Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất và các yếu tố địa hình ảnh hưởng đến hoạt động bay của trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất yếu tố địa hình ảnh hƣởng đến hoạt động bay trực thăng không ngƣời lái phun thuốc trừ sâu TRẦN BẢO ANH anhtb.ckhk59@gmail.com Ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực Giảng viên hƣớng dẫn: PGS TS Hoàng Thị Kim Dung Chữ ký GVHD Viện: Cơ khí động lực HÀ NỘI, 6/2020 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: Trần Bảo Anh Đề tài luận văn: Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất yếu tố địa hình ảnh hưởng đến hoạt động bay trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số HV: CBC19002 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 / /2020 với nội dung sau: - Kiểm sốt độ xác kết mơ - Tập trung phân tích kết - Sửa theo ý kiến phản biện Ngày tháng Giáo viên hƣớng dẫn năm 2020 Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Kính gửi: Viện Cơ khí động lực PHIẾU ĐĂNG KÝ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI Họ tên người hướng dẫn chính: Hồng Thị Kim Dung Học vị Tiến Sĩ Học hàm Phó Giáo Sư Cơ quan: Viện Cơ khí động lực Họ tên người hướng dẫn phụ (nếu có): Học vị……… Học hàm……… Cơ quan : Email : dung.hoangthikim@hust.edu.vn DĐ : (+84) 949 737 767 Nội dung : Đề tài 1: Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Tên đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất yếu tố địa hình ảnh hưởng đến hoạt động bay trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu b Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất với thay đổi địa hình tính tốn ảnh hưởng đến khả tạo lực đẩy trực thăng c Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: - Tổng quan lý thuyết sở hiệu ứng mặt đất - Xây dựng mơ hình trực thăng chế độ bay treo, trường hợp có khơng có hiệu ứng mặt đất - Xây dựng mơ hình thay đổi địa hình, trồng để xét ảnh hưởng dịng khí lên mặt đất, trồng, tác động đến khả tạo lực kéo trực thăng - Xác định góc đặt cánh độ cao bay tối ưu với loại địa hình Đề tài 2: Chuyên ngành: Tên đề tài: d Mục tiêu đề tài (các kết cần đạt được): e Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Người hướng dẫn Lời cảm ơn Trong trình thực nghiên cứu mình, tơi nhận nhiều giúp đỡ, động viên chia sẻ thầy cô giáo, gia đình bạn bè Đầu tiên, tơi xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Hoàng Thị Kim Dung người hướng dẫn trực tiếp Thầy có định hướng đắn nhiệt tình trao đổi, giải đáp thắc mắc suốt trình học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí Động lực Bộ Môn Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thiện luận văn Tôi xin cảm ơn thành viên nhóm CAE Group tập thể lớp PFIEV Aero K59 hỗ trợ tơi suốt q trình nghiên cứu Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người vhan bạn bè động viên, khích lệ tơi để hồn thiện luận văn Tóm tắt nội dung luận văn Trên giới, máy bay trực thăng không người lái đưa vào sử