Nghiên cứu đặc tính khí động của cánh nâng khí cụ bay khi chuyển động gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN QUỐC CƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA CÁNH NÂNG KHÍ CỤ BAY KHI CHUYỂN ĐỘNG GẦN MẶT GIỚI HẠN CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG KHÍ SAU CÁNH QUẠT Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62 52 01 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2017 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lã Hải Dũng GS TSKH Nguyễn Đức Cương Phản biện 1: GS TS Nguyễn Thế Mịch Phản biện 2: PGS TS Trịnh Hồng Anh Phản biện 3: TS Ngô Trí Thăng Luận án bảo vệ hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp Viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi .giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Đối với loại máy bay cánh quạt, máy bay cất hạ cánh mặt đường băng bê tông (hoặc mặt đất nện), loại tàu đệm khí động lướt bay mặt nước, có tác động tương hỗ mặt giới hạn (mặt đường băng, mặt nước) với luồng khí thổi sau cánh quạt, làm thay đổi hình ảnh dòng chảy bao quanh cánh khiến cho đặc tính cánh nói riêng khí cụ bay nói chung thay đổi, gây ảnh hưởng đến tính cất hạ cánh, tính ổn định tính điều khiển chúng Khái niệm mặt giới hạn (như mặt đường băng bê tông, mặt đất nện, mặt nước…) hiểu mặt kết thúc môi trường mà KCB chuyển động Về mức độ ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt đến đặc tính khí động cánh đánh giá sơ công thức thực nghiệm chế tác động tương hỗ tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh vấn đề nghiên cứu cần thiết lĩnh vực khí động học ứng dụng KCB Mục đích nghiên cứu luận án Trên sở phương pháp XRR phi tuyến không dừng, xây dựng mô hình số chương trình tính toán; tổ chức thử nghiệm sử dụng phần mềm ANSYS.CFX để xác định kiểm chứng kết tính toán đặc tính khí động cánh KCB chuyển động gần mặt giới hạn có xét tới ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt vùng tốc độ nhỏ, âm Nội dung nghiên cứu luận án - Nghiên cứu tổng quan ảnh hưởng tác động tương hỗ trường hợp mặt giới hạn với cánh, cánh quạt với cánh, cánh quạt mặt giới hạn với cánh - Xây dựng mô hình số, thuật toán chương trình tính toán xác định đặc tính khí động cánh KCB, chuyển động gần mặt giới hạn cứng, phẳng có xét đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt phương pháp XRR phi tuyến không dừng - Sử dụng phần mềm ANSYS.CFX thử nghiệm mô hình tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh nâng ống khí động để kiểm chứng kết tính toán - Đánh giá ảnh hưởng tham số cánh quạt, mặt giới hạn, chế độ bay đến đặc tính khí động cánh KCB tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh nâng Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu đặc tính khí động cánh nâng KCB, chuyển động gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tác động tương hỗ tổ hợp cánh quạt, mặt giới hạn cánh nâng vùng tốc độ nhỏ âm, cánh quạt thuộc loại cánh quạt kéo, đặt vùng mép trước cánh, mặt giới hạn mặt cứng phẳng Phương pháp nghiên cứu Trên sở lý thuyết khí động lực học áp dụng phương pháp XRR phi tuyến không dừng để xác định đặc tính khí động cánh nâng KCB tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh, xét đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt vùng tốc độ nhỏ âm Các kết phương pháp tính kiểm chứng kết tính phần mềm ANSYS.CFX kết thử nghiệm mô hình cánh quạt - mặt giới hạn cánh KCB ống khí động Ý nghĩa khoa học luận án Các kết nghiên cứu luận án đưa phương pháp, thuật toán xác định hệ số khí động cánh KCB bay gần mặt giới hạn, có xét đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt Mô hình số mô cho tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh nâng KCB, thuật toán thiết lập luận án làm sáng tỏ chế tác động tương hỗ tổ hợp nêu Ý nghĩa thực tiễn luận án Các kết tính toán khảo sát tham số ảnh hưởng cánh quạt mặt giới hạn liệu có giá trị tham khảo việc tính toán thiết kế KCB chuyển động gần mặt giới hạn, để nâng cao hiệu khai thác sử dụng, bảo đảm an toàn bay cất hạ cánh máy bay cánh quạt sử dụng lĩnh vực hàng không dân dụng quân Luận án gồm: Phần mở đầu, chương kết luận, thể 115 trang thuyết minh, với 12 bảng 71 hình vẽ, đồ thị Chương TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Những nghiên cứu tương tác khí động cánh quạt - mặt giới hạn cánh khí cụ bay 1.1.1 Hiệu ứng mặt giới hạn Đối với loại máy bay loại tàu đệm khí động sử dụng động cánh quạt, bay độ cao thấp, gần với mặt đường băng bê tông gần với mặt nước, ảnh hưởng mặt giới hạn ra, có ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt vùng cánh làm thay đổi hình ảnh dòng chảy bao quanh cánh KCB, đặc tính khí động Khi đề cập đến hiệu ứng mặt giới hạn với nghĩa rộng hiệu ứng cánh - mặt đất với nghĩa hẹp, kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm cho thấy h < ( h =h/b - đó: h - Độ cao từ mặt giới hạn tới mép sau cánh; b- Độ dài dây cung cánh nâng) hình ảnh dòng chảy bao quanh cánh khác với hình ảnh dòng chảy bao quanh cánh trường hợp cánh chuyển động môi trường không khí tự 1.1.2 Những nghiên cứu ảnh hưởng tác động tương hỗ khí động tổ hợp: mặt giới hạn - cánh; cánh quạt - cánh cánh quạt - mặt giới hạn - cánh đến đặc tính khí động cánh KCB Các nghiên cứu nước Các nghiên cứu lý thuyết Các công trình nghiên cứu ảnh hưởng mặt đất, mặt nước đến đặc tính khí động cánh KCB: Các tác giả Tillotson, Takayuki Koizumi