Nghiên cứu tiếng ồn khí động trên máy bay trực thăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HOÀNG SƠN NGUYỄN HOÀNG SƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỤC NGHIÊN CỨU TIẾNG ỒN KHÍ ĐỘNG TRÊN MÁY BAY TRỰC THĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC CLC2018B HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HOÀNG SƠN NGHIÊN CỨU TIẾNG ỒN KHÍ ĐỘNG TRÊN MÁY BAY TRỰC THĂNG 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 HOÀNG THỊ KIM DUNG 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 Hoàng Sơn Đề tài luận văn: Nghiên cứu tiếng ồn khí động máy bay trực thăng Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số HV: CBC18005 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 17 / 10 /2019 với nội dung sau: - Bố cục lại luận văn gồm chương Chương đổi thành:” Cơ sở lý thuyết xác định tiếng ồn khí động” Chương đổi thành mục :”Kết luận” - Sửa lỗi đánh máy, tả, đánh số trang mục lục, bổ sung trích dẫn tài liệu tham khảo - Chỉnh sửa chương – Tổng quan MBTT MBTT không người lái để làm bật vấn đề cần nghiên cứu - Bổ sung giải thích phần chuyển đổi từ áp suất khí động sang áp suất âm - Bổ sung thơng số mơ hình hình học, thơng số làm việc MBTT Ngày 25 tháng 10 năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn PGS TS Hoàng Thị Kim Dung CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Vũ Đình Q Nguyễn Hồng Sơn LỜI CAM ĐOAN Tơi – Nguyễn Hoàng Sơn, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí Động lực khóa CLC2018B Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn PGS.TS Hoàng Thị Kim Dung – Viện Cơ khí Động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2019 Tác giả Nguyễn Hoàng Sơn Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành luận văn thạc sĩ khoa học cho phép bảo vệ: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Giảng viên hướng dẫn PGS.TS Hoàng Thị Kim Dung LỜI CẢM ƠN Trên thực tế khơng có thành công mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập giảng đường trường đại học Bách Khoa Hà Nội, nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ q Thầy Cơ, gia đình bạn bè Với lịng biết ơn sâu sắc, xin cảm ơn quý Thầy Cô Bộ môn Kỹ Thuật Hàng Không Vũ Trụ – Viện Cơ Khí Động Lực – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho bạn học suốt thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hồng Thị Kim Dung nhiệt tình tận tâm hướng dẫn thời gian qua để hồn thành tốt luận án Tiếp theo, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn gia đình, bố mẹ, anh chị em, bạn bè người bạn đặc biệt Họ niềm tin, nghị lực để vượt qua khó khăn, thử thách, cho lời động viên, chia sẻ kịp thời Xin cảm ơn người cho sức mạnh tinh thần thời gian qua Do biển tri thức vơ tận, nên q trình tìm hiểu, nghiên cứu tơi khơng tránh khỏi hạn chế, thiếu sót Vì vậy, tơi mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý Thầy Cơ bạn đọc thơng qua hịm thư cá nhân để tơi hồn thiện hiểu biết lĩnh vực MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN MỞ ĐẦU Chương - TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY TRỰC THĂNG VÀ MÁY BAY TRỰC THĂNG KHÔNG NGƯỜI LÁI 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Cấu tạo chung máy bay trực thăng 1.3 Cơ chế hoạt động máy