Tính toán lực khí động trên cánh

Header Page of 126 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ──────── * ─────── BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Tên đề tài: Tính toán lực khí động cánh Sinh viên thực hiên: NGUYỄN VĂN HỒNG Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.HOÀNG THI BÍCH NGỌC HÀ NỘI 10 – 2011 Footer Page of 126 Header Page of 126 PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên Họ tên sinh viên: NGUYỄN VĂN HỒNG Điện thoại liên lạc: 01687.892.908 Email: hong4world@gmail.com Lớp: k51-Hàng không Hệ đào tạo: Đại học quy Đồ án tốt nghiệp thực tại: Thời gian làm BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP: Ngày giao nhiệm vụ: / / Ngày hoàn thành nhiệm vụ: / / Mục đích nội dung BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Tính toán lực khí động cho cánh Kiểm nghiệm lại lý thuyết khí động học cho cánh phương pháp mô phần mền fluent Tổng kết mô hình cánh ứng dụng thực tế Các nhiệm vụ cụ thể BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP  Tính lực khí động cánh  Bảng số liệu điểm Naca cần tình toán Vận tốc đầu vào Mô hình không gian tính  Quá trình tính với cánh Naca 4412 Đưa kết luận với loại cánh Lời cam đoan sinh viên: Tôi – Nguyễn Văn Hồng - cam kết BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP công trình nghiên cứu thân hướng dẫn PGS.TS Hoàng Thị Bich Ngọc Các kết nêu BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP trung thực, chép toàn văn công trình khác Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành ĐATN cho phép bảo vệ: Giảng viên hướng dẫn nhận xét vấn đề: Hà Nội, ngày….tháng….năm Giáo viên hướng dẫn Footer Page of 126 Header Page of 126 TÓM TẮT NỘI DUNG BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Trong đồ án này, Em chọn đề tài “Tính toán lực khí động cánh” Cánh phận tạo lực nâng máy bay Lực khí động tính nhờ mô chia lưới fluent Qua việc xây dựng mô hình chia lưới trường hợp tính toán Từ ta tính hiệu suất khí động profil cánh Với bảng giá trị hiệu suất khí động, Em rút kết luận cho loại cánh mà tính toán Và kiểm nghiệm ứng dụng thực tế Footer Page of 126 Header Page of 126 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Chƣơng Giới thiệu đề tài Chƣơng Xây dựng mô hình lý thuyết tính toán cho profil 2d cánh 3d 2.1 Phƣơng trình vẽ cánh naca số 2.2 Mẫu naca sử dụng tính toán 2.3 Lực khí động profil 2.4 Lực khí động với cánh profil 3d 12 Chƣơng Tính đặc trƣng khí động cho số loại cánh 14 3.1 Vẽ chia lưới cánh 3D Gambit 14 3.2 Tính toán kết lực khí động fluent với cánh profil 4412 15 3.3 Tính toán tường tự với trường hợp cánh profil 0012 19 Chƣơng Tính tổng thể lực khí động cánh profil 4412 với góc tới thay đổi chiều dài sải thay đổi 23 4.1 Giới thiệu: 23 4.2 Kết tính toán: 23 Chƣơng Ứng dụng cánh tính toán 27 5.1 Ứng dụng cho máy bay 27 5.2 Ứng dụng cho tuabin gió 28 KẾT LUẬN 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 Footer Page of 126 Header Page of 126 DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ HÌNH Hình 1 Biên dạng cánh Naca 4412 Hình Biên dạng cánh Naca 0012 Hình Sự thay đổi góc tỷ lệ cánh Hình Profile geometry – 1: Zero lift line; 2: Leading edge; 3: Nose circle; 4: Camber; 5: Max thickness; 6: Upper surface; 7: Trailing edge; 8: Camber