Nghiên ứu hiệu ứng mặt đất và á yếu tố địa hình ảnh hưởng đến hoạt động bay ủa trự thăng không người lái phun thuố trừ sâu

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất yếu tố địa hình ảnh hƣởng đến hoạt động bay trực thăng không ngƣời lái phun thuốc trừ sâu TRẦN BẢO ANH anhtb.ckhk59@gmail.com Ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực Giảng viên hƣớng dẫn: PGS TS Hoàng Thị Kim Dung Viện: Cơ khí động lực Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 6/2020 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 1706118 CỘNG HÒA 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: Trần Bảo Anh Đề tài luận văn: Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất yếu tố địa hình ảnh hưởng đến hoạt động bay trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số HV: CBC19002 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 / /2020 với nội dung sau: - Kiểm sốt độ xác kết mơ - Tập trung phân tích kết - Sửa theo ý kiến phản biện Ngày tháng Giáo viên hƣớng dẫn năm 2020 Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Kính gửi: Viện Cơ khí động lực PHIẾU ĐĂNG KÝ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI Họ tên người hướng dẫn chính: Hồng Thị Kim Dung Học vị Tiến Sĩ Học hàm Phó Giáo Sư Cơ quan: Viện Cơ khí động lực Họ tên người hướng dẫn phụ (nếu có): Học vị……… Học hàm……… Cơ quan : Email : dung.hoangthikim@hust.edu.vn DĐ : (+84) 949 737 767 Nội dung : Đề tài 1: Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Tên đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất yếu tố địa hình ảnh hưởng đến hoạt động bay trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu b Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất với thay đổi địa hình tính tốn ảnh hưởng đến khả tạo lực đẩy trực thăng c Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: - Tổng quan lý thuyết sở hiệu ứng mặt đất - Xây dựng mơ hình trực thăng chế độ bay treo, trường hợp có khơng có hiệu ứng mặt đất - Xây dựng mơ hình thay đổi địa hình, trồng để xét ảnh hưởng dịng khí lên mặt đất, trồng, tác động đến khả tạo lực kéo trực thăng - Xác định góc đặt cánh độ cao bay tối ưu với loại địa hình Đề tài 2: Chuyên ngành: Tên đề tài: d Mục tiêu đề tài (các kết cần đạt được): e Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Người hướng dẫn Lời cảm ơn Trong trình thực nghiên cứu mình, tơi nhận nhiều giúp đỡ, động viên chia sẻ thầy cô giáo, gia đình bạn bè Đầu tiên, tơi xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Hoàng Thị Kim Dung người hướng dẫn trực tiếp Thầy có định hướng đắn nhiệt tình trao đổi, giải đáp thắc mắc suốt trình học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí Động lực Bộ Môn Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thiện luận văn Tôi xin cảm ơn thành viên nhóm CAE Group tập thể lớp PFIEV Aero K59 hỗ trợ tơi suốt q trình nghiên cứu Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người vhan bạn bè động viên, khích lệ tơi để hồn thiện luận văn Tóm tắt nội dung luận văn Trên giới, máy bay trực thăng không người lái đưa vào sử dụng nhiều lĩnh vực, quân dân Đặc biệt nông nghiệp, UAV dạng trực thăng sử dụng cho việc phun thuốc trừ sâu giúp tăng suất tránh độc hại cho người vận hành Trong năm gần đây, nơng nghiệp nước ta có bước phát triển đột phá, loại