Nghiên cứu thiết kế máy bay sử dụng hiệu ứng mặt đất

Nghiên cứu thiết kế máy bay sử dụng hiệu ứng mặt đất

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Thông tin về sinh viên

Họ và tên sinh viên: Phạm Hoàng Sơn

Điện thoại liên lạc: 01689922534 Email: pham.hoang.son.pfiev@gmail.com Lớp: Kĩ sư Chất Lượng Cao – Cơ Khí Hàng Không Hệ đào tạo: Đại học

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Hàng Không Vũ Trụ

Thời gian làm ĐATN:

Ngày giao nhiệm vụ: 25 / 02 /2013

Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12 / 06 /2013

2 Mục đích nội dung của ĐATN

Máy bay sử dụng hiệu ứng mặt đất có nhiều ưu điểm như tải trọng lớn, tiết kiệm nhiên liệu.Chúng đã có 1 lịch sử phát triển khá lâu đời , tuy nhiên vẫn còn khá mới mẻ ở Việt Nam Mặc dù vậy, nước ta với đường bờ biển dài, có nhiều sông ngòi kênh rạch cũng như 1 hệ thống biển đảo lớn rất phù hợp đối với việc phát triển loại máy bay này, đặc biệt trong thời điểm hiện nay khi các vấn đề bảo vệ biên giới quốc gia trên biển đang ngày càng nóng

Với những lý do trên, việc năm vững những đặc điểm của hiện tượng hiệu ứng mặt đất là chìa khóa để có thể làm chủ công nghệ cũng như có khả năng chế tạo những mẫu máy bay mặt đất trong tương lai Đồ án môn học trình bày các nghiên cứu về hiện tượng hiệu ứng mặt đất qua cả mô phỏng số và thực nghiệm trong ống khí động dưới âm, từ đó ứng dụng các kết quả thu được vào thiết kế chế tạo một số mẫu mô hình máy bay cụ thể

3 Các nhiệm vụ cụ thể của ĐATN

Đồ án chia làm 3 phần chính là mô phỏng số ,thực nghiệm và thiết kế mô hình máy bay sử dụng hiệu ứng mặt đất

Trong phần mô phỏng số, chúng ta tiến hành mô phỏng biên dạng cánh Clark

Y và tấm phẳng trong trường hợp 3D đối với các góc tấn 0 độ, 5 độ, 10 độ trong nhiều độ cao khác nhau từ h/c = 0.05 đến h/c =1

Trong phần thực nghiệm, chúng ta làm thí nghiệm với mô hình cánh Clark Y với kích thước 200mm * 100 mm với các góc tấn, vận tốc và độ cao khác nhau, sau

đó đo đạc lực nâng và lực cản để so sánh lại với kết quả mô phỏng

Trong phần chế tạo mô hình, chúng ta sử dụng các kết quả thu được trong phần thực nghiệm và mô phỏng như hệ số lực nâng, hệ số lực cản, các tâm khí động

từ đó đưa ra và kiểm nghiệm được các mẫu máy bay có thể bay hiệu quả và ổn định

ở sát mặt đất

4 Lời cam đoan của sinh viên:

Tôi – Phạm Hoàng Sơn - cam kết ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn chính của TS Vũ Quốc Huy và sự hướng dẫn phụ của TS Nguyễn

5 Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của ĐATN và cho phép bảo vệ:

Hà Nội, ngày….tháng….năm

Giáo viên hướng dẫn

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hiện tượng hiệu ứng mặt đất là hiện tượng xảy ra khi cánh máy bay chuyển động

có góc tấn ở sát mặt đất Hiện tượng hiệu ứng mặt đất xảy ra đi kèm với sự tăng lực nâng , giảm lực cản cũng như thay đổi các tính chất khí động khác Một máy bay hiệu ứng mặt đất là phương tiện bay ổn định ở sát mặ đất, tận dụng các ưu điểm của hiệu ứng này để đạt được hệ số chất lượng khí động cao, qua đó tiêu thụ ít nhiên liệu hơn và có tải trọng lớn

hơn

Trong nghiên cứu này, chúng ta sử dụng cả mô phỏng số và thực nghiệm để đo đạc phân bố áp suất, hệ số lực nâng, lực cản của profile Clark Y theo độ cao đối với mặt đất và góc tấn Cụ thể hơn, chúng ta sử dụng module Fluent của phần mềm ANSYS cho việc mô phỏng số và ống khí động dưới âm trong quá trình thực nghiệm Từ kết quả mô phỏng và thực nghiệm, chúng ta có thể xây dựng được 1 lý thuyết tổng quan về hiện tượng đồng thời

áp dụng kết quả này vào thiết kế một mô hình máy bay có thể bay hiệu quả và ổn định ở độ cao sát mặt đất

ABSTRACT OF THESIS

Wing-in-ground effect (WIG effect) is the phenomenon caused by the near-ground flight of a wing In this phenomenon, the lift of the wing is increased and the drag of the wing is reduced A WIG vehicle is a vehicle that uses wing-in-ground effect to obtain the high fraction of coefficient lift over drag, so that the vehicle will get low fuel consumption and take more loads

In this research, we use both numerical simulation and experiments to measure the coefficient of pressure, coefficients of lift, drag about the attack angle and height over the chord In particular, we use ANSYS Fluent software for the simulation and the aerodynamic tunnel of Hanoi University of Science and Technology for experiments For the goals of this research, we are going to compare the results between simulation and experiments so that we can basically understand the characters of WIG effect After that,

we can give an aerodynamic concept and analyze its performance and stability

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I 1

TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT VÀ PHƯƠNG TIỆN SỬ DỤNG HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT 1

1.1.Khái niệm chung về hiệu ứng mặt đất và vấn đề nghiên cứu về hiện tượng 1 1.2.Ứng dụng trong nghiên cứu về hiệu ứng mặt đất 1

1.2.1.Đối với phương tiên bay thông thường 1

1.2.2 Đối với ô tô 1

1.2.3.Đối với các loại tàu thủy 2

1.2.4.Máy bay hiệu ứng mặt đất 2

1.3.Các phương tiện bay sử dụng hiệu ứng mặt đất 2

1.3.1.Khái niệm 2

1.3.2.Ưu nhược điểm 3

1.3.3.Lịch sử phát triển 3

1.3.4.Một số mẫu WIG thông dụng 3

1.3.5.Ứng dụng hiệu ứng mặt đất ở VN 5

CHƯƠNG II 6

NGHIÊN CỨU VỀ HIỆN TƯỢNG HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ 6