meanline; 9: Lower surface Hình 2 Hệ sô lực khí động bề mặt Airfoil Hình Biểu đồ CL2D cho naca 4412 Hình Biểu đồ Cd/Cl naca 4412 Hình Biểu đồ Cl với anpha với Naca 0012 Hình Biểu đồ Cd/Cl với Naca 0012 Hình Cánh 3D Hình 1.Mô hình chia lưới Profil Naca 4412 Hình 3.2 Mô tả đường nằm bề mặt cánh Hình 3.3 Phân bổ hệ số áp suất đường cắt ngang mặt cánh Hình 3.4 Vẽ Phân bố hệ số áp suất MathLab Hình 3.5 Đường phân bố hệ số áp suất gốc cánh profil 4412 Hình 3.6 Biểu đồ so sánh phân bố áp suất gốc cánh mặt naca 4412 Hình 3.7 Hệ số áp suất mặt cánh Hình 3.8 biểu đồ phân bố hệ số áp suất cánh Hình 3.9 Biểu đồ so sánh hệ số áp suất góc cánh profil 3D naca 0012 Hình Biểu đồ lực nâng cánh profil 3d 4412 Hình Biểu đồ lực cản cánh profil 3d 4412 Hình Biểu đồ tỷ số lực nâng với lực cản cánh profil 3d 4412 Hình Máy bay Orličan VT-425 Hình Máy bay Zlin Z-50L Hình Ảnh tuabin gió trục đứng Footer Page of 126 Header Page of 126 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời kỳ phát triển đất nước nay, khoa học kĩ thuật ngày đóng vai trò quan trọng sống người Mỗi sản phẩm công ty trọn lựa từ nhiều mô hình thiết kế, để nhằm chọn mô hình tối ưu phù hợp với yêu cầu cộng ty với nhu cầu khác mà công ty mà người chọn sử dụng phần mềm ứng dụng cho việc thiết kế sản phẩm khác nhau, công ty thiết kế kiến trúc sử dụng autocad, nghiên cứu lực dung solidworks, tính toán khí động sử dụng ansys… Nhằm làm rõ kiến thức trình học tập, em thực thí nghiệm thời gian qua Để hiểu rõ thêm kiến thức năm học thật khó khăn, sinh viên cần phải có khả tổng hợp kiến thức, kỹ tự học phát huy khả tư sáng tạo Xin trân thành cảm ơn cô giáo PGS.TS Hoàng Thị Bích Ngọc giúp đỡ, dẫn, tạo điều kiện cho em để hoàn thành thực tập tốt nghiệp thời gian vừa qua Nhờ cô mà em biết nhiều kiến thức đời sống chuyên ngành, để tạo nên đồ án chuyên ngành thi giúp đỡ cô, kiến thức cô dạy quý báu làm việc, lần em xin cảm ơn cô Footer Page of 126 Header Page of 126 Chương I : Giới thiệu đề tài Chƣơng Giới thiệu đề tài Mục tiêu đề tài tính toán lực khí động cánh Điều mà ta cần giả thiết biên dạng cánh Ở báo cáo này, xin đưa hai loại biên dạng cánh để xem xét: Biên dạng cánh thứ Naca 4412 Hình 1 Biên dạng cánh Naca 4412 Biên dạng cánh thứ hai Naca 0012 Hình Biên dạng cánh Naca 0012 Hai biên dạng cánh sử dụng rộng rãi toàn giới Với nhiều ứng dụng cho cánh máy bay, cánh tuabin gió Ở nước phát triển công nghệ Mỹ, Nhật bản, Australia , người ta hay ưu tiên cho việc nghiên cứu sinh viên loại cánh này, so sánh hai loại biên dạng cánh với ta nhìn trực quan rõ rệt khí động lực học loại cánh khác Để làm rõ kiến thức lớp lực khí động cánh Tôi nghiên cứu với nhiều trường hợp đầu vào khác cho cánh Các yêu tố lực khí động xét đầy đủ với thay đổi Góc tới α, tỷ lệ độ dài b/c cánh Footer Page of 126 Chương I : Giới thiệu đề tài Header Page of 126 Hình Sự thay đổi góc tỷ lệ cánh Các bước thực cho việc nghiên cứu hai loại cánh này: - Thiết kế chia lưới cho cánh Gambit - Mô với trường hợp riêng biệt Fluent để tính toán lực khí động cho thông số đầu vào Lưu ý, thông số đầu vào thay đổi chúng ảnh hưởng rõ rệt cho lực khí động cánh - Rút kết cần thiết để mô tả ảnh hưởng mội trường lực khí động cánh - Kết luận vấn đề đạt hay vấn đề làm rõ cho đặc điểm lực khí động có thay đổi môi