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

M ục tiêu chính củ đề tàia : Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất với sự thay đổi của địa hình và tính toán ảnh hưởng của nó đến khả năng tạo lực đẩy của trực thăng.c.. Nội dung của đề tài, các v

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061182476101000000 cc9d651f-8b84-4645-abea-df2eb5fc1f92

C NG HÒA XÃ H I CH Ộ Ộ Ủ NGHĨA VIỆT NAM

Chuyên ngành: K thuỹ ật Cơ khí động l cự

Mã số HV: CBC19002

Tác gi , Nả gười hướng d n khoa h c và Hẫ ọ ội đồng ch m luấ ận văn xác nhận tác gi ả đã sửa ch a, b sung luữ ổ ận văn theo biên bản h p Họ ội đồng ngày / /2020 v i các n i dung sau: ớ ộ

- Kiểm soát độ chính xác kết quả mô ph ng ỏ

- T p trung phân tích k t qu ậ ế ả

- Sửa theo các ý kiến ph n bi n ả ệ

Ngày tháng năm 2020 Giáo viên hướ ng d n ẫ Tác gi lu ả ận văn

CHỦ ỊCH HỘ Ồ T I Đ NG

Kính gửi: Viện Cơ khí động lực

PHIẾU ĐĂNG KÝ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI

1 Họ và tên người hướng dẫn chính: Hoàng Thị Kim Dung Học vị Tiến Sĩ Học hàm Phó Giáo Sư

2 Cơ quan: Viện Cơ khí động lực

3 Họ và tên người hướng dẫn phụ (nếu có): Học vị……… Học hàm………

4 Cơ quan :

5 Email : dung.hoangthikim@hust.edu.vn DĐ : (+84) 949 737 767

6 Nội dung :

Đề tài 1: Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

0 Tên đề tài: Nghiên c u hi u ng mứ ệ ứ ặt đất và các y u t a hình ế ố đị ảnh hưởng

đến ho t đ ng bay c a tr c thăng không ngư i lái phun thu c tr ạ ộ ủ ự ờ ố ừsâu

b M ục tiêu chính củ đề tàia :

Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất với sự thay đổi của địa hình và tính toán ảnh hưởng của nó đến khả năng tạo lực đẩy của trực thăng

c Nội dung của đề tài, các vấn đề cần được giải quyết:

- Tổng quan lý thuyết và cơ sở của hiệu ứng mặt đất

- Xây dựng mô hình trực thăng trong chế độ bay treo, trong trường hợp có

và không có hiệu ứng mặt đất

- Xây dựng các mô hình thay đổi địa hình, cây trồng để xét ảnh hưởng của dòng khí lên mặt đất, cây trồng, cũng như tác động đến khả năng tạo lực kéo của trực thăng

- Xác định góc đặt cánh và độ cao bay tối ưu với từng loại địa hình

Đề tài 2: Chuyên ngành:

0 Tên đề tài:

d Mục tiêu chính của đề tài (các kết quả chính cần đạt được):

e Nội dung của đề tài, các vấn đề cần được giải quyết:

Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Người hướng dẫn

L ờ i cảm ơn

Trong quá trình th c hi n nghiên c u cự ệ ứ ủa mình, tôi đã nhận được r t nhi u ấ ề

s ự giúp đỡ, động viên và chia s cẻ ủa các thầy cô giáo, gia đình và bạ è.n b

u tiên, tôi xin g i l i cĐầ ử ờ ảm ơn đến PGS TS Hoàng Th ị Kim Dung là người hướng d n tr c ti p Thẫ ự ế ầy cô đã có những định hướng đúng đắn và nhi t tình trao ệ

đổi, giải đáp các thắc m c trong su t quá trình h c t p và nghiên c u ắ ố ọ ậ ứ

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại h c Bách Khoa Hà ọ

N i, Viộ ện đào tạo sau đạ ọi h c, Viện Cơ khí Động l c và B Môn K thu t Hàng ự ộ ỹ ậkhông và Vũ trụ đã tạo điều ki n thu n l i giúp tôi hoàn thi n luệ ậ ợ ệ ận văn

Tôi cũng xin cảm ơn các thành viên trong nhóm CAE Group và t p th lậ ể ớp PFIEV Aero K59 đã hỗ tôi trong su t quá trình nghiên c u trợ ố ứ

Cuối cùng, tôi xin g i l i cử ờ ảm ơn sâu sắc đến gia đình, người vhan và b n bè ạ

đã động viên, khích l ệ tôi để hoàn thi n luệ ận văn này

Tóm t ắ t nộ i dung luận văn

Trên th gi i, máy bay trế ớ ực thăng không người lái đã được đưa vào sử ụ d ng trong nhiều lĩnh vực, c quân s và dân sả ự ự Đặc bi t trong nông nghi p, UAV ệ ệ

d ng trạ ực thăng đượ ử ục s d ng cho vi c phun thu c tr ệ ố ừ sâu giúp tăng năng suất và tránh độc hại cho người v n hành Trong nhậ ững năm gần đây, nền nông nghi p ệ

của nước ta có những bước phát triển đột phá, các lo i thi t b k thu t cao ngày ạ ế ị ỹ ậcàng được s d ng nhi u Tuy v y, vi c phun thu c sâu hi n không có m t thay ử ụ ề ậ ệ ố ệ ộđổi đáng kể nào, người nông dân v n ph i s d ng nh ng thi t b ẫ ả ử ụ ữ ế ị thô sơ và phải trự ế ếc ti p ti p xúc v i các chớ ất độc h i Vì v y, vi c nghiên c u và thi t k m t ạ ậ ệ ứ ế ế ộ

m u trẫ ực thăng không người lái phun thuố ừ sâu có thể hoạ ộc tr t đ ng tốt trong môi trường và điều ki n làm vi c c a Vi t Nam s r t phù h p v i ệ ệ ủ ệ ẽ ấ ợ ớ định hướng hi n ệ

đại hóa nông nghi p c a nư c ta ệ ủ ớ

Trực thăng khi phun thuốc thường bay cao th p, gây nên hi u ng mở độ ấ ệ ứ ặt

đấ – ạ ớp đệm khí bên dướt t o l i trực thăng Đi u tích c c mà hi u ng này mang ề ự ệ ứ

lại đó là khả năng tạ ực o l kéo tốt hơn nhưng đồng th i t o ra khó ờ ạ vhan trong việc

ki m soát và d ể ự đoán các thông số bay Chưa kể đến địa hình nước ta rất đa dạng,

mỗi địa hình khác nhau s cho m t hi u ng mẽ ộ ệ ứ ặt đấ ất r t khác Hi n nay, các ệnghiên c u v hi u ng mứ ề ệ ứ ặt đất là không nhiều và thường lấy đối tượng v i các ớ

m u trẫ ực thăng dạng lớn Điều này đặt ra m t s c n thi t trong vi c nghiên c u ộ ự ầ ế ệ ứ

hi u ng mệ ứ ặt đất đố ới v i trực thăng dạng nh , mà c là m u trỏ ụthể ẫ ực thăng không người lái phun thu c tr sâu, cũng là đ i tư ng nghiên c u trong luố ừ ố ợ ứ ận văn này

H C VIÊN Ọ

Ký và ghi rõ h tên ọ

M Ụ C LỤ C

L Ờ I MỞ ĐẦ U 1

CHƯƠNG 1 TỔ NG QUAN V UAV TR Ề ỰC THĂNG VÀ LÝ THUYẾ T HIỆU Ứ NG M T Đ T 2 Ặ Ấ 1.1 Ứng d ng cụ ủa máy bay không người lái trong nông nghi p 2ệ 1.2 Phân lo i UAV ng d ng trong nông nghi p 2ạ ứ ụ ệ 1.2.1 Máy bay cánh c nh 2ố đị 1.2.2 Máy bay trực thăng UAV một chong chóng mang 2