bay trực thăng 1.4 Sơ lược máy bay trực thăng không người lái 13 1.4.1 Ưu nhược điểm máy bay không người lái 15 1.4.2 Một số mẫu UAV trực thăng phun thuốc trừ sâu giới 15 1.4.2.1 Máy bay Rmax 15 1.4.2.2 Máy bay Fazer 16 1.4.2.3 Máy bay HY-B-15L ( Trung Quốc ) 18 1.5 Giới thiệu UAV trực thăng phun thuốc trừ sâu nhóm nghiên cứu 19 Chương – CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH TIẾNG ỒN KHÍ ĐỘNG 22 2.1 Âm 22 2.1.1 Định nghĩa 22 2.1.2 Các đại lượng đặc trưng âm 22 2.1.2.1 Bước sóng, chu kỳ dao động, vận tốc âm 22 2.1.2.2 Độ cao âm, âm sắc âm .23 2.1.2.3 Áp suất âm, mức áp suất âm 24 2.1.2.4 Cường độ âm, mức cường độ âm 24 2.1.2.5 Sự truyền âm 25 2.1.2.6 Phạm vi âm nghe thấy người 27 2.2 Tiếng ồn 28 2.2.1 Định nghĩa tiếng ồn 28 2.2.2 Phân loại tiếng ồn 28 2.2.3 Tác hại tiếng ồn 29 2.2.4 Tiếng ồn có nguồn gốc khí động 30 2.2.4.1 Định nghĩa 30 2.2.4.2 Tính tốn tiếng ồn có nguồn gốc khí động .30 2.2.5 Tiếng ồn máy bay trực thăng 33 Chương - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 36 3.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn 36 3.2 Mô khí động cánh máy bay trực thăng 36 3.2.1 Xây dựng mơ hình hình học 36 3.2.2 Chia lưới mơ hình 38 3.2.3 Thiết lập điều kiện biên 39 3.2.4 Phân tích tính tốn kết 42 3.3 Mô âm học cánh máy bay trực thăng 48 3.3.1 Phương pháp mơ hình nguồn dải tần số rộng 48 3.3.1.1 Lý thuyết chung 48 3.3.1.2 Các bước thiết lập Ansys Fluent .49 3.3.1.3 Kết mô với cánh máy bay trực thăng .50 3.3.2 Phương pháp tương tự âm học 51 3.3.2.1 Lý thuyết chung 51 3.3.2.2 Các bước thiết lập Ansys Fluent .53 3.2.2.3 Phương pháp xuất kết tín hiệu âm Ansys Fluent 57 3.2.2.4 Kết mô với cánh máy bay trực thăng .58 3.4 Nghiên cứu thay đổi biên dạng cánh chong chong mang tới đặc tính khí động âm học 67 3.4.1 Các đặc điểm chung 67 3.4.2 Các đặc trưng hình học 68 3.4.2.1 Đường kính CCM 68 3.4.2.2 Hình dạng cánh mặt 68 3.4.2.3 Profil cánh 69 3.4.2.4 Góc đặt phân tố cánh 70 3.4.2.5 Độ xoắn hình học cánh 71 3.4.2.6 Độ cứng 72 3.4.2.7 Diện tích quét CCM 72 3.4.2.8 Phụ tải riêng diện tích quét .72 3.4.2.9 Hệ số điền đầy 73 3.4.3 Mơ đặc tính chong chóng mang với biên dạng khác 73 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt MBTT : Máy bay trực thăng CCM : Chong chóng mang CCL : Chong chong lái Sound Pressure : Áp suất âm SPL : Sound Pressure Level – Áp suất âm DNS : Direct Numerical Simulation – Phương pháp tính tốn rối trực tiếp phương trình Navier-Stokes LES : Large Eddy Simulation – Tính tốn xốy lớn việc trung bình hóa phương trình Navier-Stokes theo không gian RANS : Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulation – Tính tốn rối việc trung bình hóa phương trình Navier-Stokes theo thời gian CFD : Computational fluid dynamics – Tính tốn động lực học chất lỏng Phân bố mức cường độ âm theo trục Z 105 95 85 75 65 55 45 14 17 20 23 700 RPM 26 29 32 Điểm thu nhận âm 750 RPM 35 38 41 800 RPM Hình 29: Phân bố mức cường độ âm theo trục Dựa vào hình 3.28 bảng số liệu 3.7, ta dễ dàng nhận thấy điểm 26 (0;-2;0-1) điểm có mức cường độ âm lớn điểm khảo sát (93.6874 dB) Điểm 42 (0;-2;170) điểm nằm xa miền khảo sát có mức cường độ âm nhỏ (49.8297 dB) 65 Mức cường độ âm (dB) Mức cường độ âm điểm 26 (700 rpm) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 