Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hàng không: Thiết kế và phân tích chân vịt có ống đạo lưu cho thiết bị tự hành dưới nước

Tóm tat luận vănMục đích của nghiên cứu là thiết kế hệ thông lực đây cho thiết bị tự hành dướinước autonomous underwater vehicle-AUV nhằm giúp cho AUV tăng hiệu suấtlực day, tiết kiệm đư

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYÊN NHẬT DUY TẤN

THIET KE VA PHAN TÍCH CHAN VIT CO ONG ĐẠO LƯU

CHO THIET BI TU HANH DUOI NUOC

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hang Không

Mã số: 60520110

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, tháng 07 năm 2015

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHỌG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Chí Công

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Lê Thi Hồng Hiếu

Cán bộ cham nhận xét | : TS Trương Quang Tri

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Nguyễn Thiện Tống

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Dai học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM

NgaylO tháng 07 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi của Hội đông cham bảo vệ luận văn thạc si)

1 TS Trần Tiến Anh Chủ tịch hội đồng2.TS Ngô Khánh Hiếu Thư ký hội đồng3.PGS TS Nguyễn Thiện Tống Uỷ viên

4 TS Trương Quang Tri Uy vién

5 FS Lý Hùng Anh Uỷ viênXác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau

khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

TS TRAN TIEN ANH TS NGUYEN LE DUY KHÁI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨHọ tên học viên: NGUYEN NHẬT DUY TAN MSHV:13420458

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1991 Nơi sinh: Tây Ninh

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hàng Không Mã số : 60520110

I TÊN DE TÀI: Thiết kế và phân tích chân vịt có ống đạo lưu cho thiết bị tự hành dưới nướcIl NHIEM VU VA NOI DUNG

- Kiểm tra độ chính xác chương trình OpenProp- Thiết kế chân vịt có ống đạo lưu cho thiết bi tự hành dưới nước- Phân tích ảnh hưởng ống đạo lưu lên chân vit

Ill NGÀY GIAO NHIỆM VU : 19/01/2015IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIEM VU: 14/06/2015V CAN BO HƯỚNG DÂN : TS Nguyễn Chí Công

TS Lê Thi Hồng Hiếu

Tp HCM, ngày thang năm 20 CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

(Ho tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TS Nguyễn Chí Công TS Lê Thị Hong Hiếu TS Trần Tiền Anh

TRƯỞNG KHOA

(Họ tên và chữ ký)

TS Nguyễn Lê Duy Khải

Lời Cảm Ơn

Luận văn tốt nghiệp Thạc s của tôi được nghiên cứu và hoàn thành tại TrườngĐại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Có được kết quả này, tôi xin chânthành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thay, Cô Bộ môn Kỹ thuật Hang không -Khoa Kỹ thuật giao thông Dai hoc Bách khoa Thành phố Hỗ Chí Minh va đặc biệt

(Design and Analysis of Ducted Propeller for AUV)”.

Có thé nói, sự thành công của luận văn này, trước hết thuộc về công lao củanhà trường và toàn xã hội Đặc biệt là sự quan tâm, động viên, khuyến khích của giađình Nhân đây, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu đậm

Một lần nữa tôi xin cảm ơn và mong nhận được sự đóng góp, phê bình củaquý Thây, Cô các nhà khoa học và các bạn

Xin chân thành cam on!

Tp HCM, tháng 7 năm 2015

Nguyễn Nhật Duy Tân

Tóm tat luận vănMục đích của nghiên cứu là thiết kế hệ thông lực đây cho thiết bị tự hành dướinước (autonomous underwater vehicle-AUV) nhằm giúp cho AUV tăng hiệu suấtlực day, tiết kiệm được năng lượng và tăng thời gian hoạt động trong nước Việc sửdụng chong chóng nước có ống đạo lưu không những giúp tàu thủy tiết kiệm nănglượng từ 5% đến 12% [1] mà còn giúp tàu thủy hay các thiết bị hoạt động trongnước giảm tiếng ôn, giảm ảnh hưởng hiện tượng xâm thực lên bề mặt chong chóngnước Đối tượng nghiên cứu là thiết kế và phân tích chong chóng nước có ống đạolưu cho AUV có thông số thiết kế theo bang 1 Việc thiết kế va phân tích chongchóng nước có ống đạo lưu cho AUV được thực hiện bằng chương trình OpenPropvà phương pháp số CFD (Computational Fluid Dynamics) Độ tin cậy của kết quatừ chương trình OpenProp đã được kiểm nghiệm với kết quả từ thực nghiệm [2].Thông qua nghiên cứu này, kết quả chương trình OpenProp [2] được kiểm nghiệmbăng phương pháp số CFD, đồng thời trình bày rõ ảnh hưởng của ống đạo lưu lên

chong chóng nước và kêt quả của đường đặc tính chong chóng nước có ông đạo lưu.

Ký hiệu Giai thích Gia tri

V, (m/s) Van tốc di chuyén cua tau 2.5T (N) Luc day can thiét 10.56m (kg) Khối lượng 14.5I (m) Chiéu dai than 0.16

d (m) Duong kinh than lon nhat 1.033

Bang 1 Thông số thiết ke AUVTừ khóa: AUV, chong chóng nước có ống đạo lưu, chương trình OpenProp,phương pháp số CFD

AbstractThe purpose of this study is to design propulsion system for AUV (autonomous underwater vehicle), which needed a long operating time under thewater in ocean, save up energy and increasing propulsive efficiency.It is wellknown that using ships which are implemented with ducted propellers could notonly help to save energy comsunption about 5% to 12% [1] in compared toconventional ships but also reduce noise levels and avoid cavitaion from thepropeller surface This study has two main objectives: design and analysis ductedproppeller of AUV with given design parameters in table 1 We use OpenProp as acomputational tool on analytical approaching the optimum using point of the ductedpropeller in the AUV and the characteristics of appropriate propeller aredetermined The reliability of the results from the OpenProp's program have beencompared with the experimental data [2] In this study, we analys the effect of aduct on propeller and compare between the OpenProp's result with others publicedCFD's results, estimate the performance curve of a given design for use in off-design performance prediction.