1.2.3 Máy bay UAV multirotor 3

1.3 Một số ẫ m u UAV trực thăng trên thị trường 3

1.3.1 Mẫu máy bay không người lái Rmax 3

1.3.2 M u máy bay UAV Fazer 5ẫ 1.4 Các b ph n chính c a máy bay trộ ậ ủ ực thăng 6

1.5 Các thức hoạ ộng cơ bảt đ n của trực thăng 6

1.6 Các đặt trưng cơ bản của chong chóng mang 7

1.6.1 Các đặc điểm chung 7

1.6.2 Đường kính và hình d ng lá cánh chong chóng mang 7ạ 1.6.3 Profil của cánh 8

1.6.4 Góc đặt của phân t cánh 8ố 1.6.5 Độ xo n hình hắ ọc của cánh 9

1.6.6 Độ ứ c ng 10

1.6.7 Diện tích quét c a CCM 10ủ 1.6.8 Phụ ả t i riêng trên di n tích quét 10ệ 1.6.9 H s ệ ố điền đầy 10

1.7 Lý thuy t hi u ng mế ệ ứ ặt đất 11

1.7.1 Hiệ ứu ng mặt đất của máy bay cánh b ng 11ằ 1.7.2 Hiệ ứu ng mặt đấ ốt đ i với trực thăng một chong chóng mang 11

CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U 13 Ứ 2.1 Đối tượng và mục đích nghiên cứu 13

2.2 Phương pháp và quy trình nghiên cứu 13

2.3 Phương pháp CFD và các lý thuyết dòng ch y 14ả 2.3.1 Tổng quan Phương pháp CFD 14

2.3.2 H ệ Phương trình Navier-Stockes 15 2.3.3 H ệ Phương trình Reynolds Navier-Stokes trong tính toán thủy

động l c h c ch t l ng 16ự ọ ấ ỏ

2.3.4 Các mô hình r i 17ố 2.3.5 T ng quan v lý thuy t l p biên 17ổ ề ế ớ

CHƯƠNG 3 HIỆ U NG M Ứ ẶT ĐẤT TRONG ĐỊ A HÌNH PH NG VÀ Ẳ KHÔNG XÉT ĐẾ N Y U T TH I GIAN 19 Ế Ố Ờ

3.1 Các thông s u vào và t o mô hình mô phố đầ ạ ỏng 19

3.1.1 Xác định các thông s u vào 19ố đầ 3.1.2 T o mô hình mô ph ng 19ạ ỏ 3.1.3 Chia lưới 22

3.1.4 Cài đặt điều ki n biên 23ệ 3.2 X ửlý kết quả mô phỏng 24

3.2.1 Đánh giá độtin cậ ủy c a lưới 24

3.2.2 Kết quả ực kéo l 25

3.2.3 Kiểm tra điều ki n cân b ng moment 26ệ ằ 3.2.4 Đường dòng 27

3.2.5 Phân b áp suố ất tại mặ ắt XYt c 28

3.2.6 Phân b áp suố ất tại mặt đất 29

3.2.7 Áp suất v ậ ố ại vị trí 0.7Rà v n t c t 30

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘ NG C A Y U T TH I GIAN VÀ Ủ Ế Ố Ờ ĐỊ A HÌNH LÊN S HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRI N C A HI U NG Ự Ể Ủ Ệ Ứ M Ặ T Đ Ấ T 31

4.1 Ảnh hưởng của thời gian 31

4.1.1 Thiết lập mô phỏng 31

4.1.2 Đường dòng và xoáy đầu mũi cánh 31

4.1.3 Phân b áp suố ất tại mặt đất 33

4.1.4 Lực kéo thay đổi theo thời gian 34

4.2 Ảnh hưởng của hiệ ứu ng mặ ất đ t lên cây lúa 35

4.2.1 Đặc trưng đồng b ng ằ ở nước ta 35

4.2.2 Phương pháp nghiên cứu 36

4.2.3 Đánh giá kết quả thự c nghi m 38ệ 4.3 Ảnh hưởng của tán cây 38

4.3.1 Các thiết lập mô ph ng 39ỏ 4.3.2 Phân tích kết quả mô ph ng 40ỏ 4.4 Địa hình đồi núi và cây chè 43

4.4.1 Các thiết lập mô ph ng 43ỏ 4.4.2 X ửlý kết quả mô phỏng 45

CHƯƠNG 5 KẾ T LU ẬN VÀ ĐỊNH HƯỚ NG PHÁT TRI N 47 Ể TÀI LIỆ U THAM KH O 48 Ả

DANH MỤ C HÌNH V Ẽ

Hình 1.1: UAV trực thăng dạng m t chong chóng mang 3ộ

Hình 1.2: UAV dạng multirotor 3

Hình 1.3: M u máy bay trẫ ực thăng Rmax 4

Hình 1.4: Mẫ ực thăng Fazeru tr 5

Hình 1.5: Các bộ ậ ph n chính c a trực thăng 6ủ Hình 1.6: Các lực tác động lên trực thăng 6

Hình 1.7: Cơ cấu b n l c nh g c cánh 7ả ề ố đị ố Hình 1.8: Các kích thước hình h c c a lá cánh 7ọ ủ Hình 1.9: Ba dạng chính c a lá cánh trực thăng 8ủ Hình 1.10: Các thông số ủ c a profil 8

Hình 1.11: Góc đặt cánh 9

Hình 1.12: Xác định bước phân t cánh 9ố Hình 1.13: Độ xo n hình h c c a cánh 9ắ ọ ủ Hình 1.14: Hiệ ứu ng m t đ t của máy bay cánh b ng 11ặ ấ ằ Hình 1.15: Hiệ ứu ng m t đ t của trực thăng 12ặ ấ Hình 2.1: Mẫ ực thăng giấc mơu tr 13

Hình 2.2: Mẫ ực thăng mớu tr i - Đối tượng nghiên c u 13ứ Hình 2.3: Các vùng không gian định nghĩa dòng chảy 18

Hình 3.1: Mô hình 3D toàn bộ ực thăng tr 19

Hình 3.2: Sự thay đổi lực kéo theo độ dày mi n bào CCM 20ề Hình 3.3: Miền bao CCM và CCL 20

Hình 3.4: Miền bao toàn b tr c thăng 21ộ ự Hình 3.5: Đặt tên các m t trong mô hình 21ặ Hình 3.6: Hình dạng lưới: (a) t ng th , (b) t i m t c t lá cánh CCM, (c) t i mổ ể ạ ặ ắ ạ ặt cắt lá cánh CCL 22

Hình 3.7: Mặt cắt chia lưới chi tiết vùng thân máy bay 23

Hình 3.8: Phân bố y+ trên các m t: (a) Mô hình A, (b) Mô hình B 24ặ Hình 3.9: Sự thay đổi lực kéo theo dải góc đặt cánh và độ cao bay 26

Hình 3.10: Đường dòng t i trư ng h p có và không có hi u ng mạ ờ ợ ệ ứ ặt đất 27

Hình 3.11: Các vectơ vậ ốn t c dòng 28

Hình 3.12: Sự thay đổi phân b áp su t tạ ặ ắố ấ i m t c t XY theo đ ộcao 29

Hình 3.13: Sự thay đổi phân b áp su t tạ ặt đấố ấ i m t theo độ c 30ao Hình 3.14: Phân b áp su t (a) và v n t c (b) t i v trí 0.7R tố ấ ậ ố ạ ị ại độ cao bay H = 0.5m 30