and Chun Pu Chao [22] dùng phương pháp đối xứng gương khảo sát ảnh hưởng độ dày cánh hình chữ nhật đến đặc tính khí động cánh bay gần mặt giới hạn Các công trình [16], [20], [56] nghiên cứu ảnh hưởng mặt đất đến biểu đồ phân bố áp suất theo dây cung mặt mặt prôfin cánh Các công trình [57], [61] nghiên cứu ảnh hưởng mặt nước đến đặc tính khí động thuỷ phi xuồng bay Các công trình [23], [26] [35] phương pháp dựa lý thuyết xung lượng xác định tham số dòng chảy qua cánh quạt với giả thiết điểm mặt phẳng cắt ngang Các công trình nghiên cứu ảnh hưởng tương tác khí động tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh chưa có Các nghiên cứu thực nghiệm Phần lớn nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tương tác khí động tổ hợp mặt giới hạn - cánh, tổ hợp cánh quạt - cánh đến đặc trưng khí động cánh vùng tốc độ nhỏ âm, thực ống khí động Các nghiên cứu nước Các công trình nghiên cứu ảnh hưởng tương tác khí động tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh chưa có Một số công trình công bố chủ yếu nghiên cứu độc lập cánh quạt nghiên cứu ảnh hưởng tương tác khí động đến đặc tính khí động cánh KCB tổ hợp mặt giới hạn - cánh tổ hợp cánh quạt - cánh 1.2 Các phương pháp giải toán tương tác khí động 1.2.1 Các phương trình xác định tham số môi trường Phương trình chuyển động; Phương trình liên tục; Phương trình lượng 1.2.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Phương pháp panel; Phương pháp nhiễu động nhỏ; Phương pháp XRR; Phương pháp xung lượng 1.2.3 Phương pháp thực nghiệm Trong phương pháp thực nghiệm, phổ biến chủ yếu có hai phương pháp bay thử thực nghiệm mô hình ống khí động 1.2.4 Một số phần mềm tính toán khí động - Phần mềm MGAERO; - Phần mềm OMNI3D; - Phần mềm ANSYS.CFX 1.3 Hiện trạng vấn đề hướng nghiên cứu luận án Trên sở tổng quan công trình nghiên cứu nước nước, nhận thấy rằng: - Các nghiên cứu đề cập đến tương tác khí động cánh cánh quạt; nghiên cứu ảnh hưởng mặt giới hạn đến đặc tính khí động KCB - Không thể cộng túy ảnh hưởng mặt giới hạn dòng khí sau cánh quạt đến đặc tính khí động cánh Sự hình thành xoáy tự cánh nâng tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn - cánh nâng phải có tác động qua lại lẫn thành phần tổ hợp - Chưa có công trình công bố kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm vấn đề xác định đặc tính khí động cánh KCB bay gần mặt giới hạn có tính đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt Luận án chọn đối tượng nghiên cứu đặc tính khí động cánh KCB chịu ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh nâng, cánh quạt đặt trước cánh nâng; bề mặt giới hạn cứng phẳng Luận án sử dụng phương pháp XRR phi tuyến không dừng để giải nhiệm vụ đặt 1.4 Kết luận chương Luận án đưa đối tượng, phạm vi nghiên cứu nghiên cứu xác định đặc tính khí động cánh KCB, sử dụng động cánh quạt chuyển động gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt vùng tốc độ nhỏ âm, cánh quạt thuộc loại cánh quạt kéo, đặt vùng mép trước cánh, mặt giới hạn mặt cứng phẳng Luận án lựa chọn phương pháp XRR phi tuyến không dừng làm phương pháp nghiên cứu luận án Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA CÁNH KHÍ CỤ BAY KHI BAY GẦN MẶT GIỚI HẠN CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG KHÍ SAU CÁNH QUẠT 2.1 Thiết lập toán Luận án sử dụng phương pháp XRR phi tuyến không dừng để xây dựng mô hình thuật toán xác định đặc tính khí động cánh nâng hình chữ nhật tác động tương hỗ tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh KCB vùng tốc độ nhỏ âm, cánh quạt thuộc loại cánh quạt kéo, đặt vùng mép trước cánh, mặt giới hạn mặt cứng phẳng 2.1.1 Các giả thiết điều kiện biên Dòng chảy bao quanh cánh KCB tổ hợp cánh quạt- mặt giới hạn - cánh dòng thế, tượng tách dòng từ mép trước cánh từ điểm mặt cánh; Các điểm không gian, bên cánh vùng vết xoáy tự I II tuân thủ định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc nhiễu động dòng khí phải thỏa mãn phương trình liên tục dạng phương trình Laplace; Ở khoảng cách xa vô cách cánh KCB vết xoáy nhiễu động bị triệt tiêu, không khí trạng thái tĩnh, dòng chảy dòng không nhiễu động; Từ mép sau cánh, nơi xoáy tự thoát cần phải thỏa mãn giả thuyết Traplưgin Giucôpxki giá trị hữu hạn tốc độ Tất giả thiết điều kiện nêu thực cánh quạt mặt giới hạn 2.1.2 Các hệ trục tọa độ - Hệ tọa độ liên kết cánh nâng O0x0y0z0, O0 điểm đầu dây cung gốc cánh có chiều theo chiều chuyển động cánh, O0x0 trùng với dây cung gốc cánh, O0y0 vuông góc với mặt phẳng cánh hướng lên trên, O0z0 vuông góc với O0x0y0 tạo thành tam diện thuận; - Hệ tọa độ cố định cánh quạt O1x1y1z1, O1 nằm tâm cánh quạt, O1x1 trùng với trục quay cánh quạt hướng theo dòng chảy, O1y1 vuông góc với mặt phẳng chứa O1x1, nằm mặt phẳng cánh quay chiều hướng lên trên, O1z1 vuông góc với O1x1y1 tạo thành tam diện thuận; - Hệ tọa độ liên kết cánh quạt O1xcqycqzcq, O1 tâm cánh quạt, O1xcq ≡ O1x1, O1ycq dọc theo chiều dài cánh quạt hướng ngoài, O1zcq vuông góc với O1xcqycq tạo thành tam diện thuận; - Hệ tọa độ liên kết mặt giới hạn O2x2y2z2, O2 nằm mép trước mặt giới hạn, O2x2 nằm dọc theo chiều dài, vuông góc với mép trước mặt giới hạn hướng theo chiều dòng chảy, O2y2 vuông góc với mặt giới hạn hướng lên trên, O2z2 vuông góc với O2x2y2 tạo thành tam diện thuận Quá trình tính toán cần chuyển đổi thành phần tổ hợp (cánh quạt, mặt giới hạn cánh KCB) hệ trục tọa độ Ở lấy hệ tọa độ liên kết cánh KCB hệ tọa độ sở, thực chuyển đổi hệ tọa độ liên kết cánh quạt (O1x1y1z1) mặt giới hạn (O2x2y2z2) hệ tọa độ liên kết cánh O0x0y0z0 2.2 Xây dựng mô hình số, xác định đặc tính khí động phi tuyến không dừng cánh KCB, bay gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt 2.2.1 Sơ đồ xoáy tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn - cánh KCB Các bề mặt trung bình cánh quạt, cánh KCB bề mặt giới hạn thay xoáy liên tục, lại rời rạc hóa thành hệ xoáy liên kết dọc, ngang bề mặt (lá cánh, mặt giới hạn, cánh nâng) hệ xoáy tự vết vùng mép sau vùng cạnh mút chúng Chuyển động cánh KCB chuyển động không dừng với góc xác định, sơ đồ xoáy tổ hợp có cấu trúc phi tuyến không dừng 2.2.2 Sơ đồ xoáy cánh quạt Các xoáy liên kết bề mặt cánh xoáy tự xung quanh cánh tạo tốc độ cảm ứng điểm không gian lân cận nó: cr cr cr cr cr vcr (2.18) cqj = v cqj− + v cqj+ + vcqIj + v cqIIj + vcqIIIj ; j = ( x cq , ycq ,zcq ) cr cr cr cr với: vcr cqj− , vcqj+ , vcqIj , vcqIIj , vcqIIIj - thành phần tốc độ cảm ứng xoáy liên kết ngang, xoáy liên kết dọc bề mặt cánh xoáy tự vùng I1, vùng II1, vùng III1 gây nên thời điểm r Từ điều kiện không chảy thấu bề mặt cánh quạt điều kiện bảo toàn lưu số vận tốc theo chu tuyến kín ta có hệ phương trình: k lc N1 +1 n1 ∑ ∑ ∑Γ µ1 k1 −1r µ1 k1 −1p1 p1 −1 mµ1 k1 ν ∑ mµ1k1 a m =1 k1 =1 µ1 =1 n1 k lc N1 +1 −1p1 p1 −1 p1 −1 + ∑ ∑ δ(mk) k1 −1a nm1 n+11k+1k = H pm0 ν 0ν r −1 1s m =1 k1 =1 (2.20) ∑ Γµ∑1mkµ1 k−1r + δ(mk) k1 −1 = −∑ δ(mk) k1 −1 µ1 =1 r 1 1s s =1 2.2.3 Sơ đồ xoáy mặt giới hạn Mặt giới hạn có kích thước vô hạn thay mặt giới hạn có kích thước hữu hạn với chiều rộng (theo dây cung prôfin cánh) chiều dài (theo sải cánh) từ - lần độ dài chúng [7] Các hệ xoáy thay mặt giới hạn tạo điểm C tốc độ cảm ứng: cr cr cr cr v сr (2.29) mghj = v mghj− + v mghj+ + v mghIj + v mghIIj ; j = ( x , y2 , z ) với: vcrmghj− , vcrmghj+ , vcrmghIj , vcrmghIIj - thành phần tốc độ cảm ứng xoáy liên kết ngang, xoáy liên kết dọc mặt giới hạn, xoáy tự vùng I2, II2 gây điểm C Từ điều kiện không chảy thấu bề mặt giới hạn điều kiện bảo toàn lưu số vận tốc theo chu tuyến kín, ta có hệ phương trình: N2 n2 ∑∑ k =1 µ2 =1 Γµ2 k2 −1r a µµ2 kk 2v−1p2 p2 −1 + ∑ µ2 k 2 N2 ∑ δ( ) k =1 1r k −1p2 p2 −1 p p −1r = H0v k k −1a Ik v v = 1,2, ,n ;p2 = 1,2, , N2 r ∑Γ µ2 =1 µ2 k −1r ∑ µ2k (1) r + δk k −1 r −1 (2.31) ∑δ( ) =− s =1 1s k k −1, k = 1,2, , N2 Ta xét nửa bên phải mặt giới hạn, ảnh hưởng nửa mặt giới hạn bên trái tính đến dựa vào điều kiện đối xứng 2.2.4 Sơ đồ xoáy cánh KCB Các hệ xoáy thay mặt cánh nâng tạo điểm xung quanh cánh tốc độ cảm ứng: cr cr cr cr vcr (2.38) cj = vcj− + vcj+ + vcIj + vcIIj; j = ( x0 ,y0 ,z0 ) cr cr cr với: vcr cj− , vcj+ , vcIj , vcIIj - thành phần tốc độ cảm ứng xoáy ngang, xoáy dọc liên kết bề mặt cánh, xoáy tự vùng I, II Do cánh có hình dạng đối xứng mặt phẳng chuyển động không trượt Vì vậy, xét nửa bên phải cánh, ảnh hưởng nửa cánh bên trái tính đến dựa vào điều kiện đối xứng 2.2.5 Xác định đặc tính khí động cánh KCB bay gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt 2.2.5.1 Màn xoáy hình thành có ảnh hưởng mặt giới hạn dòng khí sau cánh quạt Các sơ đồ xoáy thay cánh quạt, mặt giới hạn cánh nâng gây điểm tổ hợp với vận tốc cảm ứng: cr cr cr vcr (2.44) j = v cqj + v cj + v mghj ; j = ( x , y0 , z0 ) Trong đó: vcrcqj - Vận tốc cảm ứng xoáy sau cánh quạt gây ra; v cr mghj - Vận tốc cảm ứng xoáy sau mặt giới hạn gây ra; v cr cj - Vận tốc cảm ứng xoáy sau cánh nâng gây Cấu trúc hệ xoáy tự thoát khỏi cánh quạt Xác định tọa độ điểm cuối cộng với đoạn dịch chuyển khoảng thời gian ∆τ với thành phần vận tốc tương đối tương ứng điểm cuối (2.44): r +1 r r +1 r r +1 r r r r (2.45) x1 = x1 + ∆τ.v1x , y1 = y1 + ∆τ.v1y , z1 = z1 + ∆τ.v1z 1 j = ( x1 , y1 , z1 ) r cr v1j = v1j + v cqj với: v1j - giá trị tốc độ dòng không nhiễu theo trục hệ tọa độ O1x1y1z1 ; v cr cqj - vận tốc cảm ứng tổ hợp xoáy gây điểm cuối r r r xoáy tự xoáy cánh quạt; x1 , y1 , z1 - vị trí điểm cuối xoáy r +1 r +1 r +1 bước tại; x1 , y1 , z1 - vị trí điểm cuối xoáy bước Cấu trúc hệ xoáy tự thoát khỏi cánh nâng r +1 x0 r r +1 r = x + ∆τ.v 0x , y0 r v 0r j = v j + v cj r r +1 r = y + ∆τ.v 0y , z0 j = ( x , y0 , z0 ) r r = z + ∆τ.v 0z (2.46) Cấu trúc hệ xoáy tự thoát khỏi mặt giới hạn r +1 x2 r +1 r = x + ∆τ.v r2x , y r +1 r = y + ∆τ.v r2y , z r = z + ∆τ.v r2z (2.47) j = ( x , y2 , z2 ) v r2 j = v j + vcr mghj Xác định phân bố áp suất đặc tính khí động cánh Sử dụng tích phân Côsi - Lagrăng [41], xác định phân bố áp suất lên bề mặt cánh KCB:  ∂Γεεpp00L−1 r  1p0 −1r ε p0 −1r ε p0 −1 ∆p =  v0x0 γ ε∑pεp0 −1r cos χεεpp00 −1 − v0z0 γ ε+ + γ sin χ −  (2.48) εp0 ∑ ε−1p0 ∑ εp0 ∂τ   Trong đó: v0x0 ,v0z0 - vận tốc theo trục Ox0, Oz0 điểm ( xoáy ngang; χ εε pp 0 −1 ) - góc xiên xoáy ngang Hệ số lực nâng cánh ( c ry ); hệ số mô men dọc cánh ( mrz ) tính theo công thức sau: c ry = b2 n0 S m rz = − N0 n0 ∑∑ ∆p p0 =1 ε0 =1 N0 b n0 S n0 ε0 p0 −1r b p0 p0 −1lp0 p0 −1 ε p0 ∑∑ ∆p p0 =1 ε0 =1 (2.53) ε0 p0 −1r ε0 p0 −1 b p0 p0 −1lp0 p0 −1 x ε p ε p0 0 với: 1≤ p0 ≤ N0 ; bp 0p0 −1 - dây cung cánh tiết diện điểm kiểm tra; lp p −1 sải cánh theo dải k; S- diện tích cánh Kết tính toán: - Cánh nâng hình chữ nhật có: Dây cung b = 0,26 [m]; Sải cánh L=0,78 [m]; Diện tích S = 0,2028 [m2]; Độ dãn dài λ= 3; Độ thon η=1; Dạng prôfin SAGI “B” có độ dày tương đối c = 16% không đối xứng; - Cánh quạt