2.1 Mô hình bài toán 6

2.2.Chia lưới mô hình 6

2.2.1.Đối với trường hợp 2D 6

2.2.Đối với trường hợp 3D 8

2.3.Chọn mô hình rối 9

2.4.Thiết lập trong phần mềm FLUENT 10

2.5.Thiết lập điều kiện biên 11

2.6.Kết quả mô phỏng 12

2.6.1 Sự thay đổi áp suất dọc theo chiều dài dây cung và chiều dài sải cánh 12

2.6.1.1 Phân bố áp suất theo chiều dài dây cung 12

2.6.1.2 Phân bố áp suất theo chiều dài sải cánh 14

2.6.2.Ảnh hưởng của góc tấn và độ cao đến lực nâng, lực cản và phân bố áp suất 15

2.6.3.Ảnh hưởng của góc tấn và độ cao đến hệ số chất lượng khí động 17

2.6.4.Ảnh hưởng của độ cao đến momen chúc ngóc và tính toán tâm khí động phụ thuộc độ cao 18

2.6.5.Ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất đến hướng dòng chảy sau cánh 20

CHƯƠNG III 23

NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 23

3.1.Lựa chọn mô hình thí nghiệm hiệu ứng mặt đất 23

3.2.Thiết kế mô hình thí nghiệm đo hiệu ứng mặt đất 23

3.2.1.Thành phần bộ thí nghiệm đo hiệu ứng mặt đất 24

3.2.1.1.Bộ phận lắp gá cánh 24

3.2.1.2.Mô hình cánh 25

3.2.1.3.Ống khí động AF 6116 25

3.2.1.4.Cảm biến lực biến dạng Loadcell Mavin NA1 25

3.2.1.5.Thiết bị Agilent 34970 26

3.2.1.6 Bộ ghép kênh 34901A 20 – Channel 26

3.2.2.Lắp đặt hệ thống 26

3.3.Tiến hành thí nghiệm 27

3.4.Kết quả thí nghiệm 28

3.4.1.Thí nghiệm với mẫu khối lượng chuẩn 28

3.4.2 Phân tích kết quả thực nghiệm 29

3.5.Các yếu tố ảnh hưởng đến sai số trong quá trình thí nghiệm 30

CHƯƠNG IV 31

THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY BAY HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT 31

4.1.Chọn mô hình đơn giản của máy bay 31

4.2.Sự ổn định của máy bay hiệu ứng mặt đất 32

4.2.1 Sự ổn định ngang 32

4.2.2.Sự ổn định hướng 33

4.2.3.Sự ổn định dọc 33

4.2.4.Sự ổn định độ cao 34

4.2.5 Vấn đề kết hợp giữa ổn định độ cao và ổn định dọc 35

4.3 Thiết kế máy bay hoàn chỉnh 36

4.4.Ổn định tĩnh đối với mô hình máy bay 38

4.4.1 Ổn định ngang 38

4.4.2 Ổn định hướng 38

4.4.3 Ôn định dọc 39

4.4.4 Ổn định độ cao 39

4.5 Bay thử nghiệm 39

4.5.1 Phương pháp vận hành 39

4.5.2.Hình ảnh thử nghiệm 40

Phụ lục 1 45

Thông số quạt trong ống khí động 45

Phụ lục 2 46

Một số hình ảnh về phân bố áp suất và vận tốc khi xảy ra hiện tượng hiệu ứng mặt đất với góc tấn 5 độ, vận tốc dòng khí v = 10 m/s 46

Phụ lục 3 49

Số liệu mô phỏng và thực nghiệm trong các trường hợp độ cao và góc tấn khác nhau 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH Hình 1.1 Xe đua công thức I 2

Hình 1.2 Thuyền tốc độ cao 2

Hình 1.3 WIG Ekranoplan 4

Hình 1.4.WIG cánh delta ngược 4

Hình 1.5.Tandem 5

Hình 2.1 Biên dạng Profile Clark Y 6

Hình 2.2.Mô hình chia lưới 7

Hình 2.3a.Lưới sau khi chia 8

Hình 2.3b.Lưới sau khi chia của tấm phẳng 8

Hình 2.3c Thông số lưới của tấm phẳng 8

Hình 2.3d Lưới sau khi chia của airfoil Clark Y 9

Hình 2.3e.Thông số lưới của airfoil Clark Y 9

Hình 2.4.Thiết lập trong Fluent 10

Hình 2.5 Mô hình lưới với điều kiện biên 11

Hình 2.6 Điều kiện đầu vào và đầu ra 11

Hình 2.7.Đồ thị thể hiện kết quả hội tụ 11

Hình 2.8a Vector vận tốc ở đầu cánh trong trường hợp h/c = 0.08 13

Hình 2.8b Vector vận tốc ở đầu cánh trong trường hợp h/c =1 13

Hình 2.9a Phân bố áp suất trên bụng cánh trong trường hợp h/c =0.05 14

Hình 2.9b Phân bố áp suất trên bụng cánh trong trường hợp h/c = 0.85 14

Hình 2.10 Xoáy xuất hiện ở độ cao rất thấp 16

Hình 2.11.Đồ thị thể hiện sự thay đổi của Cl theo độ cao dựa trên thực nghiệm 17

Hình 2.12 Phân bố áp suất trên 1 mặt cắt của cánh 19

Hình 2.13 Hiện tượng xoáy đầu cánh 20

Hình 2.14 Hiệu ứng downwash trên dòng chảy trong khu vực cánh đối với 1 mặt cắt cánh của cánh hữu hạn 20

