Nghiên cứu ảnh hưởng của rối dòng vào đến cuộn xoáy trên cánh delta

Nghiên cứu ảnh hưởng của rối dòng vào đến cuộn xoáy trên cánh delta Nghiên cứu ảnh hưởng của rối dòng vào đến cuộn xoáy trên cánh delta Nghiên cứu ảnh hưởng của rối dòng vào đến cuộn xoáy trên cánh delta luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

NGUYỄN VĂN KHANG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN KHANG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA RỐI DỊNG VÀO ĐẾN CUỘN XỐY TRÊN CÁNH DELTA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC KHỐ 2017-2018 Hà Nội – Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN KHANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA RỐI DỊNG VÀO ĐẾN CUỘN XỐY TRÊN CÁNH DELTA 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 : PGS TS NGUYỄN PHÚ KHÁNH Hà Nội – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN CỦA HỌC VIÊN Tôi – Nguyễn Văn Khang – Cam kết Luận văn Thạc sỹ khoa học công trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Phú Khánh Các kết nêu Luận văn Thạc sỹ trung thực, chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả ĐATN Nguyễn Văn Khang XÁC NHẬN CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn PGS TS NGUYỄN PHÚ KHÁNH LỜI NÓI ĐẦU Lĩnh vực hàng không vũ trụ ngày thể vai trị tầm quan trọng phát triền kinh tế sức mạnh quân quốc gia, phát triển chắp cánh cho ước mơ chinh phục vũ trụ lồi người Vì vậy, hoạt động nghiên cứu lĩnh vực ngày trú trọng hết Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng rối dịng vào đến cuộn xốy cánh delta”, đề tài nghiên cứu nhiều, có vai trò đặc biệt quan trọng lĩnh vực quân sự, vấn đề quan trọng vật thể bay dạng cánh Delta Luận văn cho thấy ảnh hưởng rõ rệt rối dịng vào đến cuộn xốy cánh Delta, điều ảnh hưởng đến điều khiển độ linh động vật thể bay dạng cánh Delta, bên cạnh luận văn cịn nghiên cứu ảnh hưởng tỷ số thon đến đặc tính khí động cánh Delta, phương pháp mô số sử dụng phần mềm mô CFD ANSYS Fluent chọn để giải toán Với kiến thức kinh nghiệm nghiên cứu hạn chế, em mong nhận ý kiến đóng góp thầy cô Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tồn thể giảng viên thuộc Viện Cơ khí Động lực, trường đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt PGS.TS Nguyễn Phú Khánh, PGS TS Hoàng Thị Kim Dung tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức động viên, giúp đỡ em suốt thời gian hoàn thành đề tài Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Lịch sử nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng phạm vi nghiên cứu Tóm tắt đọng luận điểm đóng góp tác giả .5 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CÁNH DELTA 1.1 Lịch sử hình thành phát triển cánh Delta .6 1.2 Đặc điểm cánh Delta 1.3 Sự hình thành lực nâng cánh Delta 1.4 Xoáy cánh Delta 11 CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT DÒNG CHẢY RỐI 13 2.1 Khái niệm dòng chảy rối 13 2.2 Các đặc tính dòng chảy rối 14 2.2.1 Mạch động lưu tốc .16 2.2.2 Cường độ mạch động 17 2.3 Hệ phương trình Reynolds Average Navier – Stockes tính tốn thủy động lực học chất lưu 17 CHƯƠNG III: MƠ PHỎNG BÀI TỐN .19 3.1 Đối tượng nghiên cứu 19 3.2 Phương pháp mô .20 3.2.1 Mô hình rối Transition (γ-𝑅𝑒𝛳) SST 20 3.2.2 Lưới mô 22 3.2.3 Tìm hiểu số y+ 29 3.3 Quy trình mơ 31 3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng rối dòng vào đến cánh Delta 32 3.