cánh, sử dụng prôfin BC-2; Đường kính D=0,30[m]; - Mặt giới hạn có kích thước: Chiều dài bd = 2,34 [m]; Chiều rộng br = 0,78 [m]; - lx- vị trí tương đối cánh quạt so với mặt phẳng Ooyozo [m]; - ly- vị trí tương đối cánh quạt so với mặt phẳng Ooxozo [m]; - lz- vị trí tương đối cánh quạt so với mặt phẳng Ooxoyo [m]; - n- tốc độ vòng quay cánh quạt [v/ph] Hệ số lực nâng cy hệ số mô men dọc mz theo thời gian không thứ nguyên τ: Phần lớn khoảng thời gian τ =1, hệ số cy, mz chưa đạt giá trị ổn định dòng chảy chưa chảy bao hết cánh, khoảng thời gian cuối, hệ số khí động có xu hướng ổn định giá trị xác định, lúc dòng chảy bắt đầu chảy bao hết cánh (hình 2.11 hình 2.12) 0 11 Hệ số lực nâng cy hệ số mô men dọc mz theo góc lắp trục quay cánh quạt so với dây cung cánh φ Bảng 2.5 Giá trị hệ số lực nâng cy hệ số mô men dọc mz theo góc trục quay cánh quạt với dây cung cánh (Với: Vận tốc V=14[m/s], góc α=40, n=3000[v/ph], lx=0,24+0,25b [m], ly=lx.sin(α-φ), lz=0,39[m], h =0,6) ϕ [o] -6 -4 -2 cy 0,3334 0,3436 0,3547 0,3664 0,3789 0,3931 0,4046 mz -0,0170 -0,0178 -0,0186 -0,0194 -0,0203 -0,0212 -0,0224 Kết luận chương Với giả thiết toán, đồng thời dựa sở phương pháp xoáy rời rạc phi tuyến không dừng, xây dựng mô hình số xác định đặc tính khí động cánh nâng bay gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt Chương thiết lập sơ đồ thuật toán xây dựng chương trình tính toán xác định đặc tính khí động cánh nâng bay gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt phần mềm Matlab Chương KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH SỐ BẰNG PHẦN MỀM ANSYS.CFX VÀ THỰC NGHIỆM TRONG ỐNG KHÍ ĐỘNG Mô hình số chương trình tính toán xây dựng chương 2, kiểm chứng cách so sánh với kết tính phần mềm ANSYS.CFX kết thực nghiệm mô hình tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh ống khí động OT-1 Viện Kỹ thuật PK-KQ, nhằm khẳng định độ tin cậy, tính ứng dụng hiệu mô hình số chương trình tính toán toán cụ thể mà thực tế đặt Việc kiểm chứng mô hình số chương trình tính thực thông qua hệ số lực nâng cy hệ số mô men dọc mz với tham số tổ hợp trình bày chương 2, thay đổi tham số đó: - Khi góc α cánh nâng thay đổi từ đến 12 [o] (Các tham số dùng để tính toán thực nghiệm: V=14[m/s], φ=00, n=3000[v/ph], lx=0,24+0,25b[m], ly=lx.sin(α-φ) [m], lz=0,39 [m], h =0,6); - Khi tốc độ bay thay đổi từ 14 đến 26 [m/s] (α=40, φ=00, n=3000[v/ph], lx=0,24+0,25b [m], ly=lx.sin(α-φ), lz=0,39[m], h =0,6); - Khi tốc độ vòng quay cánh quạt thay đổi (V=14[m/s], α=40, φ=40, lx=0,24+0,25b [m], ly=lx.sin(α-φ), lz=0,39[m], h =0.6); - Khi góc trục quay cánh quạt với dây cung cánh (φ) thay đổi từ -6 đến +6 [o] (V=14[m/s], α=40, n=3000[v/ph], lx=0,24+0,25b [m], ly=lx.sin(α-φ), lz=0,39[m], h =0,6) - Mô hình cánh nâng hình chữ nhật có: Dây cung b = 0,26 [m]; Sải cánh 12 L = 0,78 [m]; Diện tích S = 0,2028 [m2]; Độ dãn dài λ= 3; Độ thon η=1; Dạng prôfin SAGI “B” có độ dày tương đối c = 16% không đối xứng - Mô hình cánh quạt: Cánh quạt cánh, sử dụng prôfin BC-2; Đường kính D = 0,30 [m] 3.1 Mô số phần mềm tính toán ANSYS.CFX Mô hình mô tổ hợp cánh quạt, mặt giới hạn cánh nâng, cánh quạt đặt mép trước cánh nâng 3.1.1 Xây dựng mô hình hình học chia lưới Mô hình 3D cánh quạt - cánh nâng để mô dựng dựa kích thước đo đạc thực tế mẫu thử Do cánh quạt đặt trước cánh nâng, đồng thời quay với vận tốc n=3000[v/ph] nên cần phải dựng vùng thể tích tính toán độc lập: - Vùng thể tích tính toán thứ vùng hình trụ bao quanh cánh quạt Khi mô thiết lập thuộc tính quay quanh trục với vận tốc n=3000 [v/ph] cho vùng - Vùng thể tích tính toán thứ hai hình hộp chữ nhật bao quanh toàn mô hình cánh vùng thể tích tính toán thứ có kích thước 2x2,5x1 [m3] Trong đó, để xét đến ảnh hưởng mặt giới hạn mặt đáy hình hộp (mặt giới hạn) dựng cách mép sau cánh khoảng khoảng h = h / b Trong h khoảng cách tính từ mặt đáy hình hộp tới mép sau cánh nâng Mô hình lưới với gần 412.000 nút (nodes) gần 1.600.000 phần tử (elements) (hình 3.6) (hình 3.7) Hình 3.6 Chia lưới vùng thể tích thứ Hình 3.7 Chia lưới vùng thể tích thứ hai 3.1.2 Một số thiết lập điều kiện mô Không khí nhiệt độ thường (25oC), áp suất áp suất khí Chọn mô hình dòng chảy rối k-epsilon với giả thiết toàn dòng chảy gần tường dòng chảy rối Sau thiết lập thuộc tính ta tiến hành giải toán CFX.Solver (hình 3.8, 3.9 đồ thị hội tụ đích sai số) 13 Hình 3.8 Hội tụ khối lượng vận tốc Hình 3.9 Hội tụ thuộc tính chảy rối 3.1.3 Kết mô (bảng số liệu) Sau khoảng 100 vòng lặp, dòng chảy đạt ổn định hệ số hội tụ mức sai số cho phép Ta nhận bảng kết giá trị hệ số lực nâng cy mô men dọc mz (bảng 3.1 đến bảng 3.4) Bảng 3.1 Giá trị hệ số lực nâng cy mô men dọc mz theo góc Góc α [o] 12 cy 0,1178 0,3363 0,5433 0,7316 mz -0,0131 -0,0181 -0,0229 -0,0274 Bảng 3.2 Giá trị hệ số lực nâng cy mô men dọc mz theo vận tốc bay V [m/s] 14 18 22 26 cy 0,3363 0,3482 0,3601 0,3689 mz -0,0181 -0,0189 -0,0198 -0,0210 Bảng 3.3 Giá trị hệ số lực nâng cy mz theo tốc độ vòng quay cánh quạt n [v/ph] 500 1000 1500 2000 2500 3000 cy 0,3208 0,3294 0,3351 0,3426 0,3579 0,3675 mz -0,0166 -0,0170 -0,0175 -0,0181 -0,0186 -0,0191 Bảng 3.4 Giá trị cy mz theo góc trục quay cánh quạt với dây cung cánh ϕ [o] -6 -4 -2 cy 0,3065 0,3204 0,3246 0,3363 0,3498 0,3675 0,3793 mz -0,0157 -0,0169 -0,0172 -0,0181 -0,0185 -0,0191 -0,0200 Hình 3.10 Đường dòng tổ hợp cánh quạt-mặt giới hạn cánh nâng 14 3.2 Thử nghiệm mô hình tổ hợp