Nghiên cứu đặc tính khí động cánh delta

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu đặc tính khí động cánh Delta ĐÀO VĂN QUANG quangdao.hust@gmail.com Ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Hoàng Thị Kim Dung Viện: Cơ khí Động lực Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 06/2020 i ii 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: Đào Văn Quang Đề tài luận văn: Nghiên cứu đặc tính khí động cánh Delta Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số SV: CBC18003 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 30/06/2020 với nội dung sau: Bổ sung mục đặt vấn đề, làm rõ mục tiêu, tính kế thừa, tính của luận văn; Bổ sung kết luận, liên kết chương; Chương 2: Bổ sung hệ phương trình Navier Stock cho mơ hình rối S-A; Chương 3: Tái cấu trúc lại hình ảnh kết quả, bổ sung thêm nhận xét vào hình ảnh; Ngày 15 tháng 06 năm 2020 Tác giả luận văn Giáo viên hướng dẫn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG iii Kính gửi : Viện Cơ khí động lực PHIẾU ĐĂNG KÝ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI(*) Họ tên người hướng dẫn chính: Hồng Thị Kim Dung Học vị: Tiến sỹ; Học hàm: Phó Giáo sư Cơ quan: Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Email: dung.hoangthikim@hust.edu.vn DĐ: 0949737767 CQ: 02438682525 Nội dung: Đề tài: Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực a Tên đề tài: Nghiên cứu đặc tính khí động cánh Delta b Mục tiêu đề tài (các kết cần đạt được): - Tìm hiểu lý thuyết dịng chảy cánh Delta; - Xây dựng mơ hình tốn, sử dụng cơng cụ mơ số để giải tốn - Nghiên cứu mơ số dịng Delta, sử dụng mơ hình rối khác để xét ảnh hưởng mơ hình rối đến kết phân bố áp suất, đường dòng mặt cánh - Nghiên cứu đặc tính đường tâm xốy cuộn xốy mặt cánh c Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: - Tổng quan cánh Delta; - Nghiên cứu mô cánh Delta; - Nghiên cứu tham số ảnh hưởng đến dòng Delta …………, ngày… tháng……năm 2020 Người hướng dẫn Hoàng Thị Kim Dung Lưu ý: - Đề tài (*) đăng ký có nội dung định hướng -Các nội dung mục a,b,c ghi tóm tắt khoảng 2-3 dịng -Phiếu đăng ký đề tài nộp khoa,viện để tổng hợp theo Mẫu iv Lời cảm ơn Trong suốt thời gian làm luận văn thạc sĩ khoa học vừa qua, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới giáo viên hướng dẫn PGS.TS Hoàng Thị Kim Dung thầy mơn nhiệt tình bảo, giúp đỡ tận tình để tơi hồn thành luận án Mặc dù vậy, hạn chế thời gian, tài liệu kiến thức nên thiếu sót khơng thể tránh khỏi Kính mong nhận đóng góp kiến thầy giáo để luận án hồn thiện Tóm tắt nội dung luận văn Đặc điểm bật cánh Delta hình thành hai cuộn xốy mặt cánh Hai cuộn xoáy ảnh hưởng lớn tới đặc tính khí động cánh Delta, góp phần quan trọng việc sinh lực nâng cho cánh Trong thực tế, máy bay cánh Delta hoạt động dải tốc độ cao với độ linh hoạt cao Tuy nhiên, chế độ tốc độ thấp với góc lớn (ở chế độ cất cánh hạ cánh), cánh Delta lại hoạt động điều kiện dòng chảy không ổn định Do vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng dịng chảy đến đặc tính khí động cánh cần thiết Nghiên cứu đưa kết đặc tính khí động cánh Delta, sử dụng phương pháp mô số phần mềm mô ANSYS/FLUENT Từ mô phỏng, ta thu trường phân bố vận tốc, áp suất, vùng xoáy cánh đặc trưng khí động cánh: hệ số lực nâng C L , hệ số lực cản C D HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên Đào Văn Quang v vi MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU 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 