Nghiên cứu tương tác khí động lực cánh chính và cánh đuôi ngang có xét đến cân bằng mômen ở chế độ bay bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI VINH BÌNH NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC KHÍ ĐỘNG LỰC CÁNH CHÍNH VÀ CÁNH ĐI NGANG CĨ XÉT ĐẾN CÂN BẰNG MÔMEN Ở CHẾ ĐỘ BAY BẰNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI VINH BÌNH NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC KHÍ ĐỘNG LỰC CÁNH CHÍNH VÀ CÁNH ĐI NGANG CĨ XÉT ĐẾN CÂN BẰNG MƠMEN Ở CHẾ ĐỘ BAY BẰNG Ngành Mã số : Kỹ thuật khí động lực : 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Hồng Thị Bích Ngọc Hà Nội - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu, kết nghiên cứu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng Tác giả Bùi Vinh Bình năm 2019 ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn PGS TS Hồng Thị Bích Ngọc dành nhiều thời gian, cơng sức trí tuệ hướng dẫn, tận tình bảo, động viên giúp đỡ suốt thời gian tác giả thực luận án Tác giả trân trọng cảm ơn thầy cô mơn Máy Tự động thủy khí cho tơi lời khun q báu q trình thực luận án Tác giả trân trọng cảm ơn thầy Viện Cơ khí động lực, Phòng thí nghiệm Bộ mơn Hàng khơng vũ trụ, cán quan quản lý Viện Cơ khí động lực, Phòng Đào tạo tạo điều kiện cho thực học phần luận án tốt Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, người bạn đồng nghiệp động viên, khích lệ tinh thần tạo điều kiện để tơi hồn thành nhiệm vụ Nghiên cứu sinh Bùi Vinh Bình iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.1.1 Nghiên cứu thực nghiệm 1.1.2 Phương pháp số 1.1.2.1 Phương pháp kì dị 1.1.2.2 Phương pháp giải phương trìn 1.1.2.3 Phương pháp giải tốn cân máy bay 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Kết luận chương Chương PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp thực nghiệm 2.1.1 Mô tả thực nghiệm ngun lý đo 2.1.2 Hình dạng, kích thước cánh côn 2.1.3 Đánh giá sai số thực nghiệm 2.2 Phương pháp kì dị 2.3 Phương pháp giải hệ phương trình vi phâ 2.4 Bài tốn cân mômen 2.4.1 Cân mômen chế độ bay 2.4.2 Điểm trung hòa lượng dự trữ ổn 2.5 Kết luận chương iv Chương DÒNG TRONG VẾT SAU CÁNH MƠ HÌNH 3.1 Hiệu ứng chảy vòng mút cánh dòng dạt xuống 3.1.1 Kết thực nghiệm phân bố hệ số áp suất cánh 3.1.2 Kết thực nghiệm phân bố hệ số áp suất tiết diện sát mút cánh 3.1.3 Dòng dạt xuống sau cánh xét mặt đứng y = const 3.1.3.1 Vận tốc dọc vết khí động sau cánh lệch trục vết 3.1.3.2 Góc dòng dạt xuống 3.1.4 Dòng dạt xuống sau cánh xét mặt ngang z = const - Liên hệ dòng dạt xuống xốy mút cánh 3.2 Hiệu ứng thành ống khí động ảnh hưởng đến đặc trưng khí động cánh 3D 3.2.1 Kết thực nghiệm tiết diện sát thành 3.2.2 Kết mơ số 3.3 Góc dòng dạt xuống xác định phương pháp bán giải tích - So sánh với kết số dòng 3D có nhớt 3.3.1 Phương pháp bán giải tích xác định giá trị trung bình góc dòng dạt xuống (phương pháp bán giải tích 1) 3.3.2 Phương pháp bán giải tích xác định góc dòng dạt xuống biến đổi theo phương x phương z (phương pháp bán giải tích 2) 3.4 Kết luận chương Chương KHÍ ĐỘNG LỰC TƯƠNG TÁC CÁNH CHÍNH VÀ CÁNH ĐI NGANG MƠ HÌNH 4.1 Ảnh hưởng dòng dạt sau cánh tới cánh ngang với thay đổi góc tới cánh 4.1.1 Thực nghiệm đo áp suất cánh đuôi ngang chịu ảnh hưởng dòng dạt xuống sau cánh 4.1.2 Dòng sau cánh có mặt cánh ngang 4.2 Ảnh hưởng hệ số dãn dài cánh tới khí động cánh ngang 4.2.1 Kết thực nghiệm đo áp suất cánh đuôi ngang 4.2.2 Kết số