mà luận án quan tâm, khi mà ảnh hưởng của lực nhớt động đến dòng chảy bao không thể bỏ qua, thí dụ trong [20, 25÷29, 48, 58] khó có thể tìm được đồ thị miêu tả kết quả tính toán cho khoảng vận tốc với số M trong khoảng (0÷0,2)

Qua nghiên cứu các tài liệu đã được công bố cho thấy ở vùng vận tốc nhỏ, đặc biệt khi các máy bay bắt đầu chuyển động hoặc kết thúc chuyển

động có vận tốc nhỏ, thì các ĐTKĐ của chúng nói chung còn cần được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn

Một trong những tồn tại của phần lớn các công trình đã công bố là thường coi dòng chảy bao ở vận tốc nhỏ là dòng khí lý tưởng, bỏ qua tính nén hoặc tính nhớt của dòng khí thực khi nghiên cứu tính toán Một số công trình khác có quan tâm đến ảnh hưởng của tính nén hoặc tính nhớt nhưng cũng chỉ

đề cập một cách riêng biệt mà thiếu sự nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của tính nén và tính nhớt của dòng chảy đến ĐTKĐ của máy bay Từ đó cho thấy vấn đề khí động học ở vùng vận tốc nhỏ (đặc biệt là ở trong các OKĐ) cũng cần được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn, đầy đủ hơn để các kết quả nghiên cứu có đủ độ tin cậy

Nội dung tiếp theo mà luận án quan tâm giải quyết đó là ảnh hưởng của gió cạnh đến các ĐTKĐ của máy bay khi hoạt động ở vùng vận tốc nhỏ

Gió cạnh nói riêng, gió bão nói chung là một trong những tác nhân gây

ra hiểm họa cho môi trường, các công trình xây dựng, hoạt động của các phương tiện và sự an toàn của con người Việc nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh đến hoạt động bay của máy bay đã được quan tâm, chú ý trên thế giới Những năm 70 của thế kỷ trước trở lại đây đã có nhiều công trình nghiên cứu được công bố về ảnh hưởng tiêu cực của gió cạnh có cường độ lớn tới các công trình xây dựng [78, 79, 90]; các phương tiện vận chuyển [70, 74,

83, 86, 87] và tới các máy bay [52, 60, 65, 93] v.v

Các công trình nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ đã được công bố chủ yếu là nghiên cứu về tác động của dòng chảy bao có trượt cạnh đối với cánh nâng mỏng và đối với thân dạng tròn

Trong các công trình nghiên cứu về cánh nâng đáng chú ý là các công trình nghiên cứu của Белоцерковский C.M [24÷29] Dựa trên lý thuyết lực nâng của Жуковский, Белоцерковский C.M đã xây dựng phương pháp số,

phương pháp XRR, để tính toán ĐTKĐ của cánh nâng mỏng cho dòng dừng

và không dừng Tuy nhiên với giả thuyết dòng chảy bao là khí lý tưởng, bỏ qua tính nén, tính nhớt của khí thực

Việc khảo sát dòng chảy bao đối với thân tròn cũng được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu như các công trình [36, 60, 63,

71, 73] Trong công trình nghiên cứu [60], tác giả Чернов Г.Ф đã đề cập đến

sự phụ thuộc của cấu trúc xoáy vào hình dạng, vị trí hình thành và cường độ xoáy khi dòng chảy bao qua 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, của quạt đuôi trực thăng, hình 1.2 và 1.3

Hình 1.2

Dòng chảy không đồng nhất trong

mặt phẳng máy nén được cảm ứng

bởi dòng chảy có gió cạnh

Hình 1.3 Ảnh hưởng của gió cạnh đến

dòng chảy qua quạt gió a)- Lực nâng đối xứng khi không có gió cạnh (W=0)

b)- Sự xuất hiện lực cản và mô men khi

có mặt của gió cạnh (W>0)