Parameter Description Value

V, (m/s) free-stream speed 2.5

T (N) required thrust 10.56

m (kg) Weight 14.5

I (m) Length fuselage 0.16

d (m) max diameter fuselage 1.033

Table 1 AUV design input parameter

Keywords: AUV, ducted propeller, OpenProp, CFD.

Lời cam đoan

Tôi cam kết:

- Đây là luận văn tốt nghiệp do tôi thực hiện,- Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được aicông bố trong bat kỳ công trình nào khác,

- Các đoạn trích dẫn và số liệu kết quả sử dụng để so sánh trong luận văn này

đêu được dân nguôn và có độ chính xác cao nhât trong phạm vi hiệu biết cua tôi.

VII

LOT CAM ƠI G0 G G9990 Lọ ili

Tóm tắt luận Văï - - 6 tk 3191 1E 56919191 1E 111191 113 11011191111 1111110119 1g nen V

[.Wir o0 - “.“ Ý vi

Lời CAM đOa1n - - G55 0000001019001 nọ Vil

Chur gai KY iu 0 5 XI

Darnh muc Dang 11117 — XX

HUONG GIỚI THỊ U DE TAL ecceesseseesneeseesseesneeseecneenseenseseeeneenneenenesen |

1 MO đầu GG Gà l

[.I Giới thiệu chung - cv l

1⁄2 Mục tiêu để tài + th 21.3 Đối tượng nghiên CỨU - :E- E2 SE E23 E91 5 1 1 151515111111 11115 11111111 y 2

LA Nội dung Gv 2

HƯƠNG ƠS L THU ẾT scĂcSrieerierrirrrierreee 51 Ly thuyết chong chóng nưỚC -¿- + + 5% SE E+EEEEESE£E#EEEEEEEEEEEEEEE1 E111 2x rk 5l.I LY thuyẾt XOáy - c t2 +23 St S1 1211111211111 1111111111111 re 51.2 Lý thuyết phần tử cánh 5-5229 SE E232 2k3 1211121211111 11.11 re 71.3 Kết hợp lý thuyết phan tử cánh và lý thuyết XOAY -¿-5c+c+cecsccscecs¿ 81.4 Phân tích các yếu tô ảnh hưởng hiệu suất day chân vịt có ống đạo lưu 9144.1 Phan tích thứ nguyên và đồng dạng động lực học -5- sex 9

14.2 Phân tích định tính và hình dạng các đường đặc tính - 14

1.5 Lý thuyết động lượng đơn giản của chong chóng nước không có ống dao

1.5.1 Hiéu suất lực đây chân vit trong ống đạo lưu theo Tou ee 191.5.2 Vận tốc dọc frục s ST 2111 111 1n HE HH HH HH ra 21

2 Các phương pháp nghiÊn CỨU - - ( (<< 5 139910101011 19 9990011 25

2.1 Phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm 5-5-5 2 2 22s+s+£scee: 252.1.1 Quan sát bằng thực nghiệm của Ghose và Gokarm -s2s2cszzczx 25

2.1.2 Phương pháp thực nghiệm được thực hiện bởi Van ManenVA SUPCTINA 0 c cece ete cece ect eeeceeeceteeeesaeeceeeeeceeeeceeeetieescseseteeecseseteeesteeses 26

2.2 Phuong pháp LDV và PIV G LH ngờ 29

2.3 Phương pháp giải tÍCH (<< 00 ngờ 34

2.3.1 Lý thuyết động lượng don giản - 5251 1E E12 re 34

2.3.2 Phuong pháp đường lực nang — Phương pháp mặt nâng 35

2.3.3 Phương pháp mặt xoáy — Phương pháp mảng xoáy - 35

3 Giới thiệu chương trình Open PFrOfD - c0 S00 ng 37

3.1 Đánh giá độ tin cậy của chương trình OpenProp - «55s <<2 39

3.2 Boundary element method/panel method «+ << sssxs 45

3.3 Phương pháp số — Phương pháp CFD u cccccccsescecscsesseesescsessesesessssseseseens 46HUONG THIẾT E H N VỊT TRONG ONG ĐẠO LƯU 511 Thông số thiết kẾ ¿- - - <SE+E2E£E9 SE E1 1 E9 E515 11 1151111111111 1111111111011 Xe 512 Các yếu tô ảnh hưởng đến thiết kế chân vịt trong ống đạo lưu - 522.1 Ảnh hưởng hiệu suất chân vịt trong ống đạo lưu oo eects 522.1.1 Anh hưởng hệ số dày đặc S221 2E1 11211 1.2221 grrrreye 522.1.2 Ảnh hưởng hệ số lực đây C 5 1222211211222 E1 2e 562.2 Ảnh hưởng hiện tượng xâm thie cscssssesessssssssesessssssesesesseeseee 592.3 KẾtluận QC 1112121 11111 TT HH ngư 61