dụng nhiều lĩnh vực, quân dân Đặc biệt nông nghiệp, UAV dạng trực thăng sử dụng cho việc phun thuốc trừ sâu giúp tăng suất tránh độc hại cho người vận hành Trong năm gần đây, nơng nghiệp nước ta có bước phát triển đột phá, loại thiết bị kỹ thuật cao ngày sử dụng nhiều Tuy vậy, việc phun thuốc sâu khơng có thay đổi đáng kể nào, người nông dân phải sử dụng thiết bị thô sơ phải trực tiếp tiếp xúc với chất độc hại Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế mẫu trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu hoạt động tốt mơi trường điều kiện làm việc Việt Nam phù hợp với định hướng đại hóa nơng nghiệp nước ta Trực thăng phun thuốc thường bay độ cao thấp, gây nên hiệu ứng mặt đất – tạo lớp đệm khí bên trực thăng Điều tích cực mà hiệu ứng mang lại khả tạo lực kéo tốt đồng thời tạo khó vhan việc kiểm sốt dự đốn thơng số bay Chưa kể đến địa hình nước ta đa dạng, địa hình khác cho hiệu ứng mặt đất khác Hiện nay, nghiên cứu hiệu ứng mặt đất không nhiều thường lấy đối tượng với mẫu trực thăng dạng lớn Điều đặt cần thiết việc nghiên cứu hiệu ứng mặt đất trực thăng dạng nhỏ, mà cụ thể mẫu trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu, đối tượng nghiên cứu luận văn HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ UAV TRỰC THĂNG VÀ LÝ THUYẾT HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT 1.1 Ứng dụng máy bay không người lái nông nghiệp 1.2 Phân loại UAV ứng dụng nông nghiệp 1.3 1.2.1 Máy bay cánh cố định 1.2.2 Máy bay trực thăng UAV chong chóng mang 1.2.3 Máy bay UAV multirotor Một số mẫu UAV trực thăng thị trường 1.3.1 Mẫu máy bay không người lái Rmax 1.3.2 Mẫu máy bay UAV Fazer 1.4 Các phận máy bay trực thăng 1.5 Các thức hoạt động trực thăng 1.6 Các đặt trưng chong chóng mang 1.7 1.6.1 Các đặc điểm chung 1.6.2 Đường kính hình dạng cánh chong chóng mang 1.6.3 Profil cánh 1.6.4 Góc đặt phân tố cánh 1.6.5 Độ xoắn hình học cánh 1.6.6 Độ cứng 10 1.6.7 Diện tích quét CCM 10 1.6.8 Phụ tải riêng diện tích quét 10 1.6.9 Hệ số điền đầy 10 Lý thuyết hiệu ứng mặt đất 11 1.7.1 Hiệu ứng mặt đất máy bay cánh 11 1.7.2 Hiệu ứng mặt đất trực thăng chong chóng mang 11 CHƢƠNG XÁC ĐỊNH ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13 2.1 Đối tượng mục đích nghiên cứu 13 2.2 Phương pháp quy trình nghiên cứu 13 2.3 Phương pháp CFD lý thuyết dòng chảy 14 2.3.1 Tổng quan Phương pháp CFD 14 2.3.2 Hệ Phương trình Navier-Stockes 15 2.3.3 Hệ Phương trình Reynolds Navier-Stokes tính tốn thủy động lực học chất lỏng 16 2.3.4 Các mơ hình rối 17 2.3.5 Tổng quan lý thuyết lớp biên 17 CHƢƠNG HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT TRONG ĐỊA HÌNH PHẲNG VÀ KHƠNG XÉT ĐẾN YẾU TỐ THỜI GIAN 19 3.1 3.2 Các thông số đầu vào tạo mơ hình mơ 19 3.1.1 Xác định thông số đầu vào 19 3.1.2 Tạo mơ hình mô 19 3.1.3 Chia lưới 22 3.1.4 Cài đặt điều kiện biên 23 Xử lý kết mô 24 3.2.1 Đánh giá độ tin cậy lưới 24 3.2.2 Kết lực kéo 25 3.2.3 Kiểm tra điều kiện cân moment 26 3.2.4 Đường