Tuy vậy trong các công trình đã nêu các tác giả chưa quan tâm đến ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay mà chủ yếu tập trung giải quyết vấn đề gió cạnh làm thay đổi quĩ đạo bay, các phương pháp khắc phục

Khó khăn của luận án là khó có thể tiếp cận được các tài liệu có liên quan đến việc nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay ở vùng vận tốc nhỏ Nghiên cứu tìm hiểu qua mạng Internet(*) thì kết quả thu được hầu hết đề cập đến ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ và sự chuyển động của các phương tiện di chuyển trên mặt đất với vận tốc cao, đến các công trình xây dựng như tháp truyền hình, cầu treo dây văng v.v

Đối với kỹ thuật hàng không các kết quả được công bố trên mạng chủ yếu là trình bày về nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh đến quĩ đạo bay, về kỹ thuật lái (thuộc động lực học bay) như [30, 31, 33, 37, 39÷41, 45, 47÷50] v.v

Một điều thực tế là ở các nước, các công ty phát triển về kỹ thuật hàng không thì vấn đề ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay ở vùng vận tốc nhỏ đã được nghiên cứu kỹ Các kết quả nghiên cứu là tài sản trí tuệ, bí mật của các nước, của các công ty nên chúng không được công bố rộng rãi

Vì thế mà việc tiếp cận các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của gió cạnh tới ĐTKĐ của máy bay ở vùng vận tốc nhỏ là rất khó khăn Ngay cả trong tài liệu thuyết minh kỹ thuật, hướng dẫn sử dụng các loại máy bay [17, 30, 59] cũng chỉ đưa ra giới hạn “Vận tốc gió cạnh lớn nhất cho phép” mà không có một đồ thị đặc tính nào có liên quan đến gió cạnh khi hạ cánh được trình bày

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Trong nước đã có một số công trình như [3], [14] có quan tâm đến ảnh hưởng của gió cạnh đến vết xoáy sau máy bay, hình 1.4

Một số công trình đã xây dựng được phần mềm tính toán cho mô hình máy bay cụ thể (có kích thước hình học xác định) dưới dạng một tập hợp các

-

(

* ) Từ khóa: боковой ветер, аэродинамический характер, малая скорость, влияние

бокового ветра, посадки при боковом ветре (crosswind, aerodynamic characteristics, small velocity, influences of crosswind, crosswind landings )

mặt nâng gần sát thực hơn trên cơ sở phương pháp XRR phi tuyến Trong công trình [14] đã sử dụng phương

pháp XRR để mô phỏng mô hình

không gian phức tạp, có trình bày

ảnh hưởng của dòng chảy bao

không đối xứng đến cấu trúc xoáy

Tuy nhiên trong các công trình này

vấn đề ảnh hưởng của gió cạnh đến

ĐTKĐ đều chưa được đặt ra như

một đề tài nghiên cứu

Xem xét tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay khi hạ cánh ở vùng vận tốc nhỏ ở trên thế giới và trong nước có thể rút ra một số nhận xét sau:

- Các công trình đã công bố trên thế giới chủ yếu chỉ quan tâm đến sự thay đổi quĩ đạo khi có gió cạnh mà chưa quan tâm đến ảnh hưởng của nó đến ĐTKĐ của máy bay

- Việc nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh luôn luôn gắn với một đối tượng bay cụ thể mà không có tính tổng quát chung cho mọi máy bay

- Phần lớn các tính toán, thí nghiệm ở trong nước được thực hiện chủ yếu cho dòng chảy bao đối xứng với cấu hình bay thẳng Chưa có công trình nào đề cập đến việc tính toán ĐTKĐ của máy bay khi có mặt của gió cạnh và cho cấu hình cất, hạ cánh