Hình 2.15 Ảnh hưởng của mặt đất đến hướng của dòng 21

Hình 2.16a Đường dòng trong trường hợp h/c =0.05 21

Hình 2.16b.Đường dòng trong trường hợp h/c =1 22

Hình 2.17a Dải xoáy đầu cánh tại h/c =0.05 22

Hình 2.17b Dải Xoáy đầu cánh tại h/c =1 22

Hình 3.1.Mô hình thí nghiệm thiết kế bằng phần mềm Solidworks 23

Hình 3.2 Chế độ đo lực nâng 24

Hình 3.3 Chế độ đo lực cản 24

Hình 3.4.Mô hình cánh hoàn chỉnh 25

Hình 3.5.Loadcell Mavin NA1 25

Hình 3.6.Sơ đồ ghép nối thiết bị 26

Hình 3.7 Buồng thử của ống khí động sau khi lắp đặt thiết bị 27

Hình 3.8 Số liệu đo mẫu chuẩn 28

Hình 3.9 Số liệu bị suy giảm trong quá trình thí nghiệm 30

Hình 4.1 Mô hình thiết kế đơn giản của máy bay 32

Hình 4.2 Sự ổn định ngang của máy bay hiệu ứng mặt đất 32

Hình 4.3 Sự ổn định hướng của máy bay hiệu ứng mặt đất 33

Hình 4.4 Sự ổn định dọc của máy bay hiệu ứng mặt đất 33

Hình 4.5.Sự ổn định độ cao theo lực nâng 34

Hình 4.6 Sự ổn định theo độ cao của máy bay hiệu ứng mặt đất 35

Hình 4.7 Vị trí trọng tâm đảm bảo ổn định theo độ cao và ổn định dọc 35

Hình 3.8 Vị trí tâm khí động đối với biên dạng cánh thông thường 36

Hình 4.9.Mô hình thiết kế sử dụng phần mềm Solidworks 36

Hình 4.10.Hình chiếu của của thiết kế máy bay 37

Hình 4.11.Mô hình máy bay hoàn chỉnh 37

Hình 4.12 Kết quả thử nghiệmmẫu máy bay nhỏ 40

Hình 4.13 Kết quả thử nghiệmmẫu máy bay lớn 41

Hình 4.14 Phiên bản nâng cấp 42

Bảng 2.1 Lực nâng tính toán trong các lưới có số nút tăng dần 7

Đồ thị 2.1 Phân bố áp suất trên mặt cánh trong trường hợp cánh 2D 12

Đồ thị 2.2.Ảnh hưởng của góc tấn và độ cao đến lực nâng trong trường hợp cánh 2D 15

Đồ thị 2.3.Ảnh hưởng của góc tấn và độ cao đến lực nâng trong trường hợp cánh 3D 15

Đồ thị 2.4 Ảnh hưởng của góc tấn và độ cao đến lực cản trong trường hợp cánh 2D 16

Đồ thị 2.5 Ảnh hưởng của góc tấn và độ cao đến hệ số chất lượng khí động trong trường hợp 2D 18

Đồ thị 2.6 Sự phụ thuộc của momen chúc ngóc đến độ cao 19

Đồ thị 3.1 Sự phụ thuộc của lực nâng vào góc tấn và độ cao xác định qua thực nghiệm 29

Bảng 3.1 Sai số tương đối giữa mô phỏng và thực nghiệm 30

Đồ thị 4.1 Hệ số momen chúc ngóc theo góc tấn ở các vị trí khác nhau của trọng tâm đối với tâm khí động theo góc tấn 34

Đồ thị 4.2.Hệ số momen chúc ngóc theo độ cao ở các vị trí khác nhau của trọng tâm đối với tâm khí động theo độ cao 35

Đồ thị 4.3 Đồ thị hệ số momen ổn định ngang 38

Đồ thị 4.4 Đồ thị hệ số momen ổn định hướng 38

Đồ thị 4.5.Đồ thị momen ổn định dọc 39

Đồ thị 4.6 Đồ thị momen ổn định độ cao 39

Bảng 1- Phụ lục Số liệu lực nâng và lực cản đối với góc tấn 2,5 độ, Re = 54000 49

Bảng 2- Phụ lục Số liệu lực nâng và lực cản đối với góc tấn 5 độ, Re = 54000 50 Bảng 3 – Phụ lục Số liệu lực nâng và lực cản đối với góc tấn 4 độ, Re = 1.000.000

LỜI MỞ ĐẦU

Các máy bay sử dụng hiệu ứng mặt đất đã có lịch sử phát triển khá lâu dài trên thế giới, được biết đến với nhiều mẫu thiết kế kì lạ, nổi bật là “Quái Vật Biển Caspian” Ekranoplan của Liên Xô Cho dù việc nghiên cứu về máy bay hiệu ứng mặt đất ở Liên Xô đã gặp những gián đoạn do các nguyên nhân về chính trị và kinh

tế, nhưng những phương tiện bay này vẫn tiếp tục được phát triển ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Đức, Nhật ,Trung Quốc và Australia

Với những ưu điểm như khả năng vận tải lớn, tiết kiệm nhiên liệu trong hoạt động, có thể đáp cánh trên biển mà không cần sân bãi, thì việc sử dụng máy bay hiệu ứng mặt đất được ứng dụng nhiều trong cả dân sự và quân sự Đặc biệt, hiệu ứng mặt đất đem lại lợi thế vô cùng to lớn trong vận tải biển và an ninh quốc phòng cho các quốc gia có đường bờ biển dài, diện tích biển rộng và hệ thống sông hồ lớn như Việt Nam Do đó, việc nắm được những nguyên lý cơ bản của hiện tượng hiệu ứng mặt đất là cần thiết để có thể tiếp nhận được những công nghệ của loại máy bay này trong tương lai, cũng như có thể trực tiếp thiết kế và chế tạo những mẫu máy bay sử dụng hiệu ứng này

Với những lý do này , em quyết định chọn đề tài :” nghiên cứu thiết kế máy bay sử dụng hiệu ứng mặt đất” Như tên đề tài, mục tiêu của đồ án chính là việc nghiên cứu và thiết kế thành công một mẫu máy bay có thể bay hiệu quả và ổn định

ở sát mặt đất Để thực hiện được mục tiêu này, việc cần thiết là phải có những nghiên cứu cơ bản về hiện tượng hiệu ứng mặt đất, qua đó thu được những hiểu biết tổng quan về hiện tượng này để có thể áp dụng vào quá trình thiết kế Chính vì những lý do này, nội dung của đồ án bao gồm 4 chương chính:

Chương I : Nêu những khái niệm cơ bản về hiệu ứng mặt đất , phân loại các loại máy bay sử dụng hiệu ứng mặt đất

Chương II : Sử dụng phương pháp mô phỏng số để thực hiện các nghiên cứu về hiệu ứng mặt đất đối với cánh máy bay

Chương III Sử dụng phương pháp thực nghiệm để thực hiện các nghiên cứu về hiệu ứng mặt đất, đồng thời đưa ra những so sánh với phương pháp mô phỏng số

Chương IV Thiết kế mô hình máy bay sử dụng hiệu ứng mặt đất

Trong quá trình thực hiện đồ án, em xin chân thành cảm ơn chân thành đến

sự hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện của các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt

là thầy giáo hướng dẫn chính TS Vũ Quốc Huy và thầy giáo hướng dẫn phụ là TS Nguyễn Phú Hùng để em có thể thực hiện tốt được những công việc đặt ra trong đồ

án Ngoài ra, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến những thành viên trong xưởng của bộ môn Hàng Không Vũ Trụ, đặc biệt là TS Vũ Đình Quý, các bạn sinh viên tập thể lớp Kĩ Thuật Hàng Không và lớp KSCLC - Cơ Khí Hàng Không đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình chuẩn bị cho đồ án Tuy nhiên với những hạn chế vê thời gian, kiến thức và kinh nghiệm làm việc nên những sai sót xảy ra là không thể tránh khỏi

