TÍNH TOÁN SỐ LỰC KHÍ ĐỘNG CÁNH 3D XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG ĐÀN HỒI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Hồng Sơn TÍNH TOÁN SỐ LỰC KHÍ ĐỘNG CÁNH 3D XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG ĐÀN HỒI Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62520101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội – 2014 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Hoàng Thị Bích Ngọc 2. GS. TS. Đinh Văn Phong Phản biện 1: PGS. TS. Thái Doãn Tường Phản biện 2: PGS. TS. Phạm Vũ Uy Phản biện 3: TS. Hoàng Anh Tú Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm …… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Nguyễn Mạnh Hưng, Hoàng Thị Bích Ngọc, Nguyễn Hồng Sơn (2012) Tính toán đặc trưng khí động với dải vận tốc hỗn hợp trên âm và dưới âm bằng giải phương trình Euler. Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ IX, tr. 184-193 [2] Hoàng Thị Bích Ngọc, Nguyễn Mạnh Hưng, Nguyễn Hồng Sơn, Bùi Vinh Bình (2012) Hiện tượng tăng và giảm áp ảnh hưởng đến đặc trưng khí động trong vùng sát mặt đất. Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ IX, tr. 259-268 [3] Nguyễn Hồng Sơn, Hoàng Thị Bích Ngọc, Đinh Văn Phong, Nguyễn Mạnh Hưng (2012) Tính toán đặc trưng không dừng của quá trình thiết lập trạng thái bình ổn vết khí động. Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ IX, tr. 307-316 [4] Nguyen Manh Hung, Hoang Thi Bich Ngoc, Nguyen Hong Son (2013) Calculating aerodynamic characteristics of swept-back wings. Proceedings of The 14 th Asia Congress of Fluid Mechanics, Hanoi, pp. 132 – 137 [5] Nguyen Hong Son, Hoang Thi Bich Ngoc, Dinh Van Phong, Nguyen Manh Hung (2014) Experiments and numerical calculation to determine aerodynamic characteristics of flows around 3d wings. Journal of Mechanics, Vol.36, No.2, pp. 133-143 [6] Hoang Thi Bich Ngoc, Dinh Van Phong, Nguyen Manh Hung, Nguyen Hong Son (2014) Problem of elastic deformation for aircraft wings with the variation of velocity and incidence angle. Journal of Science & Technology, Technical Universities, Vol. 100, pp 20-25. 1 MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Cánh là bộ phận cơ bản tạo lực nâng cho máy bay. Cánh mang tính đặc thù về cả hai khía cạnh khí động và kết cấu. Về khí động, hình dạng bao ngoài của cánh cần đảm bảo tối ưu về chất lượng khí động. Với đặc điểm này, hình dạng cánh thuộc loại vật thể mỏng dẹt với diện tích mặt bằng cánh lớn hơn nhiều so với diện tích ngang, vì vậy cánh dễ bị biến dạng khi chịu lực. Về kết cấu, cánh chịu lực khí động rất lớn, nâng toàn bộ trọng lượng của máy bay trên đôi cánh, nên kết cấu bên trong cánh cần được tính toán để nâng cao tính đàn hồi và tính chống xoắn. Khí động lực và kết cấu là hai ngành khoa học rất khác nhau của cơ học ứng dụng. Hai loại bài toán này khác nhau về bản chất của phương trình vi phân mô tả hiện tượng và phương pháp số để giải. Tuy nhiên, tính toán cánh lại đòi hỏi hiểu biết sâu cả hai phương diện khí động và kết cấu. Một tính toán chuyên về kết cấu thường xét lực khí động là đại lượng đã biết, và như thế, sự biến đổi của lực khí động theo hình học và động học, người tính toán kết cấu có khó khăn trong việc chủ động xác định và thẩm định độ chính xác của lực khí động. Cũng như vậy, một tính toán chuyên sâu về khí động thường xét ảnh hưởng của biến dạng kết cấu theo các mô hình đơn giản quy về dầm đặt tại trục khí động (1D) hoặc tấm theo mặt nâng (2D). Để giải quyết mối quan hệ này, luận án đã thực hiện đề tài “Tính toán số lực khí động cánh 3D xét đến hiệu ứng đàn hồi”. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu - Luận án ở đây nhấn mạnh phần nghiên cứu chính là tính toán lực khí động trên cơ sở triển khai một phương pháp số tính lực khí động cánh 3D (có xét góc vuốt cánh và chiều dày profil cánh) và một quy trình thực nghiệm xác định áp lực khí động trên cánh 3D nhằm kiểm chứng độ chính xác của chương trình lập trình. - Bài toán biến dạng đàn hồi được giải theo mô hình 3D đối với cánh rỗng có các dầm, sườn. Chương trình tính toán kết cấu này được kiểm chứng qua so sánh với các kết quả đã được công bố. 2 - Xây dựng chương trình tính liên kết khí động - đàn hồi theo mô hình 3D (lực khí động 3D và biến dạng đàn hồi 3D). - Xây dựng chương trình tính liên kết khí động - đàn hồi theo mô hình số bán giải tích xác định vận tốc xoắn phá hủy cánh. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Về khí động: Tính toán được thực hiện đối với cánh chữ nhật và cánh thang 3D có góc vuốt  < 20 o và góc tới  < 10 o ; dòng chất lỏng không nhớt, không nén mở rộng ứng dụng đối với dòng có số Mach M  < 0,65 (loại trừ hiệu ứng quá độ âm của dòng hỗn hợp dưới âm và trên âm). - Về kết cấu: Ngoại lực khí động tác dụng lên cánh dạng phân bố 3D trên mặt lưng và mặt bụng cánh; kết cấu cánh rỗng; số lượng và vị trí dầm có thể thay đổi; vật liệu dầm và vật liệu vỏ có thể khác nhau. - Về thực nghiệm khí động 3D: Đo áp suất phân bố 3D trên cánh chữ nhật với kích thước mô hình tận dụng tối đa kích thước buồng thử ống khí động sử dụng. - Về tính toán liên kết khí động - đàn hồi: Sử dụng 2 mô hình tính liên kết: 1. Mô hình tính liên kết 3D; 2. Mô hình số bán giải tích xác định vận tốc tới hạn xoắn phá hủy cánh. Phương pháp nghiên cứu - Về khí động: Ứng dụng phương pháp kì dị 3D với nguồn - lưỡng cực phân bố trên cánh và trong vết khí động; lập trình cho bài toán dòng dừng và dòng không dừng do tăng tốc thay đổi đột ngột để khảo sát quá trình thiết lập chế độ bình ổn đối với lưu số và lực nâng. - Về kết cấu: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán biến dạng đàn hồi theo mô hình 3D suy biến. - Về thực nghiệm khí động 3D: Thực hiện công nghệ gia công chính xác biên dạng cánh và các lỗ đo áp; cánh được làm rỗng với 220 lỗ đo áp. Dung cụ đo áp suất là áp kế kỹ thuật số có độ chính xác cao. - Về tính toán liên kết khí động - đàn hồi: Lập trình tính liên kết theo mô hình 3D (trên cơ sở hai chương trình tính khí động cánh 3D và kết cấu cánh 3D) và mô hình số bán giải tích xác định vận tốc tới hạn xoắn phá hủy cánh. 3 Bố cục luận án. Luận án gồm các phần chính sau đây: Mở đầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán số lực khí động Chương 3: Thực nghiệm kiểm chứng chương trình lập trình tính lực khí động và một số ứng dụng Chương 4: Bài toán biến dạng đàn hồi cánh với mô hình 3D suy biến Chương 5: Bài toán khí động cánh 3D xét đến hiệu ứng đàn hồi Kết luận Đóng góp của luận án Về lý thuyết: 1. Các chương trình tính toán khí động cánh 3D và biến dạng đàn hồi cánh 3D đã được kiểm chứng độ chính xác cho phép ứng dụng trong nghiên cứu và giảng dạy chuyên sâu về hai lĩnh vực này. 2. Các chương trình tính toán liên kết khí động - đàn hồi cánh cho phép ứng dụng nghiên cứu tính đặc thù của kết cấu cánh dưới tác động của lực khí động 3D và các biện pháp nâng cao tính đàn hồi cũng như vận tốc tới hạn xoắn phá hủy