Nghiên cứu nâng cao hiệu suất bay treo của máy bay trực thăng không người lái định hướng phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu nâng cao hiệu suất bay treo máy bay trực thăng không người lái định hướng phun thuốc trừ sâu nông nghiệp DƯƠNG MINH TRUNG Trung.DM212413M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực Giảng viên hướng dẫn: TS Ngơ Ích Long Chữ ký GVHD Trường: Cơ khí HÀ NỘI, 05/2023 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Dương Minh Trung Đề tài luận văn: Nghiên cứu nâng cao hiệu suất bay treo máy bay trực thăng không người lái định hướng phun thuốc trừ sâu nông nghiệp Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số SV: 20212413M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 15/05/2023 với nội dung sau: Bổ sung thông tin điều kiện biên toán Chỉnh sửa lại bố cục luận văn cho mạch lạc làm rõ tính thiết yếu đề tài Hiệu chỉnh lại phương trình chương Đưa thêm thang màu, scale cho kết cho rõ ràng Ngày tháng năm 2023 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Ngơ Ích Long Dương Minh Trung CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Vũ Đình Quý LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Họ tên học viên: Dương Minh Trung Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Hệ: Thạc sĩ khoa học Khóa: 2021B Họ tên giáo viên hướng dẫn: T.S Ngơ Ích Long Tên đề tài: Nghiên cứu nâng cao hiệu suất bay treo máy bay trực thăng không người lái định hướng phun thuốc trừ sâu nông nghiệp Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu dòng chảy qua CCM máy bay trực thăng không người lái định hướng phun thuốc trừ sâu nơng nghiệp, từ đưa hàm tương quan hệ số chất lượng khí động với thông số liên quan Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: Nghiên cứu tổng quan máy bay không người lái; Khảo sát đặc tính khí động ứng xử hiệu suất bay treo, ảnh hưởng nhiều hình dạng thân khác nhau; Xây dựng hàm tương quan tổng quát nhằm dự báo hiệu suất bay treo cách nhanh chóng hiệu Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) T.S Ngơ Ích Long LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực nghiên cứu mình, tơi nhận nhiều giúp đỡ, động viên chia sẻ thầy giáo, gia đình bạn bè Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn đến TS Ngơ Ích Long người hướng dẫn trực tiếp Thầy có định hướng đắn nhiệt tình trao đổi, giải đáp thắc mắc suốt q trình học tập nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc Đại học Bách Khoa Hà Nội, Bộ phận đào tạo Sau đại học, Trường Cơ khí Nhóm chun mơn Kỹ thuật Hàng khơng Vũ trụ, Khoa Cơ khí tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thiện luận văn Tơi xin cảm ơn thành viên nhóm TLS Lab, CAE Lab tập thể lớp PFIEV Aero K61 hỗ trợ tơi suốt q trình nghiên cứu Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân bạn bè động viên, khích lệ tơi để hồn thiện luận văn TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Các phương pháp truyền thống sử dụng để phun thuốc trừ sâu sinh hóa ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người, hệ thống xã hội môi trường sinh thái tự nhiên Do đó, máy bay trực thăng UAV (Máy bay không người lái) coi phương pháp hứa hẹn để giảm thiểu ngăn chặn tác động tiêu cực việc phun thuốc trừ sâu Mục tiêu nghiên cứu nâng cao hiệu bay treo trực thăng