3 Dựng hình học 3D cho chân vit trong ống đạo UU -c<<<<<<<<<ccssss 64HƯƠNG PH NT HANHHU NG AONGDAOLUUL N HN

VIT NG PHUONG PH PD ciiccccccccccssssssscsscseescsscsecseesesscsecseescsessseseeseeseeaes 691 Phuong trinh tinh toan - - - << 1113300010119 09.0 69

xi

hú giải ký hiệuKý hiệu Giải thích Đơn vị

A diện tích chong chóng (m'a,b hệ số cục bộ :Cr hệ số lực day -Cụ hệ số moment xoăn -C, hệ số công suất -D đường kính ống đạo lưu (m)

Do đường kính chan vit (m)

Daub đường kính bau cánh chân vịt (m)

f độ cong biên dang cánh (m)

F; luc nang (N)

Fy luc can (N)

Gy hệ số động năng rỗi do gradient vận tốc trung bình

-h độ c-hìm c-hân vit trong nước (m)

J tỷ số tiễn Kra hệ số lực đây ống đạo lưu -ktp hệ số lực đây chân vit -ky tong hệ số lực day -Kop hé s6 moment xoan chan vit -Kop hệ số moment xoắn ông đạo lưu -k dong nang rỗi (m7/s*)L chiéu dai ống đạo lưu (m)

-M moment động lượng góc (kgm')

xil

lưu lượng lưu chấtcông suất can thiết cung cấp cho chân vịtcông suất trục

áp suất t nháp suất tại mặt thoáng

bán kính

lực đâysố vòng quay chong chóngsố lá cánh

số Reynoldvận tốc miễn đứng yênvận tốc miền quayvận tốc tới của tauvận tốc tới cực đại của tàuvận tốc doc trục chân vịt có ống đạo lưuvận tốc doc trục chân vit

vận tốc phía sau chân vịt có ống đạo lưuvận tốc phía sau chân vit

công suất động cơtenxơ tốc độ biến dạng trung bìnhlực đây chân vit

lực đây ống đạo lưutong lực đây chân vịt có ống đạo lưu

(rad/s)

(m/s)(m/s)(m/s)(m/s)(m/s)(m/s)(m/s)(m/s)(HP)

(N)(N)(N)(m)

Niocal hiệu suất cục bộ _

Danh mục hìnhHình 1.1 Cấu tạo chân vịt trong ống 3198100000 3Hình 1.2 (a) Chân vịt trong ống đạo lưu tăng tốc và (b) chân vịt trong ống đạo

lưu giảm OC - cEE1EE1 E121 1515151311 1511511 1111111110101 0105010111 0g 3g 4Hình 2.1 Xoáy hậu lưu do vận tốc tiếp tuyến -¿ ¿52+ c2 ce2Ectsrrrxrkrree 5Hình 2.2 Sự gia tăng các thành phan vận tốc qua chong chóng 6Hình 2.3 Phân tích lực trên một phan tử Cánh c c1 11x 3x2 7Hình 2.4 Hệ số lực đây, moment xoăn và hiệu suất của chân vịt theo tỷ số tiễn 14Hình 2.5 Hệ số lực đây của ống đạo lưu và chân vit trong ống đạo lưu 15Hình 2.6 So sánh đặc tính chân vit B4.70 không có ống đạo lưu và chân vịt Ka

4.70 trong ống đạo lưu 19A cùng tỷ lệ (pich ratio) P/D = 1.0 15Hình 2.7 Dòng nước qua chân vit theo lý thuyết động lượng th ng l6Hình 2.8 Hiệu suất lực day theo của Cy và tỷ lệ lực đây _ 20Hình 2.9 So sánh vận tốc đọc trục trường hợp chân vịt có ống đạo lưu và không

có Ong đạo lưu 5- - 222223 3 1511 1111121111111 1111 111111111 xe 21Hình 2.10 So sánh tỷ số đường kính chân vịt trong trường hợp có và không có

ống đạo lưu tại cùng một giá trỊ lực đây ¬— 23Hình 2.11 iếu diễn hàm fy theo Cy Và _ - c6 Sc Sex sEskskskeeree 25Hình 2.12 Mô hình thí nghiệm của chân vit trong ống đạo lưu 27Hình 2.13 Các ống thử nghiệm tai Wageningen ¿-5- 5c ccccececereeree 29Hình 2.14 Vị trí đo vận tốc trường dòng chảy của chân vit trong ống đạo lưu 30Hình 2.15 Phân bố vận tốc trường dòng chảy trường hợp chân vịt có ống đạo lưu

tại VỊ CHT X Tọ = (.ÓỐY Q Q1 ng vớ 31

Hình 2.16 Phân bố vận tốc trường dòng chảy trường hợp chân vịt có Ống đạo lưu

tại VỊ tri X fọ = Ì.Ö LLc c9 TH nh ren 31

Hình 2.17 Phân bố vận tốc trường dòng chảy trường hợp chân vịt có ống đạo lưu

tal V1 tri X fo = 2.00 1 32

Hình 2.18 Phân bố vận tốc trường dòng chảy trường hợp chân vit không có

ống đạo lưu tại vị trí X rọ = Ủ.ÓỐ - c6 5 S+ Set cxterrkererkrkrreee 32Hình 2.19 Do vận tốc dòng sau ống đạo lưu bằng phương pháp PIV 34