đối với cánh. 3. Thực nghiệm đo áp suất phân bố trên cánh ở đây xác nhận một phương pháp đo áp suất 3D trên cánh có độ chính xác cao trong điều kiện thiết bị và dụng cụ đo thông dụng. Về thực tiễn: 1. Các chương trình số về khí động cánh 3D, biến dạng đàn hồi cánh 3D và tính toán liên kết khí động - đàn hồi ở luận án này có thể ứng dụng trong tính toán lựa chọn tối ưu và tính toán thiết kế sơ bộ. 2. Trên cơ sở các phương pháp và các chương trình về khí động cánh 3D và biến dạng đàn hồi cánh 3D đã lập trình, có thể nâng cấp thành các phiên bản với các ứng dụng thực tế đa dạng và phức tạp hơn. 3. Thực nghiệm đo áp suất phân bố trên cánh 3D ở đây liên quan đến sự cần thiết áp dụng một quy trình công nghệ gia công công phu đối với cánh thử nghiệm nhằm đảm bảo độ chính xác biên dạng khí động và các lỗ đo áp trên cánh. 4 V ∞ 1. TỔNG QUAN 1.1. Mối liên quan giữa bài toán khí động và bài toán đàn hồi cánh Bài toán khí động Bài toán đàn hồi - Ngành khoa học: Cơ học chất lỏng - Thông số vào: biên dạng cánh 3D, giá trị và hướng vận tốc - Kết quả đầu ra: trường phân bố áp suất và vận tốc trong miền kích động; áp lực khí động phân bố trên hai mặt lưng và bụng cánh 3D. - Ngành khoa học: Cơ học vật rắn biến dạng - Thông số vào: Biên dạng cánh 3D; số lượng, vị trí và vật liệu dầm, sườn; chiều dày và vật liệu vỏ cánh; áp lực khí động phân bố trên hai mặt cánh - Kết quả đầu ra: Chuyển vị, ứng suất trên toàn kết cấu cánh. Khi cánh chịu tải khí động lớn, kết cấu cánh bị biến dạng. Sự biến dạng đàn hồi làm thay đổi hình dạng ban đầu của cánh, cần tính toán lại lực khí động sau khi bị biến dạng. Phân bố tải khí động được tính toán lại này cho một bức tranh mới về phân bố ứng suất và biến dạng của cánh… Vì vậy, bài toán khí động - đàn hồi có mối quan hệ chặt chẽ tác động qua lại lẫn nhau. 1.2. Sơ lược về tình hình nghiên cứu hiện nay 1.2.1. Bài toán khí động học Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ máy tính, phương pháp số được phát triển mạnh mẽ. Với bài toán khí động dòng tốc độ thấp, có thể sử dụng hai loại phương pháp số đó là phương pháp giải phương trình vi phân chuyển động và phương pháp kì dị. Hiện nay trên thế giới, cả hai phương pháp số này vẫn đang được nghiên cứu 5 đối với từng loại bài toán chuyên sâu. Với phương pháp giải phương trình vi phân chuyển động, một phần mềm lớn và quen biết trong lĩnh vực cơ học thủy khí đó là phần mềm Fluent-Ansys giải các bài toán dòng nhớt và dòng lý tưởng. Việc sử dụng một phần mềm lớn luôn đòi hỏi bộ nhớ máy tính lớn và sự hạn chế về tính chủ động trong khai thác ứng dụng. Vì vậy, các trung tâm nghiên cứu trên thế giới vẫn không ngừng xây dựng các phần mềm phục vụ cho mục đích nghiên cứu tính toán riêng bằng phương pháp giải phương trình vi phân hoặc phương pháp kì dị. Trong nước, đối với bài toán 3D, một số luận án đã thực hiện phương pháp kì dị để tính toán và khảo sát dòng qua cánh máy bay và các tương tác liên quan. Kì dị sử dụng trong các luận án này là xoáy rời rạc. Tính chất của xoáy rời rạc không đáp ứng được với cánh có chiều dày. Vì vậy, các luận án này chỉ xét được với cánh mỏng, đó là mô hình mặt nâng (mặt trung bình của cánh). Khác với các luận án nói trên, luận án ở đây sử dụng loại kì dị lưỡng cực nguồn phân bố đáp ứng được bài toán dòng qua cánh có chiều dày. Việc xây dựng chương trình tính toán khí động cánh 3D có chiều dày không chỉ nhằm ứng dụng để khảo sát các đặc trưng khí động của cánh, mà áp lực khí động