Báo cáo thí nghiệm Đo lực cản trên các cố thể phi lưu tuyến

Mục đích và yêu cầu bài thí nghiệm .... Nguyên lý hoạt động của cân khí động: .... Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo lực: ..... Giớ i thi ệu cân khí động Cân khí độ ng là thiết bị phổ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

- - 🙢 🙢 🙫 🙫 🙠 🙫 🙠

BÁO CÁO THÍ NGHI ỆM ĐO LỰ C C N TRÊN CÁC Ả

C Ố THỂ PHI LƯU TUYẾN

2 | P a g e

MỤC L C Ụ

DANH M C HÌNH Ụ ẢNH 3

DANH M C BỤ ẢNG BI U 4 Ể I Mục đích và yêu cầu bài thí nghiệm 5

II Cơ sở lý thuyết 5

III Thi t b thí nghi m 6ế ị ệ 1 Ống khí động 6

2 Cân khí động 7

2.1 Gi i thiớ ệu cân khí động 7

2.2 Nguyên lý hoạt động của cân khí động: 9

2.2.1 C m biả ến đo lực: 9

2.2.2 C u t o c a cám biấ ạ ủ ến đo lực: 10

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo lực: 11

IV Ti n hành thí nghi m 12ế ệ 1 Mục đích 12

2 Các bước tiến hành: 12

V K t qu thí nghi m 13ế ả ệ 1 S u ố liệ thực nghi m 13ệ 2 Tính toán 15

3 K t qu 20ế ả

4 Nh n xét 25ậ TÀI LI U THAM KH O 27Ệ Ả

3 | P a g e

DANH M C HÌNH Ụ ẢNH

Hình 1: L c cự ản tác động lên cố thể 5

Hình 2: H s l c c n theo Reynolds cho hình c u và m t vài c ệ ố ự ả ầ ộ ố thể 3D 6

Hình 3: Ống khí động (h m gió) 7ầ Hình 4: Ống khí động (h m gió) 7ầ Hình 5: Cân khí động 8

Hình 6: C m bi n lả ế ực LCEB 10

Hình 7: Điện trở Strain Gauge 10

Hình 8: Nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone 11

Hình 9: Sơ đồ tác dụng l c lên c m bi n 11ự ả ế Hình 10: Đồ thị m i liên hố ệ gi a t n s qu t v i v n t c dòng khí 16ữ ầ ố ạ ớ ậ ố Hình 11: H s lệ ố ực cản ống tr theo t l kích tụ ỉ ệ hước l/d 17

Hình 12: Đồ thị xác định phương trình hệ số lực cản ống trụ theo t l ỉ ệ kích thước 17

Hình 13: Đồ thị h s lệ ố ực cản theo s Reynolds c ố ố thể hình t m ph ng 23ấ ẳ Hình 14: Đồ thị h s lệ ố ực cản theo s Reynolds c ố ố thể hình giọt nước 25

Hình 15: H s lệ ố ực c n qua c ả ố thể hình t m ph ng 26 ấ ẳ Hình 16: H s lệ ố ực c n qua c ả ố thể 3D hình giọt nước 26

4 | P a g e

DANH M C B NG BI U Ụ Ả Ể

B ng 1: M t s giá tr l c cả ộ ố ị ự ản đo được c a củ ố thể hình t m ph ng v i t n s 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 (Hz) - ấ ẳ ớ ầ ố

L n 1 13ầ

B ng 2: Giá tr trung bình l c c n t ng (3 lả ị ự ả ổ ần đo) tại mỗi mức t n s c ầ ố ố thể hình t m ph ng 14ấ ẳ

B ng 3: M t s giá tr l c cả ộ ố ị ự ản đo được c a củ ố thể hình giọt nước v i t n s 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 (Hz) - ớ ầ ố

L n 1 15ầ

B ng 4: Giá tr trung bình l c c n t ng (3 lả ị ự ả ổ ần đo) tại mỗi mức t n s c ầ ố ố thể hình giọt nước 15

B ng 5: K t qu tính toán c ả ế ả ố thể hình t m phấ ẳng (1) 21

B ng 6: K t qu tính toán c ả ế ả ố thể hình t m phấ ẳng (2) 22

B ng 7: K t qu tính toán c ả ế ả ố thể hình giọt nước (1) 24

B ng 8: K t qu tính toán c ả ế ả ố thể hình giọt nước (2) 25

5 | P a g e

I M ục đích và yêu cầu bài thí nghi m ệ

Hiểu cách tính l c c n và làm ch các thi t b ự ả ủ ế ị đo lực khí độ ng Đo đạc và xác đị nh