1.3 Tổng quan các phương pháp xác định đặc tính khí động của máy bay

Kỹ thuật hàng không càng ngày càng phát triển làm cho việc nghiên cứu ĐTKĐ của máy bay càng ngày càng có vai trò quan trọng Nhiều phương pháp xác định ĐTKĐ của máy bay đã được nghiên cứu, phát triển và có thể phân chia chúng thành 3 dạng chính:

Hình 1.4

mà phải thực hiện bằng các phương pháp khác: phương pháp thử nghiệm và phương pháp số

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu thử nghiệm

Phương pháp nghiên cứu thử nghiệm xác định ĐTKĐ của máy bay là

phương pháp nghiên cứu được thực hiện bằng cách trực tiếp tiến hành thử nghiệm trên máy bay thực hoặc thử nghiệm mô hình trong OKĐ Ở đây ta quan tâm chủ yếu đến thử nghiệm trên mô hình trong OKĐ

Có nhiều dạng OKĐ khác nhau dùng để xác định ĐTKĐ của máy bay

như dưới âm, cận âm, vượt âm, dạng kín, dạng mở, dạng lạnh v.v [84] Tùy

thuộc vào tính chất và yêu cầu thử nghiệm mà lựa chọn dạng OKĐ để thử nghiệm cho phù hợp Theo đặc trưng thử nghiệm mà các OKĐ được trang bị những trang thiết bị thử nghiệm riêng, thí dụ trong OKĐ lạnh ngoài các phương tiện đo còn cần phải có hệ thống làm lạnh cho môi chất chảy bao như Ni-tơ, không khí và đảm bảo các OKĐ lạnh có khả năng thay đổi áp suất,

nhiệt độ dòng chảy bao như ống thổi lạnh NASA Langley R.C 8.2x8.2ft National Transonic Facility của Mỹ, hoặc dạng ống thổi lạnh European Transonic Wind tunnel của Đức, Anh, Pháp [84] v.v Phương pháp nghiên

cứu thử nghiệm cho ta những kết quả gần với điều kiện thực nên kết quả thử nghiệm thường đóng vai trò quyết định, có ảnh hưởng lớn đến các vấn đề lý thuyết có liên quan

Nhiều công trình nghiên cứu đã sử dụng phương pháp thử nghiệm xác định các ĐTKĐ để kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết như [12, 14, 23, 33,

52, 59, 64, 68, 89] Tuy nhiên trong các công trình này không nêu cụ thể việc đảm bảo các điều kiện đồng dạng giữa dòng chảy bao máy bay khi bay thử và dòng chảy bao mô hình khi thử nghiệm trong OKĐ

Sử dụng phương pháp thử nghiệm đòi hỏi nhiều công sức, chi phí trong việc tạo ra máy bay thực, mô hình thí nghiệm cũng như công tác đảm bảo các điều kiện tương đồng giữa thử nghiệm với lý thuyết và điều kiện thực tế Việc thử nghiệm trong OKĐ thường gặp khó khăn trong việc đảm bảo

sự đồng dạng về hình học [84] giữa mô hình và vật thật (có thể đảm bảo được

tỷ lệ đồng dạng về kích thước nhưng khó đảm bảo được tỷ lệ hình học về độ nhám bề mặt, khe hở; trong khi lý thuyết thường coi bề mặt chảy bao là trơn nhẵn tuyệt đối thì thực tế ta rất khó để đạt được một mô hình thực như vậy; khi lý thuyết bỏ qua ảnh hưởng của tính nhớt đến dòng chảy thì trong thực tế vẫn hiện hữu v.v.) Vì vậy rất khó để có thể tránh khỏi có sự sai lệch giữa kết quả nghiên cứu và kết quả thử nghiệm

Độ chính xác khi thử nghiệm dễ bị ảnh hưởng do có sai số của thiết bị

đo, sai số khi đọc số liệu, ảnh hưởng do có các lỗ đo áp suất, các vị trí có đồ

gá cố định, các đường dây dẫn điện, các đường ống dẫn các tín hiệu đo, ảnh hưởng hiệu ứng tường bao của OKĐ đến kết quả đo v.v