Hình 4.1: Xoáy đầu mũi cánh 32

Hình 4.2: Đường dòng t i trư ng h p H = 0.5m 32ạ ờ ợ Hình 4.3: Đường dòng t i trư ng h p H = 8m 32ạ ờ ợ Hình 4.4: Phân bố áp su t trên mấ ặt đất theo t ng th i đi m 33ừ ờ ể Hình 4.5: Lực kéo thay đổi theo thời gian và độ 34cao Hình 4.6: Trực thăng Rmax phun thuốc trên đồng lúa 35

Hình 4.7: T o mạ ặt C đểtính áp lực 36 Hình 4.8: Chuẩ ị ụn b d ng c thí nghi m 36ụ ệ Hình 4.9: Các bước thí nghi m 37ệ Hình 4.10: Cây lúa bị đổ hàng lo t t i trư ng h p H = 0.5m 38ạ ạ ờ ợ Hình 4.11: Mô hình mô phỏng 39 Hình 4.12: Lưới khu vực gần thân cây 40 Hình 4.13: Đường dòng khi có tán cây 40 Hình 4.14: Áp suất phân b trên tán cây 41ố Hình 4.15: Phân bố ậ ố v n t c tạ ặi m t c t XYắ 41 Hình 4.16: Lực kéo tạ ội đ cao 0.5m so v i mớ ặt đất và 0.5m phía trên tán cây 42 Hình 4.17: Mô hình 3D địa hình d c 10ố 0 43 Hình 4.18: Mô hình 3D địa hình d c 20ố 0 44 Hình 4.19: Lướ ủi c a 4 mô hình 44 Hình 4.20: Đường dòng m t c t XY t i đ ặ ắ ạ ộ cao 0.5m và các địa hình d c 10 đ 45ố ộ Hình 4.21: Phân bố áp su t tấ ại mặt đất và lu ng chè tố ại trường h p t = 11T 45ợ Hình 4.22: Lực kéo khi trực thăng bay trên các địa hình dốc 46

DANH M C B Ụ Ả NG BI U Ể

B ng 1.1: Các thông s ả ố cơ bản c a Rmax 4ủ

B ng 1.2: Các thông s ả ố cơ bản c a Fazer 5ủ

B ng 3.1: Tả ốc đ quay CCL theo các trườộ ng h p 19ợ

B ng 3.2: Ch s ả ỉ ốchất lượng lưới Orthogonal 22

B ng 3.3: Ch s ả ỉ ốchất lượng lưới Skewness 22

B ng 3.4: Giá tr yả ị + trung bình trên các m t 25ặ

B ng 3.5: Kả ết quả cân b ng moment tằ ại góc đặt 110 27

B ng 4.1: Áp su t trung bình trên mả ấ ặt C 36

B ng 4.2: Thông s d ng c thí nghi m 37ả ố ụ ụ ệ

B ng 4.3: Khả ối lượng nước cần thêm trong mỗi trường h p 37ợ

B ng 4.4: K t qu c nghiả ế ảthự ệm: OK là trường h p không có cây lúa b , NG là ợ ị đổtrường h p xu t hiệợ ấ n cây lúa b 38ị đổ

B ng 4.5: Thông s i 44ả ố lướ

 Chiều dày l n nh t của profil ớ ấ mm

1

L I M Ờ Ở ĐẦ U

Trên th giế ới, máy bay không người lái là m t khái niộ ệm đã rất quen thuộc, trong lĩnh vực dân s ph bi n nh t ph i k n d ng máy bay d ng flycam có ự ổ ế ấ ả ể đế ạ ạnhi m v ệ ụ chụ ảp nh, do thám T i Vi t Nam, ch ạ ệ ủ đề này còn tương đối m i, các ớnghiên cứu được th c hi n ch yự ệ ủ ếu v i dòng máy bay cánh b ng và trớ ằ ực thăng nhiều chong chóng mang Năm 2016, bác Bùi Hiển đã chế ạ t o và cho bay th ử

m u trẫ ực thăng mang tên Giấc Mơ tại Bình Dương, thành công này là một d u ấ

m c quan trố ọng và cũng là động lực thúc đẩy vi c nghiên c u, ch t o các m u ệ ứ ế ạ ẫtrực thăng không người lái của nước ta Nhằm đóng góp vào sự phát tri n khoa ể

h c công ngh ọ ệ nước ta cũng như mục tiêu hiện đại hóa nông nghi p, nghiên cệ ứu

c a tôi t p trung ch y u vào mủ ậ ủ ế ẫu trực thăng không người lái phun thu c tr sâu ố ừ

d ng m t chong chóng mang ạ ộ

Ngoài việc tránh độc hại cho ngườ ậi v n hành, m t l i ích to l n c a vi c s ộ ợ ớ ủ ệ ử

d ng trụ ực thăng không người lái phun thu c tr ố ừ sâu đó là dòng khí dưới trực thăng giúp tăng khả năng phân bổ thu c sâu cho cây tr ng, nh ố ồ ờ đó tăng năng suất cho vi c phun thu c tr h i Bên c nh l i ích là thách th c không nh cho việ ố ừ ạ ạ ợ ứ ỏ ệc nghiên c u và ch t o, trứ ế ạ ực thăng khi phun thuốc thường bay cao th p, gây ở độ ấnên hi u ng mệ ứ ặt đất – ạ ớp đệm khí bên dướ ực thăng Điề t o l i tr u tích c c mự à

hiện tượng này mang lại đó là khả năng tạ ực đẩ ốt hơn nhưng đồo l y t ng th i gây ờ

ra khó khăn trong việc ki m soát và d ể ự đoán các thông số bay Chưa kể đến địa hình nước ta rất đa dạng, mỗi địa hình khác nhau s cho m t hi u ng mẽ ộ ệ ứ ặt đấ ất r t khác Hi n nay, các nghiên c u v hi u ng mệ ứ ề ệ ứ ặ ất đ t là không nhiều và thường lấy

đối tượng v i các m u tr c thăng d ng lớ ẫ ự ạ ớn Điều này đặt ra m t s c n thi t trong ộ ự ầ ế

vi c nghiên c u hi u ng mệ ứ ệ ứ ặt đất đố ới v i trực thăng dạng nh , mà c là mỏ ụthể ẫu

trực thăng không người lái phun thuốc tr ừ sâu, cũng là đối tượng nghiên c u ứtrong luận văn này

Luận văn của tôi là s p n i nh ng nghiên cự tiế ố ữ ứu trước đó dựa trên h p tác ợ

gi a Lab c a PGS TS Nguy n Phú Khánh và PGS TS Hoàng Th Kim Dung ữ ủ ễ ị –

B môn K thuộ ỹ ật Hàng không và Vũ trụ ĐH Bách Khoa Hà Nộ, i và bác Bùi Hiển Mục đích nghiên cứu nh m xem xét ằ ảnh hưởng c a y u t ủ ế ố độ cao, địa hình, thời gian, các thông s u khi n c a chong chóng mang và chong chóng lái lên ố điề ể ủ

s hình thành và phát tri n c a hi u ng mự ể ủ ệ ứ ặt đất, t ừ đó dự đoán các ện tượhi ng

của dòng khí và đề xuất phương án phun thuốc trong từng trường h p T t c ợ ấ ảcác nghiên cứu được th c hi n ch yự ệ ủ ếu b ng công c mô ph ng ANSYS Fluent, ằ ụ ỏtrong chế độ bay treo c a trực thăng ủ