UAV với loại thân khác qua thơng số kích thước thân máy bay (Rf/R) khoảng cách thân máy bay CCM (CCM) (Hm/R), R bán kính CCM Phương pháp RANS mơ hình hóa mơ hình rối k-ε sử dụng để mơ dịng chảy qua máy bay trực thăng Mơ hình số đánh giá độ tin cậy cách so sánh với kết thu tài liệu Do đó, hiệu suất bay treo thường gọi hệ số chất lượng bay treo (FM), tăng lên tăng Rf/R giảm Hm/R Một phương trình tương quan hàm nhiều thông số lần đề xuất để dự đoán FM máy bay trực thăng UAV cách nhanh chóng hiệu Kết thu nghiên cứu hữu ích cho việc nâng cao hiệu suất khí động học trực thăng UAV ứng dụng ứng dụng khác nhau, đặc biệt phun thuốc trừ sâu nông nghiệp HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên Dương Minh Trung MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI 1.1 Lịch sử phát triển máy bay trực thăng 1.2 Tình hình phun thuốc trừ sâu tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu luận văn 1.4 Mục đích đề tài (các kết cần đạt được): 1.5 Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.8 Phân loại máy bay không người lái 1.8.1 Máy bay cánh cố định 1.8.2 Máy bay trực thăng khơng người lái chong chóng mang 1.8.3 Máy bay không người lái nhiều rotor 1.9 Yêu cầu đặc biệt máy bay không người lái 1.10 Cấu tạo, nguyên lý phân loại máy bay không người lái 10 Cấu tạo 10 1.10.1 10 1.11 1.10.2 Nguyên lí điều khiển 11 1.10.3 Phân loại 12 Lý thuyết hiệu ứng mặt đất 14 1.11.1 Hiệu ứng mặt đất máy bay cánh 14 1.11.2 Hiệu ứng mặt đất trực thăng chong chóng mang 14 CHƯƠNG LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ CHONG CHĨNG MANG Ở CHẾ ĐỘ BAY TREO 16 2.1 Lý thuyết động lượng chế độ bay treo 16 2.1.1 Dòng chảy qua chong chóng mang chế độ bay treo 16 2.1.2 Các định luật bảo tồn khí động lực học 18 2.1.3 Ứng dụng cho chong chóng mang chế độ bay treo 19 2.2 Các đặc điểm chong chóng mang 30 2.3 Các đặc trưng hình học 31 2.3.1 Đường kính chong chóng mang 31 2.3.2 Hình dạng cánh mặt 31 2.3.3 Profil cánh 32 2.4 2.3.4 Góc đặt phân tố cánh 33 2.3.5 Độ xoắn hình học cánh 34 2.3.6 Độ cứng 35 2.3.7 Diện tích qt chong chóng mang 35 2.3.8 Phụ tải riêng diện tích quét 36 2.3.9 Phần cắt bỏ gốc cánh 37 2.3.10 Momen xoắn 37 2.3.11 Tốc độ mũi cánh giảm tiếng ồn 38 2.3.12 Gia công chế tạo 38 Các chế độ làm việc chủ yếu chong chóng mang 39 2.4.1 Chảy bao dọc trục 39 2.4.2 Chế độ chảy bao nghiêng 40 2.4.3 Góc va chong chóng mang 40 2.5 Hệ số chế độ làm việc chong chóng mang 40 2.6 Các hệ số đặc trưng chế độ bay treo 41 2.7 Mơ hình máy bay hồn chỉnh dựa tính tốn lý thuyết thực nghiệm 42 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN MƠ PHỎNG SỐ CFD 44 3.1 Phương pháp quy trình nghiên cứu 44 3.2 Phương pháp CFD lý thuyết dòng chảy 44 3.2.1 Tổng quan Phương pháp CFD 44 3.2.2 Mơ hình tốn học 47 3.2.3 Các phương trình 47 3.2.4 Phương trình lượng 48 3.2.5 (RANS) Phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds 49 3.2.6 Mơ hình rối dịng chảy 51 3.2.7 Lý thuyết điều kiện biên 52 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC DẠNG THÂN MÁY BAY ĐẾN HIỆU SUẤT BAY TREO CỦA MÁY BAY TRỰC THĂNG KHÔNG NGƯỜI LÁI 55 4.1 Mẫu mơ hình mơ 55 4.2 Ảnh hưởng thân hình cầu 55 4.2.1 Mơ hình mơ với thân hình cầu 55 4.2.2 Mơ hình lưới đánh giá hội tụ lưới 57 4.3 4.4 4.5 4.2.3 Đánh giá độ tin cậy 59 4.2.4 Kết thảo luận 59 Ảnh