Em rất hy vọng nhận được những nhận xét thẳng thắn từ các thầy cô giáo để em có thể thêm kinh nghiệm phục vụ cho công việc sau này

Hà Nội, ngày tháng 2013

Phạm Hoàng Sơn

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT

1.1.Khái niệm chung về hiệu ứng mặt đất và vấn đề nghiên cứu về hiện tượng

Hiệu ứng mặt đất là hiện tượng xảy ra khi 1 vật thể chuyển động trong khoảng cách nhỏ đối với mặt đất Khoảng cách nhỏ ở đây thường được xác định so với kích thước của vật thể Đối với cánh máy bay, hiện tượng hiệu ứng mặt đất xảy

ra khi cánh bay thấp sát mặt đất với góc tấn lớn hơn 0 độ Khi đó, lực nâng của cánh tăng lên trong khi lực cản cảm ứng giảm, chúng ta được lợi về hệ số chất lượng khí động f = Cl/Cd, và được lợi về mặt tiêu thụ nhiên liệu

Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng hiệu ứng mặt đất là do sự nén không khí giữa bụng cánh và mặt đất khi có sự chênh lệch giữa diện tích dòng khí vào bụng cánh và ra ở đuôi cánh trong trường hợp cánh có góc tấn Chính vì lý do này, việc nghiên cứu hiện tượng hiệu ứng mặt đất sẽ tập trung vào phân tích phân bố áp suất dọc theo chiều dài dây cung cũng như sải cánh, qua đó giải thích được sự tăng lực nâng, giảm lực cản cũng như các vấn đề về tâm khí động sẽ được nêu chi tiết trong đồ án

Hiệu ứng mặt đất xuất hiện trong nhiều lĩnh vực như hàng không, các phương tiện di chuyển trên mặt đất như ô tô, hay các phương tiện di chuyển trên biển như tàu cao tốc Trong nghiên cứu này , chúng ta tập chung vào hiện tượng hiệu ứng mặt đất xảy ra đối với cánh máy bay

1.2.Ứng dụng trong nghiên cứu về hiệu ứng mặt đất

Việc nghiên cứu về hiệu ứng mặt đất có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn

1.2.1.Đối với phương tiên bay thông thường

Hiệu ứng mặt đất ảnh hưởng lớn đến quá trình cất hạ cánh của các loại máy bay thông dụng cũng như trực thăng Cụ thể , trong quá trình hạ cánh của các máy bay cánh bằng, nhất là các máy bay có cánh thấp, hiệu ứng mặt đất gây ra 1 lớp đệm không khí giữa máy bay và đường băng, gây khó khăn trong việc hạ cánh, gây

ra việc chạy quá đường băng Trong 1 số trường hợp, để khắc phục điều này, người

ta phải triệt tiêu lực này để đảm bảo an toàn khi hạ cánh

1.2.2 Đối với ô tô

Hiệu ứng mặt đất có 1 số ứng dụng nhỏ đối với nghành ô tô, đặc biệt đối với lĩnh lực xe đua Trong các xe đua công thức I, gầm xe rất thấp so với mặt đất, do đó lực nâng do hiệu ứng mặt đất gây ra ảnh hưởng đến độ bám đường của xe Để khắc phục điều này, trên xe đua có khá nhiều các cánh phụ có tác dụng ép xe bám vào mặt đường hơn

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT

Hình 1.1 Xe đua công thức I

Internet

1.2.3.Đối với các loại tàu thủy

Đối với các loại thuyền đua có tốc độ cao thường có diện tích tiếp xúc với mặt nước nhỏ, phần bụng thuyền bị nhấc lên không chịu tác động của hiện tượng hiệu ứng mặt đất tương tự như cánh máy bay Do đó, hiệu ứng mặt đất gây ra các lực nguy hiểm có thể gây ra lật thuyền Tuy nhiên hiệu ứng mặt đất cũng giúp cho thuyền đạt tốc độ cao hơn do giảm lực cản của nước

Hình 1.2 Thuyền tốc độ cao

Internet

1.2.4.Máy bay hiệu ứng mặt đất

Là các loại máy bay được thiết kế để bay sát mặt đất hoặc mặt nước.Đây cũng chính là hướng nghiên cứu của đồ án Chúng ta sẽ phân tích kĩ về loại phương tiện này trong phần sau

1.3.Các phương tiện bay sử dụng hiệu ứng mặt đất

1.3.1.Khái niệm

Đây là các phương tiện sử dụng hiệu ứng mặt đất như là 1 phương pháp chính trong di chuyển Các phương tiện này thường có hình dáng bên ngoài tương đối giống máy bay nhưng di chuyển ở sát mặt đất ( thường là mặt sông , mặt biển),

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT

3

do đó tận dụng được hiệu quả của hiệu ứng này ( tăng lực nâng, giảm lực cản, tiết kiệm nhiên liệu )

1.3.2.Ưu nhược điểm

Do có phương thức hoạt động như máy bay nhưng môi trường hoạt động như của tàu thuyển, các phương tiện sử dụng hiệu ứng mặt đất ( Wing in Ground vehicles – WIG) tận dụng được các ưu điểm của cả 2 phương tiện giao thông trên

Mặc dù khó có thể đưa ra so sánh chính xác ưu và nhược điểm của máy bay thông thường và phương tiện sử dụng hiệu ứng mặt đất về mặt tiêu hao nhiên liệu

do có sự khác biệt về môi trường hoạt động ( ở các độ cao khác nhau, áp suất và nhiệt độ không khí có sự thay đổi lớn), tuy nhiên, các phương tiện hiệu ứng mặt đất

có 1 lợi thế không thể phủ nhận đó là vận tốc của các phương tiện này lớn hơn bất

kì loại thuyền nào đang được sử dụng ( do hoàn toàn không tiếp xúc với mặt đất trong quá trình di chuyển, tránh được lực cản của nước ) Ngoài ra, các WIG còn an toàn hơn máy bay do bay ở độ cao thấp, khó bị thất tốc , dễ dàng điều khiển và không yêu cầu sân bay đặc biệt để có thể cất hạ cánh Chúng hoàn toàn có thể sử dụng mặt nước làm nơi hạ cánh của mình

