NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ VÀNH BẢO VỆ TỚI LỰC ĐẨY SINH RA BỞI CÁNH QUẠT SỬ DỤNG CHO UAV NHIỀU CHONG CHÓNG MANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGUYỄN THÀNH LONG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THÀNH LONG KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ VÀNH BẢO VỆ TỚI LỰC ĐẨY SINH RA BỞI CÁNH QUẠT SỬ DỤNG CHO UAV NHIỀU CHONG CHÓNG MANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THÀNH LONG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ VÀNH BẢO VỆ TỚI LỰC ĐẨY SINH RA BỞI CÁNH QUẠT SỬ DỤNG CHO UAV NHIỀU CHONG CHÓNG MANG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ THỊ TUYẾT NHUNG HÀ NỘI – 2019 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Thành Long Đề tài luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vành bảo vệ tới lực đẩy sinh bởi cánh quạt sử dụng cho UAV nhiều chong chóng mang Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số HV: CBC18006 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày …/…/… với các nội dung sau: - Đánh số thứ tự, lề cho tất cả các công thức luận văn - Bổ sung trích dẫn tài liệu tham khảo - Việt hóa tất cả các thuật ngữ, cụm từ tiếng anh luận văn - Viết lại mục kết luận Ngày tháng năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Lê Thị Tuyết Nhung Nguyễn Thành Long CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CAM ĐOAN Tôi – Nguyễn Thành Long, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí Động lực khóa CLC2018B Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Lê Thị Tuyết Nhung – Viện Cơ khí Động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả nêu luận văn trung thực chưa được công bớ công trình khác Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả Nguyễn Thành Long Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của luận văn tốt nghiệp cho phép bảo vệ: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Giảng viên hướng dẫn TS Lê Thị Tuyết Nhung MỤC LỤC TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN iii DANH MỤC HÌNH ẢNH iii DANH MỤC BẢNG vi KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT vii LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ MULTIROTORS 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Giới thiệu về UAVs Multirotors 1.3 Nhu cầu cần tăng hiệu suất bay treo sử dụng vành bảo vệ của multirotor CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Xác định đại lượng dùng để so sánh hiệu suất: 2.1.2 Lý giải dùng vành bảo vệ có tiềm giúp tăng hiệu suất của rotor: 12 2.1.2 Lý thuyết động lượng: 14 2.2 Các nghiên cứu trước .19 2.2.1 Nghiên cứu thực nghiệm: 19 2.2.2 Mô số: 23 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG SỐ CHO TRƯỜNG HỢP CÁNH INCH VÀ CÁNH 15 INCH 27 3.1 Bài toán mô 27 3.1.1 Lý thuyết về học chất lưu: 27 i 3.1.2 Mơ hình SST k-ω: 30 3.1.3 Định lý lớp biên: 31 3.1.4 Mô sử dụng ANSYS FLUENT: 32 3.2 Kết quả mô cánh inch .37 3.2.1 Lực đẩy (g): 37 3.2.2 Công suất (W): 40 3.2.3 Hiệu suất (Power Loading): .44 3.2.4 Thay đổi khe hở cánh vành: 44 3.3 Kết quả mô cánh 15 inch 45 3.3.1 Lực đẩy (g): 47 3.3.2 Công suất (W): 48 3.3.3 Hiệu suất (Power Loading): 48 KẾT LUẬN .50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: RQ-1 UAV Hình 1.2: Raven X-8 UAV Hình 1.3: MQ-8C UAV .3 Hình 1.4: Octocopter drone Hình 1.5: SmartBird-FESTO Hình 1.6: LEFLY F6 Hình 1.7: Veronte VTOL Hình 1.8: Terra Hawk-CW30 Hình 1.9: Mapping Hình 1.10: Truyền hình .6 Hình 1.11: Hỗ trỡ cứu hộ Hình 1.12: Giao