ống khí động OT-1 Mô hình thực nghiệm ống khí động OT-1 gồm cánh nâng, cánh quạt mặt giới hạn, cánh quạt đặt trước cánh nâng 3.2.1 Trang thiết bị thử nghiệm Ống khí động OT-1 có thông số kỹ thuật chính: Độ rối dòng: ε = 0,05% ; Vận tốc dòng khí tối đa: 55 [m/s]; Độ đồng trường vận tốc: µ v = ± 1,15%; Độ lệch dòng so với trục ống khí động: ∆α = ± 1,10 , ∆ β = ± 0, 3.2.2 Mô hình thử nghiệm cho tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh Do khảo sát KCB bay vận tốc nhỏ, nên bỏ qua ảnh hưởng tính nén không khí Mô hình sử dụng trình thử nghiệm coi mô hình thực Vì thế, trình thử nghiệm mô hình ống khí động OT-1 yếu tố đồng dạng đảm bảo Mô hình thử nghiệm cánh nâng: Cánh hình chữ nhật có kích thước tương tự mô hình tính Cánh làm gỗ; Mô hình thử nghiệm cánh quạt: Động điện chiều, công suất N =75 [W]; Cánh quạt gá chặt lên giá đỡ, di chuyển theo phương, tốc độ vòng quay cánh quạt n =0÷3000 [v/ph], điều chỉnh thay đổi biến tần Mô hình thử nghiệm mặt giới hạn làm gỗ có bề mặt cứng, phẳng có hình dạng elíp, đường kính trục ngắn: 1200 [mm]; đường kính trục dài: 2400 [mm]; độ nhẵn bề mặt: ∇2 Hình 3.17 Mô hình cánh quạt-mặt giới hạn-cánh nâng 3.2.3 Các nội dung thử nghiệm Sử dụng hệ tọa độ Oxyz Gốc tọa độ đặt 1/4 dây cung cánh, trục Ox nằm mặt phẳng quay, có hướng theo chuyển động cánh nâng, trục Oy vuông góc với trục Ox nằm mặt phẳng thẳng đứng, hướng lên trên, trục Oz dọc theo sải cánh tạo với Ox, Oy thành tam diện thuận Điều kiện thử nghiệm: Nhiệt độ không khí: TH = 25 [oC]; Áp suất khí p=1[atm]; Độ ẩm không khí:80%; Mật độ không khí: ρH = 1,218 [kg/m ]; Vận tốc dòng khí V= 0÷30 [m/s]; Góc trượt cạnh: β = [o] 15 Kết thử nghiệm (bảng số liệu): Kết thử nghiệm xử lý theo tài liệu [11,] kết thử nghiệm sau xử lý thể từ bảng 3.6 đến bảng 3.9 Bảng 3.6 Giá trị hệ số lực nâng cy mô men dọc mz theo góc Góc α [o] 12 cy 0,1071 0,3072 0,4886 0,6642 mz -0,0119 -0,0164 -0,0208 -0,0251 Bảng 3.7 Giá trị hệ số lực nâng cy mô men dọc mz theo vận tốc V [m/s] 14 18 22 26 cy 0,3085 0,3184 0,3279 0,3372 mz -0,0166 -0,0179 -0,0185 -0,0193 Bảng 3.8 Giá trị hệ số lực nâng cy mz theo vòng quay cánh quạt n [v/ph] 500 1000 1500 2000 2500 3000 cy 0,3105 0,3138 0,3193 0,3243 0,3312 0,3469 mz -0,0152 -0,0153 -0,0158 -0,0165 -0,0172 -0,0169 Bảng 3.9 Giá trị hệ số lực nâng cy mô men dọc mz theo góc (φ) φ [o] -6 -4 -2 cy 0,2742 0,2853 0,2921 0,3027 0,3209 0,3442 0,3581 mz -0,0143 -0,0148 -0,0154 -0,0165 -0,0169 -0,0175 -0,0186 3.3 Kiểm chứng mô hình tính toán Mô hình số chương trình tính toán xây dựng chương 2, kiểm chứng cách so sánh với kết tính phần mềm ANSYS.CFX thực nghiệm mô hình tổ hợp ống khí động OT-1 Việc kiểm chứng thực thông qua hệ số lực nâng cy hệ số mô men dọc mz Sử dụng tham số hình học, động học, điều kiện mô thí nghiệm làm đầu vào cho mô hình số chương trình tính toán để đánh giá qui luật biến thiên, độ sai lệch kết nhận phần mềm ANSYS, thực nghiệm tính toán 3.3.1 Hệ số lực nâng cy mô men dọc mz theo góc α Tham số ban đầu: Vận tốc V= 14 [m/s]; Vòng quay cánh quạt n=3000 [v/ph]; Vị trí tương đối cánh nâng cánh quạt lx = 0,24 + 0,25bg [m]; ly =lx.sin(α-φ) [m]; lz =0,39 [m]; Góc lắp φ = [0]; h =0,6 - Kết mô ANSYS kết tính toán lý thuyết sai lệch lớn khoảng 9%; - Kết thực nghiệm kết tính toán lý thuyết sai lệch lớn khoảng 17% 16 He so cy theo goc tan He so mz theo goc tan 0.9 -0.005 Tinh toan ANSYS Thuc nghiem 0.8 -0.01 0.7 -0.015 mz cy 0.6 0.5 -0.02 0.4 -0.025 Tinh toan ANSYS Thuc nghiem 0.3 -0.03 0.2 0.1 alfa[do] 10 12 Hình 3.19 Đồ thị hệ số cy theo góc -0.035 alfa[do] 10 12 Hình 3.20 Đồ thị hệ số mz theo góc 3.3.2 Hệ số lực nâng cy mô men dọc mz theo vận tốc Tham số ban đầu: n = 3000 [v/ph]; α = 40; lx = 0,24 + 0,25 bg [m]; ly =lx.sin(α-φ) [m]; lz =0,39 [m]; φ = [0]; h =0,6 He so cy theo van toc He so mz theo van toc 0.5 Tinh toan ANSYS Thuc nghiem 0.45 Tinh toan ANSYS Thuc nghiem -0.005 0.4 -0.01 0.35 -0.015 0.25 mz cy 0.3 -0.02 0.2 -0.025 0.15 -0.03 0.1 -0.035 0.05 14 16 18 20 V[m/s] 22 24 -0.04 14 26 Hình 3.21 Đồ thị cy theo vận tốc 16 18 20 V[m/s] 22 24 26 Hình 3.22 Đồ thị mz theo vận tốc - Kết mô ANSYS kết tính toán lý thuyết sai lệch lớn khoảng 8%; - Kết thực nghiệm kết tính toán lý thuyết sai lệch lớn khoảng 16%; 3.3.3 Hệ số lực nâng cy mô men dọc mz theo vận tốc vòng quay Tham số ban đầu: V = 14 [m/s]; α = 40; lx = 0,24 + 0,25 bg [m]; ly =lx.sin(α-φ) [m];lz =0,39 [m]; φ = [0]; h =0,6 - Kết mô ANSYS kết tính toán lý thuyết sai lệch lớn khoảng 10%; - Kết thực nghiệm kết tính toán lý thuyết sai lệch lớn khoảng 17% He so cy theo vong quay He so mz theo vong quay 0.5 Tinh toan ANSYS Thuc nghiem 0.45 Tinh toan ANSYS Thuc nghiem -0.005 0.4 -0.01 0.35 -0.015 mz cy 0.3 0.25 -0.02 0.2 -0.025 0.15 -0.03 0.1 -0.035 0.05 500 1000 1500 2000 2500 3000 n[v/ph] Hình 3.23 Đồ thị hệ số cy theo vòng quay -0.04 500 1000 1500 2000 2500 3000 n[v/ph] Hình 3.24 Đồ thị hệ số mz theo vòng quay 17 3.3.4 Hệ số lực nâng cy mô men dọc mz theo góc lắp trục quay cánh quạt so với dây cung cánh φ Tham số ban đầu: V= 14 [m/s]; α = 40; n = 3000 [v/ph]; lx = 0,24 + 0,25 bg [m]; ly =lx.sin(α-φ) [m]; lz =0,39 [m]; h =0,6 He so cy theo goc lap He so mz theo goc lap Tinh toan ANSYS Thuc nghiem 0.6 -0.01 mz cy 0.5 0.4 -0.015 0.3 -0.02 0.2 -0.025 0.1 -6 Tinh toan ANSYS Thuc nghiem -0.005 -4 -2 phi [do] Hình 3.25 Đồ thị cy theo góc lắp φ -0.03 -6 -4 -2 phi [do] Hình 3.26 Đồ thị mz theo góc lắp φ - Kết