Luận văn được chia thành 5 chương:

- Chương 1 ổT ng quan v ềUAV trực thăng và lý thuyết hiệ ứu ng mặ ất đ t

- Chương 2 Xác định đối tượng và phương pháp nghiên cứu

- Chương 3 Hiệ ứu ng mặt đất trong địa hình phẳng và không xét đến y u t ế ố

2

1.1 Ứ ng dụng của máy bay không ngườ i lái trong nông nghi p ệ

UAV là vi t t t c a "Unmanned Aerial Vehicle" (ế ắ ủ Phương tiện hàng không không người lái, hay thường g i là mọ áy bay không người lái) Theo đúng như tên

g i c a mình, trên UAV hoàn toàn không có phi công lái UAV có th ọ ủ ể được điều khi n t xa (b i m t phi công ng i t i m t trể ừ ở ộ ồ ạ ộ ạm điều khi n trên mể ặt đất) hoặc

c ng có th t bay theo các lũ ể ự ịch trình đã đượ ậc l p trình s n, ho c theo s ẵ ặ ự điều khi n c các h ng máy tính phể ủa ệthố ức tạp

Trong lĩnh vực nông nghiệp thì UAV cũng được ứng d ng nhi u, các công ụ ề

vi c chính c a chúng là phun thu c tr sâu, gieo h t Có hai loệ ủ ố ừ ạ ại chính được s ử

d ng là máy bay cánh b ng và trụ ằ ực thăng

Có th y r t nhiể thấ ấ ều ưu điểm khi s dử ụng máy bay không người lái trong nông nghi p: ệ

- Tránh độc hại từ thuố ừ sâu cho ngườ ậc tr i v n hành

- Tiệ ợn l i, nh g n, d v n chuy n ỏ ọ ễ ậ ể

- Tính kinh tế cao

Tuy nhi u l i ích có ề ợ như ậy, nhưng UAV ớ chỉ đượ ử ụng ổ ế ở v m i c s d ph bi n

nh ng ữ nước phát n do c n v triể rào ả ề công ngh ệ

1.2 Phân loạ i UAV ứ ng dụ ng trong nông nghi p ệ

đặc thù khác i v i máy bay cánh c nh, v i vi c bay t m cao, bay v i t c Đố ớ ố đị ớ ệ ở ầ ớ ố

độ cao và không th c t/h cánh thể ấ ạ ẳng đứng chính là điểm yếu khi áp d ng vào ụ

vi c phun thu c tr ệ ố ừ sâu Nhưng lo i máy bay này có th ạ ể đưa vào sử ụ d ng trong nông nghiệp để giám sát, theo dõi tình hình d ch b nh c a cây trị ệ ủ ồng để đưa ra

bi n pháp k p th i cho nông tr ệ ị ờ ại

1.2.2 Máy bay trực thăng UAV một chong chóng mang

Máy bay không người lái tương tự ớ v i máy bay tr c ự thăng về ế k t cấu và thiết

k Nó bao g m mế ồ ột động cơ cánh quạt chính, thêm vào đó là một động cơ cánh

quạt nhỏ ắ ở đuôi để điều hướ g n ng và cân b ng ằ

UAV dạng tr c thăng có nhiự ều ưu điểm n i b t: ổ ậ

- Có thể bay treo trong không gian, kh ả năng cất hạ cánh thẳ g đứn ng

- Nó có khả năng mang tải lớn

- Với ứng d ng phun thuụ ốc sâu thì dòng khí bên dưới chong chóng mang có thể khiến cho lượng thu c sâu phân bổ đều hơn lên cây trồố ng

3

Hình 1.1 UAV tr : ực thăng dạng m t chong chóng mang ộ

1.2.3 Máy bay UAV multirotor

Cũng giống UAV d ng trạ ực thăng, loại multiroto cũng có thể bay lơ lửng trong không gian và cấ ạt h cánh thẳng đứng Độ ổn định cao hơn UAV trực thăng nhưng thời gian bay thường ngắn hơn và tải tr ng có ích không l n ọ ớ

Hình 1.2 UAV d ng multirotor : ạ

Loại máy bay này là l a chự ọn hàng đầu để ạ t o ra nh ng bữ ức ảnh t trên cao ừcho công vi c giám sát, hoệ ặc cũng có thể dùng cho việc tưới tiêu nhưng hiệu suất không cao b ng UAV d ng trằ ạ ực thăng

1.3 M ộ t số ẫ m u UAV tr ực thăng trên thị trườ ng

1.3.1 Mẫu máy bay không người lái Rmax

4

Yamaha RMAX được thiế ế để đạt đượt k c nh ng ữthuộc tính n i tr i cho ổ ộ

mục đích nông nghiệp RMAX được ki m ch ng ể ứ

với hơn 20 năm hoạt động,

độ tin c y và tính hi u qu ậ ệ ả

s d ng trong nông ử ụnghi p ệ

Được ra m t t ắ ừ năm 1997, RMAX đã bay hơn 2 triệu gi ờ

RMAX đã hoạt động trên 2.4 tri u mệ ẫu đất nông nghi p Nh t B n mệ ở ậ ả ỗi năm (2014)

Hơn 2,600 máy bay đã đưa vào khai thác (2014)

B ng 1.1 Các thông s ả : ố cơ bản c a Rmax ủ

Nhiên liệu Regular unleaded gasoline mixed with

2-stroke engine oil

5

1.3.2 Mẫu máy bay UAV Fazer

Fazer là s n phả ẩm đượ ạc t o nên t kinh nghi m và s c nh tranh kh c liừ ệ ự ạ ố ệt trong ngành nông nghiệp trong vòng 20 năm của Yamaha Những điểm n i bổ ật

c a mủ ẫu máy bay Fazer được cải tiến như sau:

- Tăng tải trọng có ích (50% so v i các m u thiớ ẫ ết kế trước)

- H ệthống điều khi n m i t ể ớ ừ đó tăng khả năng điều khi n vể ới người m i s ớ ử

d ng ụ

- Thân thiệ ới môi trườn v ng

- Hoạ ột đ ng êm nh ờ động cơ bốn kì bơm nhiên liệu

6

1.4 Các bộ phậ n chính c a máy bay tr ủ ực thăng

Hình 1.5: Các b ph n chính c a trộ ậ ủ ực thăng

- Chong chóng mang (CCM): được truy n chuyề ển động t ừ động cơ

- Thân máy bay: dùng để ố trí phi hành đoàn, hành khách, các trang thiế b t

kéo máy bay trở ực thăng đượ ạc t o

ra b i chong chóng mang Khi ở

chong chóng mang quay trong

không khí thì lực kéo có phương

vuông góc v i m t ph ng quay cớ ặ ẳ ủa

chong chóng mang N u chong ế

chóng mang quay trong m t ph ng ặ ẳ

n m ngang thì lằ ực kéo T hướng

thẳng đứng lên phía trên (Hình

1.6a, Hình 61 b) nghĩa là có thể bay

động v ề phía trước (Hình 1.6c) Khi m t ph ng quay c a CCM l ch v phía sau ặ ẳ ủ ệ ềmáy bay chuyển động v phía sau (Hình 1.6d) Khi m t ph ng quay l ch v phía ề ặ ẳ ệ ềbên ph hay bên trái gây ra s chuyải ự ển động c a máy bay v ủ ề phía tương ứng.