Tuy nhiên, các WIG cũng có 1 số những nhược điểm cần phải khắc phục Đó

là sự khó khăn trong điều khiển , giữ ổn định độ cao và sự ảnh hưởng của thời tiết Các WIG thông thường không thể di chuyển trong điều kiện thời tiết xấu Điều này lại xảy ra tương đối nhiều trên biển Tuy vậy, các ứng dụng của phương tiện sử dụng hiệu ứng mặt đất có tiềm năng vô cùng to lớn, cụ thể là trong tuần tra và vận tải trên sông và trên biển

1.3.3.Lịch sử phát triển

Cho đến hiện nay, các phương tiện bay sử dụng hiệu ứng mặt đất đã có 1 lịch

sử phát triển tương đối dài Từ những năm 1920, hiện tượng hiệu ứng mặt đất đã được chú ý khi các nhà khoa học quan sát và ghi nhận Những mẫu máy bay WIG đầu tiên được phát triển trong những năm 1960 bởi 1 số nước, đi đầu là Liên Xô và

Mỹ Tuy nhiên, nhiều mẫu chỉ ở trong giai đoạn thử nghiệm, chỉ có 1 số mẫu được đưa vào vận hành , tiêu biểu là Ekranoplan của Liên Xô Đây là 1 trong những mẫu lớn nhất được đưa vào vận hành, có tải trọng lên đến 500 tấn và tốc độ cao lên đến

270 knots Ngoài ra, còn 1 số mẫu WIG cỡ nhỏ được chế tạo và sản xuất bởi các quốc gia như Đức, Trung Quốc, Australia Các mẫu này sử dụng chủ yếu cho mục đích dân sự và vận chuyển

1.3.4.Một số mẫu WIG thông dụng

+ Ekranoplan : Có hình dạng gần giống với máy bay thông thường Các loại máy bay này đạt được tốc độ cao, tải trọng lớn, thường được sử dụng trong quân sự

và vận chuyển Đây là mẫu thiết kế được Liên Xô xử dụng nhiều trước đây trong chế tạo WIG cỡ lớn

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT

Hình 1.3 WIG Ekranoplan

Internet

+WIG sử dụng cánh delta ngược: Sử dụng các cánh tam giác ngược, đạt được chất lượng khí động cao và độ ổn định cũng cao hơn so với các mẫu Ekranoplan Đã có những mẫu cỡ nhỏ của kiểu thiết kế này được chế tạo phục vụ cho mục đích quân sự và dân sự

Hình 1.4.WIG cánh delta ngược

Internet

+Tandem : WIG sử dụng 2 cặp cánh trong chuyển động Ưu điểm của mẫu thiết kế này là tạo được sự tự ổn định theo momen chúc ngóc của hệ 2 cánh Các mẫu Tandem đã được thử nghiệm trên sông hồ bởi người Đức và Liên Xô Ngoài

ra, mẫu WIG cũng ít bị ảnh hưởng của gió ngang do không sử dụng đuôi đứng cũng như đuôi ngang trong vận hành

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT

5

Hình 1.5.Tandem Internet

1.3.5.Ứng dụng hiệu ứng mặt đất ở VN

Hiện tại, máy bay sử dụng hiệu ứng mặt đất chưa có ứng dụng cụ thể nào ở nước ta Chúng ta chỉ có 1 số nghiên cứu nhỏ trong quân đội nhưng không được áp dụng rộng rãi Tuy nhiên, phạm vi ứng dụng của WIG đối với nước ta là vô cùng lớn

Thứ nhất, nước ta có 1 đường bờ biển dài, các WIG cỡ lớn có thể sử dụng như các phương tiện chuyên chở người hoặc hàng hóa hiệu quả và tiết kiệm thời gian cũng như chi phí

Thứ hai, hiện nay vấn đề an ninh và chủ quyền đối với biển đảo của chúng ta

là 1 trong những vấn đề tối quan trọng Tuy nhiên, để vận chuyển nhu yếu phẩm ra được quần đảo Trường Sa, chúng ta gần như chỉ có thể sử dụng phương tiện là tàu thuyền với thời gian di chuyển vào khoảng 2 ngày 1 đêm Nguyên nhân là do các đảo tương đối nhỏ, khó khăn để có thể xây dựng được những sân bay phục vụ cho các máy bay cỡ lớn Với WIG, chúng ta hoàn toàn có thể giải quyết được khó khăn này, do WIG cõ lớn cũng chỉ cần sử dụng mặt biển để làm nơi cất hạ cánh Ngoài

ra, với vận tốc lớn và khả năng bay lên cao đối với 1 số loại máy bay hiệu ứng mặt đất, chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng trong tuần tra trên sông hồ và biển 1 cách hiệu quả

Cuối cùng, WIG không có yêu cầu về kĩ thuật và an toàn cao như các máy bay thông thường, do vậy chúng ta hoàn toàn có thể nghĩ đến việc tự chế tạo các loại WIG trong tương lai

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU VỀ HIỆN TƯỢNG HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT BẰNG PHƯƠNG

PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

Trong mục này , chúng ta sử dụng phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu hiện tượng hiệu ứng mặt đất đối với cánh vô hạn (cánh 2D) và cánh hữu hạn (cánh 3D) Chúng ta sử dụng module MESHING (là bản rút gọn của phần mềm chia lưới ICEM ) để tạo mô hình lưới và module FLUENT nằm trong phần mềm ANSYS để

mô phỏng đặc trưng khí động của cánh bay sát mặt đất Thông qua chương II, chúng ta sẽ sử dụng kết quả mô phỏng để lần lượt tìm hiểu các vấn đề sau:

-Sự thay đổi phân bố áp suất trong hiện tượng hiệu ứng mặt đất theo chiều dài dây cung và chiều dài sải cánh

-Ảnh hưởng của góc tấn và độ cao đến hiện tượng hiệu ứng mặt đất ( bao gồm sự thay đổi về lực nâng Cl , lực cản Cd, hệ số chất lượng khí động f )

-Ảnh hưởng của vận tốc dòng chảy đển hiện tượng hiệu ứng mặt đất

-Ảnh hưởng của độ cao đến giá trị momen chúc ngóc và xác định tâm khí động theo độ cao

Quá trình tìm hiểu sẽ bao gồm việc tính toán , xử lý kết quả, đưa ra nhận xét so sánh với lý thuyết cũng như các kết quả mô phỏng trong các nghiên cứu khác

2.1 Mô hình bài toán

Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc tấn,tốc độ và độ cao của cánh đến hiện tượng hiệu ứng mặt đất, chung ta sử dụng mô hình 2D và 3D của tấm phẳng và airfoil Clark Y Cánh có chiều dài dây cung là 100 mm, được đặt ở các góc tấn từ 0