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁNH DELTA 1.1 Giới thiệu chung cánh Delta 1.2 Lịch sử phát triển cánh Delta 1.3 Đặc điểm hình học cánh delta 11 1.4 Đặc điểm khí động cánh Delta 13 a Hiện tượng âm 13 b Hiện tượng âm 13 1.5 Ưu nhược điểm ứng dụng cánh delta 21 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG CÁNH DELTA 23 2.1 Đặt vấn đề tốn mơ 23 2.2 Mô hình rối mơ dịng chảy 23 a Giới thiệu mơ hình rối 23 b Các mơ hình rối RANS 25 2.3 Mơ dịng qua cánh delta mơ hình rối khác 28 a Xây dựng mơ hình hình học 29 b Chia lưới 30 c Cài đặt thông số Vật lý điều kiện biên 31 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN DÒNG DELTA 33 3.1 Ảnh hưởng mơ hình rối 33 a Đường dòng qua cánh 33 vii b Áp suất bề mặt cánh 36 c Áp suất mặt cắt .38 d Lực khí động 42 e Nhận xét .43 f Kết luận 44 3.2 Ảnh hưởng góc .44 a Xây dựng đồ thị CL – α, tìm góc thất tốc 44 b Xác định vị trí tâm cuộn xốy 47 KẾT LUẬN .49 Kết luận 49 Hướng phát triển 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO .50 viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 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 𝐶𝐶𝐿𝐿,𝑝𝑝 [-] Hệ số lực nâng 𝐶𝐶𝐿𝐿,𝑣𝑣 [-] Hệ số lực nâng sinh cuộn xoáy 𝐾𝐾𝑝𝑝 [-] 𝐾𝐾𝑣𝑣 [-] Hằng số xác định hệ số 𝐶𝐶𝐿𝐿,𝑝𝑝 Re [-] Số Reynolds ρ [kg/m3] u [m/s] µ [kgm-1s-1] υ [m2/s] I [%] σ [m/s] Cường độ mạch động h [mm] Chiều dày cánh k [-] Động rối 𝜔𝜔 [-] Hệ số tiêu tán rối 𝑆𝑆𝑘𝑘 , 𝑆𝑆𝜔𝜔 [-] Đại lượng nguồn 𝑦𝑦 + [-] 𝜶𝜶 [ᴼ] Chỉ số không thứ nguyên 𝑦𝑦 + Hằng số xác định hệ số 𝐶𝐶𝐿𝐿,𝑣𝑣 Khối lượng riêng chất lưu Vận tốc dòng chảy Độ nhớt động lực học môi trường Độ nhớt động học môi trường Cường độ rối Góc DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Saab 35 Draken, máy bay sử dụng cánh Delta Hình 1.2 Dạng hình học cánh Delta 11 Hình 1.3 Cánh máy bay nằm góc sóng va 12 Hình 1.4 Hiện tượng khí động bất đối xứng tự nhiên cánh delta .14 Hình 1.5 Cuộn xốy xuất cánh 14 Hình 1.6 Cấu tạo cuộn xốy điển hình 15 Hình 1.7 Đồ thị hệ số áp suất mặt cánh delta 16 Hình 1.8 Sự tan vỡ cuộn xoáy cánh delta 17 Hình 1.9 Các cuộn xốy cánh delta [25] 18 Hình 1.10 Lực nâng cánh Delta 19 Hình 1.11 Hệ số lực nâng theo tỷ số dạng A .20 Hình 1.12 Sự phụ thuộc hệ số lực nâng theo tỷ số dạng .20 Hình 1.13 Hiện tượng wing rock .21 Hình 1.14 Ơtơ đua máy bay chiến đấu F102 .22 Hình 2.1 Các mơ hình rối RANS .27 Hình 2.2 Các bước mơ tốn khí động 29 Hình 2.3 Mơ hình hình học cánh DesignModeler 30 Hình 2.4 Các điều kiện biên .31 Hình 2.5: Lưới khu vực bề mặt cánh .31 Hình 3.1 Đường dịng – Góc 100 33 Hình 3.2 Đường dịng – Góc 200 34 Hình 3.3 Đường dịng – Góc 300 35 Hình 3.4 Các vùng cuộn xoáy .36 Hình 3.5 Áp suất bề mặt cánh – Góc 100 37 Hình 3.6 Áp suất bề mặt cánh – Góc 200 37 Hình 3.7 Áp suất bề mặt cánh – Góc 300 38 Hình 3.8 Áp suất mặt cắt trường hợp góc 10 độ .39 Hình 3.9 Áp suất mặt cắt trường hợp góc 20 độ .40 Hình 3.10 Áp suất mặt cắt trường hợp góc 30 độ 41 Hình 3.11a Lịch sử hội tụ hệ số lực nâng theo số lần lặp 42 Hình 3.11b Lịch sử hội tụ lưu lượng khối theo số lần lặp 42 Hình 3.12 Kết tính hệ số lực nâng tổng lực nâng sau mơ .45 Hình 3.13 Hệ số lực nâng mô so sánh với lý thuyết thực nghiệm .46 k-ε k-ω Spalart-Allmaras a Áp suất mặt b Áp suất mặt Hình 3.5 Áp suất bề mặt cánh – Góc 100 k-ε k-ω Spalart-Allmaras a Áp suất mặt b Áp suất mặt Hình 3.6 Áp suất bề mặt cánh – Góc 200 37 k-ε k-ω Spalart-Allmaras a Áp suất mặt b Áp suất mặt Hình 3.7 Áp suất bề mặt cánh – Góc 300 Nhận xét: Dựa vào phân bố áp suất hình Hình 3.5, Hình 3.6 Hình 3.7 ta có nhận xét sau: - Khi tăng góc lên, áp suất mặt phía cánh có xu hướng tăng, áp suất mặt cánh có xu hướng giảm, chênh lệnh áp suất mặt mặt cánh tăng lên, dẫn đến lực nâng cánh tăng dần tăng góc - Trong trường hợp góc tấn, mơ hình rối khác nhau, phân bố áp suất mặt cánh tương đồng, nhiên phân bố áp suất mặt cánh có khác biệt Đối với mơ hình rối k-ω hình ảnh cuộn xoáy mặt cánh rõ nét c Áp suất mặt cắt Để theo dõi thay đổi áp suất dọc theo chiều dài cánh, mặt cắt đặt cách 20 mm (10% chiều dài dây cung) Các giá trị áp suất xuất bề mặt Kết biểu diễn Hình 3.8, 3.9 3.10 38 Mặt k-ω Spalart-Allmaras k-ε Hình 3.8 Áp suất mặt cắt trường hợp góc 10 độ Dựa theo Hình 3.8 ta thấy, mơ hình rối k-ω cho hình ảnh cuộn xốy mặt cánh rõ nét Điều giải thích mơ hình rối k-ω cho kết xác Điều chứng kết định lượng phần sau 39 Mặt k-ω Spalart-Allmaras k-ε Hình 3.9 Áp suất mặt cắt trường hợp góc 20 độ Tương tự Hình 3.8 trường hợp góc 10 độ, Hình 3.9 trường hợp góc 20 độ, ta thấy, mơ hình rối k-ω cho hình ảnh cuộn xốy mặt cánh rõ nét Điều giải thích mơ hình rối k-ω cho kết xác Điều chứng kết định lượng phần sau 40 Mặt k-ω Spalart-Allmaras k-ε Hình 3.10 Áp suất mặt cắt trường hợp góc 30 độ Nhận xét: Dựa vào phân bố áp suất hình Hình 3.8, Hình 3.9 Hình 3.10 ta có nhận xét sau: - Khi tăng góc lên, hình ảnh cuộn xoáy mặt cánh trở nên rõ nét hơn, cụ thể tăng góc tấn, khu vực áp suất tâm cuộn xoáy giảm giá trị âm, dẫn đến lực nâng cánh tăng dần tăng góc - Trong trường hợp góc tấn, mơ hình rối khác nhau, phân bố áp suất mặt cánh tương đồng, nhiên phân bố áp suất cuộn xốt có khác biệt Đối với mơ hình rối k-ω hình ảnh cuộn xốy mặt cánh rõ nét 41 d Lực khí động Hệ số lực nâng 3.5 2.5 1.5 0.5 0 200 400 600 800 1000 1200 Số lần lặp Hình 3.11a Lịch sử hội tụ hệ số lực nâng theo số lần lặp Lưu lượng khối (kg/s) 3.00E-04 2.50E-04 2.00E-04 1.50E-04 1.00E-04 5.00E-05 0.00E+00 -5.00E-05 200 400 600 800 1000 1200 Số lần lặp Hình 3.11b Lịch sử hội tụ lưu lượng khối theo số lần lặp Hình 3.11 thể lịch sử hội tụ ẩn, hệ số lực nâng chênh lệch lưu lượng đầu vào – đầu trường hợp góc 20 độ Bảng 3.1 tổng hợp giá trị hệ số lực nâng cánh theo lý thuyết, mô thực nghiệm: Bảng 3.1 Kết mô so sánh với lý thuyết Mô α Lý thuyết NASA report Thực nghiệm(*) k-ε k-ω SA 10 0.382425 0.388 0.411 0.4102 0.407 0.409 20 0.862106 0.890 0.866 0.8522 0.8827 0.8525 30 1.319398 x 1.267 1.1677 1.2645 1.199 (*) Kết thực nghiệm phịng thí nghiệm x: kết thực nghiệm khơng có sẵn 42 Từ tính sai số (%) mô với lý thuyết thực nghiệm: Bảng 3.2 Sai số mô so với lý thuyết thực nghiệm α Lý thuyết NASA report Thực nghiệm k-ε k-ω SA k-ε k-ω SA k-ε k-ω SA 10 7.27 6.54 6.96 5.72 4.90 5.41 0.19 0.97 0.49 20 1.15 2.39 1.11 4.25 0.82 4.21 1.59 1.92 1.52 30 11.5 4.16 9.13 x x x 7.38 0.20 5.37 Như vậy: • Sự hội tụ ẩn diễn ổn định, có xu hướng giảm dần theo bước hội tụ • Giá trị hệ số lực nâng ổn định sau khoảng 400 vòng lặp • Giá trị hệ số lực nâng cho sai số 10% so với tính tốn lý thuyết so với báo cáo NASA Riêng trường hợp chạy mơ hình Relizable kepsilon Spalart-Allmaras góc 30 độ, sai số lớn hẳn so với mô hình SST k-omega Như vậy, hai mơ hình Relizable k-epsilon SpalartAllmaras dự báo thất tốc sớm so với mơ hình SST k-omega • Trong đó, hệ số lực nâng so sánh với thực nghiệm cho kết gần Ở góc thấp trung bình (10 20 độ) sai số 2%, đó, góc lớn, sai số 10% Trong đó, mơ hình SST k-omega mơ cho kết sát với thực nghiệm (