trường Qua phần nghiên cứu này, xin đưa vài ứng dụng cho cánh sử dụng nước công nghiệp Footer Page of 126 Header Page of 126 Chương II : Xây dựng mô hình lý thuyết tình toán cho cánh 3d Chƣơng Xây dựng mô hình lý thuyết tính toán cho profil 2d cánh 3d Trong trính tính toán mô phỏng, ta cần phải dựa lý thuyết xây dựng, nhằm nhận xét đánh giá kết trình mô Tại phần này, xin trình bày lý thuyết khí động lực học, nội dung chia làm phần: - Phương trính vẽ cánh naca số - Xác định mẫu Naca sử dụng tính toán mô - Khí động lực học profil cánh 3D Tại phần này, với mục đích sử dụng lý thuyết để áp dụng cho phần tính toán Ở đây, không sâu nguyên nhân, trình trình bày lý thuyết áp dụng trực tiếp mô 2.1 Phƣơng trình vẽ cánh naca số Hình Profile geometry – 1: Zero lift line; 2: Leading edge; 3: Nose circle; 4: Camber; 5: Max thickness; 6: Upper surface; 7: Trailing edge; 8: Camber mean-line; 9: Lower surface Đường camberline airfoil chuẩn NACA chữ số có dạng Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 Chương II : Xây dựng mô hình lý thuyết tình toán cho cánh 3d Ở đây: m maximum camber (m số Naca chữ số), p location of maximum camber (10 p số thứ Naca chữ số xpxx) Bề dày airfoil có phương trình: Với: c : chiều dài đường chord, x : vị trí đường chord có giá trị từ tới c, y : nửa độ dày vị trí, t : độ dày tối đa vị trí chord (được xác định hai số cuối Naca chữ số) Đường upper (xU, yU) lower (xL, yL) có dạng : Với : 2.2 Mẫu naca sử dụng tính toán Trong trình tính toán, mẫu naca 4412 0012 ứng dụng tất trình Bài toán Footer Page 10 of 126 Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh Header Page 22 of 126 Biểu diễn hệ số áp suất đường nằm bề mặt cánh Hình 3.3 Phân bổ hệ số áp suất đường cắt ngang mặt cánh Biểu đồ vẽ mathlab: Hình 3.4 Vẽ Phân bố hệ số áp suất MathLab Nhận xét: Phân bố hệ số áp suất khác với tỷ lệ b/c khác Áp suất từ gốc cánh tới típ cánh có quy luật giảm dần có hiệu ứng 3d 16 Footer Page 22 of 126 Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh Header Page 23 of 126 Phân bố hệ số áp suất đường gốc cánh đoạn: Z=0; 1; 2; 3; 4; 4.5; 4.9; (m) Z= 0m Z= 1m Z= 2m Z= 3m Z= 4m Z= 4.5m Z= 4.9m Z= 5m 17 Footer Page 23 of 126 Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh Header Page 24 of 126 So sánh tính toán áp suất profil 3D với 2D Qua trình tính toán fluent với cánh profil 3d Để nhận xét độ xác trình, em xin so sánh đường áp suất bề mặt gốc profil 3d với đường áp suất 2d Khi ta lấy kết từ fluent ta đồ thị đường áp suât gốc cánh profil 3D Hình 3.5 Đường phân bố hệ số áp suất gốc cánh profil 4412 Khi ta đưa đường phân bố áp suất naca ta biểu đồ so sánh: Hình 3.6 Biểu đồ so sánh phân bố áp suất gốc cánh mặt naca 4412 18 Footer Page 24 of 126 Header Page 25 of 126 Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh Nhận xét: Qua trình mô fluent với cánh profil 4412 3D với góc tới =0 vận tốc 10 m/s, giá trị đường áp suất gốc cánh tương tự ta xét áp suất phân bố naca 4412 góc tới =0 số Mach =0.03 Điều ta nhận xét trình mô cánh profil 3D fluent cho kết xác Khi đó, giá trị với thay đổi vận tốc v, góc tới anpha chấp nhận 3.3 Tính toán tƣờng tự với trƣờng hợp cánh profil 0012 Để kiểm tra tính tin cậy trình mô phỏng, em xin trình bày thêm mô hình Tại đâu em xin đưa thông số