độ đến 10 độ Đối với trường hợp cánh 3D, chiều dài cánh là 200 mm Độ cao của cánh so với mặt đất được thay đổi từ 5 mm đến 100 mm, vận tốc đầu vào là 10m/s ( tương đương với số Reynolds = 54734) và 150 m/s ( tương ứng với số Reynolds = 10^6) Do vậy việc sử dụng công cụ chia lưới ICEM là cần thiết do ICEM có khả năng thay đổi 1 vài kích thước của mô hình trong lưới nhưng không cần phải chia lại toàn bộ lưới Do vậy chúng ta chỉ cần dựng 1 mô hình duy nhất và chọn phương pháp chia lưới Với mỗi một trường hợp ( độ cao, góc tấn), chúng ta chỉ cần thay đổi lại biến kích thước và 1 số chỉnh sửa nhỏ trên lưới là đã có thể thực hiện trường hợp mô phỏng mới

Hình 2.1 Biên dạng Profile Clark Y

2.2.Chia lưới mô hình

2.2.1.Đối với trường hợp 2D

Mô hình được đặt trong không gian 2D hình chữ nhật có kích thước như hình vẽ:

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

7

Hình 2.2.Mô hình chia lưới

Kích thước như vậy để giảm thiểu sai số do ảnh hưởng của thành lên mô hình

Để xác định kích thước lưới phù hợp, chúng ta thay đổi số nút lưới lớn dần

và dựa vào sự hội tụ của thông số lực nâng L Ta có bảng số liệu sau:

Bảng 2.1 Lực nâng tính toán trong các lưới có số nút tăng dần

Chúng ta nhận thấy khi tăng số nút lên 269700 , thông số lực nâng không còn thay đổi lớn nữa Do vậy chúng ta có thể sử dụng kích thước lưới trên trong việc mô phỏng

Để chia lưới mô hình có cấu trúc , chúng ta chia hình chữ nhật bao ngoài thành các miền có 4 cạnh Khu vực sát với thành phía dưới và xung quanh biên dạng cánh sẽ được chia với mật độ lớn để mô phỏng được lớp biên sát thành của chất lỏng cũng như các biên thiên lớn của các thông số vận tốc và áp suất Chúng ta

có hình dạng lưới như sau:

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

Hình 2.3a.Lưới sau khi chia

Thông số lưới:

Số nút: 269700

Số phần tử: 268234

2.2.Đối với trường hợp 3D

Với trường hợp 3D, để thuận tiện trong việc so sánh với kết quả thực nghiệm trong ống khí động, chúng ta lựa chọn không gian khối hộp 3D có kích thước bằng chính kích thước buồng thử của mô hình.( 400mm*500mm*1000mm) Chia lưới với 2 biên dạng cánh là tấm phẳng và airfoil Clark Y ta có kết quả chia lưới như sau:

Hình 2.3b.Lưới sau khi chia của tấm phẳng

Hình 2.3c Thông số lưới của tấm phẳng

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

9

Hình 2.3d Lưới sau khi chia của airfoil Clark Y

Hình 2.3e.Thông số lưới của airfoil Clark Y

Thông số của chất lượng lưới trong 2 trường hợp đều thỏa mãn tương đối tốt theo 2 chỉ số đánh giá chất lượng lưới: Skewness và Orthogonal

2.3.Chọn mô hình rối

Đối với bài toán này , chúng ta chọn mô hình rối k- epsilon Đây là mô hình rối phổ biến nhất được sử dụng rộng rãi trong các phần mềm thương mại CFD Hơn nữa, sau khi tính toán với nhiều mô hình rối khác, mô hình k-epsilon cho ta kết quả hợp lý nhất Đây là mô hình rối bao gồm 2 phương trình để diễn tả tính chất rối của dòng Có 2 biến thêm là k – động năng rối và epsilon – tổn thất rối

Hai phương trình đối với mô hình Realisable k-epsilon :

(2.1) – (2.2)

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ Trong đó:

(2.3)

Mô hình độ nhớt rối:

(2.4) Trong đó:

(2.5)-(2.6)-(2.7)-(2.8)

(2.9)-(2.10)-(2.11)

Các hằng số được xác định bằng thực nghiệm:

2.4.Thiết lập trong phần mềm FLUENT

Trong module Fluent, chúng ta thiết lập các thông số như sau

Hình 2.4.Thiết lập trong Fluent

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

11

2.5.Thiết lập điều kiện biên

Đối với điều kiện biên, chúng ta thiết lập bao gồm điều kiện vận tốc vào trong 2 trường hợp 10 m/s và 150 m/s như hình 2.6a, điều kiện áp suất ra như trong hình 2.6b

Hình 2.5 Mô hình lưới với điều kiện biên

Kí hiệu:

-Đường xanh : inlet – vận tốc vào

-Đường đỏ: outlet – áp suất ra

Đặt điều kiện biên:

Hình 2.6 Điều kiện đầu vào và đầu ra

Đồ thị thể hiện quá trình hội tụ sau 268 bước trong trường hợp 2D

Hình 2.7.Đồ thị thể hiện kết quả hội tụ

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

2.6.1 Sự thay đổi áp suất dọc theo chiều dài dây cung và chiều dài sải cánh

2.6.1.1 Phân bố áp suất theo chiều dài dây cung

Dựa theo kết quả mô phỏng trong trường hợp cánh 2D ở góc tấn 5 độ, chúng ta vẽ được đồ thị thể hiện phân bố áp suất trên mặt cánh dọc theo chiều dài dây cung trong 2 trường hợp độ cao khác nhau là h/c =0.08 và h/c =1

Đồ thị 2.1 Phân bố áp suất trên mặt cánh trong trường hợp cánh 2D

Dựa vào đồ thị 2.1 , chúng ta nhận thấy áp suất mặt trên(Lưng cánh ) trong 2 trường hợp thay đổi không nhiều, tuy nhiên áp suất mặt dưới có sự chênh lệch khá lớn Hiệu số áp suất giữa mặt trên và mặt dưới đối với độ cao h/c =0.08 là lớn hơn nhiều so với độ cao h/c =1 Đây là điều lý giải cho sự tăng mạnh của lực nâng khi

hạ độ cao, đồng thời làm thay đổi momen chúc ngóc tác dụng lên cánh trong các độ cao khác nhau Vấn đề này sẽ được nghiên cứu kĩ trong phần sau Ngoài ra, độ chênh áp suất giữa đầu cánh và đuôi cánh cũng thể hiện sự giảm lực cản trong quá trình giảm độ cao Ở độ cao h/c =1, áp suất cao nhất nằm ở vị trí đầu cánh ( x/c =0), tuy nhiên khi cánh ở độ cao h/c =0.08, áp suất cao nhất được dịch chuyển về phía dưới bụng cánh Điều này được thể hiện rõ ràng hơn trong phân bố vector vận tốc ở đầu cánh trong 2 trường hợp độ cao khác nhau ( hình 2.8 )