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ số thon đến cánh Delta 35 3.4 Kết nhận xét 37 3.4.1 Ảnh hưởng rối dòng vào đến cánh Delta .37 3.4.2 Ảnh hưởng tỷ số thon đến cánh Delta 42 CHƯƠNG IV: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50 4.1 Tổng kết .50 4.2 Hướng phát triển 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC .55 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Cr [m] Chiều dài dây cung gốc cánh Ct [m] Chiều dài dây cung gốc đầu cánh b [m] Chiều dài sải cánh λ [-] Tỷ số thon AR [-] Tỷ số dạng Λ [ᴼ] Góc quét ngược 𝐶𝐿,𝑝 [-] Hệ số lực nâng 𝐶𝐿,𝑣 [-] Hệ số lực nâng sinh cuộn xoáy 𝐾𝑝 [-] Hằng số xác định hệ số 𝐶𝐿,𝑝 𝐾𝑣 [-] Hằng số xác định hệ số 𝐶𝐿,𝑣 Re [-] Số Reynolds ρ [kg/m3] u [m/s] l [m] µ [kgm-1s-1] υ [m2/s] I [%] σ [m/s] Cường độ mạch động h [mm] Chiều dày cánh k [-] Động rối 𝜔 [-] Hệ số tiêu tán rối 𝛤𝑘 , 𝛤𝜔 [-] Đại lượng khuếch tán 𝑆𝑘 , 𝑆𝜔 [-] Đại lượng nguồn 𝑦+ [-] Chỉ số khơng thứ ngun 𝑦 + [ᴼ] Góc 𝜶 Ý nghĩa Khối lượng riêng chất lưu Vận tốc dòng chảy Độ dài dặc trưng dòng chảy Độ nhớt động lực học môi trường Độ nhớt động học mơi trường Cường độ rối Danh mục hình ảnh Hình 1.1 Mẫu Convair F-102 Delta Dagger Hoa Kỳ [19] Hình 1.2 Máy bay Thành đô J – 20 Trung Quốc sản xuất [20] Hình 1.3 Máy bay Sukhoi PAK FA Nga sản xuất [21] .7 Hình 1.4 Lockheed Martin F-22 Raptor Hoa Kỳ sản xuất [22] Hình 1.5 Mẫu cánh Delta Hình 1.6 Lực nâng cánh Delta [23] 10 Hình 1.7 𝐾𝑝 theo tỷ số dạng [23] .10 Hình 1.8 𝐾𝑣 theo tỷ số dạng [23] 11 Hình 1.9 Xoáy cánh Delta [24] 12 Hình 1.10 Các vùng xốy cánh Delta [25] 12 Hình 2.1 Vận tốc tức thời dịng chảy rối 16 Hình 3.1 Hai loại lưới 2D .22 Hình 3.2 Một số loại lưới 3D .23 Hình 3.3 Lưới cấu trúc 24 Hình 3.4 Lưới phi cấu trúc 25 Hình 3.5 Skewness lưới tam giác tứ giác .26 Hình 3.6 Cách tính Aspect ratio cho phần tử lập phương 27 Hình 3.7 Các vector để tính số orthogonal quality cho phần tử lưới 28 Hình 3.8 Các vector để tính số orthogonal quality cho mặt .29 Hình 3.9 Phân chia vùng lớp biên theo số 𝑦 +[26] 30 Hình 3.10 Kích thước cánh Delta [11] .32 Hình 3.11 Các mơ hình lưới tạo rối (a) - L – Grid, (b) - M – Grid, (c) – S – Grid [18] 32 Hình 3.12 Miền tính tốn 33 Hình 3.13 Mơ hình lưới phần lưới tạo rối 33 Hình 3.14 Mơ hình lưới phần cánh Delta .34 Hình 3.15 Mơ hình lưới tồn miền 34 Hình 3.16 Cánh Delta với tỷ số thon a, b, c, d, e, f, g 35 Hình 3.17 Mơ hình lưới cánh Delta chia ICEM .36 Hình 3.18 Phân bố vận tốc dòng trường hợp lưới a, b, c 37 Hình 3.19 Phân bố áp suất mặt cánh Delta theo trường hợp không lưới, lưới nhỏ, lưới trung bình, lưới to góc 𝜶 = 20ᴼ 38 Hình 3.20 Vị trị mặt cắt y/𝑐𝑟 = 0.6 39 Hình 3.21 Đồ thị phân bố áp suất đường bao y/𝑐𝑟 = 0.6 39 Hình 3.22 Đồ thị hệ số lực nâng theo góc trường hợp lưới 40 Hình 3.23 Đồ thị hệ số lực cản theo góc trường hợp lưới 41 Hình 3.24 Đường dịng cánh Delta (λ = 0.3) theo góc 43 Hình 3.25 Phân bố Vector vận tốc mặt cắt y/𝑐𝑟 = 0.2 trường hợp λ = 0.3 45 Hình 3.26 Đồ thị phân bố áp suất đường bao y/𝑐𝑟 = 0.75 góc 25ᴼ 46 Hình 3.27 Đồ thị hệ số lực nâng theo góc với tỷ số thon khác 47 Hình 3.28 Đồ thị hệ số lực cản theo góc với tỷ số thon khác .48 Danh mục bảng Bảng 3.1 Thơng số mơ hình lưới 20 Bảng 