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

Header Page of 258 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 Footer Page of 258 Header Page of 258 Công trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Hoàng Thị Bích Ngọc 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 bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm …… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Footer Page of 258 Header Page of 258 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 âm âm 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 giảm áp ảnh hưởng đến đặc trưng khí động 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 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 14th 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 Footer Page of 258 Header Page of 258 Footer Page of 258 Header Page of 258 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cánh phận tạo lực nâng cho máy bay Cánh mang tính đặc thù hai khía cạnh khí động kết cấu Về khí động, hình dạng bao cánh cần đảm bảo tối ưu chất lượng khí động Với đặc điểm này, hình dạng cánh thuộc loại vật thể mỏng dẹt với diện tích mặt cánh lớn nhiều so với diện tích ngang, cánh dễ bị biến dạng chịu lực Về kết cấu, cánh chịu lực khí động lớn, nâng toàn trọng lượng máy bay đôi cánh, nên kết cấu bên cánh cần tính toán để nâng cao tính đàn hồi tính chống xoắn Khí động lực kết cấu hai ngành khoa học khác học ứng dụng Hai loại toán khác chất phương trình vi phân mô tả tượng phương pháp số để giải Tuy nhiên, tính toán cánh lại đòi hỏi hiểu biết sâu hai phương diện khí động kết cấu Một tính toán chuyên kết cấu thường xét lực khí động đại lượng biết, thế, biến đổi lực khí động theo hình học động học, người tính toán kết cấu có khó khăn việc chủ động xác định thẩm định độ xác lực khí động Cũng vậy, tính toán chuyên sâu khí động thường xét ảnh hưởng biến dạng kết cấu theo mô hình đơn giản quy dầm đặt trục khí động (1D) theo mặt nâng (2D) Để giải mối quan hệ này, luận án thực đề tài “Tính toán số lực khí động cánh 3D xét đến hiệu ứng đàn hồi” Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu - Luận án nhấn mạnh phần nghiên cứu tính toán lực khí động sở triển khai phương pháp số tính lực khí động cánh 3D (có xét góc vuốt cánh chiều dày profil cánh) quy trình thực nghiệm xác định áp lực khí động cánh 3D nhằm kiểm chứng độ xác chương trình lập trình - Bài toán biến dạng đàn hồi giải theo mô hình 3D cánh rỗng có dầm, sườn Chương trình tính toán kết cấu kiểm chứng qua so sánh với kết công bố Footer Page of 258 Header Page of 258 - Xây dựng chương trình tính liên kết khí động - đàn hồi theo mô hình 3D (lực khí động 3D 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 phạm vi nghiên cứu - Về khí động: Tính toán thực cánh chữ nhật cánh thang 3D có góc vuốt  < 20o góc tới  < 10o; dòng chất lỏng không nhớt, không nén mở rộng ứng dụng dòng có số Mach M < 0,65 (loại trừ hiệu ứng độ âm dòng hỗn hợp âm âm) - Về kết cấu: Ngoại lực khí động tác dụng lên cánh dạng phân bố 3D mặt lưng mặt bụng cánh; kết cấu cánh rỗng; số lượng vị trí dầm thay đổi; vật liệu dầm vật liệu vỏ khác - Về thực nghiệm khí động 3D: Đo áp suất phân bố 3D 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 mô hình tính liên kết: Mô hình tính liên kết 3D; 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 cánh vết khí động; lập trình cho toán dòng dừng dòng không dừng tăng tốc thay đổi đột ngột để khảo sát trình thiết lập chế độ bình ổn lưu số lực nâng - Về kết cấu: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn giải toán biến dạng đàn hồi theo mô hình 3D suy biến - Về thực nghiệm khí động 3D: Thực công nghệ gia công xác biên dạng cánh lỗ đo áp; cánh làm rỗng với 220 lỗ đo áp Dung cụ đo áp suất áp kế kỹ thuật số có độ xác cao - Về tính toán liên kết khí động - đàn hồi: Lập trình tính liên kết theo mô hình 3D (trên sở hai chương trình tính khí động cánh 3D kết cấu cánh 3D) mô hình số bán giải tích xác định vận tốc tới