hưởng thân hình lập phương 65 4.3.1 Xây dựng mơ hình mơ thân hình lập phương 65 4.3.2 Phân tích kết với thân hình lập phương 66 4.3.3 Kết FM với thân hình lập phương 67 Ảnh hưởng thân hình ellipsoid 68 4.4.1 Mơ hình thân hình ellipsoid 68 4.4.2 Kết đánh giá 69 4.4.3 Kết FM thân hình ellipsoid 71 Phân tích tổng hợp tìm phương trình tương quan tổng quát 72 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 76 5.1 Kết luận 76 5.2 Hướng phát triển nghiên cứu tương lai 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Bức họa Leonardo Da Vinci [1] Hình 1.2 Trực thăng ЦАГИ-17A Hình 1.3 Trực thăng ЯK-24 Hình 1.4 Trực thăng sử dụng động tuabin Hình 1.5 Trực thăng khổng lồ năm 1971 Hình 1.6 Phun thuốc trừ sâu thủ công [12] Hình 1.7 Máy phun thuốc trừ sâu thủ công [12] Hình 1.8 Máy phun thuốc trừ sâu điều khiển từ xa [12] Hình 1.9 UAV trực thăng dạng chong chóng mang [8] Hình 1.10 UAV dạng multirotor [8] Hình 1.11 Các phận máy bay trực thăng [9] 10 Hình 1.12 Nguyên lý điều khiển bay MBTT [10] 12 Hình 1.13 Các loại máy bay trực thăng chong chóng mang [10] 12 Hình 1.14 Các phương án bố trí hai CCM [10] 13 Hình 1.15 Hiệu ứng mặt đất máy bay cánh 14 Hình 1.16 Hiệu ứng mặt đất trực thăng [11] 15 Hình 2.1 Trường vận tốc mặt phẳng đường kính gần bên CCM hai cánh hoạt động trạng thái bay treo [17] 17 Hình 2.2 Mơ hình dịng chảy theo lý thuyết động lượng CCM chế đọ bay treo [1] 18 Hình 2.3 Hiệu suất bay treo theo tải trọng đĩa cho nhiều loại vật bay lên thẳng [1] 23 Hình 2.4 So sánh dự đốn lý thuyết động lượng tới công suất CCM chế độ bay treo [Nguồn liệu Bagai Leishman 1992] [1] 25 Hình 2.5 Kết dự báo HSCLKĐ từ lý thuyết động lượng cải tiến so với kết đo đạc cho CCM chế động bay treo[Nguồn liệu Bagai Leishman 1992] [1] 29 Hình 2.6 Ảnh hưởng giả thuyết khác đến HSCLKĐ CCM [1] 30 Hình 2.7 Chong chóng mang có cánh lắp lề [10] 31 Hình 2.8 Cánh máy bay trực thăng 31 Hình 2.9 Ba hình dạng cánh trực thăng 31 Hình 2.10 Các dạng profil 32 Hình 2.11 Các thơng số profil cánh 33 Hình 2.12 Góc đặt cánh 33 Hình 2.13 Xác định bước phân tố cánh 34 Hình 2.14 Độ xoắn hình học cánh 35 Hình 2.15 Phân bố lực nâng cánh 35 Hình 2.16 Số cánh máy bay trực thăng 37 Hình 2.17 Phần cắt bỏ gốc cánh 37 Hình 2.18 Thiết kế đảm bảo ổn định bay 38 Hình 2.19 Kết cấu cánh [13] 39 Hình 2.20 Các chế độ làm việc góc va CCM [10] 40 Hình 2.21 Hình chiếu véc tơ tốc độ bay mặt phẳng quay ống lót [10] 41 Hình 2.22 Mẫu máy bay STYLEREF \s SEQ 42 Hình 2.23 Mẫu máy bay ARABIC \s 43 Hình 3.1 Ứng dụng CFD hàng khơng 46 Hình 3.2 Ứng dụng CFD ô tô 46 Hình 3.3 Ứng dụng CFD máy cánh 46 Hình 3.4 Ứng dụng CFD xây dựng 46 Hình 3.5 Các dạng phần tử 53 Hình 4.1 Mẫu mơ hình thiết kế 55 Hình 4.2 Sơ đồ mơ hình số điều kiện biên 56 Hình 4.3 Sự thay đổi lực kéo theo độ dày miền bao CCM 56 Hình 4.4 Lưới tổng thể lưới mặt cắt x=0.0 57 Hình 4.5 phân bố y+ (a) CCM (b) thân máy bay 58 Hình 4.6 So sánh kết với kết thu Robinson [7], Re = 32400, σ = 0,1, cánh với NACA0009 59 Hình 4.7 Trường dịng xung quanh CCM, (a) Contour vận tốc mặt phẳng x = 0,0 (b) Contour áp suất bề mặt cánh quạt Re = 791221, NACA0015 σ = 0,052 60 Hình 4.8 Contour áp suất số mặt cắt ngang vng góc với cánh quạt 61 Hình 4.9 Contour vận tốc số mặt cắt ngang vuông góc với cánh quạt 61 Hình 4.10 Dịng trượt qua CCM 62 Hình 4.11 