mô ANSYS kết tính toán lý thuyết sai lệch lớn khoảng 11%; - Kết thực nghiệm kết tính toán lý thuyết sai lệch lớn khoảng 18% 3.4 Kết luận chương Kết mô ANSYS kết tính toán sai lệch lớn nhỏ 11%; kết thực nghiệm kết tính toán sai lệch lớn nhỏ 18% Kết kiểm chứng phần mềm mô số ANSYS thực nghiệm so với kết tính toán nhận thấy rằng: Mô hình số chương trình tính toán chương 2, đủ độ tin cậy ứng dụng để xác định đặc tính khí động cánh KCB chịu tác động tương hỗ tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh nâng Chương NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC THAM SỐ CỦA CÁNH QUẠT VÀ MẶT GIỚI HẠN ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA CÁNH NÂNG 4.1 Bài toán áp dụng 4.1.1 Các tham số hình học cánh nâng khảo sát Cánh hình chữ nhật có kích thước: Dây cung gốc cánh bg = 0,26 [m]; Dây cung mút cánh bm = 0,26 [m]; Chiều dài sải cánh L =0,78 [m]; Diện tích cánh S = 0,2028 [m2]; Độ dãn dài λ=3; Độ thon η=1 4.1.2 Các tham số hình học cánh quạt khảo sát Dây cung bcq= 0,02 [m]; Diện tích Sla =0,0026 [m2]; Bán kính R = 0,15 [m]; Bán kính r = 0,02 [m] 4.1.3 Các tham số hình học mặt giới hạn Mặt giới hạn có kích thước: Chiều dài: bd = 2,34 [m]; Chiều rộng: br = 0,78 [m] 4.2 Đánh giá ảnh hưởng tham số cánh quạt khoảng cách cánh - mặt giới hạn đến đặc tính khí động cánh nâng 18 4.2.1 Đánh giá ảnh hưởng khoảng cách cánh mặt giới hạn Tham số ban đầu: Vận tốc V=14[m/s], α=40, φ=00, n=3000[v/ph], lx=0,24+0,25b[m], ly=lx.sin(α-φ) [m], lz=0,39 [m] Khảo sát cy mz theo khoảng cách cánh mặt giới hạn khác có ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt Khi h nhỏ hiệu ứng hãm dòng cánh nâng tăng lên, dẫn đến làm tăng áp suất mặt cánh nâng, chênh áp mặt mặt cánh nâng tăng Vì vậy, hệ số lực nâng cy mô men dọc mz tăng (hình 4.1 4.2) Mức độ tăng lớn cy h = 0,6 so với h = 0,8 khoảng: 7% Mức độ tăng lớn cy h = 0,6 so với h = 1,0 khoảng: 12% Mức độ tăng lớn cy h = 1,0 so với h = 1,16 khoảng: 1% He so cy theo khoang cach MGH He so mz theo khoang cach MGH 0.37 -0.0175 alfa=4,phi=0,van toc=14m/s 0.36 -0.018 mz cy 0.35 0.34 -0.0185 0.33 -0.019 0.32 alfa=4,phi=0,van toc=14m/s 0.31 0.6 0.7 0.8 0.9 1.1 1.2 -0.0195 0.6 1.3 0.7 0.8 0.9 h 1.1 1.2 1.3 h Hình 4.1 Đồ thị cy theo khoảng cách h Hình 4.2 Đồ thị mz theo khoảng cách h 4.2.2 Đánh giá ảnh hưởng góc (α) cánh khoảng cách ( h ) cánh mặt giới hạn khác Tham số ban đầu: V=30[m/s], φ=40, n=3000[v/ph], lx=0,24+0,25b [m], ly=lx.sin(α-φ), lz=0,39[m] Khảo sát hệ số cy, mz theo góc cánh KCB có ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt khoảng cách cánh mặt giới hạn ( h ) khác Hệ số cy mz phụ thuộc vào khoảng cách mặt giới hạn với mép sau cánh (hình 4.3 hình 4.4), góc tấn, h nhỏ hệ số cy mz tăng, với ảnh hưởng khoảng cách h , hệ số cy mz giữ nguyên quy luật biến thiên theo góc cánh giống trường hợp chảy bao tự He so cy theo goc tan He so mz theo goc tan 0.9 -0.01 hh=0.6 hh=0.8 0.8 hh=1.0 -0.015 0.7 -0.02 mz cy 0.6 0.5 -0.025 0.4 h h =0.6 h =0.8 h h h =1.0 0.3 -0.03 0.2 0.1 alfa [do] 10 12 Hình 4.3 Đồ thị hệ số cy theo góc -0.035 alfa [do] 10 12 Hình 4.4 Đồ thị hệ số mz theo góc 19 4.2.3 Đánh giá ảnh hưởng đường kính cánh quạt (D) khoảng cách h khác Tham số ban đầu: Vận tốc V=30[m/s], α=40, φ=40, n=3000[v/ph], lx=0,24+0,25b [m], ly=lx.sin(α-φ), lz=0,39[m]; Khảo sát hệ số lực nâng cy, hệ số mô men dọc mz theo đường kính cánh quạt cánh khoảng cách h khác He so cy theo duong kinh D He so mz theo duong kinh D 0.4 -0.017 0.39 hh=0,6 -0.018 hh=0,6 0.38 hh=0,8 hh=1,0 hh=0,8 hh=1,0 0.37 -0.019 cy mz 0.36 -0.02 0.35 0.34 -0.021 0.33 -0.022 0.32 0.31 0.26 0.265 0.27 0.275 0.28 D [m] 0.285 0.29 0.295 -0.023 0.26 0.3 Hình 4.5 Đồ thị cy theo đường kính D 0.265 0.27 0.275 0.28 D [m] 0.285 0.29 0.295 0.3 Hình 4.6 Đồ thị mz theo đường kính D Khi đường kính cánh quạt tăng, diện tích mặt phẳng quay cánh quạt tăng làm tăng diện tích phần ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt lên cánh nâng, dẫn đến cy cánh nâng tăng lên (hình 4.5 4.6) Mức độ tăng hệ số cy h =0,6 so với h =0,8 khoảng 7÷8% Mức độ tăng hệ số cy h =0,6 so với h =1,0 khoảng 12÷13% 4.2.4 Đánh giá ảnh hưởng tốc độ vòng quay khoảng cách cánh mặt giới hạn khác Tham số ban đầu: Vận tốc V=30[m/s], góc α=60, φ=40, lx=0,24+0,25b [m], ly=lx.sin(α-φ), lz=0,39[m]; cánh quạt cánh Hệ số cy, mz tăng theo tốc độ vòng quay cánh quạt (hình 4.7 4.8) Vì vòng quay cánh quạt tăng, mức độ ảnh hưởng tốc độ cảm ứng sau cánh quạt tăng, làm cho góc cục cánh nâng tăng cy, mz tăng Mức độ tăng cy h = 0,6 so với h = 0,8 khoảng 5÷7%, đạt lớn vòng quay n=4000 [v/ph]; Mức độ tăng cy h = 0,6 so với h = 1,0 khoảng 9÷13%, đạt lớn vòng quay n=4000 [v/ph] He so mz theo vong quay He so cy theo vong quay -0.015 0.44 hh hh 0.42 hh -0.016 =0,6 =0,8 =1,0 0.4 -0.017 cy mz 0.38 -0.018 0.36 hh 0.34 hh hh =0,6 =0,8 =1,0 0.32 0.3 500 1000 1500 2000 2500 n [v/ph] 3000 3500 4000 Hình 4.7 Đồ thị hệ số cy theo vòng quay cánh quạt -0.019 -0.02 -0.021 500 1000 1500 2000 2500 n [v/ph] 3000 3500 4000 Hình 4.8 Đồ thị hệ số mz theo vòng quay cánh quạt 20 4.3 Đánh giá ảnh hưởng vị trí cánh quạt khoảng cách cánh mặt giới hạn 4.3.1 Đánh giá ảnh hưởng lx khoảng cách cánh mặt giới hạn khác Tham số ban đầu: Vận tốc V=20[m/s], α=20, φ=4[0], n=3000[v/ph], ly=lx.sin(α-φ), lz=0,39[m] Khảo sát hệ số lực nâng cy, mz theo lx cánh quạt có cánh Khi lx tăng, vị trí từ cánh quạt đến mép trước cánh tăng, nên