hàng Hình 1.13: Quân sự .6 Hình 1.14: Nông nghiệp Hình 1.15: Multirotor va chạm với thân .8 Hình 1.16: Quadcopter bị gãy cánh quạt .8 Hình 1.17: Ca sĩ Enrique Iglesias bị thương drone Hình 1.18: Quadrotor được trang bị vành bảo vệ .8 Hình 2.1: Vành bảo vệ giúp tăng hiệu suất rotor 12 Hình 2.2: Dịng khí gây tổn hao công suất trên máy bay cánh 13 iii Hình 2.3: Rotor không vành 14 Hình 2.4: Rotor có vành 14 Hình 2.5: Thông sớ hình học của vành .19 Hình 2.6: Lắp đặt thực nghiệm 21 Hình 2.7: Kết quả thực nghiệm lực đẩy của rotor có vành không vành .22 Hình 2.8: Kết quả thực nghiệm công suất của rotor có vành không vành 22 Hình 2.9: Kết quả thực nghiệm Power Loading của rotor có vành không vành 23 Hình 2.10: Lực đẩy của rotor không có vành 24 Hình 2.11: Công suất của rotor không có vành .24 Hình 2.12: Lực đẩy của rotor có vành .25 Hình 2.13: Công suất của rotor có vành 25 Hình 3.1: Giá trị vận tớc tức thời trung bình 29 Hình 3.2: Mơ hình SST k-omega 31 Hình 3.3: Law of wall .31 Hình 3.4: Hình học vành cánh rotor .32 Hình 3.5: Miền nhỏ chưa cánh vành 32 Hình 3.6: Miền lớn 33 Hình 3.7: Kích thước miền dòng chảy 33 Hình 3.8: Lưới miền rotation 34 Hình 3.9: Lưới miền stationary 34 Hình 10: Dùng lưới polyhedral FLUENT 34 iv Hình 11: Giá trị y+ trên cánh vành 35 Hình 12: Phân bố áp suất 36 Hình 3.13: Đường dòng của rotor không vành 36 Hình 3.14: Đường dịng của rotor có vành 37 Hình 3.15: Đồ thị lực đẩy rotor inch 38 Hình 3.16: Đồ thị so sánh lực đẩy roto inch có vành .40 Hình 3.17: Công suất của rotor inch 41 Hình 3.18: Đồ thị công suất của rotor inch 41 Hình 3.19: Đồ thị công suất rotor inch không vành .42 Hình 3.20: Công suất của rotor inch có vành 42 Hình 21: Đồ thị công suất rotor inch có vành 43 Hình 3.22: Power Loading ở hai cấu hình dùng mô 44 Hình 3.23: Hệ sớ lực nâng trên cánh thay đổi khe hở 45 Hình 3.24: Hệ sớ lực nâng trên vành thay đổi khe hở 45 v Hình 3.14: Đường dịng rotor có vành Nhận xét: Với diffuser của rotor có vành, dịng khí sau qua rotor bị hạn chế sự co hẹp, dịng khí bám vào mặt của diffuser 3.2 Kết mô cánh inch 3.2.1 Lực đẩy (g): Tốc độ Lực đẩy (g) quay (Rotor (Vịng/phút) khơng vành) 1500 39.98 Lực đẩy (g) (Rotor có vành) % tăng thêm 47.80 19.57 1750 55.01 65.84 19.69 2000 72.41 86.71 19.75 2250 92.27 111.15 20.46 2500 114.57 137.67 20.16 2750 139.30 166.35 19.41 3000 166.51 199.43 19.77 3250 196.16 234.44 19.51 3500 228.24 275.36 20.65 Bảng 3.5: Kết mô lực đẩy rotor inch hai cấu hình khơng vành có vành 37 Hình 3.15: Đồ thị kết mô lực đẩy rotor inch hai cấu hình khơng vành có vành So sánh với thực nghiệm: Tốc độ quay (Vòng/phút) 1498 2259 2532 2755 2962 3197 3388 Lực đẩy sinh (g) (Thực nghiệm) 44.70 99.94 123.62 144.59 167.47 191.99 216.79 Lực đẩy sinh (g) % Sai số (Mô phỏng) 39.98 -10.56 92.27 -7.67 117.69 -4.8 139.30 -3.66 162.2 -3.1 189.79 -1.14 213.52 -1.5 Bảng 3.6: So sánh thực nghiệm CFD lực đẩy rotor inch không vành 38 Hình 3.16: Đồ thị so sánh thực nghiệm CFD lực đẩy rotor inch không vành Tốc độ quay Lực đẩy sinh (g) (Vòng/phút) (Thực nghiệm) 1538 55.88 2221 114.14 2516 144.65 2757 171.07 2944 197.51 3145 224.22 3380 258.01 Lực đẩy sinh (g) (Mô phỏng) 51.15 108.56 139.64 166.35 191.63 219.72 253.70 % Sai số -8.47 -4.89 -3.46 -2.76 -2.98 -2.01 -1.67 Bảng 3.7: So sánh thực nghiệm CFD lực đẩy rotor inch có vành 39 Hình 3.17 Đồ thị so sánh thực nghiệm CFD lực đẩy rotor inch có vành Nhận xét: kết mơ thu cánh inch phù hợp với thực nghiệm, lực nâng tăng lên đáng kể lắp thêm vành Lực nâng tăng thêm