Sử dụng phương pháp thử nghiệm còn có những hạn chế khác như khó

tổ chức thực hiện (điều kiện thử nghiệm trong nhiều trường hợp khó đảm bảo như tạo ra môi trường cao không, tạo ra các điều kiện đảm bảo một số hệ số đồng dạng như M, Re, cần trang thiết bị thử nghiệm chuyên dùng ), tốn kém

về công sức, thời gian, không gian và chi phí cho duy trì, bảo dưỡng và cho thử nghiệm lớn v.v

1.3.3 Xác định đặc tính khí động của máy bay bằng phương pháp số

Việc rời rạc hóa các phương trình chuyển động để giải gần đúng các bài

toán khí động học được gọi là phương pháp số, hay còn gọi là các phương pháp tính toán Các phương pháp tính toán là những phương pháp nghiên cứu

dựa trên mô hình vật lý để thiết lập mô hình toán học và sử dụng máy tính để tính toán Ưu điểm của chúng là tốn ít thời gian, chi phí và có khả năng mô phỏng các điều kiện thực tế phức tạp Các phương pháp tính toán có thể chia

thành hai dạng: phương pháp tính toán cổ điển và phương pháp động lực học dòng chảy tính toán (CFD)

1.3.3.1 Các phương pháp tính toán cổ điển:

Có hai phương pháp tính toán cổ điển được sử dụng khá hiệu quả là phương pháp panel và phương pháp XRR

* Phương pháp panel là phương pháp coi dòng chảy là không xoáy và

không nén được Phương pháp này phù hợp với điều kiện là dòng không nhớt

và có vận tốc nhỏ, khi đó phương trình Laplace mô tả chính xác dòng chảy bao Đặc tính quan trọng của phương trình Laplace là cho phép mô tả trường dòng 3 chiều trên toàn miền thành hai chiều Tìm lời giải cho trường dòng bằng cách chia bề mặt khảo sát thành các “panel” và giải hệ phương trình đại

số tuyến tính để xác định cường độ trên bề mặt tại các “panel” đó Nhiều công trình nghiên cứu đã sử dụng phương pháp panel để tính toán [38, 42, 44, 82]

* Phương pháp XRR, tương tự như phương pháp panel, cũng dựa trên

lời giải của phương trình Laplace và có các giả thiết, các giới hạn giống như phương pháp panel Một số điểm khác biệt của phương pháp XRR so với phương pháp panel là các điểm kỳ dị không được phân bố trên toàn bộ bề

mặt; trong tính toán thường bỏ qua độ dày của mặt nâng, giả thiết dòng chảy

có cả xoáy v.v

Bản chất của phương pháp XRR này là thay thế cánh bằng một màn xoáy gồm các đoạn xoáy liên kết trên cánh và các đoạn xoáy tự do ngoài cánh sao cho sự tác động của màn xoáy đối với môi trường xung quanh giống như

sự tác động của cánh đối với môi trường Tại mỗi thời điểm cường độ của mỗi đoạn xoáy này coi như không đổi Cường độ của các đoạn xoáy ngang trên cánh được xác định nhờ các điều kiện:

- Điều kiện không chảy thấu qua bề mặt cánh (tổng thành phần pháp tuyến của vận tốc dòng khí ở trên bề mặt cánh bằng không)

- Màn xoáy tự do phải trượt khỏi cánh theo phương pháp tuyến với

mép cánh (giả thuyết Чаплыгин-Жуковский)

- Điều kiện bảo toàn lưu số vận tốc theo một chu tuyến kín quanh một phần tử tại một thiết diện bất kỳ