thiết bị kỹ thuật cao ngày sử dụng nhiều Tuy vậy, việc phun thuốc sâu khơng có thay đổi đáng kể nào, người nông dân phải sử dụng thiết bị thô sơ phải trực tiếp tiếp xúc với chất độc hại Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế mẫu trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu hoạt động tốt mơi trường điều kiện làm việc Việt Nam phù hợp với định hướng đại hóa nơng nghiệp nước ta Trực thăng phun thuốc thường bay độ cao thấp, gây nên hiệu ứng mặt đất – tạo lớp đệm khí bên trực thăng Điều tích cực mà hiệu ứng mang lại khả tạo lực kéo tốt đồng thời tạo khó vhan việc kiểm sốt dự đốn thơng số bay Chưa kể đến địa hình nước ta đa dạng, địa hình khác cho hiệu ứng mặt đất khác Hiện nay, nghiên cứu hiệu ứng mặt đất không nhiều thường lấy đối tượng với mẫu trực thăng dạng lớn Điều đặt cần thiết việc nghiên cứu hiệu ứng mặt đất trực thăng dạng nhỏ, mà cụ thể mẫu trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu, đối tượng nghiên cứu luận văn HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ UAV TRỰC THĂNG VÀ LÝ THUYẾT HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT 1.1 Ứng dụng máy bay không người lái nông nghiệp 1.2 Phân loại UAV ứng dụng nông nghiệp 1.3 1.2.1 Máy bay cánh cố định 1.2.2 Máy bay trực thăng UAV chong chóng mang 1.2.3 Máy bay UAV multirotor Một số mẫu UAV trực thăng thị trường 1.3.1 Mẫu máy bay không người lái Rmax 1.3.2 Mẫu máy bay UAV Fazer 1.4 Các phận máy bay trực thăng 1.5 Các thức hoạt động trực thăng 1.6 Các đặt trưng chong chóng mang 1.7 1.6.1 Các đặc điểm chung 1.6.2 Đường kính hình dạng cánh chong chóng mang 1.6.3 Profil cánh 1.6.4 Góc đặt phân tố cánh 1.6.5 Độ xoắn hình học cánh 1.6.6 Độ cứng 10 1.6.7 Diện tích quét CCM 10 1.6.8 Phụ tải riêng diện tích quét 10 1.6.9 Hệ số điền đầy 10 Lý thuyết hiệu ứng mặt đất 11 1.7.1 Hiệu ứng mặt đất máy bay cánh 11 1.7.2 Hiệu ứng mặt đất trực thăng chong chóng mang 11 CHƢƠNG XÁC ĐỊNH ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13 2.1 Đối tượng mục đích nghiên cứu 13 2.2 Phương pháp quy trình nghiên cứu 13 2.3 Phương pháp CFD lý thuyết dòng chảy 14 2.3.1 Tổng quan Phương pháp CFD 14 2.3.2 Hệ Phương trình Navier-Stockes 15 2.3.3 Hệ Phương trình Reynolds Navier-Stokes tính tốn thủy động lực học chất lỏng 16 2.3.4 Các mơ hình rối 17 2.3.5 Tổng quan lý thuyết lớp biên 17 CHƢƠNG HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT TRONG ĐỊA HÌNH PHẲNG VÀ KHƠNG XÉT ĐẾN YẾU TỐ THỜI GIAN 19 3.1 3.2 Các thông số đầu vào tạo mơ hình mơ 19 3.1.1 Xác định thông số đầu vào 19 3.1.2 Tạo mơ hình mô 19 3.1.3 Chia lưới 22 3.1.4 Cài đặt điều kiện biên 23 Xử lý kết mô 24 3.2.1 Đánh giá độ tin cậy lưới 24 3.2.2 Kết lực kéo 25 3.2.3 Kiểm tra điều kiện cân moment 26 3.2.4 Đường dòng 27 3.2.5 Phân bố áp suất mặt cắt XY 28 3.2.6 Phân bố áp suất mặt đất 29 3.2.7 Áp suất vận tốc vị trí 0.7R 30 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA YẾU TỐ THỜI GIAN VÀ ĐỊA HÌNH LÊN SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT 31 4.1 4.2 4.3 4.4 Ảnh hưởng thời gian 31 4.1.1 Thiết lập mô 31 4.1.2 Đường dịng xốy đầu mũi cánh 31 4.1.3 Phân bố áp suất mặt đất 33 4.1.4 Lực kéo thay đổi theo thời gian 34 Ảnh hưởng hiệu ứng mặt đất lên lúa 35 4.2.1 Đặc trưng đồng nước ta 35 4.2.2 Phương pháp nghiên cứu 36 4.2.3 Đánh giá kết thực