Hình 2.20 Mô hình tính toán của chân vịt: (a) Mô hình đường lực nâng, (b) Mô

hình mặt nâng, (c) Mô hình mặt xoáy và (d) Mô hình mảng xoáy 36

Hình 2.21 Ảnh hưởng khe hở giữa ống đạo lưu và đầu mút cánh chân vịt đến

phân bố xoáy trong chân vịt có ông đạo lưu ¿-5-5555s5s+scs2 37Hình 2.22 Sơ đồ dữ liệu trong chương trình OpenProp - - +55: 38Hình 2.23 Phân bố vận tốc và luc trên biên dạng cánh 2D ««««« 39Hình 2.24 So sánh giản đồ đường đặc tính chân vit theo nghiên cứu của lack và

chương trình OpenProp - + 199.0 1 ng vn ree 4

Hình 2.25 So sánh kết quả đường đặc tính của phương pháp thực nghiệm (PIV,

LDV) và kết quả của chương trình OpenProp - 42

Hình 2.26 Mô hình lưới chân Vit 2E E E3 3111111111131 1111111111555 xx2 43

Hình 2.27 So sánh kết quả đường đặc tính của chân vịt bang phương pháp CFD

và chương trình OpenProp - cv ke 43

Hình 2.28 Chồng chập kết quả đường đặc tính của chân vịt bằng chương trình

Openprop, CFD và kết quả thực nghiệm PIV, LVD 44Hình 2.29 Mô hình xoáy hình thành phía sau chân vit có ống đạo lưu và chân vịt

không có ống đạo Ïưu + ¿2E + S222 2E E2 5E E21 151152121111 Eee 46Hình 2.30 Sự thay đối của hệ số theo số le c-s + tt EsEsEskskserersesed 47Hình 2.31 Phân bố áp suất và đặc tính dòng chảy bao quanh biên dạng ống đạo

lưu 19A tại số Re = 10° và Re = 10° ứng với chế độ tải Crp = 6 47

xvi

Hình 2.32 So sánh biên dạng ống đạo lưu 19A và biên dạng ống đạo lưu mới 48Hình 2.33 So sánh phân bố áp suất trên ống đạo lưu 19A va

trên Ống đạo lưu MOE + ¿26 + E2 +E+E£E+E#EEEE£EEEEEEEEErrrkrkrree 46Hình 2.34 So sánh phân bố áp suất trên biên dạng cánh chân vit Ka và biên dạng

cánh chân vit Z“-D€ÏÏ©TF <5 11301011 9993011 H99 ng nen 48

Hinh 2.35 Anh huong vi tri dat chan vit trong ống đạo lưu 49Hình 2.36 Ảnh hưởng vi trí đặt chan vit trong ống đạo lưu -. 49Hình 2.37 Sơ đồ cách thức thực hiện của dé tài - 5 6+ xsx+xse£eEsesesees 50Hình 3.1 Phân bố hệ số dày đặc dây cung cánh của chân vịt (4 lá cánh) trong ống

đạo lưu cho bốn trường hợp khác nhau . -5- cesses 55Hình 3.2 Ảnh hưởng của hệ số dày đặc dây cung cánh đến hiệu suất làm việc của

0Ð yìnH:tđiđaiẳẳaiaẳaaa 55

Hình 3.3 Giới hạn hiệu suất của chân vịt có ống đạo lưu theo hệ số lực đây Cy 57Hình 3.4 Giới hạn hiệu suất của chân vit có ống đạo lưu theo đường kính D 57Hình 3.5 So sánh hiệu suất của chân vịt và chân vịt trong ống đạo lưu theo đường

kính D tại vùng hiệu suất thấp -. - + + 2552222 E2E£EsEEErkrkrrrrees 58Hình 3.6 So sánh hiệu suất của chân vịt và chân vịt trong ống đạo lưu theo đường

kính D tại vùng hiệu SUẤT CAO veeccesecececesessssscscecessessvscscececesevacacececsevavacees 58

Hình 3.7 Dong chảy bao quanh profin cánh chan vit trong nước ở độ sâu h 60

Hình 3.8 Đánh giá hiện tượng xâm thực tại mặt hút và mặt đây của chân vit trong

ống đạo lưu V =2.5 Im/S - «<< Set S3SEEE 1 E111 13111111 Eee, 61Hình 3.9 Hiện tượng xâm thực trên mặt hut của chân vit trong ống đạo lưu khi

thay đối vận tốc tới V = 5.5 Im/S - + << Sex 1E re, 61Hình 3.10 Hình dáng chân vịt trong ống đạo lưu (D = 52.75 mm) và chân vit

không có ống đạo lưu (D = 112 mm) - 2 2-5- £+s+cz££+szs+ezzze: 63

XVvI

Hình 3.11 So sánh đường đặc tính chân vịt (CV) và chân vịt trong ống đạo lưu

(OCV) băng chương trình OpenProp ¿5-5-5552 +s+x+x+xzescez 64Hình 3.12 Thong số hình học chân Vit cccccscsscesessessccecesessevscscecessevevecsceeeesevees 65Hình 3.13 Hình học chân vịt được biểu diễn ở dạng tập hợp

các điểm trong Clafia ¿- + + 6+2 SE 3E 321511212111 21 111111111 65Hình 3.14 Nối các điểm trên lá cánh chân vịt băng phần mềm Solidword 66Hình 3.15 Tao mặt lá cánh chân vit băng phân mềm Solidword -<¿ 66