ảnh hưởng dòng cảm ứng sau cánh quạt tới cánh giảm, hệ số cy mz giảm (hình 4.9 4.10) Tuy nhiên mức giảm cy mz lx tăng không nhiều: Ở h =0,6: Mức giảm hệ số cy khoảng cách lx khảo sát (lx=1/4b ÷ 1/4b+0,5 ) lớn khoảng 7%; Mức giảm mz lớn khoảng 6% Ở h =1,0: Mức giảm hệ số cy lớn khoảng 4%; Mức giảm hệ số mz lớn khoảng 3% He so mz theo lx He so cy theo lx -0.0175 0.38 hh=0,6 hh=0,8 0.37 hh=1,0 -0.018 0.36 -0.0185 cy mz 0.35 0.34 -0.019 0.33 hh=0,6 hh=0,8 -0.0195 hh=1,0 0.32 0.31 -0.02 0.1 0.2 0.3 lx [m] 0.4 0.5 0.6 Hình 4.9 Đồ thị hệ số lực nâng cy theo lx 0.1 0.2 0.3 lx [m] 0.4 0.5 0.6 Hình 4.10 Đồ thị hệ số lực nâng mz theo lx 4.3.2 Đánh giá ảnh hưởng ly khoảng cách cánh mặt giới hạn h =1,0 Tham số ban đầu: V=20[m/s], α=20, φ=4[0], n=3000[v/ph], D=0,26 [m], lx=0,24+0,25b [m], lz=0,39[m] Khảo sát hệ số lực nâng cy, hệ số mô men dọc mz theo ly cánh quạt có lá, khoảng cách tương đối mép sau cánh đến mặt giới hạn h =1,0 Khi ly khoảng: –R÷0 (nằm cánh) hợp với dây cung cánh góc φ> 0, phần diện tích mặt phẳng quay cánh quạt phía cánh nâng lớn phía cánh nâng, vận tốc cảm ứng cánh quạt gây làm hãm dòng cánh dẫn đến làm tăng áp suất cánh, chênh áp mặt mặt cánh nâng tăng Vì vậy, hệ số lực nâng cy mz tăng, giá trị cy, mz đạt lớn trục cánh quạt cách cánh nâng bán kính R Tại vị trí cánh quạt ly = -R, mức độ ảnh hưởng cánh quạt lớn giá trị hệ số cy, mz so với trục cánh quạt vị trí ly= 0: Hệ số cy tăng khoảng 10% mz tăng khoảng 16% Khi ly khoảng: 0÷R (nằm cánh) tạo với dây cung cánh góc φ > 0, phần diện tích mặt phẳng quay cánh quạt phía 21 cánh nâng lớn phía cánh nâng, làm tăng tốc độ dòng cánh Vì vậy, áp suất cánh nâng giảm, chênh áp mặt mặt cánh nâng giảm Giá trị hệ số lực nâng cy mz giảm đạt nhỏ trục cánh quạt cách cánh nâng bán kính R Tại vị trí cánh quạt ly = R, ảnh hưởng đến hệ số cy, mz nhỏ so với trục cánh quạt vị trí ly = 0: Hệ số cy giảm khoảng 2% mz giảm khoảng 3% He so mz theo ly He so cy theo ly -0.01 0.5 -0.015 cy mz 0.45 0.4 -0.02 0.35 -0.025 0.3 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 ly [m] 0.05 0.1 0.15 -0.2 0.2 Hình 4.11 Đồ thị hệ số lực nâng cy theo ly -0.15 -0.1 -0.05 ly [m] 0.05 0.1 0.15 0.2 Hình 4.12 Đồ thị hệ số lực nâng mz theo ly 4.3.3 Đánh giá ảnh hưởng lz khoảng cách cánh mặt giới hạn khác Tham số ban đầu: V=20[m/s], α=20, φ=4[0], n=3000[v/ph], lx=0,24+0,25b [m], ly=lx.sin(α-φ) Khảo sát hệ số lực nâng cy, hệ số mô men dọc mz theo lz khoảng cách cánh mặt giới hạn khác với cánh quạt cánh Khi lz tăng, trục cánh quạt dịch chuyển theo sải mép cánh Đối với cánh nâng hình chữ nhật hệ số cy gần không đổi, mức độ ảnh hưởng dòng sau cánh quạt cánh chữ nhật theo sải cánh (hình 4.13 4.14) He so mz theo lz He so cy theo lz -0.0175 0.38 hh=0,6 hh=0,8 0.37 hh=1,0 -0.018 0.36 hh=0,6 -0.0185 hh=0,8 0.35 cy mz hh=1,0 0.34 -0.019 0.33 -0.0195 0.32 0.31 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 lz [m] 0.45 0.5 0.55 0.6 Hình 4.13 Đồ thị hệ số lực nâng cy theo lz -0.02 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 lz [m] 0.45 0.5 0.55 0.6 Hình 4.14 Đồ thị hệ số mz theo lz 4.3.4 Đánh giá ảnh hưởng góc lắp (φ) trục quay cánh quạt dây cung cánh nâng khoảng cách cánh mặt giới hạn khác Tham số ban đầu: V=20[m/s], góc α=20, n=3000[v/ph], lx=0,24+0,25b [m], ly=lx.sin(α-φ), lz=0,39[m] Khảo sát hệ số cy, mz theo góc lắp (φ) khoảng cách cánh mặt giới hạn khác với cánh quạt cánh 22 He so cy theo goc lap He so mz theo goc lap 0.42 -0.015 0.4 -0.016 hh hh hh =0,6 =0,8 =1,0 -0.017 0.38 -0.018 cy mz 0.36 -0.019 0.34 -0.02 h h 0.32 h h h h =0,6 =0,8 =1,0 -0.021 0.3 -6 -0.022 -4 -2 phi [do] Hình 4.15 Đồ thị hệ số cy theo góc lắp ϕ -0.023 -6 -4 -2 phi [do] Hình 4.15 Đồ thị hệ số mz theo góc lắp ϕ Hệ số lực nâng cy, mô men dọc mz cánh nâng chịu ảnh hưởng nhiều theo thay đổi góc lắp trục cánh quạt dây cung cánh nâng (hình 4.15, hình 4.16), góc lắp dương giá trị cy lớn góc lắp âm Vì góc lắp dương, hiệu ứng hãm dòng cánh quạt gây cánh nâng tăng dẫn đến làm tăng áp suất cánh Do đó, chênh áp mặt mặt cánh tăng, hệ số cy mz lớn h nhỏ Mức độ tăng hệ số cy h = 0,6 so với h = 0,8 khoảng 6÷8%, đạt lớn góc lắp ϕ=60; Mức độ tăng hệ số cy h = 0,6 so với h = 1,0 khoảng 10÷14%, đạt lớn góc lắp ϕ=60; - Chênh lệch hệ số lực nâng cy góc lắp 00 góc lắp âm -60 cánh nâng khi: h = 0,6 khoảng 10%; h = 1,0 khoảng 8% - Chênh lệch hệ số lực nâng góc lắp dương 60 góc lắp 00 cánh nâng khi: h = 0,6 khoảng 9%; h = 1,0 khoảng 7% 4.4 Kết luận chương Hệ số lực nâng cy mô men dọc mz cánh KCB tăng khoảng cách từ mép sau cánh đến mặt giới hạn; với h ≥ 1,16, ảnh hưởng mặt giới hạn đến đặc tính khí động cánh nâng không nhiều (≤ 1%); Hệ số lực nâng cy mô men dọc mz cánh KCB tăng theo: góc cánh nâng (mức tăng cy đạt lớn khoảng 12% góc α = 120); đường kính cánh quạt D (mức tăng cy đạt lớn khoảng 13%); tốc độ vòng quay cánh quạt (mức tăng cy đạt lớn khoảng 13%) góc lắp trục quay cánh quạt dây cung cánh nâng (mức tăng cy đạt lớn khoảng 14% góc lắp ϕ=60); Theo vị trí tương đối cánh quạt so với cánh nâng hợp với dây cung cánh nâng góc φ > cánh quạt cánh nâng khoảng cách bán kính R hệ số lực nâng cy hệ số mô men dọc mz đạt giá trị lớn (hệ số cy tăng khoảng 10% mz tăng khoảng 16%) Còn cánh quạt cánh nâng khoảng cách bán kính R hệ số lực nâng cy hệ số mô men dọc mz đạt giá trị nhỏ (hệ số cy giảm khoảng 2% mz giảm khoảng 3%) 23 KẾT LUẬN Luận án xây dựng mô hình số, sơ đồ thuật toán chương