góc dòng dạt xuống mặt đứng qua gốc cánh 4.3 Ảnh hưởng khoảng cách hai cánh tới dòng dạt xuống vết khí động cánh v 4.4 Nghiên cứu cánh mũi tên cánh thang xét cánh mơ hình thực nghiệm 4.5 Áp dụng kết nghiên cứu mô hình cho ngun hình 4.5.1 Phân tích thứ ngun tương tự lực mơmen khí động sử dụng định lý Vaschy - Buckingham (định lý Π) 4.5.2 Phân tích thứ nguyên tương tự góc dòng dạt xuống 4.6 Kết luận chương Chương TÍNH TỐN KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỐI VỚI MÁY BAY CĨ XÉT ĐẾN CÂN BẰNG MƠMEN Ở CHẾ ĐỘ BAY BẰNG 5.1 Tính tốn khí động lực tương tác cánh - thân - cánh máy bay mơ hình 5.1.1 Hiệu ứng giao thoa cánh - thân 5.1.1.1 Hình dạng kích thước máy bay mơ hình 5.1.1.2 Hiệu ứng giao thoa cánh - thân 5.1.2 Hiệu ứng giao thoa cánh - thân dòng dạt xuống ảnh hưởng tới khí động lực cánh ngang 5.1.2.1 Hiệu ứng giao thoa cánh - thân ảnh hưởng tới cánh ngang 5.1.2.2 Hiệu ứng dòng dạt xuống sau cánh ảnh hưởng tới cánh ngang 5.2 Tính tốn khí động lực cân mơmen chế độ bay máy bay VNT-680 5.2.1 Tính tốn khí động lực máy bay VNT-680 5.2.2 Tính toán cân máy bay chế độ bay 5.2.2.1 Thay đổi vị trí trọng tâm máy bay phương án thay đổi góc đặt cánh ngang 5.2.2.2 Sự thay đổi vị trí theo phương đứng, diện tích cánh ngang phương án thay đổi góc đặt cánh đuôi ngang 5.3 Kết luận chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu liên quan đến tốn khí động b c( CL S c ) D H CL0 H CLα Đ CD H CD0 H Cp H D L Di L Dprofile L Dp L Df L g I G T k Đ L L M∞ S p Á p∞ Á S V∞ D V u, v, w, T vθ V i (iw, iH) G α G αw , α G ε G λ G λLE, λTE G Λ H [49] Ngọc Anh Tuấn (2000), “Nghiên cứu đặc tính khí động cánh quay hai tầng đồng trục trực thăng”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật [50] Trần Duy Duyên (2017), “Nghiên cứu biện pháp nâng cao đặc tính khí động cánh máy bay khơng người lái”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật [51] Tơ Hồng Tùng (2016), “Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp Việt Nam”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật khí động lực [52] Thái Dỗn Tường (2007), “Xây dựng mơ hình tương tác khí động hai khí cụ bay giai đoạn tách khỏi nhau”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật [53] Nguyễn Hồng Sơn (2014), “Tính tốn số lực khí động cánh 3D xét đến hiệu ứng đàn hồi”, Luận án tiến sĩ học [54] Nguyễn Đức Cương, Phan Văn Chương, Hoàng Anh Tú (2012), “Ứng dụng điều khiển mờ cho máy bay không người lái cỡ nhỏ”, Tuyển tập Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ (VCM2012), Đại học Quốc gia Hà Nội, pp 495-501 [55] C Edward Lana, WU Kaiyuanb, YU Jiang (2012), “Flight characteristics analysis based on qar data of a jet transport during landing at a high-altitude airport”, Chinese Journal of Aeronautics, Vol.25, pp 13-24 [56] Pham Thanh Dong, Nguyen Anh Tuan, Dang Ngoc Thanh, Pham Vu Uy (2018), “Numerical method to study helicopter main rotor-fuselage aerodynamic interaction”, International Conference of Fluid Machinery and Automation Systems (ICFMAS2018), pp 172-179 [57] Hồng Thị Bích Ngọc, Nguyễn Mạnh Hưng, Nguyễn Thế Mịch (2010), “Xác định vận tốc dòng profil cánh phương pháp đo laser”, Tuyển tập Báo cáo khoa học Hội nghị Khoa học Kỹ thuật Đo lường toàn quốc lần thứ V, pp 438-448 [58] Catalog “Digital manometer: Highly precise digital pressure gauge with full 4-digit wide display”, COSMO Instruments Co.Ltd [59] Catalog (2015) “マ マ マ マ マ マ マ マ マ マ マ マ マ マ NR - 600/500 マ マ マ マ” (Multi input data collection system NR -600/500 Series) ”, KEYENCE Corporation [60] Jan Roskam, C T Lan (1997), “Airplane aerodynamics and performance”, DARcorporation [61] John R Taylor (1997), “An introduction to error analysis: The study of uncertainties in physical measurements”, University Science Books, nd Edition [62] Philip Bevington, D Keith Robinson (2002), “Data reduction and error rd analysis for the physical sciences”, McGraw-Hill Education, Edition [63] John Mandel (1964), “The statistical analysis of experimental data”, John Wiley & Sons, Inc 127 [64] Frederick J Gravetter, Larry B Wallnau (2010), “Essentials of statistics th for the behavioral sciences”, Cengage Learning, Edition [65] R Bleischwitz, R de Kat y , B Ganapathisubramani (2016), “Aeromechanics of membrane and rigid wings in and out of ground-effect at moderate Reynolds Numbers”, Journal of Fluids and Structures, Vol.62, pp 318-331 [66] Derrick Yeo, Ella M Atkins, Luis P Bernal (2015), “Fixed-wing unmanned aircraft in-flight pitch and yaw control moment sensing”, Journal of Aircraft, Vol.52, No.2, pp 403-420 [67] Goran Ocokoljić, Dijana Damljanović, Đorđe Vuković, Boško Rašuo (2018), “Contemporary frame of measurement and assessment of wind-tunnel flow quality in a low-speed facility”, Faculty of Mechanical Engineering Transactions, Vol.46, Iss.4, pp 429-442 [68] F W Riegels (1961), “Aerofoil sections”, London Butterworths [69] Gary A Flandro, Howard M McMahon , Robert L Roach (2011), “Basic Aerodynamics: Incompressible flow”, Cambridge University Press [70] Tapan K Sengupta (2015), “Theoretical and computational aerodynamics”, Wiley [71] Hoàng Thị Bích Ngọc (2012), “Máy thủy khí cánh dẫn: Bơm ly tâm bơm hướng trục, lý thuyết - tính toán - thiết kế”, NXB Khoa học Kỹ thuật [72] Hồng Thị Bích Ngọc (2004), “Lý thuyết lớp biên phương pháp tính”, NXB Khoa Học Kỹ Thuật nd [73] Katate Masatsuka (2013), “I like CFD”, Lulu.com, Edition [74] Iskandar Shah Ishak, Shabudin Mat, Tholudin Mat Lazim, Mohd Khir Muhammad, Shuhaimi Mansor, Mohd Zailani Awang (2006), “Estimation of aerodynamic characteristics of a light aircraft”, Jurnal Mekanikal, No.22, pp 64-74 [75] Eslam Said Abdelghany, Essam E Khalil, Osama E Abdellatif, Gamal elhariry (2016), “Air craft winglet design and performance: cant angle effect”, 14th International Energy Conversion Engineering Conference, AIAA Propulsion and Energy Forum, Salt Lake City, Utah, United States [76] Jan Roskam (2001), “Airplane flight dynamics and automatic flight control”, rd Design, AIlalysis and Research Corporation (DARcorporation), Part I, Edition [77] Louis V Schmidt (1998), “Introduction to aircraft flight dynamics”, AIAA (American Institute of Aeronautics & Astronautics) [78] Nguyễn Xuân Hùng (2004), “Động lực học ổn định máy bay”, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội 128 [79] David G Hull (2007), “Fundamentals of airplane flight mechanic”, Springer-Verlag Berlin Heidelberg [80] Barnes W McCormick (1994), “Aerodynamics, Aeronautics, and Flight nd Mechanics”, John Wiley & Sons, Inc., Edition [81] Jason Gibbs (2005), “Experimental determination of lift and lift distributions for wings in formation flight”, Master Thesis [82] Gautham Narayan, Bibin John (2016), “Effect of winglets induced tip vortex structure on the performance of subsonic wings”, Aerospace