Hình 3.16 Hình dang chân VỊT - - << 1 999.0 ng kg 67

Hình 3.17 Hình dạng chân vịt trong ống đạo lưu wo - 2 + 25s s+s+escze 68

Hình 4.1 So sánh phương pháp SMM và phương pháp MRF cho trường hop

chân vit không có ống đạo lưu - ¿+5 + 2 2 2+E+E+EzEerererereereee 71Hình 4.2 Kích thước miền chia cho mô hình chân vịt - + 5s sssszxe: 73Hình 4.3 Kích thước miền chia chân vit trong ống đạo lưu - 74Hình 4.4 Mô hình lưới của chân vịt không có ống đạo lưu -55 75Hình 4.5 Lưới bề mặt chân vịt - s-cx tre 76Hình 4.6 Mô hình lưới của chân vịt có ống đạo lưu 2 2 5 s5s+s+cscee 76Hình 4.7 Lưới bề mặt chân vịt - s-cxh tre 76Hình 4.8 Phân bố Y* cho mặt trước và mặt sau chân vịt ss sszxe: 77Hình 4.9 Phân bố Y* cho mặt trước và mặt sau chân vịt có ống đạo lưu 77Hình 4.10 Phân bố áp suất cho mặt trước và mặt sau chân vịt -¿ 78Hình 4.11 Phân bố áp suất cho mặt trước và mặt sau chân vịt có ống đạo lưu 7/68Hình 4.12 Phân bố vận tốc cho mặt trước va mặt sau chân Vit s-s: 79Hình 4.13 Phân bố vận tốc cho mặt trước và mặt sau chân vịt có ống đạo lưu /9Hình 4.14 Ảnh hưởng của ống đạo lưu lên chân vịt 2 25 25s+s+sscse: 80

XVill

Hình 4.15 Mô hình đường dòng qua chân vịt có ống đạo lưu - 80Hình 4.16 Phan bố đường dòng qua chân vịt nước dang vectơ - 81Hình 4.17 So sánh đường đặc tính chân vịt băng OpenProp va

Danh mục bảng

Bảng 1 Thông số thiết kế AUV 5c 25221 2E S3 121913112111 212111 1101111 cxye V

Table 1 AUV design input paraf€f€T- s5 5S 00 ng ke vi

Bảng 2.1 Thông số kích thước hình học ống đạo lưu - 2 2555552 28Bảng 2.2 Thông số hình học và đặc tính chân vịt - - sex £sesesesees 40Bảng 2.3 Thông số hình học chân Vit + + - 2 22+ +£+E+E£E+xexerxrrererered 40Bảng 2.4 Thông số hình học và đặc tính chân vịt - - sex £sesesesees 4IBảng 2.5 Thông số hình học chân Vit ¿5+ 2 22+ S£+E+E£E+xeEerxrrererered 42Bảng 2.6 So sánh kết quả chương trình CFD và kết quả của

chương trình OpenProp - - << 5 11300111 ng ke 44

ang 3.1 Cong suat dong co tai van LOC Vay cecesecsscscecesessevscscecceevevscecececeevaraceceees 51ang 3.2 Số vòng quay và đường kính chân vit tương ứng khi sử dung

i88 1177777 52ang 3.3 Giá tric D thay đổi theo từng vị trí bán kính r R - s5 s: 53ảng 3.4 Thông số thiết kế đầu vào của chân vịt có ông đạo lưu trong

chương trình OpenProp - - << 5 11300111 ng ke 54

ang 3.5 Phân bó hệ số day đặc cánh theo từng vị trí bán kính r R 54ang 3.6 Giới hạn hệ số lực đây CTr 5-52 SE 3 E2 E121 151521112111 re 57ang 3.7 Thông số thiết kế và đặc tính chân vịt ¿- 5-5-5 s5s+s+x+xzxzesezcee 62ang 3.8 Thông số thiết kế chân Vit - - + 256262 EE£E£E+EEEEEErErErrerrreee 62ang 3.9 Thông số thiết kế chân vịt trong ống đạo lưu -55- sec 5sc: 63

HƯƠNG GIỚI THỊ U ĐÈ TÀI

1 Mo dau

1.1 Giới thiệu chungCũng giống như bau trời, đại dương sâu rộng luôn tạo nguồn cảm hứng khámphá của con người Nhưng khi bắt tay vào khám phá nó, ta gặp rất nhiều trở ngại.Van đề dau tiên có thể nhận thấy rõ nhất đó là không khí dé thở va áp lực nước Cùng với sự phát triển của công nghệ, các thiết bị di chuyển dưới nước tự động(viết tat là autonomous underwater vehicle- AUV) đang trở nên ngày càng phổ biến.AUV hiện đang góp mặt trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ quân sự cho đến dânsự, từ | nh vực kinh tế cho đến 1 nh vực nghiên cứu khoa học như:

- Một nhiệm vụ quân sự tiêu biểu có sự tham gia của UAV là xây dựng bảnđồ khu vực để xác định vị trí mục tiêu, có thể là một cảng biển, hoặc giám sát mộtkhu vực quân sự AUV cũng được sử dụng trong chiến tranh, như phát hiện và tiêudiệt tàu ngầm địch (tàu ngâm có người lái),

- Ngành công nghiệp dau khí sử dụng AUV dé khảo sát, thiết lập các ban déđáy biến chi tiết trước khi xây dựng các cơ sở hạ tầng dưới biến, hệ thống đường

ống dẫn và các vị trí lắp đặt cần thiết sao cho chỉ phí sử dụng là hiệu quả nhất,

- Các nhà nghiên cứu thường sử dụng AUV nhằm mục đích nghiên cứu hồ,đại dương và nên địa chất trong lòng dai dương Một loạt các cảm biến được gantrên AUV cho phép xác định thông tin về nông độ vật chất hoặc các yếu tố khác

nhau, sự hâp thụ hoặc phản xạ ánh sáng, sự hiện diện của sự sông.