- Thỏa mãn các điều kiện ban đầu

Sau khi rời rạc hóa sẽ qui về việc giải hệ phương trình đại số tuyến tính

để xác định cường độ của các đoạn xoáy ngang trên cánh Khi biết các cường

độ của các đoạn xoáy ngang trên cánh có thể xác định được cường độ của các đoạn xoáy dọc trên cánh và cường độ các đoạn xoáy tự do ngoài cánh Từ đó

theo công thức Bio-Savar và tích phân Cauchy-Lagrange sẽ xác định được sự

phân bố vận tốc, áp suất, phân bố tải trên cánh và có thể xác định được các ĐTKĐ của cánh máy bay

Phương pháp XRR là phương pháp thường được các nhà nghiên cứu khí động lực học trong và ngoài nước sử dụng Đây là một trong những phương pháp có thuật toán đơn giản, độ tin cậy tính toán tương đối cao, có vận tốc tính toán nhanh và có thể tính toán được cả trường vận tốc lân cận

vùng khảo sát Phần lớn các công trình nghiên cứu khí động học đã công bố

từ trước đến nay đều sử dụng phương pháp XRR [3, 12, 14, 29, 51, 53÷56] Tuy nhiên phương pháp XRR cũng có những hạn chế lớn, đầu tiên phải

kể đến là sử dụng phương pháp XRR khó mô phỏng những cấu hình phức tạp việc phân vùng, phân chia dây xoáy để rời rạc hóa khá công phu và gây ra những sai lệch nhất định; phải áp dụng một số giả thiết để đơn giản hóa bài toán như thường bỏ qua độ nhớt không khí; bỏ qua yếu tố thể tích khi mô phỏng; chỉ giới hạn tính toán trong vùng vận tốc nhất định; không thể tiếp cận được tất cả các điều kiện biên phức tạp…, nên kết quả không thể hiện sát với điều kiện thực Một số tham số chưa có kết quả tính toán khả quan (như xác định lực cản chính diện, tính toán và xác định vị trí tách dòng, chưa giải quyết được các vấn đề về ảnh hưởng của tính nhớt đến dòng chảy bao v.v.)

1.3.3.2 Các phương pháp động lực học dòng chảy tính toán

Phương pháp động lực học dòng chảy tính toán là việc giải số trực tiếp các phương trình đạo hàm riêng mô tả chuyển động của chất lỏng nhằm tìm các giá trị trường dòng đồng thời tại mọi điểm Trong động lực học dòng chảy

tính toán, hệ phương trình Navier-Stokes miêu tả sự biến thiên động lượng

của dòng chảy trong những thể tích vô cùng nhỏ của chất lỏng, đó là tổng của các lực nhớt tiêu tán (ma sát), biến đổi áp suất, trọng lực và các lực khác tác

động lên chất lỏng theo định luật 2 Newton Những phương trình này được

thiết lập trên cơ sở sự bảo toàn của khối lượng, động lượng, bảo toàn năng lượng và được viết cho một thể tích điều khiển cố định vô cùng bé trong môi trường liên tục theo quan điểm Euler (dòng chất lỏng đi qua thể tích khảo sát)

Hệ phương trình vi phân Navier-Stokes và các mối liên hệ bổ sung

trong nhiều trường hợp không thể giải được bằng phương pháp chính xác mà phải sử dụng bằng phương pháp gần đúng Trong CFD có nhiều phương pháp

giải gần đúng được áp dụng như phương pháp sai phân hữu hạn, phương

pháp phần tử hữu hạn, phương pháp thể tích hữu hạn, phương pháp tích phân biên v.v

Hiện nay trong tính toán khí động học hai phương pháp rời rạc hóa gần

đúng thường được sử dụng bao gồm: phương pháp sai phân hữu hạn [4] và phương pháp thể tích hữu hạn [2]

*Phương pháp sai phân hữu hạn thực hiện xấp xỉ phương trình mô tả

tại một điểm Phương pháp sai phân hữu hạn phù hợp cho lưới có cấu trúc với dạng hình học đơn giản Tuy nhiên phương pháp này không đảm bảo được tính bảo toàn khối lượng, động lượng, năng lượng trên lưới thô; không phù hợp đối với các dạng hình học phức tạp