xấp xỉ 20% tốc độ quay Sai số lớn rotor không vành so sánh với thực nghiệm -10,56% tốc độ quay thấp 1498 rpm Sai số rotor có vành so sánh với thực nghiệm nhỏ 10% tất tốc độ quay 3.2.2 Công suất (W): Tốc độ Công suất (W) Công suất (W) quay Rotor không % Thay đổi Rotor có vành (Vịng/phút) vành 1500 1.32 1.39 5.92 1750 2.09 2.22 6.13 2000 3.13 3.33 6.26 2250 4.47 4.71 5.48 2500 6.14 6.51 6.00 2750 8.18 8.66 5.83 3000 10.64 11.28 5.96 3250 13.56 14.29 5.34 3500 16.97 17.58 3.62 Bảng 3.8: Kết mô công suất rotor inch hai cấu hình khơng vành có vành 40 Hình 3.18: Đồ thị cơng suất rotor inch hai cấu hình khơng vành có vành So sánh với thực nghiệm: Tốc độ quay (Vòng/phút) 1498 2260 2533 2753 2963 3199 3387 Công suất (W) Thực nghiệm 1.44 4.77 6.74 8.52 10.67 13.13 15.72 Công suất (W) % Sai số Mô số 1.32 -8.60 4.47 -6.40 6.38 -5.33 8.18 -3.98 10.25 -3.93 12.92 -1.62 15.38 -2.14 Bảng 3.9: So sánh công suất rotor inch không vành thực nghiệm CFD 41 Hình 3.19: Đồ thị so sánh cơng suất rotor inch không vành thực nghiệm CFD Tốc độ quay (Vòng/phút) 1533.98 2225.54 2518.20 2761.69 2940.37 3148.47 3376.15 Công suất (W) Thực nghiệm 1.55 4.64 6.61 8.78 10.53 12.91 15.95 Công suất (W) Mô số 1.52 4.61 6.70 8.66 10.73 13.12 16.27 % Sai số -2.37 -0.74 1.23 -1.38 1.88 1.68 2.02 Hình 3.20: So sánh cơng suất rotor inch có vành thực nghiệm CFD 42 Hình 3.21: Đồ thị so sánh thực nghiệm CFD cơng suất rotor inch có vành Nhận xét: kết quả mô thu được của cánh inch phù hợp với thực nghiệm, công suất ở cả hai cấu hình gần như ở tớc độ quay, cấu hình lắp thêm vành cao khoảng 5% Sai số lớn ở rotor không vành so sánh với thực nghiệm 8.6% ở tớc độ quay thấp 1498 vịng/phút Sai số ở rotor có vành so sánh với thực nghiệm đều nhỏ 3% ở tất cả tốc độ quay 43 3.2.3 Hiệu suất (Power Loading): Hình 3.22: Hiệu suất hai cấu hình có vành khơng vành dùng mơ Nhận xét: Cấu hình dùng vành cho hiệu suất khí động cao không có vành, xu hướng phù hợp với thực nghiệm mô số nắm bắt được điều Thật ra, dựa vào kết quả mô lực đẩy công suất ta suy được điều 3.2.4 Thay đổi khe hở cánh vành: Thực hiện mô với vành tiêu chuẩn có các thông số như cũ, trừ thông số độ rộng khe hở cánh quạt vành được thay đổi từ 1%Dt đến 11,5% Dt, ta thu được kết quả: 44 Hình 3.23: Hệ số lực nâng cánh Hình 3.24: Hệ số lực nâng vành thay đổi khe hở thay đổi khe hở Nhận xét: khoảng cánh cách khe hở giảm dần, lực nâng trên cánh giảm dần nhưng lực nâng trên vành tăng dần Độ tăng lực nâng trên vành lớn nhiều so với độ giảm lực nâng trên cánh, tổng lực nâng tăng khe hở giảm dần Xu hướng phù hợp với kết quả mô từ nghiên cứu trước [3] 3.3 Kết mô cánh 15 inch Do hướng phát triển cần làm thực nghiệm, nên việc xác định dạng hình học xác của cánh cần thiết Vậy nên em scan 3D cánh APC 15x4, cánh được dùng cho thực nghiệm về sau: 45 Hình 3.25: Cánh APC 15x4 dùng cho thực nghiệm Hình 3.26: Quá trình qt 3D cánh APC 15x4 46 Hình 3.27: File thơ cánh APC 15x4 sau quét Hình 3.28: Hình học cánh APC 15x4 sau tạo surface CATIA 3.3.1 Lực đẩy (g): Tốc độ quay (Vòng/phút) 1000 2000 3000 4000 Lực đẩy sinh (g) Rotor không vành 30.50 130.1 296.48 530.44 Lực đẩy sinh (g) Rotor có vành 32.95 157.58 344.56 580.12 % Tăng thêm 8.05 20.29 16.21 9.36 Bảng 3.10: Kết mô lực đẩy cánh APC 15x4 Nhận xét: Xu hướng lực đẩy cao dùng vành xảy với cánh 15 inch, mức độ tăng lên về lực đẩy khá chênh lệch ở các tốc độ quay khác nhau, cao 20% ở tốc độ 2000 rpm 47 3.3.2 Cơng suất (W): Vận tốc quay (Vịng/phút) 1000 2000 3000 4000 Công suất (W) Rotor