AUV đầu tiên được phát triển tại phòng thí nghiệm Vật lý ứng dụng tại Đại

hoc Washington vào năm 1957 bởi Stan Murphy, Bob Francois va sau này là Tery

Ewart Được biết với cái tên “Xe nghiên cứu chuyên dụng dưới nước”, thiết bị đượcsử dụng để nghiên cứu khuếch tán, dẫn âm và dẫn đường tàu ngầm dưới nước Trảiqua thời gian dài phát triển đã có nhiều nghiên cứu về AUV, một số nghiên cứu tiêubiéu trong những năm gan đây như:

- Sh Mansoorzadeh, E Javanmard (2014) [3] đã sử dụng phương pháp sốCFD nham xác định các hệ số thủy động của AUV và kết quả được so sánh với môhình được thử nghiệm trong thực tế,

- J L D Dantas, E A de Barros (2013) [4], Jagadeesh (2009) [5], đã sử dụng

CFD nham tính toán 6n định của AUV dưới sự ảnh hưởng của góc tan và các bèmặt điều khiến,

- Tyagi và Sen (2006) [6] đã sử dụng phương pháp CFD nhăm tính toán cácthông số của AUV sử dụng chan vit trong ống đạo lưu như: vận tốc, áp suất Việcthiết kế tối ưu hóa AUV băng cách sử dụng phương pháp CED nhằm cho lực cảnnhỏ nhất

1.2 Mục tiêu đề tàiVới mục đích là thiết kế tối ưu hệ thống lực đây cho AUV nhăm giúp choAUV tăng hiệu suất lực đây, tiết kiệm được năng lượng và tăng thời gian hoạt động

trong nước.

1.3 Doi tượng nghiên cứuTheo Glose và Gokarn [1], việc sử dụng chân vit trong ông đạo lưu không chigiúp tàu thủy tiết kiệm năng lượng từ 5% đến 12%, giảm khối lượng và chi phí chế

tạo so với trường hợp chỉ sử dụng chân vit riêng lẻ mà còn giúp tàu thủy hay các

thiết bị hoạt động trong nước giảm tiếng én, giảm anh hưởng hiện tượng xâm thực

Tiếp nối luận văn của Trần Cao Văn [7] là thiết kế và chế tạo AUV, đối tượngnghiên cứu của đề tài là thiết kế và phân tích chân vịt trong ông đạo lưu cho AUV

của nhóm.

1.4 Nội dung

Cau tạo hệ thống ống đạo lưu và chân vit được mô tả như hình 1.1 Trong hệthống này chân vit được đặt trong ống đạo lưu, quay trong ống và cùng với ống đạolưu tạo ra lực day lớn hơn so với chân vịt đứng riêng lẻ Mặt cắt ngang của ống đạolưu có hình vành khuyên, còn mặt cắt doc ống có dạng airfoil Hệ thống ống đạo lưuvà chan vit được phát triển đầu tiên bởi Luigi Stipa (1931), Ludwig Kort (1934) [8]

2

và được phát triển rộng rãi từ năm 1950 đến năm 1970 bởi Manen và Oosterveld

(1966) [9], Wessinger và Maass (1968) [10] Năm 1973, Oosterveld [11] đã nghiêncứu về đặc trưng va anh hưởng hình dang của ông dao lưu va chan vịt Trongnghiên cứu cua ông, chân vit trong ông đạo lưu chỉ cho hiệu suat cao tại van toc

thấp hơn khoảng 7.71 m/s [39] Trên tốc độ đó, lực cản tạo ra bởi ống đạo lưu tang,

làm giảm hiệu quả lực đây của chân vit.

Hình 1.1 Cấu tạo chân vịt trong ông đạo lưuMột trong các lý do làm cho chân vịt trong ông đạo lưu có hiệu suất lực daylớn hơn so với chân vịt không năm trong ống đạo lưu là:

- Trong thành phan lực day của chân vit trong ông đạo lưu ngoài lực day củachân vit còn có thành phân lực đây của ống đạo lưu,

- Do khoảng cách khe hở giữa đầu mút cánh chân vịt và thành trong ống là nhỏ

nên làm giảm hiện tượng xoáy và tạo bọt tại dau mút cánh chân vit.

(a) (b)

Hình 1.2 (a) Chân vịt trong ống đạo lưu tăng tốc và (b) chân vịt trong

ống đạo lưu giảm tốcCó hai loại chân vịt trong ống đạo lưu, loại tăng tốc (hay còn được gọi là KortNozzle) và loại giảm tốc (hay còn được gọi là Pump Jets) được mô tả như hình 1.2

- Loại ống đạo lưu tăng tốc làm cho dòng chảy tăng tốc khi chảy vào bề mặtchân vịt, ống đạo lưu sản sinh lực đây dương nâng cao hiệu suất lực đây và giảmnhẹ phụ tải cho chân vịt nhưng thúc đây hiện tượng sủi bọt và làm tăng tiếng ôn,

- Loại ống đạo lưu giảm tốc làm cho dòng chảy giảm tốc khi chảy vào bề mặtchân vit, ống đạo lưu sản sinh lực đây âm, làm giảm hiệu suất và tăng phụ tải cho

chân vịt nhưng chậm hiện tượng sủi bọt và làm giảm tiêng ôn.

Từ những ưu, nhược điểm trên mà ống đạo lưu gia tốc và giảm tốc được sửdụng cho nhiều mục đích khác nhau như: đối với tau lai, tàu kéo do cần hiệu suấtlực đây cao nên sử dụng ống đạo lưu loại tăng tốc, đối với các tàu làm nhiệm vụ đặcbiệt trong quan sự với nhu cầu giảm tiếng ồn thì ống đạo lưu được sử dụng là loại

giảm tôc.