1.6 Các đặt trƣng cơ bả n c a chong chóng mang ủ

CCM được đặc trưng ằ b ng các thông s hình h c nhố ọ ất định: đường kính,

d ng cánh trên m t b ng, hình d ng cạ ặ ằ ạ ủa profil, góc đặt cánh, di n tích quét, ph ệ ụ

tải riêng và hệ ố điền đầy s

8

Có 3 loại hình d ng là hình ch nh t hình thang và hình h n h p ạ ữ ậ ỗ ợ

Hình 1.9: Ba d ng chính c a lá cánh trạ ủ ực thăng

V hình d ng chung, cánh cề ạ ủa MBTT cũng tương tự như cánh của máy bay cánh

bằng Mép trước c a cánh g i là mép vào, mép sau c a cánh g i là mép r Cánh ủ ọ ủ ọ a.hình thang có s phân b lự ố ực khí động theo chiều dài đều hơn cả Cánh hình ch ữ

nh t có c u tậ ấ ạo đơn giản hơn nhưng có đặc tính khí động xấu hơn một chút, các

dạng cánh được dùng ph biổ ến hơn cả là hình thang hình ch nh ữ ật

1.6.3 Profil của cánh

Là hình d ng ti t di n c a cánh trong m t ph ng vuông góc v i tr c d ạ ế ệ ủ ặ ẳ ớ ụ ọc.Profil của cánh CCM cũng giống như profil của cánh máy bay Người ta thường dùng profil lồi hai bên nhưng không đối x ng Các yêu cứ ầu đối v i profil cớ ủa cánh:

- Có chất lượng khí động cao:   

  với - h s l c c n;ệ ố ự ả - h s l c nâng ệ ố ự

- Tâm áp không d ch chuy n nhiị ể ều khi thay đổi góc va

- Có khả năng tự quay trong phạm vi đáng kể ủ c a góc va

Profil cánh được đặc trưng bằng các thông s : ố

- Dây cung b – đoạn nối của mép vào và mép ra c a profil ủ

- Chiều dày l n nhớ ất của profil 

- võng Độ  là kho ng cách l n nh t t ả ớ ấ ừ đường trung bình c a profil t i dây ủ ớcung

Hình 1.10: Các thông s c a profil ố ủ

Ở đa số cánh CCM dùng profil loại dày, cho phép tăng độ ề b n c a các chi ủ

tiết ch u lị ực và độ ứ c ng c a cánh Ngoài ra chủ ất lượng khí động c a profil loủ ại này ít ph ụ thuộc vào góc va Đặc điểm này c i thiả ện được thu c tính c a cánh ộ ủ ởchế độ ự quay Thườ t ng thì các phân t u cánh có chiố ở đầ ều dày tương đố ới l n hơn ở ố g c cánh

1.6.4 Góc đặt của phân tố cánh

Là góc φ tạo b i dây cung c a phân t và m t ph ng quay may ở ủ ố ặ ẳ ơ của CCM

9

Hình 1.11: Góc đặt cánh Góc đặt thường gọi là bước c a phân t ủ ố cánh Đó là cách gọi quy ước N u ếđịnh nghĩa một cách chính xác hơn thì bước c a phân t cánh H là kho ng cách ủ ố ả

mà phân t cánh ố đi qua sau một vòng quay c a CCM, n u phân t cánh chuyủ ế ố ển

động khi dây cung song song thì    

Hình 1.12: Xác định bước phân t cánh ố

B i vì phân t ở ở ố nào đó của cánh thì bước ch ph ỉ ụthuộc vào góc đặt cánh φ nên

t nay v sau ta s ng nh t hóa hai khái niừ ề ẽ đồ ấ ệm góc đặt ới bướ ủv c c a phân t ốcánh các phân t Ở ố khác nhau thì góc đặt cũng khác nhau Để làm bước chung

của cánh, người ta dùng góc đặt hoặc bước c a phân t ủ ố cánh có bán kính tương

đối   .Góc đó được coi là góc đặt (bước) chung c a CCM Khi xoay cánh ủ

so v i tr c d c cớ ụ ọ ủa nó thì góc đặt b ị thay đổ ự xoay cánh như vậy đượi s c thực

hi n do có b n l d c trệ ả ề ọ ục Do đó bả ề ọn l d c tr c cánh cụ ủa CCM dùng để thay đổi bước

1.6.5 Độ xoắn hình học của cán h

Là s ự thay đổi góc đặ ủt c a các phân t cánh theo bán kính c a CCM g c cánh ố ủ Ở ốgóc đặ ớt l n nh t còn nh nh t u cánh Góc xo n hình h c c i thiấ ỏ ấ ở đầ ắ ọ ả ện điều ki n ệlàm vi c c a các phân t cánh khác nhau, làm cho góc va g n v i góc va tệ ủ ố ầ ớ ối ưu Nhờ đó làm tăng đượ ực l c kéo c a CCM lên 5-ủ 7% và làm tăng đượ ảc t i tr ng ọ

h u ích c a MBTT khi công su t khi công suữ ủ ấ ất củ ộng cơ không thay đổa đ i

Hình 1.13: Độ xoắn hình h c c a cánh ọ ủ

10

Do độ xo n hình hắ ọc mà đạt được s phân b t i tr ng trên các chi ti t ch u l c ự ố ả ọ ế ị ự

của cánh đều đặn hơn và tăng đượ ốc độ khi đó xuấc t t hi n s ệ ự tách dòng đố ới v i các cánh lồi Ở đa số các cánh độ ắ xo n hình học không quá   

1.6.6 Độ cứng

Được hi u là kh ể ả năng cánh duy trì được hình d ng c a nó ạ ủ Khi độ ứ c ng l n ớthì ngay c khi t i tr ng mả ả ọ ạnh cũng không làm cánh bị bi n d ng ế ạ Khi độ ứ c ng

nh thì cánh m m và d b n dỏ ề ễ ị biế ạng, nghĩa là bị ố u n và xo n m nh N u cánh ắ ạ ếquá mềm thì không đảm bảo được độ xo n có l i nh t và ắ ợ ấ ảnh hưởng xấu đến đặc tính khí ng c a CCM độ ủ Để có độ ứ c ng l n cớ ần tăng kích thước c a các chi tiủ ết

chị ực, do đó làm tăng trọng lượu l ng của cánh Độ ứ c ng lớn quá làm tăng sự ấn ch

Fth= χ × F (1.2)

1.6.8 Phụ ả t i riêng trên di n tích quét ệ

Là tỷ ố ữ s gi a trọng lượng c a máy bay v i diệủ ớ n tích quét c a CCM ủ

  󰇛󰇜 (1.3) Trong đó :

11

H s ệ ố điền đầ ối ưu nằy t m trong khoảng   0.04 0.07 – [1], hĩa là diệ ng n tích cánh chiếm 4-7% di n tích quét ệ

1.7 Lý thuyế ệu ứ t hi ng m ặ t đ ấ t

1.7.1 Hiệu ứng mặt đất của máy bay cánh bằng

Khi m t máy bay cánh bộ ằng đang bay, dòng khí tới va ch m vào profile cánh ạ

s b lẽ ị ệch hướng tùy thu c vào góc tộ ấn để ạ t o nên l c nâng cho máy bay Áp suự ất

mặt dưới cánh s lẽ ớn hơn mặt trên, tại đầu mũi cánh sẽ xu t hi n xoáy do dòng ấ ệkhí luôn có xu hướng cu n t ộ ừ dưới lên trên Vùng xoáy đầu mũi cánh làm tăng

l c c n cự ả ảm ứng, gi m l c nâng t i vùng gả ự ạ ần mũi cánh, dẫn đến gi m hi u xu t ả ệ ấbay c a máy bay cánh b ng Khi bay cao thủ ằ ở độ ấp (thường nh ỏ hơn một nửa chiều dài sải cánh), xoáy đầu mũi cánh không thể phát tri n mể ạnh như trường

h p bay trên cao do b ợ ị gián đoạn và gi i h n b i vùng không gian t b m t cánh ớ ạ ở ừ ề ặ