đặ c tính lực cản c a cố thể phi lưu tuyế ủ n dạng hình cầu, gi ọt nướ c Vận d ng kiến thức về ụ tách r i l p biên, s hình thành xoáy do tách r i l ờ ớ ự ờ ớp biên để gi i thích hi ả ện tượng Đánh giá các y u t ế ố ảnh hưởng để ự n l c c n v hình d ng v t th , tính ch t c ả ề ạ ậ ể ấ ủa dòng và đưa ra

nh ận xét, đề xu ất tối ưu lực cả n

II Cơ sở lý thuy t ế

Khi c ố thể được đặ t trong m t dòng chuy ộ ển động đề u, m t l p biên m ng hình ộ ớ ỏ thành sát b m t Do tính nh t, phân b v n t c trong l ề ặ ớ ố ậ ố ớp biên không còn đều như của dòng t do i.e bi n thiên v n t c trong l p biên l n Ngoài ra, khi dòng chuy ự ế ậ ố ớ ớ ển độ ng tách

ra khỏi b ề mặ ố thể hình thành vế ậu lưu vớ t c t h i nh ững c u trúc xoáy ấ

Lực c n và l c nâng xu t phát t phân b áp su t và phân b ả ự ấ ừ ố ấ ố ứ ng su t ma sát trên b ấ ề

m ặt cố thể ực áp suấ : l t vuông góc v ới bề ặ m t và l ực ma sát tiế p tuy n v ế ới bề ặt m

Hình 1: L c cự ản tác động lên cố thể

6 | P a g e

Hình 2: H s l c c n theo Reynolds cho hình c u và m t vài cệ ố ự ả ầ ộ ố thể 3D

III Thi t b thí nghi m ế ị ệ

7 | P a g e

Hình 3: Ống khí động (h m gió) ầ

Hình 4: Ống khí động (h m gió) ầ

2 Cân khí động

2.1 Giớ i thi ệu cân khí động

Cân khí độ ng là thiết bị phổ biến trong thực nghi ệm khí độ ng lực h ọc Cân khí độ ng FM101 cung c p m t h ấ ộ ệ thố ng h ỗ trợ ễ ử ụ d s d ng cho các mô hình h ầm gió để đo ba thành

ph n l ầ ực và moment khí động tác độ ng lên mô hình: l c nâng, l c c n và moment ngóc ự ự ả chúc Cân khí độ ng có cấu t ạo như hình dướ i

8 | P a g e

Hình 5: Cân khí độngcho th y vi c xây d ấ ệ ựng và xác đị nh các thành ph n chính c a s cân b ng bao g ầ ủ ự ằ ồm kho ng cách gi a hai c m bi ả ữ ả ến đo lự c nâng Ba l ực được xác định sơ bộ là: fore lift, aft lift Kho ng cách gi ả ữa Fore Lift và Aft Lift là 120mm và chúng cách 60mm k t ể ừ đườ ng

tr ung tâm c ủa hệ ống Nghĩa là nó đang ở vị trí đối xứng qua đường trung tâm th

Lift force = Force lift + Aft lift

Hệ thống có đườ ng kính trung tâm kho ảng 12mm, đượ c lắp vào khoan c ủa đĩa hỗ trợ mô hình và đượ c b ảo đả m bằng một ống kẹp chặt bởi các mô hình k ẹp Đĩa hỗ trợ chế độ có thể t ự do xoay 360 độ trong t m l ấ ực điề u ch nh góc t i c a mô hình, trong khi v trí c ỉ ớ ủ ị ủa

nó có th b khóa b ng m t k p t l T m l ể ị ằ ộ ẹ ỷ ệ ấ ực đượ c khóa v trí c a hai k p tâm, và ở ị ủ ẹ

nh ững nên luôn luôn đượ c th t ch t khi không s d ng, ho ắ ặ ử ụ ặc khi thay đổi mô hình, để tránh thi t h i cho các thành ph n t i KHÔNG TH T QUÁ CH T HAI K P TÂM , ch ệ ạ ầ ả Ắ Ặ Ẹ ỉ

xo n nh ắ ẹ là đủ để khóa các t m l c Th t quá ch t có th làm h ng flexures Các l c tác ấ ự ắ ặ ể ỏ ự

d ng lên các t m l ụ ấ ực đượ c truy n b ng cách cáp linh ho ề ằ ạt để căn g các thành ph n t ầ ải đo tương ứng các lực Force lift, Aft lift và Drag Dây cáp cho lực cản, nằm theo chiều ngang,

ho ạt độ ng trên m ột đườ ng th ẳng đi qua trung tâm củ a mô hình h ỗ trợ, trong khi hai loại cáp d c c a Aft lift và Force lift ho ọ ủ ạt độ ng theo chi u d ề ọc thông qua các điể m x lý v ử ới kho ng cách b ng nhau t ả ằ ừ đườ ng trung tâm c ủa mô hình Các dây cáp từ ba thành ph n t ầ ải