Science and Technology, Vol.58, pp 328-340 [83] Roeland de Kat, Robert Bleischwitz (2016), “Towards instantaneous lift and drag from stereo-PIV wake measurements”, 18th International Symposium on the Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal [84] Vernon J Rossow (1995), “Validation of vortex-lattice method for loads on wings in lift-generated wakes”, Journal of Aircraft, Vol.32, No.6, pp 1254-1262 [85] Suvanjan Bhattacharyya, Swagata Shannigrahi, Shramona Chakraborty, Sushovan Chatterjee, Ahiry Ghosal (2014), “Investigation of drag and lift force on an airfoil shaped body at different angles”, International Journal of Mechanical And Production Engineering, Vol.2, No.8, pp 128-131 [86] Shane M Schouten, William S Saric (2012), “Complete computational fluid dynamics analysis of velocity XL with flight-test verification”, Journal of Aircraft, Vol.49, No.5, pp 1356-1366 [87] E.L Houghton, P.W Carpenter, Steven H Collicott, Daniel T Valentine (2013), th “Aerodynamics for engineering students”, Elsevier, Ltd., Edition [88] Bin Zhang, Qing Tang, Li-ping Chen, Min Xu (2016), “Numerical simulation of wake vortices of crop spraying aircraft close to the ground”, Biosystems Engineering, Vol.145, pp 52-64 [89] C M Velte, M O L Hansen, D Cavar (2008), “Flow analysis of vortex generators on wing sections by stereoscopic particle image velocimetry measurements”, Environmental Research Letters, Vol.3, Iss.1, pp 1-11 [90] P Panagiotou, P Kaparos, K Yakinthos (2014), “Winglet design and optimization for a MALE UAV using CFD”, Aerospace Science and Technology, Vol.39, pp 190-205 [91] J E Hackett, K R Cooper, M L Perry (2000), “Drag, lift and pitching moment increments due to wind tunnel wall constraint: extension to three dimensions”, International Council of the Aeronautical Science [92] G Lombardi, M.V Salvetti, M Morelli (2001), “Correction of the wall interference effects in wind tunnel experiments”, Vol.30, Iss.10, pp 75-84 129 [93] Ngoc T B Hoang (2018), “Computational investigation of variation in wing aerodynamic load under effect of aeroelastic deformations”, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol.32, Iss.10, pp 4665-4673 [94] Dr Robert C Nelson (1998), “Flight stability and automatic control”, WCB/McGraw Hill, nd Edition [95] Колесников Г.А., Марков В.К., Михайлюк А.А и др (1993), “Аэродинамика летательных аппаратов”, Машиностроение [96] Dennis Keller (2014), “Numerical approach aspects for the investigation of the longitudinal static stability of a transport aircraft with circulation control”, New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics IX Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design (NNFM), Vol.124 [97] Hồng Thị Bích Ngọc (2000), “Lý thuyết thứ ngun tương tự”, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [98] Mohammad Hossein Giahi, Ali Jafarian Dehkordi (2016), “Investigating the influence of dimensional scaling on aerodynamic characteristics of wind turbine using CFD simulation”, Renewable Energy, Vol.97, pp 162-168 [99] John D Anderson, Jr (2016), “Fundamentals of aerodynamics”, th McGraw-Hill Education, Edition [100] Mohammad H Sadraey (2013), “Aircraft design”, John Wiley & Sons, Ltd [101] Jitendra R Raol, Jatinder Singh (2008), “Flight mechanics Modeling and analysis”, CRC Press [102] Nguyễn Đức Cương, Hồng Anh Tú (2011), “Tính tốn chuyển động máy bay