50 100 150 200 250 300 350 Frequency (Hz) 400 450 500 550 Hình 30: Mức cường độ âm điểm rotor quay 700 rpm Như mức áp suất âm vùng khảo sát dao động từ 50 đến 140 dB, nằm khoảng 0-140 (dB) - ngưỡng nghe người Như vậy, âm có nguồn gốc khí động tạo người hồn tồn nghe thấy Hơn nữa, loại tiếng ồn hồn tồn có ảnh hưởng đến người, đời sống xã hội Tiếng ồn tương tự ta sát công trường xây dựng nơi có máy móc hạng nặng khoan, đập Nếu người sử dụng phải chịu tiếng ồn thời gian dài, gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe thính lực người Ta có biểu đồ mối quan hệ mức áp suất âm ngưỡng nghe 66 Hình 31: Mức ồn tham chiếu âm Tóm lại, để đưa vào khai thác với độ hiệu quả, tiện nghi với người sử dụng: máy bay trực thăng cần hoạt động xa người 170m 3.4 Nghiên cứu thay đổi biên dạng cánh chong chong mang tới đặc tính khí động âm học 3.4.1 Các đặc điểm chung CCM phận chủ yếu MBTT Nó dùng để tạo lực nâng, lực chuyển động để điều khiển MBTT Các phận CCM may cánh Các cánh tạo lực kéo cần để bay May dùng để lắp tất cánh dùng để lắp chong chóng mang với trục quay chong chóng Theo đặc điểm cấu tạo chia CCM làm loại Có cánh gắn cứng, có lề treo cánh có khớp đăng Loại thứ thứ ba có nhiều nhược điểm khơng sử dụng 67 CCM có cánh lắp lề loại sử dụng phổ biến Mỗi cánh lắp may ba lề: dọc trục, nằm ngang thẳng đứng Hình 32: Chong chóng mang có cánh lắp lề 3.4.2 Các đặc trưng hình học CCM đặc trưng thơng số hình học định: đường kính, dạng cánh mặt bằng, hình dạng profil, góc đặt cánh, diện tích qt, phụ tải riêng hệ số điền đầy 3.4.2.1 Đường kính CCM Hình 33: Cánh máy bay trực thăng Là đường kính đường tròn mà đầu mút cánh chuyển động Nếu kí hiệu đường kính D, bán kính R, bán kính phân tố cánh r thì: Tỷ số bán kính phân tố với bán kính CCM gọi bán kính tương đối, ký hiệu 𝑟̅ với 𝑟 = 𝑟̅ 𝑅 3.4.2.2 Hình dạng cánh mặt Có thể hình chữ nhật, hình thang hình hỗn hợp 68 Hình 34: Ba hình dạng cánh trực thăng Về hình dạng chung, cánh MBTT tương tự cánh máy bay cánh Mép trước cánh gọi mép va, mép sau cánh gọi mép va Cánh hình thang có phân bố lực khí động theo chiều dài Cánh hình chữ nhật có cấu tạo đơn giản có đặc tính khí động xấu chút, dạng cánh dùng phổ biến hình thang hình chữ nhật 3.4.2.3 Profil cánh Là hình dạng tiết diện cánh mặt phẳng vng góc với trục dọc Profil cánh CCM giống profil cánh máy bay Người ta thường dùng profil lồi hai bên không đối xứng Các yêu cầu profil cánh: - Có chất lượng khí động cao: 𝑘 = 𝐶𝑦 𝐶𝑥 với 𝐶𝑥 - hệ số lực cản; 𝐶𝑦 - hệ số lực nâng Hình 35: Profil cánh MBTT - Tâm áp không dịch chuyển nhiều thay đổi góc va - Có khả tự quay phạm vi đáng kể góc va Profil cánh đặc trưng thông số: - Dây cung b – đoạn nối mép vào mép profil - Chiều dày lớn profil 𝐶𝑚𝑎𝑥 - Độ võng 𝑓𝑚𝑎𝑥 khoảng cách lớn từ đường trung bình profil tới dây cung 69 Hình 36: Các thơng số profil cánh Ở đa số cánh CCM dùng profil loại dày, cho phép tăng độ bền chi tiết chịu lực độ cứng cánh Ngoài chất lượng khí động profil loại phụ thuộc vào góc va Đặc điểm cải thiện thuộc tính cánh chế độ tự quay Thường phân tố đầu cánh có chiều dày tương đối lớn gốc cánh 3.4.2.4 Góc đặt phân tố cánh Là góc φ tạo dây cung phân tố mặt phẳng quay may CCM Hình 37: Góc đặt cánh Góc đặt thường gọi bước