HUONG OS L THU ET

Đầu tiên ta phải xem xét đến các lý thuyết về chân vit từ đó xác định các yếutố ảnh hưởng đến việc thiết kế chân vịt trong ống đạo lưu Cơ sở lý thuyết xuất phát

từ các quan sát thực tiễn trong các thí nghiệm hay trong quá trình thử nghiệm chân

vit có ống đạo lưu trong các điều kiện thực tế đến các lý thuyết đơn giản như: phân

tích thứ nguyên và đồng dạng động lực học, lý thuyết động lượng đơn giản hayphức tạp hơn là lý thuyết đường lực nâng và phương pháp mảng xoáy thông qua

chương trình OpenProp.

1 Lý thuyết chong chóng nước

1.1 Ly thuyết xoáyTrong phan lý thuyết động lượng th ng chỉ xét thành phan vận tốc th ng củalưu chất Trên thực tế, dòng lưu chất qua chong chóng còn có thêm thành phần vậntốc tiếp tuyến do vận tốc góc của cánh quạt sinh ra Thành phan vận tốc tiếp tuyến

này gây ra xoáy ở vùng hậu lưu phía sau chong chóng

Tương tự lý thuyết động lượng th ng Luu chất trước chong chóng có vận tốcquay U = 0 Tại tiết diện chong chóng Luu chất co vận tốc góc là b.w và sau chong

chóng là 2b.w

U=0 Ui= bÓr U2= 2©r

Hình 2.2 Sự gia tăng các thành phan vận tốc qua chong chóngChia tiết diện chong chóng thành các hình vành khuyên có diện tích dA băngnhau, bề dày dr ứng với mỗi vị trí bán kính r

Xét lưu chất qua chong chóng ở giữa vị trí r và (r+dr)Ấp dụng định luật bảo toàn động lượng góc

M=H=mU,r=m2bwr (1.1)Sự thay đối dộng lượng góc trên mỗi vi phân diện tích q

dM = dm2bwr = (27zdr)pV(+a)(2bwr7) (1.2)Hiệu suất trong trường hop này

_TV

1= (13)Hiệu suất cục bộ trên mỗi vi phân diện tích

1.2 Ly thuyét phan tir canh

(1.7)

(1.8)

(1.9)

(1.10)

Ly thuyét động lượng được xây dựng trên cơ so khảo sát các thành phân vận

tốc dọc trục, thành phần vận tốc quay và độ biến thiên động lượng của dòng lưuchất sau chong chóng nước Băng lý thuyết này ta có thể xác định được lực đây,

moment xoăn, hiệu suat gới hạn chong chóng nước nhưng chưa đưa ra biên dang cụ

thé của nó Lý thuyết phan tử cánh khảo sát lực tac động lên cánh chong chóng bằngcách chia cánh ra làm nhiều phần tử nhỏ hình vành khăn có diện tích băng nhau

zero lift linefor section -

fn mn | Vo \,

torque xk | V

radius - ‹ 5 2

Resultant Force Vectors Flow Vectors

Hinh 2.3 Phan tich luc trén mot phan tử cánh

Phân tích lực tác dụng lên một biên dạng cánh

Lực đây

đT=dE =dL.cos — đD.sin(1.11)

dT 1 sin($ +)

=> — =—BpVOr'cC, (I+a)” cos ec’ (1.12)

dr 2 COS YMomen xoan

“ = dFq = dL.cos + dD.sin @T

= SB =—BpVOr°eC, (I+a)(1—b)seeQeosec¿ 922 (1 13)

dr 2 COS YHiệu suất chong chóng

_ wdQ_ tan(Ð+y)

1.3 ết hợp lý thuyết phần tử cánh và lý thuyết xoáyLý thuyết phần tử cánh hiện đại là sự phát triển của lý thuyết phần tử cánh banđầu khi kết hợp các lý thuyết khác như lý thuyết xoáy Xét một phân tử cánh cách

Hệ số a tìm được theo phương trình lực đây

Thiết lập mối quan hệ a và b

b -(1-Zeany)pval aval 2) Ta: =0 (1.22)

TUX TUX TUX

Phuong trình trên là phương trình bậc hai theo b, điều kiện dé phương trình có

nghiệm là

A>0<>(4a(l+a)- tan’ (=) +2 tan y(1+ 2a( =) —-1>0 (1.23)

TUX TUX

Ứng với mỗi giá trị của a và y thì giá tri 1 phải thỏa

Je, /4a(1+a)(tan? y +1) —(1+2a) tan y (124)X 4a(I+a)— tan” y

số nhớt động lực học uw (m7/s), vận tốc dong lưu chất đến chân vịt V, (m/s) và áp

suất t nh tại một vị trí trên chân vịt (p) nhằm tìm hiểu các hệ số như hệ số lực đây

kr, hệ sô moment xoăn ko và hiệu suât 7 sẽ phụ thuộc vào các yêu tô nào.

ác hệ sốth nguy nPhương pháp phân tích giúp cho ta tổng quát hóa kết quả của các thí nghiệmriêng rẽ, trình bày các kết quả một cách có hệ thống với ý ngh a vật lý rõ ràng, mởrộng khả năng ứng dụng các kết quả này vào việc dự đoán cho các trường hợp khác.