dòng 27 3.2.5 Phân bố áp suất mặt cắt XY 28 3.2.6 Phân bố áp suất mặt đất 29 3.2.7 Áp suất vận tốc vị trí 0.7R 30 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA YẾU TỐ THỜI GIAN VÀ ĐỊA HÌNH LÊN SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT 31 4.1 4.2 4.3 4.4 Ảnh hưởng thời gian 31 4.1.1 Thiết lập mô 31 4.1.2 Đường dịng xốy đầu mũi cánh 31 4.1.3 Phân bố áp suất mặt đất 33 4.1.4 Lực kéo thay đổi theo thời gian 34 Ảnh hưởng hiệu ứng mặt đất lên lúa 35 4.2.1 Đặc trưng đồng nước ta 35 4.2.2 Phương pháp nghiên cứu 36 4.2.3 Đánh giá kết thực nghiệm 38 Ảnh hưởng tán 38 4.3.1 Các thiết lập mô 39 4.3.2 Phân tích kết mơ 40 Địa hình đồi núi chè 43 4.4.1 Các thiết lập mô 43 4.4.2 Xử lý kết mô 45 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG PHÁT TRIỂN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: UAV trực thăng dạng chong chóng mang Hình 1.2: UAV dạng multirotor Hình 1.3: Mẫu máy bay trực thăng Rmax Hình 1.4: Mẫu trực thăng Fazer Hình 1.5: Các phận trực thăng Hình 1.6: Các lực tác động lên trực thăng Hình 1.7: Cơ cấu lề cố định gốc cánh Hình 1.8: Các kích thước hình học cánh Hình 1.9: Ba dạng cánh trực thăng Hình 1.10: Các thông số profil Hình 1.11: Góc đặt cánh Hình 1.12: Xác định bước phân tố cánh Hình 1.13: Độ xoắn hình học cánh Hình 1.14: Hiệu ứng mặt đất máy bay cánh 11 Hình 1.15: Hiệu ứng mặt đất trực thăng 12 Hình 2.1: Mẫu trực thăng giấc mơ 13 Hình 2.2: Mẫu trực thăng - Đối tượng nghiên cứu 13 Hình 2.3: Các vùng khơng gian định nghĩa dòng chảy 18 Hình 3.1: Mơ hình 3D tồn trực thăng 19 Hình 3.2: Sự thay đổi lực kéo theo độ dày miền bào CCM 20 Hình 3.3: Miền bao CCM CCL 20 Hình 3.4: Miền bao tồn trực thăng 21 Hình 3.5: Đặt tên mặt mơ hình 21 Hình 3.6: Hình dạng lưới: (a) tổng thể, (b) mặt cắt cánh CCM, (c) mặt cắt cánh CCL 22 Hình 3.7: Mặt cắt chia lưới chi tiết vùng thân máy bay 23 Hình 3.8: Phân bố y+ mặt: (a) Mơ hình A, (b) Mơ hình B 24 Hình 3.9: Sự thay đổi lực kéo theo dải góc đặt cánh độ cao bay 26 Hình 3.10: Đường dịng trường hợp có khơng có hiệu ứng mặt đất 27 Hình 3.11: Các vectơ vận tốc dòng 28 Hình 3.12: Sự thay đổi phân bố áp suất mặt cắt XY theo độ cao 29 Hình 3.13: Sự thay đổi phân bố áp suất mặt đất theo độ cao 30 Hình 3.14: Phân bố áp suất (a) vận tốc (b) vị trí 0.7R độ cao bay H = 0.5m 30 Hình 4.1: Xốy đầu mũi cánh 32 Hình 4.2: Đường dịng trường hợp H = 0.5m 32 Hình 4.3: Đường dòng trường hợp H = 8m 32 Hình 4.4: Phân bố áp suất mặt đất theo thời điểm 33 Hình 4.5: Lực kéo thay đổi theo thời gian độ cao 34 Hình 4.6: Trực thăng Rmax phun thuốc đồng lúa 35 Hình 4.7: Tạo mặt C để tính áp lực 36 Hình 4.8: Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm 36 Hình 4.9: Các bước thí nghiệm 37 Hình 4.10: Cây lúa bị đổ hàng loạt trường hợp H = 0.5m 38 Hình 4.11: Mơ hình mơ 39 Hình 4.12: Lưới khu vực gần thân 40 Hình 4.13: Đường dịng có tán 40 Hình 4.14: Áp suất phân bố tán 41 Hình 4.15: Phân bố vận tốc mặt cắt XY 41 Hình 4.16: Lực kéo độ cao 0.5m so với mặt đất 0.5m phía tán 42 Hình 4.17: Mơ hình 3D địa hình dốc 100 43 Hình 4.18: Mơ hình 3D địa hình dốc 200 44 Hình 4.19: Lưới mơ hình 44 Hình 4.20: Đường dịng mặt cắt XY độ cao 0.5m địa hình dốc 10 độ 45 Hình 4.21: Phân bố áp suất mặt đất luống chè trường hợp t = 11T 45 Hình 4.22: Lực kéo trực thăng bay địa hình dốc 46 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các thông số Rmax Bảng 1.2: Các thông số Fazer Bảng 3.1: Tốc độ quay CCL theo trường hợp 19 Bảng 3.2: Chỉ số chất lượng lưới Orthogonal 22 Bảng 3.3: Chỉ số chất lượng lưới Skewness 22 Bảng 3.4: Giá trị y+ trung bình mặt 25 Bảng 3.5: Kết cân moment góc đặt 110 27 Bảng 4.1: Áp suất trung bình mặt C 36 Bảng 4.2: Thơng số dụng cụ thí nghiệm 37 Bảng 4.3: Khối lượng nước cần thêm trường hợp 37 Bảng 4.4: Kết thực nghiệm: OK trường hợp khơng có lúa bị đổ, NG trường hợp xuất lúa bị đổ 38 Bảng 4.5: Thông số lưới 44 Phân bố áp suất mặt đất chịu ảnh hưởng lớn độ cao bay, máy bay bay cao dịng khí cần khoảng thời gian lớn để tác dụng áp lực lên mặt đất Áp suất mặt đất thăng dần độ cao bay thấp 4.1.4 Lực kéo thay đổi theo thời gian Bằng cách cài đặt timestep/ lần lưu kết quả, ta thu đồ thị thay đổi lực kéo theo độ cao thời gian tương ứng Qua đồ thị lực kéo (Hình 4.5), ta thấy chênh lệch lực kéo trường hợp độ cao khác 900 0.5m 1m 1.5m 2m 8m Lực kéo (N) 800 700 600 500 0.5 1.5 Thời gian (s) 2.5 Hình 4.5: Lực kéo thay đổi theo thời gian độ cao Tại thời điểm ban đầu t gần 0s, lực kéo độ cao lớn Hiện tượng hiệu ứng mặt đất độ cao 8m xuất lực kéo tương tự, vậy, tăng đột ngột lực kéo thời điểm ban đầu hoàn toàn chất tốn mơ giá trị khởi tạo Từ 0s đến 0.5s, lực kéo giảm nhanh tất trường hợp Từ 0.5s đến 1s lực kéo tăng trở lại ổn định dần theo thời gian Khi so sánh kết lực kéo mô steady transient (lấy giá trị trung bình), ta thấy chênh lệch lực kéo trường hợp tương đương tương đối lớn với ΔT ≈ 60 N Có hai ngun nhân dẫn đến sai số này: Mơ steady sử dụng 1000 vịng lặp nên kết lực kéo có đủ số vịng lặp tính tốn cần thiết để hội tụ Trong mơ transient, timestep chạy tối đa 20 vòng lặp nên bước thời gian lực kéo chưa đạt trạng thái hội tụ Muốn giảm sai số ta phải tăng số vòng lặp timestep 1000 vịng lặp, tương tự tốn steady, cách làm gây tốn tài nguyên máy tính tăng đáng kể thời gian tính tốn Bản chất mơ steady dịng dừng, lấy giá trị khởi tạo dòng vào từ inlet, toán transient thể liên tục thời gian nên lấy giá trị tính tốn bước thời gian trước làm đầu vào cho bước 34 thời gian sau Sự khác hai cách lấy liệu đầu vào nguyên nhân gây sai khác kết lực kéo hai trường hợp Như vậy, có đủ số vòng lặp để đạt đến trạng thái hội tụ, nên kết lực kéo mô steady đáng tin cậy hơn, khơng thể thay đổi lực kéo theo thời gian Trong đó, giá trị lực kéo mơ transient có độ xác thấp thể đồ thị thay đổi lực kéo theo thời gian nhiễu động ảnh hưởng đến kết toán 4.2 Ảnh hƣởng hiệu ứng mặt đất lên lúa 4.2.1 Đặc trƣng đồng nƣớc ta Trong địa lý học, vùng đồng