hạn xoắn phá hủy cánh Footer Page of 258 Header Page of 258 Bố cục luận án Luận án gồm phần 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 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 luận án Về lý thuyết: Các chương trình tính toán khí động cánh 3D biến dạng đàn hồi cánh 3D kiểm chứng độ xác cho phép ứng dụng nghiên cứu giảng dạy chuyên sâu hai lĩnh vực Các chương trình tính toán liên kết khí động - đàn hồi cánh cho phép ứng dụng nghiên cứu tính đặc thù kết cấu cánh tác động lực khí động 3D biện pháp nâng cao tính đàn hồi vận tốc tới hạn xoắn phá hủy cánh Thực nghiệm đo áp suất phân bố cánh xác nhận phương pháp đo áp suất 3D cánh có độ xác cao điều kiện thiết bị dụng cụ đo thông dụng Về thực tiễn: Các chương trình số khí động cánh 3D, biến dạng đàn hồi cánh 3D tính toán liên kết khí động - đàn hồi luận án ứng dụng tính toán lựa chọn tối ưu tính toán thiết kế sơ Trên sở phương pháp chương trình khí động cánh 3D biến dạng đàn hồi cánh 3D lập trình, nâng cấp thành phiên với ứng dụng thực tế đa dạng phức tạp Thực nghiệm đo áp suất phân bố cánh 3D liên quan đến cần thiết áp dụng quy trình công nghệ gia công công phu cánh thử nghiệm nhằm đảm bảo độ xác biên dạng khí động lỗ đo áp cánh Footer Page of 258 Header Page of 258 TỔNG QUAN 1.1 Mối liên quan toán khí động toán đàn hồi cánh Bài toán khí động Bài toán đàn hồi V ∞ - Ngành khoa học: Cơ học chất lỏng - Thông số vào: biên dạng cánh 3D, giá trị hướng vận tốc - Kết đầu ra: trường phân bố áp suất vận tốc miền kích động; áp lực khí động phân bố hai mặt lưng bụng cánh 3D - Ngành khoa học: Cơ học vật rắn biến dạng - Thông số vào: Biên dạng cánh 3D; số lượng, vị trí vật liệu dầm, sườn; chiều dày vật liệu vỏ cánh; áp lực khí động phân bố hai mặt cánh - Kết đầu ra: Chuyển vị, ứng suất 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 cánh, cần tính toán lại lực khí động sau bị biến dạng Phân bố tải khí động tính toán lại cho tranh phân bố ứng suất biến dạng cánh… Vì vậy, toán khí động - đàn hồi có mối quan hệ chặt chẽ tác động qua lại lẫn 1.2 Sơ lược tình hình nghiên cứu 1.2.1 Bài toán khí động học Ngày nay, với phát triển công nghệ máy tính, phương pháp số phát triển mạnh mẽ Với toán khí động dòng tốc độ thấp, sử dụng hai loại phương pháp số phương pháp giải phương trình vi phân chuyển động phương pháp kì dị Hiện giới, hai phương pháp số nghiên cứu Footer Page of 258 Header Page of 258 loại toán chuyên sâu Với phương pháp giải phương trình vi phân chuyển động, phần mềm lớn quen biết lĩnh vực học thủy khí phần mềm Fluent-Ansys giải toán dòng nhớt dòng lý tưởng Việc sử dụng phần mềm lớn đòi hỏi nhớ máy tính lớn hạn chế tính chủ động khai thác ứng dụng Vì vậy, trung tâm nghiên cứu giới không ngừng xây dựng phần mềm phục vụ cho mục đích nghiên cứu tính toán riêng phương pháp giải phương trình vi phân phương pháp kì dị Trong nước, toán 3D, số luận án thực phương pháp kì dị để tính toán khảo sát dòng qua cánh máy bay tương tác liên quan Kì dị sử dụng luận án xoáy rời rạc Tính chất xoáy rời rạc không đáp ứng với cánh có chiều dày Vì vậy, luận án xét với cánh mỏng, mô hình mặt nâng (mặt trung bình cánh) Khác với luận án nói trên, luận án sử dụng loại kì dị lưỡng cực nguồn phân bố đáp ứng toán dòng qua cánh có chiều dày Việc xây dựng chương trình tính toán khí động cánh 3D có chiều dày không nhằm ứng dụng để khảo sát đặc trưng khí động cánh, mà áp lực khí động phân bố hai phía lưng bụng cánh ngoại lực đầy đủ cho toán kết cấu cánh 3D 1.2.2 Bài toán tính lực khí động xét đến hiệu ứng đàn hồi Các nghiên cứu đàn hồi – khí động thường tập trung vào toán đàn hồi Tham biến ngoại lực tác dụng lên cánh thường áp đặt biết trước, xác định phương pháp tính toán khí động đơn giản (không xét đến hiệu ứng phi tuyến mạnh gây nên ảnh hưởng hình dạng khí động 3D) Khác với luận án nói trên, luận án thực tính toán lực khí động cánh 3D có xét đến chiều dày cánh Bài toán đàn hồi thực giải phương trình vi phân cân theo mô hình 3D cánh rỗng có