profil 3D sau: Naca 0012: Chiều dài: b=3m, Rộng: c=1m, Góc tới=4o, Số điểm Naca =100 điểm Ta giá trị Cl, Cd Cm: Bảng giá trị cho trường hợp cánh profil 0012, b/c=3 góc tới = 4o Cl Cd Cm 0.80389614 0.071491385 0.20020527 Phân bố áp suất đường profil0012, b/c=3 góc tới = 4o: 19 Footer Page 25 of 126 Header Page 26 of 126 Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh Mặt lấy phân bố hệ số áp suất cánh Phân bố hệ số áp suất cho đường: Hình 3.7 Hệ số áp suất mặt cánh 20 Footer Page 26 of 126 Header Page 27 of 126 Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh Hình 3.8 biểu đồ phân bố hệ số áp suất cánh Nhận xét: Tương tự trường hợp cánh profil 4412 Hệ số áp suất thay đổi bề mặt cánh, hệ số áp suất giảm dần b/c tăng So sánh giá trị Hệ số áp suất naca 0012 gốc profil 0012 3d với góc tới = độ : Hình 3.9 Biểu đồ so sánh hệ số áp suất góc cánh profil 3D naca 0012 21 Footer Page 27 of 126 Header Page 28 of 126 Chương III : Tính đặc trưng khí động cho số loại cánh Nhận xét: Trong trình tinh toán có nhiều sai số, với khác vận tốc Với cánh Profil 3d vận tốc v= 10m/s với Naca ta tính số mach=0.03 Kết sau trình tương tự nhau, nên ta đánh giá trình mô cho cánh profil 3D với fluent la tương đối xác 22 Footer Page 28 of 126 Chương IV : Kết luận lực khí động cánh Naca 4412 Header Page 29 of 126 Chƣơng Tính tổng thể lực khí động cánh profil 4412 với góc tới thay đổi chiều dài sải thay đổi 4.1 Giới thiệu: Phần ta sử dụng Gambit fluent để tính toán cho giá trị Profil trường hợp Trường hợp : - Naca 4412 - Có c=1m - Với tỷ lệ: b/c = 1; 2; 3; 4; - Góc tới = 0o; 4o; 8o; 12o; 16o; 20o - v = 10m/s 4.2 Kết tính toán: Với Naca 4412: Giá trị lực nâng Cl: Cl 0.2485563 0.580666 0.922603 1.268147 1.617313 0.4740424 1.125647 1.80346 2.488386 3.180568 0.6872121 1.288709 2.611784 3.610189 4.61571 12 0.9085143 2.137845 3.417083 4.716262 6.028366 16 1.1128584 2.582336 4.113982 6.046983 8.624802 20 1.3098924 3.0125881 4.779056 6.5750211 8.3833513 23 Footer Page 29 of 126 Chương IV : Kết luận lực khí động cánh Naca 4412 Header Page 30 of 126 Hình Biểu đồ lực nâng cánh profil 3d 4412 Nhận xét: Qua biểu đồ, ta nhận thấy đặc tính sau: - Giá trị lực nâng tăng tỷ lệ thuận với góc tới - Khi chiều dài sải cánh tăng hệ số lực nâng tăng theo Giá trị Lực Cản Cd: Cd 0.0266848 0.05195 0.077072 0.102195 0.127186 0.0465027 0.094878 0.143157 0.191509 0.239768 0.0835901 0.168931 0.267446 0.360176 0.45317 12 0.1406694 0.297878 0.457081 0.616838 0.777412 16 0.2141288 0.454453 0.698672 0.958902 1.181981 20 0.3099643 0.662316 1.023949 1.390302 1.758898 24 Footer Page 30 of 126 Chương IV : Kết luận lực khí động cánh Naca 4412 Header Page 31 of 126 Hình Biểu đồ lực cản cánh profil 3d 4412 Nhận xét: Với biểu đồ ta nhận thấy: - Giá trị lực cản tăng tỷ lệ thuận với góc tới - Độ sải cánh tăng lực cản tăng Qua nhận xét biểu đồ lực nâng lực cản ta chưa rút tối ưu sử dụng profil Vì , ta xét thêm biểu đồ tỷ lệ khí động Biểu đồ Cl/Cd: Hình Biểu đồ tỷ số lực nâng với lực cản cánh profil 3d 4412 25 Footer Page 31 of 126 Chương IV : Kết luận lực khí động cánh Naca 4412 Header Page 32 of 126 Nhận xét: Qua trình mô cho cánh profil 4412 trường hợp từ đồ thị ta có hai nhận xét: - Khi góc va = 4o tỷ số Cl/Cd đạt cực đại - Khi b/c tang, chênh lệch tỷ số lực