hay bình nguyên vùng đất đai rộng lớn với địa hình tương đối thấp - nghĩa tương đối phẳng, với độ cao so với mực nước biển không 500 m độ dốc không 5° Khi độ cao nhỏ 200 m, người ta gọi đồng thấp, độ cao từ 200 m tới 500 m, gọi đồng cao Các vùng đồng đóng vai trị quan trọng cho phát triển nông nghiệp, đất đai bồi đắp liên tục sơng lớn nên có độ màu mỡ cao, thêm vào đặc điểm phẳng thuận lợi cho q trình giới hóa sản xuất Hình 4.6: Trực thăng Rmax phun thuốc đồng lúa Nước ta có tổng diện tích đồng bằng, lớn đồng châu thổ sơng Hồng, sông Cửu Long đồng nhỏ vùng duyên hải Chính nhờ điều kiện thuận lợi vậy, Việt Nam nhiều năm liền trở thành nước xuất gạo lớn giới lúa trở thành biểu tượng cho phát triển nơng nghiệp nước ta, coi loại đặc trưng cho vùng đồng Trong q trình canh tác lúa, có nhiều loại sâu hại ảnh hưởng đến phát triển chúng, đặt nhu cầu cấp thiết việc phun thuốc trừ sâu Lúa loại có thân tương đối mềm, trực thăng bay thấp, lớp đệm khí dịng chong chóng mang tạo áp lực không nhỏ lên thân lúa, gây rủi làm đổ thân cây, áp lực chủ yếu theo phương thẳng đứng, chiều trọng lực Để đánh giá ảnh hưởng áp lực 35 đệm khí tác động lên lúa có làm hư hại thân hay không, ta cần phải so sánh với thực nghiệm 4.2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu Các mơ có mặt phẳng quay chong chóng mang song song với mặt đất nên đồng thời thể hiện tượng trực thăng bay treo địa hình đồng Hơn nữa, ta coi lúa cao tận dụng kết mô phần trước, với độ cao bay tính từ lúa Theo kết phần bố áp suất mặt đất (Hình 3.13 Hình 4.4), ta thấy Hình 4.7: Tạo mặt C để tính áp lực vùng chịu ảnh hưởng chủ yếu hình chiếu mặt phẳng quay lên mặt đất, có dạng hình trịn Gọi vùng chịu ảnh hưởng C, có dạng hình trịn với đường kính DC = 1.1D = 3.85m, diện tích C SC = 11.64m2 Trong CFD-Post mô steady, xuất kết tổng lực tác dụng theo phương Y lên C, ta có có áp suất trung bình C tương ứng theo bảng sau: Bảng 4.1: Áp suất trung bình mặt C H (m) 0.5 1.5 2.5 3.5 FC (N) 593.49 547.89 507.70 490.43 465.35 454.22 435.81 PC (Pa) 50.99 47.07 43.62 42.13 39.98 39.02 37.44  Phương pháp thực nghiệm: Môi trường thực nghiệm đồng lúa thời điểm (tháng 5/2020) Vì trọng lực phương với áp lực C, nên ta tiến hành thực nghiệm với mơ hình sử dụng trọng lực thay áp lực dịng khí cánh Trọng tâm Hình 4.8: Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm 36 Bảng 4.2: Thơng số dụng cụ thí nghiệm Dụng cụ Khối lượng Kích thước Tấm xốp 0.8kg 1m x 2m Chậu nhựa 0.8kg - Cốc nhựa 0.05kg - Cân đồng hồ 2kg - - Sử dụng mặt D hình chữ nhật với kích thước 1m x 2m xốp cứng, với khối lượng xốp 0.8kg Đặt xốp lên lớp lúa, đặt cân chậu nhựa xốp, sau tăng trọng lượng cách đặt cách đổ lượng nước tương ứng vào chậu, xốp cứng đảm bảo việc phân bổ áp lực lên toàn diện tích lúa bên (Hình 4.9) Với áp suất trung bình C (Bảng 4.1) diện tích D, lấy hệ số an tồn 1.2, ta tính khối lượng nước cần thêm trường hợp (Bảng 4.3) a) B1: Đặt xốp b) B2: Đặt chậu nhựa cân Cây lúa