khơng người lái phóng từ dàn phóng”, Tuyển tập cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí Tồn quốc năm 2011, pp 41-48 130 PHỤ LỤC Sơ đồ bước giải tốn khí động Ansys Fluent: Chia mềm Ansys Meshing Khơng Hội tụ Có Phân tích liệu Kết thúc Hình PL.1 Sơ đồ bước giải tốn khí động Ansys Fluent Trong bước sơ đồ hình PL.1, chia lưới bước khó khăn, cơng phu tốn nhiều thời gian Lưới cánh mơ hình thực nghiệm thực phần mềm Gambit Lưới mô hình máy bay (mơ hình kiểm chứng với thực nghiệm NASA mơ hình máy bay khơng người lái) thực mơ đun Ansys Meshing Độ xác kết mô sau bước lặp thể qua độ hội tụ phương trình chuyển động giá trị hệ số khí động Các phần dư (residuals) phương trình nhỏ kết đáng tin cậy Phần dư -4 phương trình liên tục (khó hội tụ nhất) cần đạt đến 10 nhỏ hơn, kết hợp với độ -4 hội tụ hệ số khí động (nhỏ 10 ) điều kiện hội tụ trình lặp 131 PHỤ LỤC Đánh giá độ tin cậy kết thực nghiệm TD.1 hình 4.3 (a)(b) Hàng (c1) (c2) (d1) (d2) (e1) (e2) Hình PL.2 Độ tin cậy kết đo (a) Vị trí TD.1 cánh ngang; (b) Giá trị trung bình thực lỗi o lỗ phía bụng TD.1 cánh ngang (cánh Naca 4412 αw = ); (c1), (d1), (e1) Miền phân tán hệ số phân tán lỗ 8, 9, 10; (c2), (d2), (e2) Giá trị tức thời 30.000 liệu đo 132 Đánh giá độ tin cậy kết thực nghiệm TD.2 hình 4.3 (a)(b) Hàng (c1) (c2) (d1) (d2) (e1) (e2) Hình PL.3 Độ tin cậy kết đo (a) Vị trí TD.2 cánh ngang; (b) Giá trị trung bình thực lỗi lỗ phía bụng TD.2 cánh ngang (cánh Naca 4412 o αw = ); (c1), (d1), (e1) Miền phân tán hệ số phân tán lỗ 8, 9, 10; (c2), (d2), (e2) Giá trị tức thời 30.000 liệu đo 133 Đánh giá độ tin cậy kết thực nghiệm TD.3 hình 4.3 (a)(b) Hàng (c1) (c2) (d1) (d2) (e1) (e2) Hình PL.4 Độ tin cậy kết đo (a) Vị trí TD.3 cánh ngang; (b) Giá trị trung bình thực lỗi lỗ phía bụng TD.3 cánh ngang (cánh Naca 4412 o αw = ); (c1), (d1), (e1) Miền phân tán hệ số phân tán lỗ 8, 9, 10; (c2), (d2), (e2) Giá trị tức thời 30.000 liệu đo 134 Đánh giá độ tin cậy kết thực nghiệm TD.1 hình 4.4 (a)(b) Hàng (c1) (c2) (d1) (d2) (e1) (e2) Hình PL.5 Độ tin cậy kết đo (a) Vị trí TD.1 cánh ngang; (b) Giá trị trung bình thực lỗi lỗ phía bụng TD.1 cánh ngang (cánh Naca 0012 o αw = ); (c1), (d1), (e1) Miền phân tán hệ số phân tán lỗ 8, 9, 10; (c2), (d2), (e2) Giá trị tức thời 30.000 liệu đo 135 PHỤ LỤC Bảng PL.1 Thông số máy bay IAI Heron (Israel Aerospace Industries (IAI)) (nguồn: Internet) Thông số Khối lượng Vận tốc bay Độ cao bay Sải cánh Diện tích cánh Sải cánh ngang Diện tích cánh ngang Khoảng cách cánh Hình PL.6 Máy bay không người lái IAI Heron (nguồn: Internet) cánh đuôi ngang Bảng PL.2 Thông số máy bay VNT-680 Thông số Khối lượng Vận tốc bay Độ cao bay Sải cánh Diện tích cánh Sải cánh ngang Hình PL.7 Máy bay khơng người lái VNT-680 (luận án nghiên cứu) Diện tích cánh ngang Khoảng cách cánh cánh ngang 136 ... độ bay máy bay VNT-680 5.2.1 Tính tốn khí động lực máy bay VNT-680 5.2.2 Tính tốn cân máy bay chế độ bay 5.2.2.1 Thay đổi vị trí trọng tâm máy bay phương án thay đổi góc đặt cánh ngang 5.2.2.2... độ bay ổn lập (khơng có điều khiển, tốc độ bay hướng bay khơng đổi) Cấu hình khí động cánh thân máy bay giữ nguyên, thay đổi xét cánh ngang Tính tốn cho phép nhận kết trạng thái cân mômen máy bay. .. cánh ngang gây nên thay đổi lớn mômen chúc ngóc máy bay Việc xác định xác lực khí động cánh ngang cần thiết, nhiệm vụ khó khăn Để thấy vai trò quan trọng cánh ngang ứng dụng thiết kế máy bay,