trình tính toán sở phương pháp XRR phi tuyến không dừng để xác định đặc tính khí động cánh KCB, chuyển động gần mặt giới hạn, có ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt Mô hình tính toán phản ảnh chất vật lý dòng chảy bao qua tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh KCB Mô hình số chương trình tính kiểm chứng cách so sánh kết tính toán nhận với kết tính toán phần mềm ANSYS.CFX kết thực nghiệm mô hình tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh nâng ống khí động Kết tính toán lý thuyết sai lệch lớn so với kết tính phần mềm ANSYS nhỏ 11% so với kết thực nghiệm nhỏ 18% Điều khẳng định mô hình số chương trình tính luận án tin cậy Mô hình số chương trình tính áp dụng để nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng tham số cánh quạt, mặt giới hạn đến đặc tính khí động cánh nâng hình chữ nhật Kết nhận được: - Hệ số lực nâng cy mô men dọc mz tăng có ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt mặt giới hạn Giá trị hệ số cy mz cánh nâng KCB bay gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt tăng so với không xét đến ảnh hưởng cánh quạt (tăng lớn khoảng 22%); - Hệ số lực nâng cy mô men dọc mz cánh KCB tăng khoảng cách từ mép sau cánh đến mặt giới hạn giảm, với h ≥ 1,16, ảnh hưởng mặt giới hạn đến đặc tính khí động cánh nâng không nhiều (≤ 1%); - Hệ số lực nâng cy mô men dọc mz cánh KCB tăng theo: góc cánh nâng (mức tăng cy đạt lớn khoảng 12% góc α = 120); đường kính cánh quạt D (mức tăng cy đạt lớn khoảng 13%); tốc độ vòng quay cánh quạt (mức tăng cy đạt lớn khoảng 13%) góc lắp trục quay cánh quạt dây cung cánh nâng (mức tăng cy đạt lớn khoảng 14% góc lắp ϕ=60); - Theo vị trí tương đối cánh quạt so với cánh nâng trục cánh quạt hợp với dây cung cánh nâng góc φ> 0, với vị trí cánh quạt bên cánh nâng khoảng cách bán kính R hệ số lực nâng cy hệ số mô men dọc mz đạt giá trị lớn (hệ số cy tăng khoảng 10% mz tăng khoảng 16%) Còn với vị trí cánh quạt cánh nâng khoảng cách bán kính R hệ số lực nâng cy hệ số mô men dọc mz đạt giá trị nhỏ (hệ số cy giảm khoảng 2% mz giảm khoảng 3%) Những đóng góp luận án - Trên sở phương pháp xoáy rời rạc phi tuyến không dừng xây dựng mô hình số, thiết lập thuật toán xây dựng chương trình tính 24 toán ngôn ngữ Matlab để xác định đặc tính khí động cánh KCB chịu tác động tương hỗ tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh nâng Kiểm chứng thuật toán chương trình tính toán phần mềm ANSYS.CFX thử nghiệm mô hình tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn cánh nâng ống khí động âm Kết sai lệch lớn so với mô phần mềm ANSYS nhỏ 11% so với thực nghiệm nhỏ 18% - Đã ứng dụng mô hình số để khảo sát đánh giá mức độ ảnh hưởng tham số cánh quạt đến đặc tính khí động cánh KCB chuyển động khoảng cách khác từ mép sau cánh nâng đến mặt giới hạn số chế độ bay khác nhau, làm sở tham khảo việc tính toán thiết kế khí cụ bay hoạt động độ cao thấp, để nâng cao hiệu khai thác sử dụng, bảo đảm an toàn bay cất hạ cánh máy bay cánh quạt sử dụng lĩnh vực hàng không dân dụng quân Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng mặt giới hạn dòng khí sau cánh quạt đến đặc tính khí động KCB xét mặt phẳng ngang - Nghiên cứu ảnh hưởng mặt giới hạn có biên dạng không phẳng biến dạng đàn hồi đến đặc tính khí động cánh KCB - Nghiên cứu ảnh hưởng cánh quạt đồng trục đến đặc tính khí động cánh nâng DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ Thái Doãn Tường, Lã Hải Dũng, Trần Quốc Cường (2009), Nghiên cứu khí động học máy bay trực thăng giảm độ cao phương pháp tự quay, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc Kỷ niệm 30 năm Viện Cơ học 30 năm Tạp chí Cơ học, Tr 557-565, Hà Nội Nguyễn Đình Đường, Thái Doãn Tường, Trần Quốc Cường, Lê Nguyên Cường (2013), Phân tích độ nhạy tham số dao động kết cấu vỏ hàng không chịu tải khí động, Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí Toàn quốc, Tr 213-220, Quảng Bình Lã Hải Dũng, Trần Duy Duyên, Vũ Minh Tâm, Trần Quốc Cường, Trần Phú Hoành (2014), Nghiên cứu đặc tính khí động cánh máy bay sử dụng cánh tà có khe hở, Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí Toàn quốc, Tr 145-153, Ninh Thuận Phan Trọng Sơn, Lã Hải Dũng, Nguyễn Trường Thành, Trần Quốc Cường (2014), Nghiên cứu tính toán đặc tính cánh quạt máy bay phương pháp xoáy rời rạc phi tuyến không dừng, Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí Toàn quốc, Tr 520-529, Ninh Thuận Trần Quốc Cường, Lã Hải Dũng (2016), Nghiên cứu xác định đặc tính khí động cánh khí cụ bay bay gần mặt giới hạn có tính đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt động phương pháp xoáy rời rạc phi tuyến không dừng, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, số 45, Tr 10-19, Hà nội ... mặt giới hạn cánh nâng Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu đặc tính khí động cánh nâng KCB, chuyển động gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt 2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu. .. định đặc tính khí động cánh KCB bay gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt 2.2.5.1 Màn xoáy hình thành có ảnh hưởng mặt giới hạn dòng khí sau cánh quạt Các sơ đồ xoáy thay cánh. .. phạm vi nghiên cứu nghiên cứu xác định đặc tính khí động cánh KCB, sử dụng động cánh quạt chuyển động gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng dòng khí sau cánh quạt vùng tốc độ nhỏ âm, cánh quạt thuộc