bị đổ c) B3: Đổ nước vào chậu d) B4: Quan sát đánh giá tượng Hình 4.9: Các bước thí nghiệm Bảng 4.3: Khối lượng nước cần thêm trường hợp H (m) 0.5 1.5 2.5 3.5 FD (N) 101.98 94.14 87.24 84.26 79.96 78.04 74.88 mD (kg) 10.89 9.93 9.08 8.72 8.19 7.96 7.57 37 Với trường hợp độ cao, ta tiến hành thử nghiệm với khu vực lúa khác Để đánh giá tượng, phát lúa bị đổ trường hợp khơng thỏa mãn hay độ cao bay tương ứng trực thăng trường hợp khơng thích hợp để phun thuốc cho lúa 4.2.3 Đánh giá kết thực nghiệm Bảng 4.4: Kết thực nghiệm: OK trường hợp khơng có lúa bị đổ, NG trường hợp xuất lúa bị đổ H (m) 0.5 1.5 2.5 3.5 Mẫu NG NG NG OK OK OK OK Mẫu NG NG NG NG OK OK OK Mẫu NG OK NG NG OK OK OK Cây lúa bị đổ Hình 4.10: Cây lúa bị đổ hàng loạt trường hợp H = 0.5m Dựa vào kết thực nghiệm, ta thấy độ cao bay thỏa mãn để không làm hỏng lúa H > 2.5m Trên thực tế sử dụng trực thăng phun thuốc phải phun đợt Vậy, cần làm thực nghiệm thời điểm phun thuốc lúa (Ví dụ: Phun rầy hại vào tháng hàng năm) thân phát triển thời kỳ khác sức chịu áp lực, gió khác Lúa phát triển không đồng khu vực khác dẫn đến sức chịu tải mẫu lúa không giống Để thử nghiệm khả chịu áp lực cách xác nhất, ta cần hoàn thiện việc chế tạo mẫu trực thăng cho thử nghiệm bay trực tiếp đồng lúa để đánh giá 4.3 Ảnh hƣởng tán Một số loại ăn có thân cao, tán rộng có nhu cầu phun thuốc sâu, số đại diện tiêu biểu nước ta là: Cam, vải, bưởi,…Trường hợp trực thăng bay phía tán để phun thuốc, hiệu ứng mặt đất bị triệt 38 tiêu hoàn toàn độ cao bay lớn Tuy nhiên khoảng cách nhỏ từ trực thăng đến tán đặt vấn đề cần xem xét ảnh hưởng tán lên dịng khí chong chóng mang Chọn vải thiều Thanh Hà làm đối tượng phun thuốc, loại thường có tán rộng hình mâm xơi, độ cao trưởng thành thường cao 4m nên thích hợp để triệt tiêu ảnh hưởng hiệu ứng mặt đất Mật độ trồng phụ thuộc vào giống, độ màu mỡ đất, điều kiện khí hậu, đầu tư ban đầu Khoảng cách trồng vải thích hợp 7m x 7m 8m x 8m (mật độ 205 156 cây/ha) Trong điều kiện thâm canh cao, trồng với khoảng cách 3m x 4m hay 4m x 6m (mật độ 832 416 cây/ha) [8] [9] 4.3.1 Các thiết lập mơ Ta tận dụng mơ hình A, tạo thêm hình 3D vải, với độ cao 4m, tán có đường kính 6m độ cao phần gốc 1m (Hình 4.10-a) Mật độ trồng chọn 7m x 7m, ta có mơ hình 3D khu vực trồng vải có kích thước 28m x 28m với tổng cộng 25 (Hình 4.10-b) Độ cao trực thăng tính từ đỉnh tán đến đáp 0.5m 6m 4m 1m a) Mơ hình vải b) Mơ hình vườn vải Hình 4.11: Mơ hình mơ Sử dụng lại thiết lập chia lưới mô hình A, chia lưới tự động tồn khu vực vườn cây, ta thu lưới có số sau: - Elements: 5647904 - Nodes: 1670324 Skewness trung bình: 0.24272 (Thỏa mãn điều kiện theo bảng 3.3) - Orthogonal quality trùng bình: 0.74651 (Thỏa mãn theo điều kiện bảng 3.2) 39 Hình 4.12: Lưới khu vực gần thân Các điều kiện biên theo cài đặt mơ hình A, thực mơ transient 4.3.2 Phân tích kết mơ  Các kết định tính: a) t = 0.5T b) t = 6T c) t = 11T d) t = 17T e) t = 22T f) t = 32.5T Hình 4.13: Đường