9 | P a g e

l ực đượ c k t n i b ng dây c ế ố ằ ắm 5 chân, nó có đưa vào các ổ ắ c m 5 chân vào t m ch n sau ấ ắ của màn hình hiển th và b ị ảng điề u khi n m ể Ở ặt sau c a thi ủ ết b hi ị ển th và b ị ảng v n ậ hành cũng có 3 ổ cắm 2 chân: 0-10V tín hi ệu đầu ra tương tự ằng cách này ngườ b i dùng

có thể s d ng tín hi ử ụ ệu này để tham gia v i giao di ớ ện khác

2.2.1 C m bi ả ến đo lực:

C ảm ến đo lự bi c (Load cell) là thi t b ế ị dùng để chuyển đổ ự i l c thành tín hi ệu điệ n

Có thể phân lo i loadcells theo: ạ

- Phân lo i Loadcell theo l ạ ực tác độ ng: ch u kéo (shear loadcell), ch u nén ị ị (compression loadcell), dạng u n (bending), ch u xo n (Tension Loadcells) ố ị ắ

- Phân lo i theo hình d ng: d ạ ạ ạng đĩa, dạ ng thanh, d ng tr , d ng c u, c u bi, c u tr , ạ ụ ạ ầ ầ ầ ụ

d ng ch ạ ữ S… Cả m bi n l c LCEB loadcell s d ế ự ử ụng trong cân khí độ ng h c FM101có các ọ thông số nhà s n xu ả ất đưa ra như sau:

Model: LCEB-50 Date: 14 -May-13

Non-Linearity- %Rated Output……… <±0.03

Hysteresis-%Rated Output……….….<±0.02

-15 to 65 Temp Range Compensated……… ( 0C)

0 to 1500F

10 | P a g e

Temperature effect on zero-% Rated Output/1000F………… ±0.15

Zero Balance-%Rated Output……… 1  

Hình 6: C m bi n l c LCEB ả ế ự

2.2.2 C u t o c ấ ạ ủa cám biến đo lực:

Strain gauge: là thành ph n c u t o chính c a m t loadcell, nó bao g m m t s i dây ầ ấ ạ ủ ộ ồ ộ ợ kim lo i m ạ ảnh đặ t trên m t t ộ ấm cách điện đàn hồi Để tăng chiề u dài c ủa dây điệ n tr ở strain gauge, người ta đặ t chúng theo hình ziczac, m ục đích là để tăng độ biến dạng khi bị

l ực tác dụng qua đó tăng độ chính xác c a thi ủ ết bị ảm biế c n s d ng str ử ụ ain gauge.

Hình 7: Điện tr Strain Gauge ở

R = Điệ n tr strain gauge (Ohm) ở

L = Chiều dài c ủa sợ i kim lo i strain gauge (m) ạ

S = Ti ết diệ n c ủa sợ i kim lo i strain gauge (m2) ạ

 = Điệ n tr ở suất vậ ệ t li u c ủa sợ i kim lo i strain gauge ạ

Khi dây kim lo i b l ạ ị ực tác độ ng s ẽ thay đổi điệ n tr Khi dây b l c nén, chi u dài ở ị ự ề strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống

11 | P a g e

Khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điệ n trở sẽ tăng lên.

Điệ n trở thay đổi t l với lực tác động ỷ ệ

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo lực:

Hình 8: Nguyên lý cầu điện tr cân b ng Wheatstone ở ằHoạt độ ng dựa trên nguyên lý c ầu điệ n trở cân bằng Wheatstone Giá trị lực tác

d ng t l v i s ụ ỉ ệ ớ ự thay đổi điệ n tr c ở ảm ứ ng trong c ầu điệ n tr ở, và do đó trả ề v tín hi ệu điệ n

d ng (giãn ho ạ ặc nén), điều đó dẫ n t i s ớ ự thay đổ i chi u dài và ti t di n c a các s i kim ề ế ệ ủ ợ

