KHÍ ĐỘNG lực học

Hướng của lực nâng xác định bởi phép quay vec-tơ vận tốc của dòng chất lỏng khí ngược với hướng hoàn lưu một góc vuông" Ở dạng công thức :  - lực nâng  - khối lượng riêng chất lỏng khí

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ A2

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

MỤC LỤC

A.GIỚI THIỆU VỀ KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

A.1.Khái niệm về khí động lực học

A.2.Phân loại

A.2.1.Môi trường dòng chảy A.2.2.Tỉ số vận tốc dòng chảy so với vận tốc âm thanh A.2.3.Tác dụng của độ nhớt

B.KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC MÁY BAY

B.1.Định lý Kutta-Joukowski

B.2.Máy bay phản lực

B.2.1.Nguyên tắc chung của dòng khí tác dụng lên cánh máy bay B.2.2.Cấu tạo- Chức năng

B.2.3.Các hoạt động bay C.KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

C.1.Nhận diện vấn đề khí động học

C.1.1.Lực cản C.1.2.Lực nâng C.2.Khắc phục

C.2.1.Cánh gió (Cánh hậu) C.2.2.Thiết bị cản (Spoiler) D.KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC TÊN LỬA

E.CÁC THIẾT BỊ KHÁC ỨNG DỤNG KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

E.1.Các thiết bị ứng dụng khí động lực học ngoại biên

E.1.1.Cối xay gió E.1.2.Quạt điện E.2.Các thiết bị ứng dụng khí động lực học nội biên

E.2.1.Động cơ tuốc bin khí

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

A.GIỚI THIỆU KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

A.1.KHÁI NIỆM VỀ KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

Khí động lực học là môn học nghiên cứu về dòng chảy của chất khí, được nghiên cứu đầu tiên bởi George

Cayley vào thập niên 1800 Giải pháp cho các vấn đề khí động lực học dẫn đến các tính toán về tính chất khác nhau của dòng chảy, như vận tốc, áp suất, mật độ và nhiệt độ, như là các hàm của không gian và thời gian Khi hiểu được các tính chất này của chất khí, người ta có thể tính toán chính xác hay xấp xỉ các lực và các mômen lực lên hệ thống dòng chảy

Môn khí động lực học sử dụng các phân tích toán học và các kết quả thực nghiệm Chuyên ngành này có nhiều ứng dụng Ví dụ như nó là nền tảng cho việc thiết kế máy bay

A.2.PHÂN LOẠI

A.2.1.MỘI TRƯỜNG DÒNG CHẢY

Các vấn đề về khí động lực học được chia ra làm nhiều loại Có thể phân loại theo môi trường dòng chảy: khí động học ngoại biên và khí động học nội biên Khí động học ngoại biên là ngành nghiên cứu dòng chảy xung quanh vật rắn Môn này có các ứng dụng như tính toán lực nâng và lực kéo lên cánh máy bay, lực hãm tạo nên ở mũi tên lửa Khí động học nội biên nghiên cứu về dòng khí qua các động cơ phản lực hay qua các ống của máy điều hòa

A.2.2.TỈ SỐ VẬN TỐC CỦA DÒNG CHẢY SO VỚI VẬN TỐC ÂM THANH

Khí động lực học cũng có thể được phân loại theo tỉ số vận tốc của dòng chảy so với vận tốc âm thanh Môn học được xem là dưới âm tốc nếu các vận tốc đều nhỏ hơn vận tốc âm thanh, siêu thanh nếu vận tốc hơn vận tốc âm thanh, vàcực siêu thanh nếu vận tốc nhanh hơn vận tốc âm thanh nhiều lần

A.2.3.TÁC DỤNG CỦA ĐỘ NHỚT

Tác dụng của độ nhớt tạo nên cách phân loại thứ ba cho môn học này Trong vài trường hợp, ảnh hưởng của độ nhớt được xem là không đáng kể, dòng chảy được coi là không có độ nhớt Đối với dòng chảy mà