phân tố cánh Đó cách gọi quy ước Nếu định nghĩa cách xác bước phân tố cánh H khoảng cách mà phân tố cánh qua sau vòng quay CCM, phân tố cánh chuyển động dây cung song song 𝐻 = 2𝜋𝑟 tan 𝜑 70 Hình 38: Xác định bước phân tố cánh Bởi phân tố cánh bước phụ thuộc vào góc đặt cánh φ nên từ sau ta đồng hóa hai khái niệm góc đặt với bước phân tố cánh Ở phân tố khác góc đặt khác Để làm bước chung cánh, người ta dùng góc đặt bước phân tố cánh có bán kính tương đối 𝑟̅ = 0.7.Góc coi góc đặt (bước) chung CCM Khi xoay cánh so với trục dọc góc đặt bị thay đổi xoay cánh thực có lề dọc trục Do lề dọc trục cánh CCM dùng để thay đổi bước 3.4.2.5 Độ xoắn hình học cánh Là thay đổi góc đặt phân tố cánh theo bán kính CCM Ở gốc cánh góc đặt lớn cịn nhỏ đầu cánh Góc xoắn hình học cải thiện điều kiện làm việc phân tố cánh khác nhau, làm cho góc va gần với góc va tối ưu Nhờ làm tăng lực kéo CCM lên 57% làm tăng tải trọng hữu ích MBTT công suất công suất động khơng thay đổi 71 Hình 39: Độ xoắn hình học cánh Do độ xoắn hình học mà đạt phân bố tải trọng chi tiết chịu lực cánh đặn tăng tốc độ xuất tách dòng cánh lồi Ở đa số cánh độ xoắn hình học khơng q − 7𝑜 3.4.2.6 Độ cứng Được hiểu khả cánh trì hình dạng Khi độ cứng lớn tải trọng mạnh khơng làm cánh bị biến dạng Khi độ cứng nhỏ cánh mềm dễ bị biến dạng, nghĩa bị uốn xoắn mạnh Nếu cánh q mềm khơng đảm bảo độ xoắn có lợi ảnh hưởng xấu đến đặc tính khí động CCM Để có độ cứng lớn cần tăng kích thước chi tiết chịu lực, làm tăng trọng lượng cánh Độ cứng lớn làm tăng chấn động CCM 3.4.2.7 Diện tích quét CCM Là diện tích hình trịn đầu cánh vạch 𝐹 = 𝜋𝑅2 = 𝜋𝐷 (3.9) Đặc trưng CCM có ý nghĩa diện tích cánh máy bay nghĩa giống diện tích mặt mang 3.4.2.8 Phụ tải riêng diện tích quét Là tỷ số trọng lượng máy bay với diện tích quét CCM 72 𝑝= 𝐺 𝐹 ( 𝑘𝐺 𝑚2 ) (3.10) Trong đó: p: phụ tải riêng G: trọng lượng máy bay F: diện tích quét Ở MBTT hạng nhẹ 𝑝 = 12 − 25 𝑘𝐺/𝑚2 Ở MBTT có hai động 𝑝 = 40 − 45 𝑘𝐺/𝑚2 3.4.2.9 Hệ số điền đầy Bằng tỷ số diện tích cánh với diện tích quét CCM 𝜎= 𝑆𝑐 𝑘 𝐹 (3.11) Trong đó: 𝑆𝑐 - diện tích cánh k – số cánh Ở CCM số cánh từ 2-7 cánh; máy bay hạng nhẹ 3-4 cánh; hạng nặng 57 cánh có tới cánh Hệ số điền đầy 0,04-0,12 nghĩa diện tích cánh chiếm 4-12% diện tích qt Trong phạm vi nói trên, hệ số điền đầy lớn sức kéo lớn, vượt 0,1 lực cản quay tăng hiệu suất CCM giảm 3.4.3 Mô đặc tính chong chóng mang với biên dạng khác Dựa nghiên cứu lý thuyết cánh chong chóng mang máy bay trực thăng kết hợp với kiến thức thân, tơi đề xuất thêm mơ hình cánh để mơ đây: - Cánh hình thang có tỉ số dạng a = 0.5 - Cánh hỗn hợp có tỉ số dạng a = 0.5 73 Hai cánh có profil NACA 0015, chiều dài dây cung 130 mm, sải cánh 1500mm, độ xoắn cánh 00 góc đặt cánh 120 với cánh hình chữ nhật mơ phía Hình 40: Các biên dạng cánh khác mơ Ta có kết mô sau: - Đồ thị lực nâng theo biên dạng cánh: 74 Đồ thị lực nâng cánh 1200 Lực nâng (N) 1000 800 600 400 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Canh chu nhat 1.2 Thời gian (s) Canh hinh thang 1.4 1.6 1.8 Canh hon hop Hình 41: Đồ thị lực nâng theo biên dạng cánh Dựa vào đồ thị, ta dễ dàng nhận thấy cánh hình chữ nhật tạo nhiều lực khí động q trình UAV trực thăng hoạt động Cịn cánh có biên dạng hình thang tạo lực khí động cánh (