đến mặt đất T ừ đó làm giảm c n c m ng rõ r t và ả ả ứ ệ tăng đượ ực l c nâng cho máy bay, hiện tượng này được gọi là hi u ng mệ ứ ặ ấ ốt đ t đ i với máy bay cánh b ng ằ

Hình 1.14: Hi u ng mệ ứ ặt đấ ủt c a máy bay cánh b ng ằ

Có 2 ng d ng ứ ụ chủ ế ủ y u c a hi u ng mệ ứ ặt đất đối v i máy bay cánh b ng ớ ằ

M t là khi c t cánh, phi công có th t n dộ ấ ể ậ ụng độ cao thấp ngay trên đường băng

để tăng tốc độ cho máy bay cũng như tăng lực nâng lên cho đến khi đạ ốt t c đ c t ộ ấcánh an toàn Thứ hai là trong khi h nh, u ạ cá hiệ ứng này làm cho máy bay như lướt trên m t lộ ớp đệm khí, giúp tránh va chạm đột ng t vộ ới đường băng và hạcánh an toàn hơn

1.7.2 Hiệu ứng mặt đất đối với trực thăng một chong chóng mang

Khi xem xét đến phân t cánh c a trố ủ ực thăng, ta có thể y hithấ ện tượng này

xảy ra đố ới v i bài toán cánh quay v b n chề ả ất cũng liên quan đến xoáy đầu mũi cánh Nhưng do chuyển động quay liên t c cụ ủa cánh nên vùng khí bên dưới tr c ựthăng phứ ạp hơn nhiềc t u so v i máy bay cánh b ngớ ằ , chưa kể đến tương tác của chóng chóng lái và chong chóng mang cũng sẽ gây nhiễu động Vì v y hi n ậ ệtượng hi u ng mệ ứ ặt đất ở ực thăng mộ tr t chong chóng mang c n phầ ải được nghiên c u k ứ ỹ lưỡng và có những phương pháp đặc biệt để ắ n m b t Theo giáo ắtrình Máy bay trực thăng của GS TS Nguy n Th M ]ễ ế ịch [2 , ta có định nghĩa cơ

b n cả ủa hiện tượng này như sau:

Giảm xoáy đầu mũi cánh

H

Trong kho ng hi ả ệu ứ ng m ặt đấ t:

Ngoài kho ng hi ả ệ u ứ ng m ặt đấ t: Xoáy đầu

mũi cánh

12

Khi MBTT bay treo cao nh (H < D), vở độ ỏ ới H là độ cao bay thì s hình thành ẽ

m t lặ ớp đệm không khí (Hình 1.16) Không khí t ừ CCM đi xuống d i và gướ ặp

mặt đất, gi m tả ốc độ ới không Khi đó áp suất bên dưới CCM tăng do có cộ t t áp

động

Áp suất toàn ph n tâm c a đĩa chi u lên m t đ t: ầ ở ủ ế ặ ấ

p =  + ρ

 (1.5) Trong đó pa là áp su t khí quy n ấ ể

Do áp suất ở bên dưới chong chóng tăng lên nên lực kéo tăng lên

Khi H = 0.2R, lực kéo của CCM tăng 50% so với lực kéo khi không có ảnh

cực đến tính ổn định c a máy bay, b i vì khi CCM b nghiêng v ủ ở ị ề phía nào đó thì

phần đó sẽ ầ g n mặt đất hơn, lực kéo tăng lên và tạo ra mô men cân b ng ằ

Chiếc trực thăng này đã thành công

trong vi c bay th cao th p kho ng ệ ử ở độ ấ ả

3 4 m p n i thành công c a m u tr– Tiế ố ủ ẫ ực thăng “Giấc Mơ”, với mong mu n ch ố ế

t o m t m u trạ ộ ẫ ực thăng mới nh g n, có tính ng d ng cao trong nông nghi p, ỏ ọ ứ ụ ệbác Hiển đã hợp tác v B môn K thuới ộ ỹ ật Hàng không và Vũ trụ ĐH Bách - Khoa Hà Nội để nghiên c u thi t k m t m u trứ ế ế ộ ẫ ực thăng mới có tính ng d ng ứ ụcao hơn T ừ các khóa sinh viên Hàng không K57, dướ ự hưới s ng d n c a PGS ẫ ủ

TS Nguy n Phú Khánh và PGS TS Hoàng Th Kim Dung, m u trễ ị ẫ ực thăng mới cũng như đối tượng nghiên c u trong luứ ận văn này có các thông số cơ bản sau:

- Khố ợi lư ng nhiên li u tệ ối đa: 15 kg

- Lượng thu c sâu tố ối đa: 15 kg

- Chong chóng lái: đường kính 508

mm

2.2 Phương pháp và quy trình nghiên c u ứ

Phương pháp ử ụ s d ng trong bài toán là mô ph ng CFD, ph n mỏ ầ ềm được s ử

d ng là ANSYS Fluent giúp gi i quy t t t nhụ ả ế ố ững bài toán liên quan đến dòng chảy, c th ụ ể ở đây là bài toán cánh quay

Để đánh giá tác động c a hi u ng mủ ệ ứ ặt đất, đầu tiên ta cần xét đến s thay ự

đổ ủ ực kéo theo độ cao Tương ứi c a l ng v i nó, tớ ại các góc đặt cánh khác nhau (9 đến 12 độ là d i làm vi c cả ệ ủa góc đặt cánh) s cho các k t qu l c kéo khác nhau ẽ ế ả ự

Hình 2.1: M u trẫ ực thăng giấc mơ

Hình 2.2 M u tr: ẫ ực thăng mới Đối -

tượng nghiên c u ứ

14

Theo lý thuy t, hi u ng mế ệ ứ ặt đấ ảt x y ra tại độ cao H < 4R V y ta s kh o sát khi ậ ẽ ảtrực thăng bay ở độ cao 0.5 m đế n 3.5 m (với 3.5 m đúng bằng đường kính CCM)

và một trư ng h p ngoài kho ng này là 8ờ ợ ả m để so sánh với trường h p tri t tiêu ợ ệ

hi u ng m t ệ ứ ặ đất Các s ố liệu đầu vào v tề ốc độ quay, góc đặt cánh c a chong ủchóng mang và tốc độ quay chong chóng lái đã được nghiên cứu trong đồ án tốt nghi p [3], t ệ ừ đó, tôi có đầy đủ ữ d liệu đầu vào để nghiên cứu tương tác toàn bộ

trực thăng, bao gồm c thân, chonả g chóng mang và chong chóng lái dưới ảnh hưởng c a hi u ng mủ ệ ứ ặt đất Ch bay kh o sát trong luế độ ả ận văn là chế độ bay treo, t c ch bay mà trứ ế độ ực thăng gần như bấ ột đ ng trong không khí Các nghiên

c u v ứ ề trực thăng luôn bắt đầ ạu t i ch bay này, do nó th hiế độ ể ện được đặc tính khác bi t nh t c a trệ ấ ủ ực thăng khi so sánh với máy bay cánh bằng Thêm vào đó,

k t qu bài toán bay treo s ế ả ẽ là đầu vào quan tr ng cho bài toán bay bọ ằng cũng như bay lên thẳng đứng trở ực thăng Để đánh giá khả năng tạ ự o l c kéo, ta có th ể

dựa theo điều ki n v khệ ề ối lượng c a trủ ực thăng Trong quá trình phun thuốc,

khối lượng trực thăng sẽ gi m d n do nhiên liả ầ ệu tiêu hao và lượng thu c phun, ố

khối lượng s ẽ giao động trong kho ng t ả ừ 38.3 kg đến 68.3 Như vậ ựy l c kéo thỏa mãn n m trong kho nằ ả g 376 N đến 670 N Sau khi đã có kết qu l c kéo t các ả ự ừtrường h p c th trên, ta xét thêm ợ ụ ể ảnh hưởng c a yế ố địủ u t a hình và y u t th i ế ố ờgian lên hiệu ứng mặt đất V y, ta có các thông s u vào ậ ố đầ ảnh hưởng đến bài toán này, đó là:

- Thông số đầ u vào c a chong chóng mang và chong chóng lái ủ

- Hình dạ trực thăngng

- Độ cao bay

- Hình dạng mặ ất đ t: B ng ph ng, g gh ằ ẳ ồ ềhoặ ốc…c d

- Thời gian kh o sát ả

- Mô hình mô phỏng và các điều ki n biên trong bài toán CFD ệ

T ừ đó, các yêu cầu chính cần được giải quy t là: ế

- Tìm thông s u vào (tố đầ ốc độ quay, góc đặt cánh) th a mãn ch bay ỏ ế độtreo theo dải độ cao

- Đánh giá ảnh hưởng hi u ng mệ ứ ặt đấ ựt d a trên chênh l ch l c kéo t o ra ệ ự ạqua các trường h p, so sánh v i lý thuy t ợ ớ ế

- Đánh giá ảnh hưởng c a y u t i gian lên hi u ng mủ ế ố thờ ệ ứ ặ ất đ t

- Đánh giá s ự thay đổi hi u ng mệ ứ ặt đất theo m t s ộ ố loại địa hình đặc trưng

ở nước ta, k t h p v i nhu c u phun thu c cho các lo i cây tr ng ế ợ ớ ầ ố ạ ồ

2.3 Phương pháp CFD và các lý thuyế t dòng ch y ả

2.3.1 Tổng quan Phương pháp CFD

CFD - Computational Fluid Dynamics là một lĩnh ự v c khoa h c s d ng các ọ ử ụphương pháp số ế ợ k t h p v i công ngh mô phớ ệ ỏng trên máy tính để ả gi i quy t các ếbài toán liên quan đến các yế ốu t chuyển động của môi trường, đặc tính lý hóa

của các quá trình trong môi trường đang xét, đặc tính s c b n c a môi ứ ề ủ trường,

đặc tính nhiệt động, đặc tính động học, hay đặc tính động l c h c ho c ự ọ ặ khí động

l c hự ọc, đặc tính l c, ho c l c mô-ự ặ ự men và tương tác của các môi trường với

15

nhau,… phụ thuộc vào từng đối tượng và ph m vi c c a t ng vạ ụ thể ủ ừ ấn đề ừ, t ng lĩnh vực khoa h c mà CFD có th ng dọ ể ứ ụng được

CFD được phát tri n, ng d ng và mang l i hi u qu ể ứ ụ ạ ệ ả cao trong các lĩnh vực

cơ học môi trường chất lưu (khí, lỏng, plasma,…) và môi trường bi n dế ạng, đàn

hồi,… Trên thự ế, CFD được ức t ng d ng r ng rãi vào các ngành khoa h c t ụ ộ ọ iêntiến và công ngh ệ cao cũng như các ngành khoa học ph c v dân sinh Ch ng ụ ụ ẳ

h n, ạ CFD được ứng dụng để mô ph ng v chuyỏ ề ển động của tàu vũ trụ ớ v i vậ ốn t c siêu thanh và dòng chảy bao cũng như các yếu t ố khí động tác d ng lên các v t ụ ậthể bay nói chung CFD được ứng dụng vào ngành Đại dương học để mô ph ng ỏtìm quy t các dòng bi n nóng, lluậ ể ạnh và tác động c a chúng lên khí h u toàn ủ ậ

cầu,… CFD được ứng d ng trong y t mô phụ ế để ỏng quá trình hoàn lưu máu ở hai vòng tu n hoàn, ầ ảnh hưởng c a các y u t bên trong, bên ngoài lên nhủ ế ố ịp đập cũng như sức khỏ ủ ộ ạe c a n i t ng nói riêng, toàn b ộ cơ thể nói chung,…

2.3.2 Hệ Phương trình Navier -Stockes

H ệ Phương trình Navier-Stockes giúp miêu t và tính toán dòng ch y c a các ả ả ủchấ ỏt l ng và khí, gọi chung là lưu chất Những Phương trình này được thi t l p ế ậtrên cơ sở ến thiên động lượ bi ng trong nh ng th tích vô cùng nh c a chữ ể ỏ ủ ất lưu

Dựa trên định lu t 2 Newton, h ậ ệ phương trình bảo toàn động lượng c a ph n t ủ ầ ửchấ ỏng không nén đượt l c chuyển động trong h tệ ọa độ Descartes đư c vi t ợ ế dưới

,  là thành phầ ậ ốc theo phương (i, j = x, y, z).n v n t

Phương trình bảo toàn khối lượng cho ch t l ng nhấ ỏ ớt, không nén được vi t trong ế

h tệ ọa đ Descartes như sau:ộ



 + 

 + 

 = 0 hoặc div (u) = 0 (2.3) Hai phương trình (2.1) và (2.3) kế ợt h p thành h ệ Phương trình Navier-Stokes cho

chấ ỏt l ng nhớt, không nén được dùng để mô ph ng chuyỏ ển động c a ph n t ất ủ ầ ửch

l ng, h bao gỏ ệ ồm 4 phương trình và 4 ẩn s là ố ,  và p

h p dòng có r i, các thành ph n v n t c và áp su t t i mợ ố ầ ậ ố ấ ạ ột điểm có độ ớ l n, phương chiều biến đổi liên t c theo th i gian, ngoài thành ph n d c chi u dòng ụ ờ ầ ọ ề

chảy còn có các thành ph n v n t c, áp su t ngang gây xáo tr n các ph n t ất ầ ậ ố ấ ộ ầ ửch

l ng V y nên b n ch t chuyỏ ậ ả ấ ển động c a dòng ch y r i là dòng không ủ ả ố ổn định

Để giải được h ệ phương trình trên trong trường h p dòng ch y rợ ả ối, người ta thường dùng m t số phương pháp giảộ i sau:

- Mô hình dòng ch y r i cho h ả ố ệ phương trình trung bình Reynold NavierStokes (RANS)

- Mô phỏng dòng ch y rả ối là chuyển động của các xoáy nước (LES)

- Mô ph ng dòng ch y r i b ng cách tính toán tr c ti p các thông s trung ỏ ả ố ằ ự ế ốbình c a dòng ch y và các thành phủ ả ần dao động c a v n t c và áp ủ ậ ố suất (DNS)

Trong những phương pháp trên thì phương pháp mô hình dòng chảy r i cho ố

h ệ phương trình RANS là được s d ng r ng rãi trong k ử ụ ộ ỹ thuật tính toán hi n ệnay H ệ phương trình RANS được viết như sau:

Phương trình liên tục:



 +  +  = 0 (2.4)Trong đó:   , , là các thành phầ ậ ốn v n t c trung bình thời gian theo 3 phương x,

là 4 đại lượng    , , , và 6 thành ph n ng su t r i Reynolds ầ ứ ấ ố  󰆒 , do v y c󰆒 ậ ần

phải có thêm 6 phương trình nữa để có th ể tìm được các đại lượng đặc trưng của dòng ch y là v n t c và áp su ả ậ ố ất