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

13

Hình 2.8a Vector vận tốc ở đầu cánh trong trường hợp h/c = 0.08

Hình 2.8b Vector vận tốc ở đầu cánh trong trường hợp h/c =1

Dựa vào phân bố vector vận tốc ở vị trí đầu cánh, chúng ta nhận thấy khi ở độ cao h/c =0.08, dòng có xu hướng đi từ dưới lên trên Điều này làm áp suất giảm ở vị trí đầu cánh, làm giảm lực cản Ở độ cao h/c =1, chúng ta nhận thấy vận tốc nhỏ nhất ở chính vị trí đầu cánh, tương ứng với áp suất cao nhất ở đây Điều đó dẫn đến lực cản lớn hơn so với h/c =0.08 Hay nói cách khác, hiệu ứng mặt đất đã di chuyển vị trí áp suất lớn nhất từ vị trí mũi cánh xuống phía dưới bụng cánh khi hạ độ cao, qua đó làm tăng lực nâng và giảm lực cản

 Qua đồ thị cũng như hình ảnh phân bố vận tốc ở đầu cánh , chúng ta

nhận thấy rằng có thể sử dụng các thay đổi về phân bố áp suất như một tiêu chuẩn để đánh giá được ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất tác dụng lên cánh Cánh bị ảnh hưởng mạnh của hiệu ứng mặt đất đồng nghĩa với

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

việc phân bố áp suất ở bụng cánh tăng mạnh, đồng thời vị trí áp suất cao nhất càng bị dịch chuyển về phía bụng dưới của cánh

2.6.1.2 Phân bố áp suất theo chiều dài sải cánh

Đối với trường hợp cánh 3D, các hiện tượng vật lý cũng hoàn toàn tương tự như trong trường hợp cánh 2D Tuy nhiên hệ số lực nâng giảm đáng kể Ví dụ, ở vị trí h/c =0.1, với góc tấn 5 độ, ở trường hợp 2D, Cl xấp xỉ 1 Trong khi đó, ở trường hợp 3D, Cl chỉ bằng 0.6 Điều này có thể lý giải bằng việc thất thoát áp suất cao của bụng cánh qua vị trí 2 đầu cánh Đối với hiện tượng hiệu ứng mặt đất, lực nâng cao tạo ra do áp suất cao phía dưới bụng cánh, do vậy sự thất thoát này làm giảm nghiêm trọng lực nâng Hình 2.9 về phân bố áp suất ở bụng cánh sẽ thể hiện rõ điều này:

Hình 2.9a Phân bố áp suất trên bụng cánh trong trường hợp h/c =0.05

Hình 2.9b Phân bố áp suất trên bụng cánh trong trường hợp h/c = 0.85

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

có thể nâng cao hiệu quả của hiện tượng hiệu ứng mặt đất

2.6.2.Ảnh hưởng của góc tấn và độ cao đến lực nâng, lực cản và phân bố áp suất

Dựa vào kết quả mô phỏng được, ta xây dựng đồ thị không thứ nguyên thể hiện sự biến đổi của Cl và Cd theo tỉ số độ cao-dây cung (h/c) và góc tấn (Reynolds

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

Đồ thị 2.4 Ảnh hưởng của góc tấn và độ cao đến lực cản trong trường hợp cánh

2D

Phân tích và kết quả:

Dựa vào đồ thị ta thấy, Ở trường hợp cánh 2D, khi độ cao giảm, lực nâng tác dụng lên cánh tăng rõ rệt,đạt giá trị 1.01 với độ cao h/c= 0.08, qua đó chúng ta nhận thấy lực nâng có thể tăng tới 70% khi có hiệu ứng mặt đất Tương tự, khi góc tấn tăng, lực nâng cũng tăng Điều này hoàn toàn có thể giải thích được theo phân bố áp suât trên mặt cánh trong mục 2.6.2 Tuy nhiên, khi độ cao của cánh giảm xuống rất thấp hơn khoảng h/c < 0.08 , lực nâng đạt cực đại và bắt đầu giảm Điều này có thể được giải thích thông qua hình 1.8

Dựa vào kết quả mô phỏng trên hình vẽ ở độ cao h/c = 0.05, khi cánh sát mặt đất, xuất hiện các xoáy phía ngay trước cánh ở vị trí sát mặt đất Các xoáy này làm giảm diện tích cửa vào của dòng khí mặt dưới cánh, qua đó làm giảm khả năng nén của cánh Dòng khí thay vì đi đi xuống mặt dưới cánh sẽ có xu hướng lên phía mặt trên của cánh Đối với cánh 3D, hiện tượng này không xảy ra do sự thất thoát áp suất 2 phía đầu cánh làm giảm ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất

Hình 2.10 Xoáy xuất hiện ở độ cao rất thấp

Ngoài ra, chúng ta cũng nhận thấy ở góc tấn 0 độ, lực nâng không có sự thay

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

17

luồng khí ra phía dưới bụng cánh Chúng ta có thể đưa ra kết luận cánh ở góc tấn 0

độ gần như không chịu ảnh hưởng đáng kế của hiện tượng hiệu ứng mặt đất

So sánh với kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với biên dạng cánh Tyrrell

026 của nghiên cứu: “ Aerodynamics of a Single Element Wing in Ground Effect” của 2 tác giả Jonathan Zerihan và Xin Zhang – Đại học Southampton , Anh

Ta có đồ thị sau:

Hình 2.11.Đồ thị thể hiện sự thay đổi của Cl theo độ cao dựa trên thực

nghiệm

Aerodynamics of a Single Element Wing in Ground Effect - Jonathan Zerihan và

Xin Zhang – Đại học Southampton , Anh

Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của góc tấn( từ -3 độ đến 11 độ) và tỉ số độ cao h/c đến lực nâng trong hiệu ứng mặt đất So sánh với kết quả mô phỏng ở đồ thị 2.1 , mặc dù không sử dụng cùng loại profile cánh nhưng chúng ta hoàn toàn thấy sự tương đồng trong hình dạng và tính chất của đường cong Cl xét trong sự phụ thuộc đối với góc tấn và tỉ số độ cao h/c Qua đó có thể khẳng định kết quả mô phỏng về mặt định tính là chính xác Các kết quả về vị trí lực nâng max khi hạ độ cao từ mô phỏng hoàn toàn có thể tin tưởng đc