nâng lực cản Cl/Cd giảm Với nhận xét đầu, ta sử dụng cánh profil 4412, nên đặt góc tới độ hiệu với tỷ lệ lực khí động với nhận xét thứ 2, độ sải cánh b/c >3 thay đổi nhỏ tỷ lệ khí động, để hiệu kinh tế ta nên sử dụng độ sải cánh b/c=3 26 Footer Page 32 of 126 Header Page 33 of 126 Chương V : Ứng dụng cho cánh tính toán Chƣơng Ứng dụng cánh tính toán Có nhiều ứng dụng với cánh mã ta tính toán trên, xin đưa hai vĩ dụ điển hình ứng dụng cho cánh máy bay ứng dụng cho cánh quạt tuabin gió 5.1 Ứng dụng cho máy bay Với máy bay cánh phận thiếu để tạo lực nâng cho máy bay muốn bay Yêu cầu vận tốc máy bay không thay đổi, ta phải tìm cách thiết kế cánh để đạt lực nâng lớn lực cản nhỏ nhất, hiệu suất lực khí động cực đại Trong phần tổng kết chương III, ta tìm với loại cánh có biên dạng Naca 4412 hiệu suất lực khí động đạt cực đại cánh có góc tới độ tỷ số độ dài Với loại biên dạng cánh Naca 4412 sử dụng với máy bay Orličan VT-425 năm 1955 Hình Máy bay Orličan VT-425 Cánh thiết kế với biên dạng Naca 0012 sử dụng cho máy bay Zlin Z-50L năm 1975 dùng mục đích huấn luyện nhào lộn không Tốc độ bay: 240 km / h; tốc độ tối đa đạt tới 300 km/h; Trọng lượng 600 kg với bình xăng 60 lít máy bay Zlin Z-50L bay vòng 200 km 27 Footer Page 33 of 126 Header Page 34 of 126 Chương V : Ứng dụng cho cánh tính toán Hình Máy bay Zlin Z-50L 5.2 Ứng dụng cho tuabin gió Trong tuabin gió nghiên cứu báo cáo tiên ích với tuabin gió trục đứng, loại tuabin gió khác khó sử dụng kết luận Vì loại tuabin gió khác vận tốc đầu vào thay đổi với vị chí tỷ lệ cánh khác Trong tuabin gió trục đứng ta thường dùng loại cánh có biên dạng Naca 4412 Nhưng muốn khảo sát lực khí động tác đụng nên tuabin gió hoạt động ưu tiên cho nghiên cứu cánh với biên dạng Naca 0012 Hình Ảnh tuabin gió trục đứng 28 Footer Page 34 of 126 Header Page 35 of 126 KẾT LUẬN Qua tuần làm việc, với công cụ thiết kế mô hình, chia lưới Gambit mô với fluent Em lấy hệ số áp suất điểm bề mặt Profil, nhờ mà tính lực nâng Cl, lực cản Cd tỷ số khí động Cl/Cd Từ kết tính toán tỷ số khí động Cl/Cd ta lấy tỷ lệ Cl/Cd max, với cánh Profil 4412 giá trị mã góc va = 4o, tỷ lệ sải cánh tối ưu =3 Nhờ kết mà làm việc Profil hiệu 29 Footer Page 35 of 126 Header Page 36 of 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO AER 303F Aerospace Laboratory I Aerodynamic Forces on an Airfoil http://en.wikipedia.org/wiki/Lifting-line_theory http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/dragco.html http://my.fit.edu/itresources/manuals/ Wind energy engineering, Pramod Jain,Ph.D (2011) Wind energy renewable energy and the environment,Vaughn Nelson (2009) Ứng dụng cánh cho máy bay http://airfoils.webpark.cz/gallery/gallery.html 30 Footer Page 36 of 126 ... tài Tính toán lực khí động cánh Cánh phận tạo lực nâng máy bay Lực khí động tính nhờ mô chia lưới fluent Qua việc xây dựng mô hình chia lưới trường hợp tính toán Từ ta tính hiệu suất khí động. .. hình lý thuyết tính toán cho profil 2d cánh 3d 2.1 Phƣơng trình vẽ cánh naca số 2.2 Mẫu naca sử dụng tính toán 2.3 Lực khí động profil 2.4 Lực khí động với cánh profil... 12 Chƣơng Tính đặc trƣng khí động cho số loại cánh 14 3.1 Vẽ chia lưới cánh 3D Gambit 14 3.2 Tính toán kết lực khí động fluent với cánh profil 4412 15 3.3 Tính toán tường tự