độ nhớt không thể bỏ qua, dòng chảy có tính nhớt

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

B.KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC MÁY BAY

B.1.ĐỊNH LÝ KUTTA-JOUKOWSKI

Máy bay loại phương tiện giao thông sử dụng những tác động của khí động lực học để thắng được chính trọng lượng của nó Đẻ đáp ứng cho việc nâng một vật có khối lượng lớn như vậy lên không trung, các nhà thiết kế đã phải đưa ra những hình dạng để tận dụng tối đa lực nâng khí động lực học (hay còn gọi là

lực nâng Joukowski)

Định lý Kutta-Joukowski còn gọi là định lý Joukowski hay định lý Giu-cốp-ski là định lý về lực nâng

vật thể khi có sự chảy bao quanh của một dòng chất lỏng (khí) lý tưởng song phẳng Định lý này được xây dựng nên bởi N.E.Joukowski (Н Е Жуковский) vào năm 1904

Phát biểu định lý

"Lực nâng cánh máy bay ( có độ sải cánh giới hạn ) bằng tích của khối lượng riêng chất lỏng (khí), vận tốc chất lỏng (khí),lưu số của vận tốc dòng chất lỏng (khí) và độ dài đoạn cánh đang xét Hướng của lực nâng xác định bởi phép quay vec-tơ vận tốc của dòng chất lỏng (khí) ngược với hướng hoàn lưu một góc vuông"

Ở dạng công thức :

 - lực nâng

 - khối lượng riêng chất lỏng (khí)

 - vận tốc của dòng chất lỏng (khí) ở vô cùng

 - lưu số (hoàn lưu) vận tốc (vec-tơ có hướng vuông góc với mặt cắt của cánh, hướng của vec-tơ phụ thuộc vào hướng của lưu số )

 - độ dài đoạn cánh (vuông góc với mặt cắt cánh)

TÓM LẠI: nguyên tắc chung cho việc bay lên của máy bay là kết quả của sự chênh lệch áp suất không

khí tại mặt trên và mặt dưới của vật thể (cánh máy bay) khi dòng khí chuyển động chảy bao vật thể

Để có lực nâng khí động lực học thì thiết diện vật thể (cánh) phải không đối xứng qua trục chính và đường biên của mặt trên phải lớn hơn của mặt dưới, những vật thể có hình dạng thiết diện như vậy được gọi là

có hình dạng khí động lực học Khi không khí chảy bao quanh hình khí động sẽ có lực nâng khí động lực

và đồng thời xuất hiện lực cản Hình khí động lực nào cho hiệu ứng lực nâng càng cao mà lực cản càng ít thì được coi là có hiệu suất khí động học càng tốt

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

Mô hình khí trôi qua cánh của cánh máy bay

Khi không khí chảy qua hình khí động là cánh, tại mặt dưới sẽ có áp suất cao hơn so với mặt trên và hệ quả là sẽ xuất hiện một lực tác động từ dưới lên vuông góc với cánh Lực nâng có độ lớn bằng diện tích cánh nhân với chênh lệch áp suất hai mặt Độ chênh lệch áp suất phụ thuộc vào hình dạng thiết diện cánh

tức là phụ thuộc vào hiệu suất khí động học của cánh, góc tấn (góc chảy của không khí tương đối với vật khí động – tiếng Pháp: (Incidence aérodynamique) và vận tốc dòng chảy Như vậy khi vận tốc dòng chảy

đạt đến độ lớn nào đó thì chênh lệch áp suất (đồng nghĩa với lực nâng) sẽ đủ để thắng trọng lực và vật thể

có thể bay lên được Muốn có lực nâng đủ thì vận tốc và diện tích cánh phải đủ: cánh càng rộng thì máy

bay có thể cất cánh với vận tốc nhỏ hơn, ngược lại cánh càng nhỏ thì đòi hỏi vận tốc càng lớn để cất cánh

Dựa vào sự tác động của khí động học, chia ra 2 loại máy bay cơ bản:

1 Máy bay phản lực

2 Máy bay lên thẳng

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

B.2.MÁY BAY PHẢN LỰC

Trong máy bay phản lực, cánh được gắn cố định vào thân chính là vật thể khí động học tạo lực nâng cho máy bay Vận tốc ngang của máy bay (cũng đồng nghĩa với vận tốc dòng chảy bao máy bay nếu xét trong

hệ quy chiếu gắn với máy bay) có được nhờ lực tác động ngang sinh ra nhờ động cơ Động cơ sẽ tạo phản lực đẩy máy bay chuyển động tương đối với không khí về phía trước, khi chuyển động tương đối như vậy cánh máy bay sẽ bị dòng khí chảy bao bọc xung quanh và tạo hiệu ứng lực nâng khí động lực học tác động

từ dưới lên, khi vận tốc máy bay đạt đến giá trị nào đó lực nâng sẽ đủ lớn để thắng trọng lực và máy bay

sẽ bay được

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

B.2.1.NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA DÒNG KHÍ TÁC DỤNG LÊN CÁNH MÁY BAY

Các cơ cấu điều khiển bay của máy bay để thực hiện các chuyển động bay: cất cánh, hạ cánh; vòng trái, phải; nghiêng cánh; nâng, hạ độ cao khi bay bằng; hướng mũi bay lên trên, xuống dưới

B.2.2.CẤU TẠO- CHỨC NĂNG

Để thực hiện điều khiển bay có các cơ cấu cánh là:

Cánh nâng chính: cánh tà trước, cánh tà sau, cánh liệng, các cánh tà lưng, slats (phanh khí động)

Có chức năng tạo lực nâng chính nâng máy bay, phối hợp cùng với bánh lái độ cao, cánh đuôi đứng giúp máy bay liệng sáng trái sang phải và cũng để giúp máy bay hạ cánh

Cánh đuôi ngang : tạo lực nâng ở phần đuôi máy bay, lực này sẽ cùng lực nâng ở cánh chính cân bằng mô men với trọng lực tại trọng tâm máy bay cho phép máy bay không bị lộn vòng

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

Bánh lái độ cao : nằm ở phía mép sau đuôi ngang Có thể vểnh lên hoặc cụp xuống để thay đổi lực nâng cánh đuôi, tạo môment xoay quanh trục cánh (moment chúc ngóc-pitching) Hai bánh lái độ cao luôn được điều khiển chuyển động cùng chiều, cùng góc lệch

Cánh đuôi đứng : có chức năng định hướng, giữ cho thân máy bay ổn định theo chuyển động thẳng về phía trước Trên cánh đuôi đứng có bộ phận cử động được là cánh bánh lái, khi nó quay sang phải hoặc trái sẽ sinh lực tác dụng ngang vào bánh lái đuôi sang trái hoặc sang phải tương ứng Lực này tạo mô men làm máy bay hướng mũi sang phải hoặc trái tương ứng

B.2.3.CÁC HOẠT ĐỘNG BAY

Các hoạt động bay:

 Cất cánh, hạ cánh: khi cất cánh, hạ cánh vận tốc máy bay thấp mà cần duy trì lực nâng nên cánh

cần có diện tích lớn nhất và có hiệu suất khí động cho lực nâng tốt nhất việc này được thực hiện bằng cách kéo dài tối đa cánh tà và chúc cánh tà xuống hêt cỡ về phía dưới Khi tiếp đất có thể bật các slat vểnh lên để tăng lực cản

 Nghiêng cánh: Để nghiêng cánh thì cần tạo chênh lệch lực nâng tại hai cánh chính ví dụ cánh

liệng phải thì chúc xuống, cánh liệng trái thì quay lên, khi đó lực nâng tại cánh phải lớn hơn lực nâng tại cánh trái làm máy bay nghiêng cánh sang trái Để hỗ trợ thêm, người ta bật spoiler bên trái vểnh lên để giảm thêm lực nâng bênt rái

 Đổi hướng bay ngang sang phải, trái: Để đổi hướng thì dùng bánh lái đuôi cho quay về phía nào

thì đầu máy bay rẽ về hướng bên đó Để đổi hướng gấp (góc ngoặt lớn) thì còn có thể kết hợp bánh lái với nghiêng cánh muốn rẽ về phía nào thì nghiêng cánh về phía đó