12 | P a g e

loại c ủa điệ n tr strain gauges dán trên thân loadcell d ở ẫn đế n m t s ộ ự thay đổ i giá tr c ị ủa các điệ n trở strain gauges Sự thay đổ i này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầ u ra Nói cách khác loadcell đã chuyển đổ i lực tác dụng thành tín hi ệu điện Các load cell cũng đượ c g ọi là "đầ u dò t ải" (load transducer) b ởi vì nó cũng có thể chuy ển đổ i m ộ t tải tr ng ọ (lực tác d ng) thành tín hi ụ ệu điệ n

Tín hi ệu điệ n t ngõ ra c a loadcell có th là m t s ử ủ ể ộ ự thay đổi điện áp, thay đổ i tín

hi u dòng, tín hi u s ho ệ ệ ố ặc thay đổ ầ i t n s tùy thu c vào lo i loadcell và m ch s d ng, ố ộ ạ ạ ử ụ

ph bi n nh ổ ế ất là loadcell thay đổi điệ n áp

IV Tiế n hành thí nghi m ệ

1 M ục đích

- Đo lực cả n qua các c ố thể phi lưu tuyế n g m gi ồ ọ t nư c và tấm phẳ ớ ng

- V bi ẽ ểu đồ thể ệ hi n m ối quan hệ ữa số gi Reynolds và h s l ệ ố ực cả n c ủa cố thể

- Đối chiế u h s l ệ ố ực c ản đo đạt đượ c v i các lý thuy ớ ết đã được học.

- Nhậ n bi ết xu hướ ng hình h ọc tối ưu về ệ ố ực cả h s l n

2 Các bướ c ti n hành: ế

Bước 1: B t ngu n h ậ ồ ộp điề u khi n qu t, b t công t c qu t, v n t n s trên b ng ể ạ ậ ắ ạ ặ ầ ố ả điề u khiển về 0 Hz Bật công tắc bộ hiển th ị

Bước 2: Khóa chặt Two centring clamps

Bước 3: N i l ớ ỏng Model clamp Đưa cố thể vào testsection thông qua n p ch ắ ắn test section T bên trong testsection, thanh tr c a v t th xuyên qua Model clamp ừ ụ ủ ậ ể của cân khí động

Bước 4: V n ch ặ ặt Model clamp để ế k t n i v t th v i cân N i l ng k ố ậ ể ớ ớ ỏ ẹp góc, điề u chỉnh góc đặt của vật thể

Bước 6: Vặ n nút ch nh t ỉ ầ n s n giá tr t ố lê ị ừ 0,5,…30 Hz.

dc - Dev2_ai2 (g)

dc - Dev2_ai2 (g)

dc - Dev2_ai2 (g)

dc - Dev2_ai2 (g) 3.053705 6.417311 20.404483 45.576260 84.499022 132.409779 197.519179 3.172527 6.737760 20.563675 47.356175 85.404294 136.654190 198.025995 3.213296 6.800713 20.303163 46.428362 85.407071 136.737100 196.269157 3.075944 6.552214 20.474372 45.950344 85.738307 135.732354 197.472317 3.049240 6.867140 20.689910 45.861523 85.462734 131.685354 200.151626 3.069099 6.656176 20.887435 45.460676 84.042257 133.440653 200.008312 3.315792 6.688717 20.219660 46.487185 82.829686 137.448931 195.415877 3.065305 6.684022 20.794349 45.402748 82.389295 135.717112 197.183063 2.930075 6.453267 20.542445 46.158699 83.019736 135.830410 199.934060 3.106768 6.730488 21.038883 46.956895 83.407932 135.823065 200.384177 3.259497 6.559144 21.139261 46.340576 82.794881 134.246940 196.952851 3.232874 6.896724 21.312221 45.724946 85.445436 131.522687 197.373480 3.324873 6.465056 21.551067 46.065761 84.063936 136.190855 198.993696 3.137080 6.995345 21.230437 45.091176 83.049929 136.715027 199.613875

Bảng 1: M t s giá tr l c cộ ố ị ự ản đo được c a củ ố thể hình t m ph ng v i t n s 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 (Hz) - L n ấ ẳ ớ ầ ố ầ 1