42

T , 2

c =k, là hệ sô lực daypD,n °

(2 = ơ, là hệ số xâm thực

pn 1%

=> ky =f(J,Re,o,) (2.5)

Hệ số moment xo n_ Torque Ceofficient) - kg

Tương tự hệ số lực đây, hệ số moment xoắn (ko) là hệ số vô thứ nguyên phụ

thuộc vào Re, o,,J

Q = g(p D,.V, n,n, p) (2.6)

+ Se | { Ve ụ l

s2 8 ° 2 ° 2m2pDn Dạn ) \ pD, n pn“D,

Hệ sô moment xoăn được định ngh a như sau

Hiệu suất chân vịtCông suất cung cấp cho chân vịt

Pin = 27nQ, (2.15)

Day cting chinh la cong suất trục động cơ cung cấp cho chân vịt Chân vịt nhậnnguồn năng lương này rồi chuyên hóa thành động năng của dòng lưu chất, tạo ra lực

day là cho tàu chuyên động với vận toc V,.

Công suât có ích của chân vit là Pow = TVa

Hiệu suat làm việc cua chân vit

Hệ số lực đây ống đạo lưu

Hệ số moment xo n_ Torque Ceofficient) - kọa

Tương tự hệ số lực đây, hệ số moment xoắn (koa) là hệ số vô thứ nguyên phụ

thuộc vào biên dạng ống đạo lưu, số Re, o,,J, L/D, ð/D

Q, — gíp.D.V, ,n,u,p.L.D,ð)

12

Hệ sô moment xoăn được tinh theo công thức

1.4.2 Phan tích định tính và hình dang các du ng đ ctính

Mối quan hệ giữa hệ số lực đây kr và hệ số moment xoăn ko và hiệu suất làm

việc của chân vit 7 theo ty số tiễn được thể hiện như hình 2.4, trong đó, ko va kygiảm dan theo tỷ số tiến

to

Advance ratio J

Hình 2.4 Hệ số lực đây, moment xoăn và hiệu suất của chân vịt theo

tỷ số tiến [12]Theo hình 2.5, lực đây của ống đạo lưu lớn một nữa giá trị mà chân vịt tạo ratại giá trị J = 0.1 Tuy nhiên, ống đạo lưu sẽ trở nên hạn chế khi vận tốc tàu dichuyển với tốc độ cao Theo hình 2.5, tại giá tri J = 0.6 trở đi thì hệ số lực đây do

ông đạo lưu có giá tri âm.

14

9° >

L I ro

0.2 0.4 0S 08

Advance ratio (2)

Thrust and torque coefficient and efficiency ky, 10&o, 7 °N

Hình 2.5 Hệ số lực day của ống dao lưu và chân vịt trong ống đạo lưu [13]Theo hình 2.6, hệ số lực day (tai ty số tiễn thấp hon 0.4) và hiệu suất (tại tỷ sốtiến thấp hon 0.6) của chân vịt trong ống đạo lưu cao hơn so với chân vịt không cóống đạo lưu Hệ số moment xoan của chân vịt có ống đạo lưu thấp hơn so với chânvit không có ống đạo lưu điều này chứng to chân vit có ống đạo lưu tiêu tốn ít nănglượng hơn so với chân vịt không có ống đạo lưu

——‹

_ `.

` ' ' tee 10K, ;

Hình 2.6 So sánh đặc tinh chân vit 70 không có ống đạo lưu và chân vịt Ka

4-70 trong ông đạo lưu 19A cùng tỷ lệ (pitch ratio) P/D = 1.0 [14]

15

1.5 Ly thuyết đ ng lượng đơn giản c a chong chóng nw c kh ng có ống

Giả thiết rằng dòng nước là không nén được, không ma sát, không xoay Vậntốc lưu chất khi đi qua da là hang số và tất cả năng lượng cung cấp cho da đềuđược truyền hoàn toan cho lưu chat

Toàn bộ hệ thông được biểu diễn như hình 2.7

|

|

L/2 ¡ L/2ị

16

Lưu lượng lưu chất đi qua tiết diện của đ a là

zD”

A Vio (3.1)m=

Sự gia tăng động lượng cũng dòng nước cũng chính là lực day trên d a, ta có

T, =ziÑV,„— V,) (3.2)

Tuy nhiên, lực đây cũng có thể tính băng độ gia tăng áp suất ở hai phía của

đa:

D7T, =(p;= p.)ˆ^ 33)

Lực day bỏ qua ảnh hưởng bầu cánh

Thế phương trình (3.6) vào phương trình (3.8), ta được:

1.

E,=5nlv, -V,) (3.11)P=T,V,+E (3.12)

Đến day, hiệu suất day của chân vit là ty lệ giữa công hữu ich TV, trên côngsuất động năng Ew

n —TV, m(V,-—V,)V, 2V, (3.13)

mm Ly 2 V.+V

w yin ø—V'4) i0” Xa

18

Tổng lực day do chân vịt và ống đạo lưu tạo ra

}.A + k#

Hình 2.8 Hiệu suất day 1, theo của Cr và tỷ lệ lực đây [15]

20

Nhận xét

- Hiệu suất day n, giảm khi hệ số lực day Cy tăng.- Hiệu suất đây Np ty lệ nghịch với Như vậy, cùng một giá trị hệ số lực đâythì hiệu suất đây của chân vit có ống đạo lưu tăng tốc (Kort Nozzle) lớn hơn hiệusuất đây chân vit không có ống đạo lưu và thấp nhất là hiệu suất đây của chân vit cóống đạo lưu giảm tốc (Pump Jets)

1.5.2 Vận tốc d c trụcGọi V, là vận tốc đến chân vịt trong trường hợp có ống đạo lưu và Vụo chan vittrong trường hợp không có ống đạo lưu

Ty sô vận toc dọc trục trường hợp có ông đạo lưu và không có ông đạo lưu với

cùng một giá tri lực đây được tính theo phương trình (3.24)

po ú

4z Le

— Kort Nozzles

4 ——————