3.2 Bảng giá trị skewness .26 Bảng 3.3 Số phần tử lưới với trường hợp lưới tạo rối khác 34 Bảng 3.4 Tiết diện cánh Delta theo tỷ số dạng 36 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, chiến không ngày trở nên quan trọng, việc chiếm quyền kiểm soát khơng phận mà ưu tiên hàng đầu Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển mẫu máy bay hoạt động tốc độ cao có khả linh hoạt tác chiến tốt ln trú trọng đặt lên hàng đầu Trong phát triển hệ máy bay gần đây, máy bay có dạng cánh Delta ln tập trung nghiên cứu trú trọng phát triển nhiều Hiện nhà nghiên cứu ngày đêm tìm cách để nâng cao hiệu suất, tầm hoạt động, vần đề liên quan đến động cơ, khả tác chiến, khả tàng hình máy bay Muốn làm điều đó, phải hiểu đề cốt lõi phát triển động cơ, hình thành lực khí động, hình dáng khí động để kiểm sốt tối ưu đặc tính Trong năm gần đây, mơn hàng không trường Đại học Bách Khoa hà Nội, PGS TS Nguyễn Phú Khánh PGS TS Hoàng Thị Kim Dung có nhiều nghiên cứu ảnh hưởng dịng rối đến đặc tính cánh Delta, để tiếp nối nghiên cứu trước luận văn này, em nghiên cứu ảnh hưởng nhiễu loạn hay rối dịng vào đến việc hình thành cuộn xốy cánh Delta Hơn có số nghiên cứu liên quan đến vấn đề ảnh hưởng tỷ số thon đến đặc tính khí động cánh Delta nhiên nghiên cứu tiến hành theo phương pháp thực nghiệm[11] nên luận văn em nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng cánh Delta với tỷ số thon khác đến đặc tính khí động để từ đưa so sánh định tính so với nghiên cứu phương pháp thực nghiệm qua đánh giá kết luận Lịch sử nghiên cứu Trước đây, hầu hết cánh máy bay truyền thống dựa sở mặt cắt airfoil, cánh loại có lợi tạo lực cản thấp khả ổn định cao [1] Tuy nhiên, từ chiến thứ II, nhu cầu việc tăng tốc độ độ động, linh hoạt Trang Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực CHƯƠNG IV: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Tổng kết Bằng việc áp dụng phương pháp mơ số, em mơ hình hóa giải hai vấn đề liên quan đến cánh Delta Vấn đề thứ nhất, nghiên cứu ảnh hưởng rối dịng vào đến đặc tính khí động cánh Delta Vấn đề thứ hai, nghiên cứu ảnh hưởng tỷ số thon đến đặc tính khí động cánh Delta Về khía cạnh phần mềm mơ phỏng, em kiểm soát tốt yếu tố ảnh hưởng tới kết tốn việc chia lưới, chọn mơ hình tính tốn rời rạc hóa cho tốn mơ để mang lại kết với độ xác tốt Với kết nghiên cứu thu cho thấy rõ ảnh hưởng nhiễu loạn dòng vào tỷ số thon đến đặc tính khí động cánh Delta Từ em đưa số kết luận sau: Nghiên cứu ảnh hưởng rối dòng vào  Tác động rối dòng vào xảy mạnh đến đặc tính khí động cánh Delta góc trung bình (20ᴼ - 35ᴼ)  Sự thay đổi rối dịng vào ảnh hưởng khơng đáng kể đến thay đổi góc thất tốc  Cường độ rối dịng vào ảnh hưởng đến kích thước cuộn xoáy cánh Delta  Giá trị hệ số lực nâng, lực cản phụ thuộc vào thay đổi cường độ rối dòng vào Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ số thon  Tỷ số thon ảnh hưởng lớn đến đặc tính khí động cánh Delta đặc biệt tỷ số thon lớn khoảng từ tỷ số thon 0.7  Sự thay đổi tỷ số thon giá trị nhỏ không ảnh hưởng nhiều đến thay đổi đặc tính khí động cánh Delta  Ở tỷ số thon lớn (λ > 0.7), giá trị hệ số lực nâng hệ số lực cản thay đổi với quy luật khác Trang 50 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực 4.2 Hướng phát triển - Hiện tại, toán