*Phương pháp thể tích hữu hạn thực hiện xấp xỉ phương trình mô tả

trong một thể tích Các ưu điểm của phương pháp thể tích hữu hạn: Khi kích

cỡ lưới hữu hạn thì dạng phương trình tích phân vẫn thỏa mãn tốt các định luật bảo toàn; dễ xử lý miền hình học phức tạp (do rời rạc hóa tích phân dễ thực hiện hơn) và phù hợp với lời giải không liên tục (sóng kích)

Từ các phương pháp động lực học dòng chảy tính toán người ta đã xây

dựng được các phần mềm tính toán khá thuận tiện và hiệu quả như Digital Datcom [72, 92], Ansys [13, 66, 76], v.v Sau đây là những đặc điểm chủ yếu

của phần mềm Ansys đang được sử dụng khá phổ biến hiện nay

*Phần mềm tính toán Ansys là phần mềm tính toán hiện đại và không

ngừng được phát triển Phần mềm Ansys có khả năng giải quyết các vấn đề

công nghệ (về kết cấu cơ học; nhiệt; khí động học và động lực học chất lỏng;

âm thanh; điện từ trường và đa trường vật lý) và có thể tích hợp với các phần mềm CAD, Solidwork, Inventor v.v

Công ty phần mềm tính toán Ansys, Inc hiện có gần 100 văn phòng đại diện trên thế giới chuyên giới thiệu và chuyển giao sản phẩm Nhiều công ty

đã rất thành công khi sử dụng phần mềm Ansys

Sử dụng phần mềm Ansys trong tính toán có nhiều lợi thế như chi phí thấp, cần ít nhân lực, dễ áp dụng, không cần không gian rộng lớn, dễ tổ chức thực hiện, đảm bảo an toàn, bí mật, nhanh chóng lựa chọn được phương án tối

ưu, dễ tiếp cận được với các thành tựu khoa học và công nghệ thế giới Hiện nay ở trong nước đã có nhiều công trình sử dụng phần mềm thương mại Ansys để giải quyết các bài toán về khí động Tuy nhiên để khai thác sử dụng phần mềm Ansys có hiệu quả đòi hỏi máy tính có cấu hình, vận tốc xử lý cao tương ứng với yêu cầu bài toán cần giải, nhân lực cần được đào tạo và có bản quyền cho phép sử dụng phần mềm tính toán

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các phương pháp động lực học dòng chảy tính toán càng ngày càng được hoàn thiện và càng ngày càng có vai trò quan trọng trong việc mô phỏng dòng chảy bao, trong việc xác định ĐTKĐ của máy bay

1.4 Các nội dung đề tài cần nghiên cứu và phương pháp thực hiện

1.4.1 Các nội dung đề tài cần nghiên cứu

Đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí động của máy bay trong quá trình hạ cánh ” đặt ra những vấn đề cần giải quyết đó là:

- Xây dựng mô hình tính toán và xác định một số ĐTKĐ của máy bay

có tính đến ảnh hưởng của gió cạnh Điểm cần chú ý ở đây là khi xác định ĐTKĐ của máy bay cần quan tâm đến ảnh hưởng đồng thời của góc trượt cạnh và góc tấn Như vậy mô hình tính toán là không đối xứng mặc dù mô hình vật lý là đối xứng

Để khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh tới một số ĐTKĐ cho máy bay

trong quá trình hạ cánh, đề tài nghiên cứu sẽ lựa chọn mô hình máy bay có cấu hình cất, hạ cánh ở vùng vận tốc nhỏ Do số lượng các ĐTKĐ của máy bay khá lớn và việc khảo sát khá phức tạp nên trong khuôn khổ luận án chỉ khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến một số ĐTKĐ chủ yếu của máy bay như