 Bay lên, bay xuống: Để máy bay chúc đầu lên – xuống (bay lên, bay xuống) thì hiệu chỉnh bánh

lái độ cao bằng cách chĩa lên hoặc chúc xuống: Nếu cánh lái độ cao chĩa lên thì lực nâng tại đuôi giảm mà lực nâng tại cánh chính giữ nguyên sẽ tạo nên mô men làm đầu máy bay hướng lên phía trên, nếu cánh lái độ cao chúc xuống thì ngược lại máy bay sẽ chúí đầu xuống Có thể kết hợp cùng cánh tà sao cho có sự thay đổi tương quan lực nâng tại cánh chính và cánh đuôi và sẽ tạo nên mô men làm đầu máy bay lên hay xuống

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

Thay đổi độ cao khi bay bằng: bằng cách hiệu chỉnh cánh tà và cánh lái độ cao để tăng hoặc giảm lực

nâng Khi tăng lực nâng máy bay sẽ tăng độ cao lên một mức cân bằng mới, nếu giảm lực nâng máy bay

sẽ hạ độ cao xuống mức cân bằng mới thấp hơn

B.3.MÁY BAY LÊN THẲNG

Máy bay trực thăng hay máy bay lên thẳng là một loại phương tiện bay có động cơ, hoạt động bay bằng cánh quạt, có thể cất cánh, hạ cánh thẳng đứng, có thể bay đứng trong không khí và thậm chí bay lùi Máy bay trực thăng là khí cụ bay nặng hơn không khí, bay được nhờ lực nâng khí động học (lực nâng Zhukovsky) được tạo bởi cánh quạt nâng nằm ngang Cũng như đối với máy bay thông thường, lực nâng

khí động học được tạo thành khi có chuyển động tương đối của cánh nâng đối với không khí, nhưng khác với máy bay thông thường là cánh nâng gắn cố định với thân máy bay, trực thăng có cánh nâng là loại cánh quạt quay ngang (thường có từ 2 đến 6 cánh quay trong mặt phẳng nằm ngang, cánh quạt này còn gọi là cánh quạt nâng) Với đặc điểm của cánh nâng như vậy, khi cánh quạt nâng quay vẫn bảo đảm được

sự chuyển động tương đối của không khí đối với cánh nâng và tạo lực nâng khí động học trong khi bản thân máy bay không cần chuyển động Vì vậy máy bay trực thăng có thể bay đứng treo một chỗ và thậm chí bay lùi

Như vậy đối với máy bay có cánh cố định thì chuyển động tương đối của cánh nâng đối với không khí là chuyển động của chính máy bay, nên lực nâng chỉ có khi máy bay có đủ vận tốc, mất vận tốc sẽ mất lực

nâng (thất tốc) nên máy bay cánh cố định không thể bay đứng một chỗ Trực thăng cũng theo nguyên tắc

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

lực nâng khí động học nhưng các cánh nâng là cánh quạt ngang quay xung quanh trục nên vẫn đảm bảo chuyển động tương đối với không khí và có lực nâng khi trực thăng vẫn đứng yên

Sự tác động của dòng khí lên cánh quạt máy bay trực thăng cũng tương tự như với cánh máy bay

phản lực (áp suất phía dưới cánh lớn hơn phía trên cánh quạt dẫn đến lực nâng)

Lực nâng của máy bay có độ lớn bằng tổng diện tích các cánh nhân với chênh lệch áp suất hai mặt

Độ chênh lệch áp suất phụ thuộc vào hình dạng thiết diện cánh tức là phụ thuộc vào hiệu suất khí động học của cánh, góc tấn, góc chảy của không khí tương đối với vật khí động, và vận tốc dòng chảy

B.3.1.CẤU TẠO- CHỨC NĂNG

 Cánh quạt chính: khá lớn, nằm phía trên buồng lái, có chức năng giúp máy bay tăng, giảm độ

cao; bay tiến, bay lùi; bay ngang sang trái, sang phải Bộ cánh này nằm song song với mặt đất, nhưng mỗi cánh quạt có thể điều chỉnh độ nghiêng, nằm chếch lên trên hoặc nghiêng xuống dưới

để tạo góc đón lực đẩy của không khí

 Cánh quạt phụ: nhỏ hơn, nằm ở phía đuôi máy bay, vuông góc với mặt đất, có chức năng xoay

máy bay sang trái, phải hoặc xoay tại chỗ Cánh quạt phụ này còn giúp máy bay ổn định trong lúc bay, không bị xoay vòng vòng do tác động xoay liên tục của cánh quạt chính Mỗi cánh quạt phụ cũng có thể điều chỉnh độ nghiêng giống cánh quạt chính