Tần số (Hz) tổng - (g) Lực cản

Lực cản tổng trung bình- (g)

dc - Dev2_ai2 (g)

dc - Dev2_ai2 (g)

dc - Dev2_ai2 (g)

dc - Dev2_ai2 (g) 0.803465 2.631639 9.787335 20.956896 37.478339 58.448389 90.443402 0.918277 2.686581 9.744889 21.350419 37.840825 60.819119 91.977931 0.815374 2.624922 9.657152 20.896326 37.271453 61.072534 91.200665 0.745619 2.472349 9.30914 21.060076 38.072153 61.190012 92.281694 0.852434 2.662372 9.558568 21.06776 37.757588 59.72561 91.923306 1.172537 2.528758 9.382789 20.984529 37.649232 59.162208 90.227958 1.156788 2.521721 9.268062 20.903768 38.337778 60.073515 91.431136 1.135951 3.044806 9.184695 20.870478 38.02261 60.312415 91.709811 1.165998 3.163966 9.653597 21.135048 37.919751 60.129377 89.853206 1.036806 3.361475 9.521723 20.415944 38.296594 60.462903 91.292432 0.907038 3.334286 9.855194 20.398994 38.271484 61.025073 92.957646 1.024594 3.267854 9.682091 20.803825 36.95317 60.592056 92.72256

15 | P a g e

0.904481 3.167168 9.664505 20.478112 37.535453 60.133543 91.247274 0.982018 3.062121 9.604773 20.596336 37.698515 60.932658 91.969797

Bảng 3: Mộ ốt s giá tr l c cị ự ản đo được c a củ ố thể hình giọt nước v i t n s 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 (Hz) - L n 1 ớ ầ ố ầ

Tần số (Hz)

Lực cản tổng - (g)

Lực cản tổng trung bình- (g)

16 | P a g e

Hình 10: Đồ thị m i liên hố ệ giữ ầa t n số quạ ớ ận ốt v i v t c dòng khí

S d ử ụng đồ thị m i liên h gi ố ệ ữa ầ t n s qu t v ố ạ ới vậ ốc dòng khí, chúng ta xác đị n t nh đượ c vận t c dòng khí trong vùng kh ố ảo sát thông qua phương trình đã được cung cấ p s ẵn:

T ừ các giá trị ẵ s n có, ta thi ết lậ p m ột phương trình để ộ n i suy k t qu c n ế ả ầ tính:

Hình 12: Đồ thị xác định phương trình hệ ố ự s l c cản ống tr theo t lụ ỉ ệ kích thước

Phương trình hệ số lực cản ống trụ theo tỉ l ệ kích thước là:

CD−ống trụ= −0.000392101198157475 ( l d)2+ 0.0246258348431372 d l

y = -0.00039210119815747500x + 0.02462583484313720000x + 2

0.622007330382095000000

Trong đó: Di là các giá trị lực cản c ố thể (g)

D là giá trị ực cả l n trung bình các l ần đo (g)

n là s l ố ần đo

Đố ớ i v i bài thí nghiệm sử dụng hàm VAR.S trong công c tính Excel để xử lý số ụ

li ệu phương sai Cấu trúc hàm: VAR.S(Giá trị đầu:Giá trị cuố i).

20 | P a g e

Đố ớ i v i bài thí nghiệm sử d ng hàm CONFIDENCE trong công cụ tính Excel để ụ

x ử lý số liệu phương sai Cấ u trúc hàm: CONFIDENCE (m ức ý nghĩa, s, n).

- Sai s tuy ố ệt đối của phép đo ực cả l n (g)

∆D(g) = ∆D′+ε

Trong đó: ∆D′là sai s h ố ệ thống thườ ng (ở đây sử dụng thiết bị điện tử với sai

s nh nên ta s ố ỏ ẽ xem như sai số ệ thố h ng là 0)

D là giá trị trung bình phép đo lực cả n

∆g là sai số gia t ốc trọng trườ ng (0.00005 m s ⁄ ) 2

g là giá trị gia t ốc trọng trườ ng (9 806 m s ⁄ ) 2

Sai số (g) -(14)

Sai số trung bình (g)

Lực cản tổng - (N) Lực cản D - (N)

Lực cản

D trung bình - (N)

Sai số lực cản

D - (15)

0 -0.3274 3.2619

6.1087

0.0266 0.0283

Lực cản ống trụ (N) - (5)

Lực cản ống trụ trung bình (N)

Lực cản tấm phẳng (N) - (6)

Hệ số lực cản tấm phẳng

CD - (7)

Hệ số lực cản tấm phẳng -

CD (trung bình)

Sai số

CD - (16)

7.44E+04 1.40E+04 0.7216 1.1611 1.2594

Bảng 6: Kết qu tính toán cả ố thể hình t m ph ng (2) ấ ẳ