nghiệm 38 Ảnh hưởng tán 38 4.3.1 Các thiết lập mô 39 4.3.2 Phân tích kết mơ 40 Địa hình đồi núi chè 43 4.4.1 Các thiết lập mô 43 4.4.2 Xử lý kết mô 45 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG PHÁT TRIỂN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: UAV trực thăng dạng chong chóng mang Hình 1.2: UAV dạng multirotor Hình 1.3: Mẫu máy bay trực thăng Rmax Hình 1.4: Mẫu trực thăng Fazer Hình 1.5: Các phận trực thăng Hình 1.6: Các lực tác động lên trực thăng Hình 1.7: Cơ cấu lề cố định gốc cánh Hình 1.8: Các kích thước hình học cánh Hình 1.9: Ba dạng cánh trực thăng Hình 1.10: Các thông số profil Hình 1.11: Góc đặt cánh Hình 1.12: Xác định bước phân tố cánh Hình 1.13: Độ xoắn hình học cánh Hình 1.14: Hiệu ứng mặt đất máy bay cánh 11 Hình 1.15: Hiệu ứng mặt đất trực thăng 12 Hình 2.1: Mẫu trực thăng giấc mơ 13 Hình 2.2: Mẫu trực thăng - Đối tượng nghiên cứu 13 Hình 2.3: Các vùng khơng gian định nghĩa dòng chảy 18 Hình 3.1: Mơ hình 3D tồn trực thăng 19 Hình 3.2: Sự thay đổi lực kéo theo độ dày miền bào CCM 20 Hình 3.3: Miền bao CCM CCL 20 Hình 3.4: Miền bao tồn trực thăng 21 Hình 3.5: Đặt tên mặt mơ hình 21 Hình 3.6: Hình dạng lưới: (a) tổng thể, (b) mặt cắt cánh CCM, (c) mặt cắt cánh CCL 22 Hình 3.7: Mặt cắt chia lưới chi tiết vùng thân máy bay 23 Hình 3.8: Phân bố y+ mặt: (a) Mơ hình A, (b) Mơ hình B 24 Hình 3.9: Sự thay đổi lực kéo theo dải góc đặt cánh độ cao bay 26 Hình 3.10: Đường dịng trường hợp có khơng có hiệu ứng mặt đất 27 Hình 3.11: Các vectơ vận tốc dòng 28 Hình 3.12: Sự thay đổi phân bố áp suất mặt cắt XY theo độ cao 29 Hình 3.13: Sự thay đổi phân bố áp suất mặt đất theo độ cao 30 Hình 3.14: Phân bố áp suất (a) vận tốc (b) vị trí 0.7R độ cao bay H = 0.5m 30 Hình 4.1: Xốy đầu mũi cánh 32 Hình 4.2: Đường dịng trường hợp H = 0.5m 32 Hình 4.3: Đường dòng trường hợp H = 8m 32 Hình 4.4: Phân bố áp suất mặt đất theo thời điểm 33 Hình 4.5: Lực kéo thay đổi theo thời gian độ cao 34 Hình 4.6: Trực thăng Rmax phun thuốc đồng lúa 35 Hình 4.7: Tạo mặt C để tính áp lực 36 Hình 4.8: Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm 36 Hình 4.9: Các bước thí nghiệm 37 Hình 4.10: Cây lúa bị đổ hàng loạt trường hợp H = 0.5m 38 Hình 4.11: Mơ hình mơ 39 Hình 4.12: Lưới khu vực gần thân 40 Hình 4.13: Đường dịng có tán 40 Hình 4.14: Áp suất phân bố tán 41 Hình 4.15: Phân bố vận tốc mặt cắt XY 41 Hình 4.16: Lực kéo độ cao 0.5m so với mặt đất 0.5m phía tán 42 Hình 4.17: Mơ hình 3D địa hình dốc 100 43 Hình 4.18: Mơ hình 3D địa hình dốc 200 44 Hình 4.19: Lưới mơ hình 44 Hình 4.20: Đường dịng mặt cắt XY độ cao 0.5m địa hình dốc 10 độ 45 Hình 4.21: Phân bố áp suất mặt đất luống chè trường hợp t = 11T 45 Hình 4.22: Lực kéo trực thăng bay địa hình dốc 46 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các thông số Rmax Bảng 1.2: Các thông số Fazer Bảng 3.1: Tốc độ quay CCL theo trường hợp 19 Bảng 3.2: Chỉ số chất lượng lưới Orthogonal 22 Bảng 3.3: Chỉ số chất lượng lưới Skewness 22 Bảng 3.4: Giá trị y+ trung bình mặt 25 Bảng 3.5: Kết cân moment góc đặt 110 27 Bảng 4.1: Áp suất trung bình mặt C 36 Bảng 4.2: Thơng số dụng cụ thí nghiệm 37 Bảng 4.3: Khối lượng nước cần thêm trường hợp 37 Bảng 4.4: Kết thực nghiệm: OK trường hợp khơng có lúa bị đổ, NG trường hợp xuất lúa bị đổ 38 Bảng 4.5: Thông số lưới 44