nghiên cứu thơng qua phương pháp mơ tương lai cần mở rộng nghiên cứu phương pháp thực nghiệm để đối chiếu kết - Đề tài nghiên cứu chế độ dòng chảy âm trường hợp cường độ rối Định hướng mở rộng nghiên cứu chế độ dòng chảy âm với nhiều cường độ rối, nhiều tỷ số thon phương pháp mô Hơn nữa, mô toán theo thời gian để nắm bắt xác tượng hướng nghiên cứu tốt Trang 51 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Abbott I H, Von Doenhoff AE “Theory of wing sections, including a summary of airfoil data” 1st ed New York: Dover Publications; 1959 [2] Wentz W H Jr, Kohlman D L “Wind tunnel investigation of vortex breakdown on slender sharp edged wings” NASA Research Grant NGR-17-002-043, 1968 [3] Chu J, Luckring L M “Experimental surface pressure data obtained on 65ᴼ delta wing across Reynolds number and Mach number ranges” NASATM-4645, 1996 [4] Gursul I, Yang H “Vortex breakdown over a pitching delta wing” J Fluids Struct 1995;9;571-583 [5] Huang X Z, Verhaagen N G “Vortex flow behavior over slender delta wing configurations: Experimental studies numerical and analytical solutions” Springer; 2008 [6] Robert C Nelson, Alain Pelletier “The unsteady aerodynamics of slender wings and aircraft undergoing large amplitude maneuvers” Progress in Aerospace Sciences 2003; 39:185-248 [7] G Guglieri, F BQ uagliotti “Experimental investigation of vortex dynamics on a 65ᴼ delta wing” Agard report RTO-TR-AVT-080, Chapter 10 [8] S A Woodiga, Tianshu Liu “Skin friction fields on delta wings” Exp fluids 2009; 47:897-911 [9] Xing Huang “Comprehensive experimental studies on vortex dynamics over military wing configurations in IAR” AGARD Report RTO-TR-AVT-080, Chapter-5 [10] C E Jobe “Vortex breakdown location over 65ᴼ delta wings- empiricism and experiment” AIAA Paper 98-2526,1998 Trang 52 Luận văn thạc sĩ [11] Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực J J Wang, Y Liu, Z Wu P F Zhang “Effect of taper ratio on aerodynamic performance of cropped nonslender delta wings” Journal of Aircraft Vol 46 AIAA- 32130-392 [12] J F Le Roy, O Rodriguez “RANS solutions of 70ᴼ delta wing in steady flow AGARD Report” RTO-TR-AVT-080 [13] A Benmeddour, Y Mebarki, X Y Huang “Computational investigation of the centerbody effects on delta wings” AGARD Report RTO-TR-AVT-080, Chapter-20 [14] Anand Kumar “On the structure of the vortex breakdown on a delta wing” Proc Royal Society London 1998; 454:89-110 [15] Versteeg H K, Malalasekera “An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method” Longman Scientific & Technical: 1995 [16] Trần Anh Tuấn KSCLC K52 “Nghiên cứu đặc trưng khí động học cánh delta” Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2011 [17] Đỗ Anh Hoàng KSCLC K53 “Nghiên cứu tính tốn thiết kế chế tạo máy bay mơ hình cánh delta” Đại học Bách Khoa Hà Nội [18] P.K Nguyen, D.T Tran, K Mori, T.K.D Hoang, M.T Do, “Turbulent Flow effects on High Sweep-Back Angle Delta Wing at low Reynolds number” Proceeding of 7th International Conference on Mechanical and Aerospace Engineering, Part 1, pp 320-321, London, 2016 [19] “A Convair '''F-102 Delta Dagger''' of National Air Guard” Source: J-20: http://www.atimes.com/article/plas-j-20-jet-fighter-hard-spot [20] “Why the PLA’s J-20 jet-fighter has been so hard