phân bố trên hai phía lưng và bụng cánh còn là ngoại lực đầy đủ cho bài toán kết cấu cánh 3D. 1.2.2. Bài toán tính lực khí động xét đến hiệu ứng đàn hồi Các nghiên cứu về đàn hồi – khí động hiện nay thường tập trung vào bài toán đàn hồi. Tham biến ngoại lực tác dụng lên cánh thường được áp đặt biết trước, hoặc được xác định bằng một phương pháp tính toán khí động đơn giản (không xét đến các hiệu ứng phi tuyến rất mạnh gây nên bởi ảnh hưởng của hình dạng khí động 3D). Khác với các luận án nói trên, luận án ở đây thực hiện tính toán lực khí động trên cánh 3D có xét đến chiều dày cánh. Bài toán đàn hồi thực hiện giải phương trình vi phân cân bằng theo mô hình 3D đối với cánh rỗng có các dầm, sườn bên trong. Tính toán liên kết khí động đàn hồi được thực hiện theo hai mô hình: mô hình 3D (khí động cánh 3D và kết cấu cánh 3D) và mô hình số bán giải tích cổ điển (khí động 2D và kết cấu cánh chỉ xét các dầm). 6 Hình 2.1. Kì dị phân bố trên phân tố rời rạc 1.3. Kết luận chương một Cho đến nay, khoa học và công nghệ các ngành thiết bị có cánh (máy bay, các thiết bị bay khác, máy cánh dẫn…) trên thế giới ngày càng phát triển mạnh mẽ và đạt được những thành tựu kì diệu với những sản phẩm công nghệ hết sức hiện đại và tinh tế. Con người đã được biết đến các loại thiết bị bay trên âm và siêu âm, nhưng không vì thế mà các loại máy bay tốc độ thấp không còn tồn tại nữa. Nhu cầu cuộc sống hàng ngày vẫn luôn đòi hỏi các loại máy bay tốc độ thấp đáp ứng tầm bay không quá lớn, trần bay không quá cao. Trong dải vận tốc thấp này, phương pháp kì dị cho thấy sự ưu việt về tính kinh tế. Ở các trung tâm tính toán hiện đại, phương pháp kì dị vẫn được ứng dụng và phát triển mạnh, bên cạnh phương pháp thực nghiệm và mô phỏng từ Fluent – Ansys. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỐ LỰC KHÍ ĐỘNG 2.1. Phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng 2.2. Mô hình toán học dựa trên phương pháp lưỡng cực - nguồn 2.2.1. Thế vận tốc cảm ứng trong phương pháp lưỡng cực-nguồn Thế vận tốc tại một điểm P(x,y,z) cảm ứng từ nguồn và lưỡng cực: S 2 2 2 S 00 dS Φ x y z 4 x x y y z         ( , , ) ( ) ( ) (2.11)     D 3/ 2 S 22 2 00 zdS Φ 4 x x y y z           (2.22) [...]... của cánh chịu tác dụng lực tập trung Hình 4.20 SS chuyển vị của cánh chịu tác dụng ngẫu lực 5 BÀI TOÁN KHÍ ĐỘNG CÁNH 3D XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG ĐÀN HỒI 5.1 Tổng quan về phương pháp tính liên kết khí động- đàn hồi cánh 5.1.1 Mô hình 3D tính toán liên kết khí động – đàn hồi Tính toán liên kết khí động – đàn hồi theo mô hình 3D dựa trên cơ sở liên kết chương trình tính lực khí động cánh 3D và chương trình tính. .. các hiệu ứng 3D của một bài toán thực tế không được xét đến Luận án về tính toán số lực khí động cánh 3D xét đến hiệu ứng đàn hồi ở đây nhấn mạnh phần nghiên cứu chính là tính toán lực khí động trên cơ sở triển khai một phương pháp số và một quy trình thực nghiệm xác định áp lực khí động trên cánh 3D Một phương pháp số để tính toán biến dạng đàn hồi cánh theo mô hình 3D cũng được triển khai nhằm để xét. .. vào độ cứng kết cấu K, khối lượng riêng của không khí , diện tích cánh S, khoảng cách tâm cứng và tâm khí động e, và đạo hàm hệ số lực nâng theo góc tới CL /  Ở đây, độ cứng chống xoắn GJ được xác định bằng phương pháp số thông qua việc giải bài toán kết cấu cánh 3D 17 5.2 Ứng dụng mô hình 3D tính toán liên kết khí động – đàn hồi 5.2.1 Áp lực khí động phân bố trên cánh Áp