17

2.3.4 Các mô hình rối

có th Để ể tính toán được h ệ phương trình (2.3) và (2.4), mô hình dòng ch y ả

rối được phát triển để mô t ả được ứng su t rấ ối Reynolds Các phương trình cần được thêm vào để đóng kín hệ phương trình RANS Mức độ ph c t p c a c a ứ ạ ủ ủ

m mô hình dòng ch y rột ả ối được đánh giá bằng s ố lượng phương trình vi phân và

s ng các h ng s c nghiố lượ ằ ốthự ệm thêm vào để mô t dòng ch y rả ả ối Căn cứ vào

s ng các y u t trên, mô hình dòng ch y rố lượ ế ố ả ối được phân thành b n mố ức độ ừ t

cơ b n n phả đế ức tạp như sau:

Mô hình đạ ố: Đây là mô hình đơn giải s n nh t c a mô hình dòng ch y r i ấ ủ ả ố

Mô hình này d a trên gi ự ả thiế ủt c a Boussinesq v h s nh t r i µ (giá tr này ề ệ ố ớ ố t ịkhác v h s nhới ệ ố ớt động l c hự ọc µ) để tính toán các giá tr ng su t nh t ị ứ ấ ớReynolds Đại di n cho mô hình này là mô hình chi u dài xáo tr n ệ ề ộ

Mô hình một phương trình: Những mô hình d a trên gi thuy t cự ả ế ủa Boussinesq [1] nhưng phát triển thêm một phương trình để mô t ả đại lượng động năng rối k = 󰆒 = 󰆒 

[󰆒+󰆒+󰆒] Mô hình c a Prandtl và Kolmogorov hay ủ

mô hình Spalart-Allmaras là nh ng mô hình rữ ối phổ ế bi n thu c d ng này ộ ạ

Mô hình hai phương trình: Mô hình này gồm hai phương trình Mộ phương t trình mô t ả đại lượng  được thông qua đại lượng h s phân tán r i hay h s ệ ố ố ɛ ệ ốphân tán riêng ω và một phương trình mô tả đại lượng động năng rối k Nh ng ữphương trình này có thể được suy ra t th c nghi m hoừ ự ệ ặc cũng có thể nhận được

t lý thuy t Hai mô hình k - ừ ế ε và mô hình k ω là hai mô hình phổ ế- bi n trong mô hình r i vố ới hai phương trình Ngoài ra còn có th k n nh ng mô hình khác ể ể đế ữthuộ ạng này như mô hình ức d ng suất đạ ối s , mô hình ng su t Reynolds không ứ ấtuy n tính ế

Mô hình b c hai: V i mô hình này, t t c các thành ph n cậ ớ ấ ả ầ ủa ứng su t r i ấ ốReynolds được mô t bả ằng các phương trình vi phân từng phần như mô hình ứng suất chuyển động, mô hình đại số ứ ng su t Reynolds ấ …

2.3.5 Tổng quan về lý thuyết lớp biên

Trong động l c h c ch t lự ọ ấ ỏng, theo định lu t l p biên (law of the wall) [6] ậ ớthì v n t c trung bình c a dòng r i t i mậ ố ủ ố ạ ột điểm s t l v i logarit c a kho ng ẽ ỷ ệ ớ ủ ảcách t ừ điểm đó đến tường ho c ranh gi i c a vùng ch t lặ ớ ủ ấ ỏng Định lu t này ậthường áp dụng để xác định tính ch t dòng ch y gấ ả ần biên (thường < 20% chi u ềcao dòng chảy) V i ớ là chỉ ố thể ện độ s hi dày của lớp lưới đầu tiên:

 = 

 (2.7)

 = 

 (2.8)Trong đó  là v n t c ma sát có th ậ ố ể đượ ử ụng để xác địc s d nh v n t c không th ậ ố ứnguyên,  là ứng su t c t t i biên, y là kho ng cách t ph n t ấ ắ ạ ả ừ ầ ử đang xét đến biên Giá tr ị c a lủ ớp lưới đầu tiên là r t quan tr ng vì nó ấ ọ ảnh hưởng tr c ti p ự ế

đến mô t dòng ch y gả ả ần tường

V n t c không th ậ ố ứ nguyên được cho b i công thở ức:

Viscous Sublayer là vùng không gian được xác định nh ỏ hơn 5 đơn vị ớ l p biên (5 lớp lưới đầu tiên cần tường), theo đó yêu cầu giá tr ị  < 5 để ắ n m bắt đúng hiện tượng L p này ch u ớ ị ảnh hưởng b i nh t gở ớ ần tường nên có th ểcoi ứng suấ ắt c t c a ch t l ng b ng ng su t c t t i l p biên (ủ ấ ỏ ằ ứ ấ ắ ạ ớ ) T i vùng này thì ng ạ ứsuất gây ra b i nh t sở ớ ẽ quy t đ nh v n t c dòng ch yế ị ậ ố ả , do đó:

 =  (2.10) Buffer Layer n m trong kho ng t ằ ả ừ 5 đế 30 đơn vị ớp biên (5 đến l n 30 l p ớlưới gần tường) yêu c u ầ  trong kho ng t ả ừ 5 đến 30, thường được coi là vùng

đệm hay vùng ch ng chéo v a th hi n tính ch t l p biên, l i v a có rồ ừ ể ệ ấ ớ ạ ừ ối như vùng chất lỏng xa l p biên ớ

Logarithmic layer là vùng xa l p ớ biên, nơi mà ứng su t r i chiấ ố ếm ưu thế tác

động lên dòng chảy, khi đó vậ ốc dòng đượn t c cho b i công th c: ở ứ

 =  × ln (E) (2.11) Trong đó: k là hằng s Von Karman có giá tr b ng 0.41 và E = 9.8 v i l p biên ố ị ằ ớ ớ

nh n ẵ

Ngày nay, vi c s d ng các mô hình r i là r t quan tr ng trong h u h t các ệ ử ụ ố ấ ọ ầ ếbài toán mô ph ng CFD Tuy nhiên m t s ỏ ộ ốmô hình rối như k – ε thực hiệ ất tốt n r

vi c mô t dòng ch y r i t ệ ả ả ố ự do nhưng chưa thể hi n rõ b n ch t các hiệ ả ấ ện tượng

c a dòng r i t i khu v c g n l p biên ủ ố ạ ự ầ ớ Việc áp d ng lý thuy t l p biên vào bài ụ ế ớtoán mô ph ng phỏ ải thỏa mãn điều ki n v ệ ề tương ứng v i mô hình rớ ối được sử

d ng Trong mô phụ ỏng CFD, đ ềi u ki n ệ  đối với một số mô hình rối như sau:

- k - tiêu chu n: 10 ɛ ẩ  200 

- k -  SST:  ≤ 1

- Spalart Allmaras 1 – :  30 

Để gi i m t bài toán CFD, vi c ch n mô hình r i phù h p là r t quan tr ng, nó ả ộ ệ ọ ố ợ ấ ọ

ph ụ thuộc vào nhu c u c a bài toán mu n gi i quy t vầ ủ ố ả ế ấn đề gì Vì vậy, để gi i ảquyết vấn đề ớ l p biên thì tối ưu nhất là ch n mô hình r i k - SST ho Spalartọ ố  ặc –Allmaras với điều kiện  < 5 cũng là điều kiện để ắ n m bắt được hiện tượng của khu v Viscous Sublayer ực