Tiếp tục xét đến sự phụ thuộc của lực cản đối với độ cao và góc tấn, khi độ cao giảm, lực cản cũng giảm ( được thể hiện ở đồ thị 2.4 ) Điều này được giải thích bằng sự chênh lệch phân bố áp suất giữa đầu cánh và đuôi cánh ở mục 2.6.2 Do vị trí áp suất lơn nhất trên cánh được di chuyển từ đầu cánh về bụng cánh khi cánh bay sát đất, sự chênh lệch áp suất giữa đầu cánh và đuôi cánh giảm đáng kể Sự chênh lệch nay là nguyên nhân gây ra lực cản hình dạng, do vậy lực cản này đã giảm đáng

kể khi cánh bay sát đất Đường hệ số lực cản Cd của góc 5 độ nằm cao hơn do lực cản hình dạng của profile trong trường hợp góc tấn 5 độ là lớn hơn

2.6.3.Ảnh hưởng của góc tấn và độ cao đến hệ số chất lượng khí động

Dựa vào kết quả mô phỏng được, ta xây dựng đồ thị không thứ nguyên thể hiện tỉ số chất lượng khí động f tỉ số độ cao-dây cung (h/c) và góc tấn: (Reynolds = 54000)

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

Đồ thị 2.5 Ảnh hưởng của góc tấn và độ cao đến hệ số chất lượng khí động

trong trường hợp 2D

Đồ thị hệ số chất lượng khí động cũng cho chúng ta thấy lợi ích của hiệu ứng mặt đất trong việc tiết kiệm nhiên liệu của máy bay Tuy nhiên, khi góc tấn quá lớn, lực cản tăng tỉ lệ với lực nâng khiến ta không được lợi về hệ số f Điều này được lý giải do khi góc tấn lớn, phân bố áp suất cao ở phía dưới cánh bắt đầu đóng góp vào việc làm tăng lực cản hình dạng Do vậy lực nâng tăng nhưng lực cản cũng tăng theo từ đó làm giảm chất lượng khí động

2.6.4.Ảnh hưởng của độ cao đến momen chúc ngóc và tính toán tâm khí động

phụ thuộc độ cao

Sự thay đổi về độ cao có ảnh hưởng lớn đến momen chúc ngóc Phân bố áp suất trên mặt cánh thể hiện rõ điều này Chúng ta có thể xác định momen chúc ngóc tại vị trí bất kì trên dây cung sử dụng công thức sau:

(Aerodynamics for Engineering Students) (2.12) Trong đó, là momen tại vị trí x trên dây cung, là momen tại vị trí đầu cánh

Từ mô phỏng với góc tấn 5 độ, vận tốc 10 m/s, chúng ta xác định được momen tại vị trí mũi cánh và thu được bảng số liệu sau đây, ta xây dựng được đồ thị

sự phụ thuộc của momen chúc ngóc tại đầu cánh đến độ cao

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

19

Đồ thị 2.6 Sự phụ thuộc của momen chúc ngóc đến độ cao

Qua đồ thị chúng ta thấy , hiện tượng hiệu ứng mặt đất làm tăng momen chúc ngóc theo hướng đẩy mũi cánh lên về phía sau theo chiều kim đồng hồ Ngoài ra, hiệu ứng mặt đất có thêm 1 tính chất đặc biệt, đo là tồn tại 1 tâm khí động phụ thuộc vào độ cao ứng với 1 góc tấn cụ thể

Hình 2.12 Phân bố áp suất trên 1 mặt cắt của cánh

Hình ảnh thể hiện phân bố áp suất trên cánh ở độ cao h/c =0.08 Chúng ta nhận thấy: ở điểm A, khi độ cao giảm, áp suất tăng dẫn đến momen chúc ngóc tại A tăng theo chiều âm, tương ứng với việc đồ thị hệ số momen chúc ngóc tại điểm A

có xu hướng tăng theo chiều dương khi tăng độ cao Ngược lại, ở điểm B, khi độ cao giảm, momen chúc ngóc tại B tăng theo chiều dương, tương ứng với việc đồ thị

hệ số momen chúc ngóc có xu hướng giảm khi tăng độ cao.Điều này có nghĩa , khi

độ cao thay đổi nhưng góc tấn không đổi , có tồn tại 1 điểm ở giữa A và B mà ở đó momen chúc ngóc không thay đổi, hay có thể nói đường hệ số momen chúc ngóc nằm ngang khi tăng độ cao Để xác định điểm này, chúng ta sử dụng công thức đã nêu ở đầu mục với là momen chúc ngóc tại vị trí tâm khí động, là tọa độ

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

tâm khí động trên dây cung Đạo hàm 2 vế với Cl, coi cos(5) xấp chỉ bằng 1, sin(5) xấp xỉ bằng 0, ta có công thức tính tọa độ tâm khí động như sau:

= -

( ) (2.13) Dựa vào bảng số liệu vừa tính toán, ta xác định được = 0.308972

Hay vị trí tâm khí động phụ thuộc độ cao nằm ở vị trí 30.8972% dây cung đối với góc tấn 5 độ.Chúng ta hoàn toàn có thể tính toán vị trí tâm khí động ở các góc tấn khác.Với mỗi góc tấn, chúng ta có 1 tâm khí động theo độ cao cụ thể Điều này có ý nghĩa quan trọng trong quá trình thiết kế máy bay sử dụng hiệu ứng mặt đất

2.6.5.Ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất đến hướng dòng chảy sau cánh

Đối với cánh hữu hạn, lực cản cảm ứng sinh ra do hiện tượng xuất hiện xoáy ở đầu cánh Hiện tượng này xảy ra do sự chênh lệch áp suất giữa mặt trên

và mặt dưới của cánh Ở phía đầu cánh, sự chênh lệch áp suất 2 mặt tạo ra 1 dòng chảy từ phía dưới ( áp suất cao ) lên phía trên ( áp suất thấp) và tạo nên các xoáy

Hình 2.13 Hiện tượng xoáy đầu cánh Anderson Fundamentals Of Aerodynamics – trang 230

Hiện tượng này dẫn đến sự hình thành của 1 thành phần vận tốc nhỏ w đi xuống so với vận tốc gió ở vô cùng được miêu tả ở hình 1.5

Hình 2.14 Hiệu ứng downwash trên dòng chảy trong khu vực cánh đối

với 1 mặt cắt cánh của cánh hữu hạn Anderson Fundamentals Of Aerodynamics – trang 231

Trong đó:

Góc : góc tấn hiệu dụng ( hay còn gọi là góc tấn của hướng gió cục bộ)

Góc : góc tấn cảm ứng hợp giữa thành phần vận tốc w và vận tốc gió ở vô cùng