không vành 0.69 5.59 18.26 42.76 Cơng suất (W) Rotor có vành % Tăng thêm 0.73 5.89 19.36 44.93 5.62 5.28 6.00 5.04 Bảng 3.11: Kết mô công suất cánh APC 15x4 Nhận xét: Công suất có tăng sử dụng vành ở tất cả các tốc độ quay, nhiên mức tăng nhỏ, xấp xỉ 5% Có thể nói không đổi so với mức độ tăng lên của lực đẩy Vì mà hiệu suất dùng vành tăng lên 3.3.3 Hiệu suất (Power Loading): Vận tốc quay (Vòng/phút) 1000 2000 3000 4000 Hiệu suất (N/W) Rotor không vành 44.08 23.40 16.23 12.40 Hiệu suất (N/W) Rotor có vành % Tăng thêm 45.10 26.73 17.79 12.91 2.30 14.25 9.63 4.11 Bảng 3.12: Kết mô hiệu suất cánh APC 15x4 Hình 3.30 Đồ thị so sánh hiệu suất cho cánh 15 inch ở trường hợp có vành khơng có vành 48 Nhận xét: Như thấy ở hai mục trên, lực đẩy tăng thêm từ 8% đến 20%, đó công suất tăng thêm khoảng 5%, nên ta suy hiệu suất tăng lên Nhưng để chắn, đồ thị hiệu suất cho thấy hiệu suất của rotor dùng vành cao rotor khơng có vành 49 KẾT LUẬN Rõ ràng rotor có vành cho hiệu suất tốt so với rotor không có vành Trong trường hợp cánh inch, điều được thể hiện rõ cả thực nghiệm lẫn mô Với hình dạng vành như được nêu luận văn, lực đẩy sinh tăng lên có thêm lực đẩy tác động lên vành, công suất gần như không đổi, đó hiệu suất được tăng thêm Giá trị công suất 𝐶𝑃 kết quả mô số khớp so với kết quả phân tích Từ kết quả mô đới với cánh inch, tiếp tục thực hiện trình mô cánh 15 inch để dự đoán được sự thay đổi của lực đẩy, công suất hiệu suất của rotor có vành so với trường hợp không vành Đó sở để thực hiện nghiên cứu thực tế Kết quả của toán được rút trường hợp bay treo gió tĩnh Hơn trọng lượng của vành gần như chưa được tính toán đến Nếu trọng lượng của vành đáng kể lớn so với lực đẩy được tạo thêm việc sử dụng vành dĩ nhiên không cịn hiệu quả Có nhiều hình dạng như kích thước vành khác Để tìm hình dạng kích thước vành tới ưu tương lai ta cần làm nhiều các nghiên cứu tính toán như thực nghiệm trên các vành thay đổi các thơng sớ đường kính của vành, độ lớn khe hở hay chiều dài của miệng khuếch Hướng nghiên cứu của luận văn thực hiện thực nghiệm đối với trường hợp cánh 15 inch để kiểm tra kết quả mô có luận văn Cùng với đó, việc thay đổi thêm thông sớ, hình dạng của vành nhằm tạo hiệu suất tốt tiếp tục được nghiên cứu mô Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Lê Thị Tuyết Nhung - người trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn -****** - 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vikram Hrishikeshavan, James Black, Inderjit Chopra, Design and Testing of a Quad Shrouded Rotor Micro Air Vehicle in Hover [2] Jason L Pereira, Inderjit Chopra, Hover Tests of Micro Aerial Vehicle–Scale Shrouded Rotors, Part I: Performance Characteristics, Journal Of The American Helicopter Society 54, 012001 (2009) [3] Vinod K Lakshminarayan, James D Baeder, Computational Investigation of Microscale Shrouded Rotor (2011) [4] Vikram Hrishikeshavan, Jayant Sirohi, Marat Tishchenko, Inderjit Chopra, Design, Development, and Testing of a Shrouded Single-Rotor Micro Air Vehicle with Antitorque, Journal Of The American Helicopter Society 56, 012008 (2011) [5] Hover And Wind-Tunnel Testing Of Shrouded Rotors For Improved Micro Air Vehicle Design, Jason L Pereira, Doctor of Philosophy (2008) [6] J D Anderson, Computational Fluid Dynamics – The basic with applications, McGraw-Hill [7] ANSYS FLUENT Theory Guide [8] Frank M White, Viscous Fluid Flow, 3rd edition, McGrawHill [9] Law of the wall: https://en.wikipedia.org/wiki/Law_of_the_wall 51