Tuy nhiên 1 số máy bay trực thăng được thiết kế đẻ không cân cánh quạt qhụ

Thiết kế có hệ thống dẫn và bơm khí chạy ra đuôi và được phụt ra theo van phun tiết lưu

Nó có xu hướng bám dính vào thành vật thể cứng và tạo lực và mô men chống lại mômen quay thân máy bay

2 cánh đồng trục, triệt tiêu momen của hệ, không cần cánh quạt sau

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

B.3.2.CÁCH DI CHUYỂN TRONG KHÔNG GIAN CỦA TRỰC THĂNG

 Bay lên, hạ xuống: Độ nghiêng của toàn bộ cánh quạt bị thay đổi để tăng, giảm độ cao

 Bay tới: Cánh quạt khi quay sang phía sau trực thăng sẽ có độ nghiêng dốc hơn so với độ nghiêng

của cánh quạt phía trước, làm cho lực nâng phía sau mạnh hơn lực nâng ở phía trước máy bay Kết quả là máy bay được đẩy đi về phía trước

 Bay lùi: Tương tự như trên, chỉ khác chỗ độ nghiêng cánh quạt phía trước sẽ dốc hơn, lực nâng

phía trước mạnh hơn nên trực thăng sẽ bay lùi

 Bay ngang sang phải: Cũng giống như nguyên lý trên, cánh quạt khi quay sang phía bên trái trực

thăng sẽ được làm nghiêng đi để tạo ra lực nâng mạnh hơn so với cánh quạt phía bên phải Kết quả

là trực thăng sẽ bay ngang sang phải

 Bay ngang sang trái: Tương tự như trên, nhưng cánh quạt bên phải sẽ được làm nghiêng hơn

Đây là phương án máy bay có hai cánh quạt nâng không đồng trục thường gắn ở đầu và

đuôi máy bay, quay ngược chiều nhau để triệt tiêu mô men tự quay thân

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

C.KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Giải các bài toán về khí động học ở xe hơi là một vấn đề rất quan trọng mà các nhà sản xuất oto luôn phải giải quyết Họ phải giảm thiểu tối đa hệ số cản của không khí tác dụng lên xe hơi khi chạy

C.1.NHẬN DIỆN VẤN ĐỀ KHÍ ĐỘNG HỌC

C.1.1.LỰC CẢN

Chúng ta phải nhắc đến hệ số cản Hệ số cản Cd là một thông số phụ thuộc vào diện tích cản chính diện

Cd = D / (A * 5 * r * V^2)

Với D là lực cản khi xe di chuyển trong môi trường

A là diện tích tiếp xúc của xe đối với không khí

r là độ đặc của môi trường

V là vận tốc của xe đối với môi trường

 D=Cd*A * 5 * r * V^2

Vậy để giảm lực cản thì ta có thể giảm tiết diện tiếp xúc của xe

đối với không khí

C.1.2.LỰC NÂNG

Theo nguyên lý Bernoulli, sự chênh lệch về vận tốc sẽ làm phát sinh một lưới áp lực ngược tác dụng lên

bề mặt trên của xe và người ta gọi nó là lực nâng

Cũng giống như lực cản, lực nâng tỷ lệ với diện tích (nhưng nay không phải là diện tích cản chính diện

mà là diện tích bề mặt), dạng hình học của xe, tốc độ và hệ số lực nâng (được xác định tuỳ thuộc vào dạng hình học của ô tô) Ở tốc độ cao, lực nâng

có thể đủ lớn làm cho xe của bạn mất ổn

định Lực nâng đặc biệt quan trọng ở đuôi

xe, bạn dễ dàng nhận thấy được điều này,

do tồn tại một vùng áp suất thấp phía sau

kính chắn hậu, nếu lực nâng phía sau

không được khử một cách hiệu quả, hai

bánh sau sẽ dễ dàng bị trượt, và điều này

là cực kì nguy hiểm nếu xe chạy ở tốc độ

khoảng 250 km/h