to spot” Source: J-20: http://www.atimes.com/article/plas-j-20-jet-fighter-hard-spot [21] “Sukhoi Su-57, SU PAK FA” Source: https://vi.wikipedia.org/wiki/Sukhoi_Su-57#/media/File:Sukhoi_T50_Beltyukov.jpg Trang 53 Luận văn thạc sĩ [22] Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực “Lockheed Martin F-22A Raptor” Source:https://en.wikipedia.org/wiki/File:Lockheed_Martin_F22A_Raptor_JSOH.jpg [23] Edward C Polhamus, “A concept of the vortex lift of sharp-edge delta wing based on a leading edge suction analogy” December 1966, page 6-10 [24] “Schematic view of flow over a delta wing with sharp leading edge” Source: https://www.researchgate.net/figure/Schematic-view-of-flow-over-adelta-wing-with-sharp-leading-edge II [25] “Vortex Pair Dynamics and Instabilities: Wing Wakes, Counter-Rotating and Co-Rotating Vortex Pairs” Source: http://www.pullin.caltech.edu/Seminars/Fluids/PastFluids/20022003/Williamson_abs.html [26] https://www.learncax.com/knowledge-base/blog/by-category/cfd/basics-of-yplus-boundary-layer-and-wall-function-in-turbulent-flows [27] Hinze, J O., “Turbulence”, 2nd ed, Mc Graw-Hill, New York, 1975 [28] Joachim Pollak and C Edward Lan “Calculated effect of freestream turbulence on aerodynamic characteristics of a delta wing” University of Kansas, Lawrence Kansas 66045,1995 [29] S M A Aftab, A S Mohd Rafie, N A Razak, K A Ahmad “Turbulence model selection for low Reynolds number flows” Journal.pone.0153755, April 22,2016 [30] Menter F R., Langtry R.,Suzen Y., Huang P., and Volker S “A correlationbased transition model using local variables-Part I: model formulation Journal of turbomachiner”, vol 128, no 3,pp 413-422, 2006 Trang 54 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực PHỤ LỤC Bài báo:“Effect of shapes and turbulent inlet flow to vortices on Delta wings”, tác giả: “TRAN Ngoc Khanh, NGUYEN Van Khang, NGUYEN Phu Khanh, HOANG Thi Kim Dung, DAO Van Quang”, đăng hội nghị Proceedings of The First International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development, Da Nang, vol 1, no 77, pp 513-518, May 18-19, 2018 Trang 55 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 56 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 57 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 58 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 59 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 60 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 61 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 62 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 63 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 64 ... 3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng rối dòng vào đến cánh Delta 32 3.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ số thon đến cánh Delta 35 3.4 Kết nhận xét 37 3.4.1 Ảnh hưởng rối dòng vào đến cánh Delta. .. nhiều nghiên cứu ảnh hưởng dịng rối đến đặc tính cánh Delta, để tiếp nối nghiên cứu trước luận văn này, em nghiên cứu ảnh hưởng nhiễu loạn hay rối dòng vào đến việc hình thành cuộn xốy cánh Delta. .. đề ảnh hưởng rối dòng vào đến cuộn xoáy cánh Delta dựa việc tối ưu lưới mơ hình rối - Bằng tính tốn số, hình thành, phát triển phá vỡ cuộn xoáy cánh Delta Đánh giá ảnh hưởng rối dịng vào đến cuộn