Contour vận tốc vùng xốy đầu mũi cánh CCM 62 Hình 4.12 Xoáy đầu mũi cánh mặt cắt x=0 63 Hình 4.13 Đường bao vận tốc mặt phẳng x = 0,0, (a) (b) có thân máy bay, Hm/R=0,5, Rf/R=0,5 63 Hình 4.14 Ảnh hưởng kích thước thân hình cầu, Hm/R = 0.44 sử dụng cho trường hợp 63 Hình 4.15 Ảnh hưởng khoảng cách thân hình cầu roto, Rf/R = 0.8 sử dụng cho trường hợp 64 Hình 4.16 Kết FM cho mơ hình thân hình cầu 65 Hình 4.17 Mơ hình mơ cho thân hình lập phương 66 Hình 4.16 Kết FM cho mơ hình thân hình cầu Hình 4.16 cho ta thấy rõ ràng kết FM theo phân tích ‫כ‬ hay tăng giá trị ܸ௙‫ כ‬ Nhìn vào đồ Kết FM tăng lên ta giảm giá trị ‫ܪ‬௠ ‫כ‬ đến độ thị ta thấy đường tiến đến giá trị xác định tăng ‫ܪ‬௠ ‫כ‬ lớn định ܸ௙ ൌ Ͳ, tức bỏ qua có mặt thân máy bay Đây điểm quan trọng cần phương trình tương quan sau 4.3 Ảnh hưởng thân hình lập phương 4.3.1 Xây dựng mơ hình mơ thân hình lập phương Ta xây dựng dạng thân thứ hai, thân hình lập phương Để đưa mối tương quan xác nhất, ta mơ tốn với kích thước thân lập phương có độ dài cạnh hình lập phương với đường kính thân hình cầu Các trường hợp khoảng cách thân với CCM giống với thân hình cầu Giữ nguyên thiết lập chiến lược chia lưới điều kiện biên tốn Từ đó, mơ hình mơ cho thân hình lập phương thể Hình 4.17 Các thơng số kích thước giữ ngun theo Bảng 4.1 65 Hình 4.17 Mơ hình mơ cho thân hình lập phương 4.3.2 Phân tích kết với thân hình lập phương 4.3.2.1 Kết phân bố vận tốc với thân hình lập phương Khác với hình cầu, ứng xử dịng khí từ CCM đến thân hình lập phương bị ảnh hưởng thân có dạng vng thành sắc cạnh Ta thấy rõ khác biệt Hình 4.18 Với thân hình lập phương, bề mặt phẳng nên dịng khí sau gặp bề mặt thân máy bay có xu hướng sang ngang lên lại thay tiếp tục hướng xuống Chính điều nên lực kéo CCM dự báo tăng lên nhờ tác động Điều thể rõ ràng kết phía sau Hình 4.18 Ảnh hưởng kích thước thân hình lập phương, Hm/R = 0.44 sử dụng cho trường hợp Với thân hình lập phương, ban đầu kích thước nhỏ (Rf/R = 0.5 , Hình 4.18a), khoảng cách phù hợp, dịng khí từ CCM có xu hướng xuống dưới, với kích thước lớn hơn, dịng khí bị cản lại nhiều hơn, điều thuận lợi cho lực kéo CCM, ta cần xem xét đến yếu tố khác lực cản, trọng lượng thân, hay chế độ bay khác 66 Hình 4.19 Ảnh hưởng khoảng cách thân hình lập phương roto, Rf/R = 0.8 sử dụng cho trường hợp Khi thay đổi khoảng cách thân hình lập phương với CCM, ta nhận thấy khoảng cách gần luồng khí từ hai bên cánh CCM tác động lẫn nhiều làm vùng vận tốc lớn hơn, giúp tăng lực kéo CCM Ta dự đoán kết FM với thân hình lập phương có xu hướng tăng lên giảm khoảng cách giữ thân CCM thân hình cầu 4.3.3 Kết FM với thân hình lập phương Hình 4.20 thể rõ ràng kết FM thay đổi khoảng cách kích thước thân Giá trị FM tăng lên ta tăng thể tích thân máy bay ܸ௙‫ כ‬, trường hợp kích thước thân, giá trị tiến đến giá trị ổn định xấp xỉ 0.25 ‫כ‬ tăng khoảng cách ‫ܪ‬௠ đến giá trị đủ lớn 67 Hình 4.20 Kết FM cho mơ hình thân hình lập phương 4.4 Ảnh hưởng thân hình ellipsoid 4.4.1 Mơ hình thân hình ellipsoid Trong phần này, khảo sát dạng thân kháccó hình ellipsoid Phương trình tắc hệ tọa độ Đề có dạng PT 4.4 ‫ݔ‬ଶ ‫ݕ‬ଶ ‫ݖ‬ଶ ൅ ൅ ൌͳ ܽଶ ܾଶ ܿ ଶ PT 4.4 Ở đây, a, b bán kính xích đạo, (chúng vng góc với nhau) c bán kính cực (nghĩa độ dài nửa cực thứ ba) Cả ba số thực dương, chúng xác định hình dạng ellipsoid a=b