dầm, sườn bên Tính toán liên kết khí động đàn hồi thực theo hai mô hình: mô hình 3D (khí động cánh 3D kết cấu cánh 3D) mô hình số bán giải tích cổ điển (khí động 2D kết cấu cánh xét dầm) Footer Page of 258 Header Page 10 of 258 1.3 Kết luận chương Cho đến nay, khoa học công nghệ ngành thiết bị có cánh (máy bay, thiết bị bay khác, máy cánh dẫn…) giới ngày phát triển mạnh mẽ đạt thành tựu kì diệu với sản phẩm công nghệ đại tinh tế Con người biết đến loại thiết bị bay âm siêu âm, không mà loại máy bay tốc độ thấp không tồn Nhu cầu sống hàng ngày đòi hỏi loại máy bay tốc độ thấp đáp ứng tầm bay không lớn, trần bay không cao Trong dải vận tốc thấp này, phương pháp kì dị cho thấy ưu việt tính kinh tế Ở trung tâm tính toán đại, phương pháp kì dị ứng dụng phát triển mạnh, bên cạnh phương pháp thực nghiệm mô từ Fluent – Ansys CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỐ LỰC KHÍ ĐỘNG 2.1 Phương trình vi phân chuyển động chất lỏng 2.2 Mô hình toán học dựa phương pháp lưỡng cực - nguồn 2.2.1 Thế vận tốc cảm ứng phương pháp lưỡng cực-nguồn Hình 2.1 Kì dị phân bố phân tố rời rạc Thế vận tốc điểm P(x,y,z) cảm ứng từ nguồn lưỡng cực:  dS (2.11) ΦS ( x, y, z)  4 S ( x  x )2  ( y  y )2  z2   ΦD  4  S  z dS  x  x0  Footer Page 10 of 258   y  y0   z 2  3/ (2.22) Header Page 14 of 258 3.2 Kết thực nghiệm * Thí nghiệm xác định hiệu ứng thành bên Thí nghiệm xác định hiệu ứng thành bên thực với góc tới khác * Phân bố hệ số áp suất Các hình trình bày số kết thí nghiệm phân bố áp suất dạng 3D có so sánh với kết tính toán số Hình 3.13 TN xác định hiệu ứng thành bên Thực nghiệm 1: Cánh 2b/c=5,2; Naca 0012;  = 4o SO SÁNH CP 3D 2D (THỰC NGHIỆM, LẬP TRÌNH, FLUENT) Thực nghiệm 8: Cánh 2b/c=5,2; Naca 4412;  = 4o SO SÁNH CP 3D 2D gốc cánh (THỰC NGHIỆM, LẬP TRÌNH) Footer Page 14 of 258 10 Header Page 15 of 258 * Hệ số lực nâng tổng theo góc tới cánh profil Naca 0012 Trên hình 3.25 đồ thị hệ số lực nâng tổng cánh theo góc tới, với so sánh kết lập trình 3D với kết thực nghiệm, kết tính toán theo Fluent nhớt 3D thực nghiệm 2D (Sheldahl & al): Trong khoảng góc tới α < 10o, hệ số CL tính theo phương pháp kì dị 3D, thực nghiệm theo Hình 3.25 So sánh CL Fluent có kết tương tự (cánh2b/c=5,2; N0012) 3.3 Đánh giá sai số 3.3.1 Đánh giá sai số đo thực nghiệm Sai số phép đo thực nghiệm xét theo loại sai số áp kế số sai ngẫu nhiên lần lấy mẫu - Sai số áp kế kỹ thuật số: ± 0,15% of F.S ±1 digit = 4Pa - Sai số ngẫu nhiên lần lấy mẫu phụ thuộc vào tổng số lần lấy mẫu, số lần lấy mẫu lớn sai số ngẫu nhiên nhỏ 3.3.2 Đánh giá sai khác kết tính toán số so với thực nghiệm Trong phạm vi giả thiết phương pháp số lập trình: Sai khác kết thực nghiệm kết tính toán số 8% Ngoài phạm vi giả thiết phương pháp số lập trình: Sai lệch > 20% đến 50% lớn {với góc tới α > 12o, với hàng lỗ sát mút cánh (cách mút cánh 2mm)} 3.4 Một số ứng dụng tính toán từ chương trình 3.4.1 Ảnh hưởng chiều dày cánh Ở tính toán này, sử dụng chương trình lập trình theo phương pháp kì dị lưỡng cực - nguồn, thực so sánh đánh giá ảnh hưởng chiều dày cánh đến lực nâng khí động Các kết so sánh (hình 3.29) cho thấy, ảnh hưởng độ dày cánh không nhỏ Footer Page 15 of 258 11 Hình 3.29 CP mặt gốc cánh ( = 4o) (b/c=20, so sánh N 6403 N 6418) Header Page 16 of 258 Cuc tuyen C L theo C D va C Di L5 N2412 1.5 He so luc nang CL 3.4.2 Ảnh hưởng hệ số dạng cánh Không ảnh hưởng trực tiếp đến phân bố hệ số lực nâng mà hệ số dạng ảnh gây nên hệ số lực cản cảm ứng CDi cánh Hình 3.33 so sánh cực tuyến CL=f(CDi) tính toán lập trình số với cực tuyến CL=f(CDi) thực nghiệm Schlichting (=5, Naca 2412) Việc chọn hệ số dạng cánh phù hợp cần dung hòa nhiều yếu tố ảnh hưởng 0.5 Lap trinh so 3D CL= f(CDi) Thuc nghiem Schlichting C L= f(CDi) Thuc nghiem Schlichting C L= f(CD) -0.5 0.05 0.1 0.15 He so luc can 0.2 Hình 3.33 So sánh cực tuyến CL theo CD CDi 3.4.3 Ảnh hưởng góc vuốt cánh Chương trình tính toán lực khí động 3D giới hạn góc vuốt mép vào góc vuốt trung bình không lớn, 