lực khí động Thông số kết... của hiệu ứng đàn hồi Vì vậy, luận án không chỉ nhằm giải quyết bài toán khí động - đàn hồi tĩnh liên quan đến việc xác định vận tốc xoắn phá hủy cánh, mà luận án hướng tới việc giải chuyên sâu cả bài toán khí động cánh và bài toán biến dạng đàn hồi cánh Trên cơ sở đó, thực hiện tính toán liên kết khí động đàn hồi theo mô hình 3D, và mô hình số bán giải tích xác định vận tốc tới hạn xoắn phá hủy cánh. .. số lượng và vật liệu dầm có thể thay đổi Vật liệu làm vỏ hoặc làm dầm là các vật liệu đồng nhất Chương trình này có thể ứng dụng để nghiên cứu độc lập các bài toán biến dạng đàn hồi về cánh 4 Xây dựng chương trình tính toán liên kết khí động - đàn hồi cánh theo mô hình 3D dựa trên cơ sở ứng dụng kết hợp hai chương trình tính khí động cánh 3D và tính biến dạng đàn hồi cánh 3D Dưới tác động của lực khí. .. cánh 3D với độ chính xác cao trong điều kiện thiết bị và dụng cụ đo thông dụng 2 Chương trình tính toán khí động cánh 3D và kết quả số: Mã lập trình tính toán khí động cánh 3D đã được kiểm chứng độ chính xác bằng thực nghiệm là kết quả mới về phương diện triển khai lập trình một phương pháp tính, cũng như khả năng ứng dụng chương trình trong nghiên cứu và tính toán 13 4 BÀI TOÁN BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI CÁNH... pháp tính toán liên kết: - Mô hình liên kết 3D xét đến các hiệu ứng phi tuyến rất mạnh cả trong phần tính toán khí động, cũng như phần tính toán kết cấu Trong khi đó, mô hình tính toán liên kết xác định vận tốc tới hạn sử dụng nhiều giả thiết tuyến tính hóa để thiết lập công thức giải tích - Vai trò của góc tới ảnh hưởng rất lớn đến lực khí động, do đó cũng ảnh hưởng rất lớn đến biến dạng đàn hồi của... lực khí động cánh 3D và chương trình tính biến dạng đàn hồi cánh 3D (sơ đồ trên hình 5.1) 16 Hình 5.1 Sơ đồ trình tự bài toán liên kết tính toán khí động – đàn hồi cánh 3D 5.1.2 Phương pháp số bán giải tích tính vận tốc tới hạn xoắn phá hủy cánh Biểu thức vận tốc tới hạn Vth được xác định với giả thiết lực khí động 2D với kết cấu chịu lực của cánh được xét cho các dầm: 1  2 2K π 2 GJ Vth =  (5.6) ... nghiên cứu nói chung, một tính toán chuyên sâu về kết cấu thường xét lực khí động như một đại lượng đã biết Như vậy, mỗi thay đổi của lực khí động liên quan đến vận tốc, hướng tới của vận tốc và hình dạng cánh, người nghiên cứu có khó khăn trong việc tính toán cũng như thẩm định độ chính xác về sự thay đổi của lực khí động Cũng như vậy, một tính toán chuyên sâu về khí động thường xét ảnh hưởng của kết... phiên bản mới đối với chương trình tính biến dạng đàn hồi cánh khi xét đến tính không đồng nhất của vật liệu (vật liệu có nhiều lớp) - Các tính toán chuyên sâu về khí động cánh 3D và biến dạng đàn hồi cánh 3D của luận án tạo cơ sở tốt cho việc mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực dao động khi xét tương tác giữa khí động và đàn hồi có kể đến yếu tố thời gian 24 . lưỡng cực: S 2 2 2 S 00 dS Φ x y z 4 x x y y z         ( , , ) ( ) ( ) (2. 11)     D 3/ 2 S 22 2 00 zdS Φ 4 x x y y z           (2. 22) 7 Hình 2. 5. Điều kiện. Γ (2. 36) 2. 2.3. Tính toán hệ số áp suất Hệ số áp suất trên mỗi phân tố diện tích có thể được xác định như sau: 2 p 2 2 2 1 2 p - p 2 Φ C1 t V V V            v (2. 41) 2. 2. Thiết. 3 .29 ) cho thấy, ảnh hưởng của độ dày của cánh là không nhỏ. Hình 3 .29 . C P mặt gốc cánh (  = 4 o ) (b/c =20 , so sánh N 6403 và N 6418) Hình 3 .25 . So sánh C L (cánh2b/c=5 ,2; N00 12) 12