dịng có tán 40 Tương tự bay độ cao 0.5m 8m, xốy bắt đầu xuất chong chóng mang quay nửa vịng, sau bị đẩy dần xuống Do hình dạng đặc biệt tán cây, xốy đầu mũi cánh bị phần tách thành nhiều xoáy nhỏ Xốy đặc trưng cho tượng dịng rối, đó, nhiều xốy chứng tở dịng nhiễu loạn Pa a) t = 0.5T b) t = 6T d) t = 17T e) t = 22T c) t = 11T f) t = 32.5T Hình 4.14: Áp suất phân bố tán m/s a) t = 0.5T b) t = 6T c) t = 11T d) t = 17T e) t = 22T f) t = 32.5T Hình 4.15: Phân bố vận tốc mặt cắt XY Qua hình ảnh phần bố áp suất bề mặt tán (Hình 4.14) vận tốc dịng khí mặt cắt XY (Hình 4.15), ta giải thích tượng sau: 41 Dịng khí bị đẩy từ chong chóng mang xuống, vận tốc bị giảm đột ngột nên ta thấy áp suất lớn suất khu vực đỉnh Do tán có dạng mặt cong nên dịng khí bị đẩy xuống men theo biên dạng tán Vận tốc lớn xuất xung quanh tán tương ứng khu vực có áp suất âm Như ta thấy số điểm tương đồng áp suất phần bố profil cánh mặt cong dịng khí có hướng men theo biên dạng bề mặt Nhưng tượng xảy biên dạng cong đủ để khơng xảy tượng tách dịng Phân bố áp suất vận tốc cho thấy dịng khí chủ yếu tác động vào tán bên trực thăng, phương pháp hợp lý để phun thuốc cho vườn ăn cho trực thăng bay phía phun thuốc cho một, thời gian dành cho khoảng 2s để đảm bảo phân bố lượng thuốc tán Tuy thể hiện tượng, hạn chế lớn mơ cối ta tạo hình dạng 3D tán Tán thực tế “mịn” mô hình 3D rung động làm triệt tiêu áp lực dịng khí chong chóng mang Điều đặt tốn nhằm tối ưu hóa mơ hình mơ để giống thực tế  Lực kéo: 900 0.5m 0.5m tán 8m Lực kéo (N) 800 700 600 500 0.5 1.5 Thời gian (s) 2.5 Hình 4.16: Lực kéo độ cao 0.5m so với mặt đất 0.5m phía tán Tuy độ cao bay H = 4.5m khoảng hiệu ứng mặt đất tán yếu tố thay làm cản trở phát triển xoáy đầu mũi cánh, dẫn đến lực kéo tăng Với khoảng cách 0.5m lực kéo bay tán nhỏ trường hợp bay mặt đất lớn rõ rệt so với trường hợp bay độ cao 8m (Hồn tồn khơng có hiệu ứng mặt đất) Tuy khơng có ảnh hưởng mặt đất tán gây hiệu ứng làm tăng lực kéo trực thăng Vậy ta kết luận rằng: tổng quát hiệu ứng mặt đất tượng 42 trực thăng bay gần vật thể khác Điều đặt vấn đề cần nghiên cứu loại trồng để xây dựng số liệu điều khiển trực thăng trước tiến hành hoạt động bay 4.4 Địa hình đồi núi chè Địa hình đồi núi chiếm tới 1/4 diện tích lãnh thổ nước ta, có 1% dạng địa hình núi cao (trên 2000m), cịn lại phần lớn vùng đồi núi thấp (dưới 1000m) Đặc trưng loại địa hình yếu tố độ dốc, với khu vực độ dốc nhỏ (dưới 200) thích hợp trồng loại cơng nghiệp cà phê, chè…cịn nơi địa hình dốc lớn, hiểm trở gây khó khăn cho trồng trọt [7] Ở nước ta, chè loại công nghiệp phổ biến trồng chủ yếu trung du đồi núi Địa hình địa có ảnh hưởng rõ đến sinh trưởng, suất phẩm chất chè Các quan sát thực tế cho thấy chè trồng vùng núi cao có hương thơm mùi vị tốt vùng thấp Phần lớn vùng chè có phẩm chất tốt giới phân bố độ cao 500 – 800 m so với mặt biển Bên cạnh đó, độ dốc ảnh hưởng khơng nhỏ đến việc canh tác chè, định độ rộng khoảng cách luống cho tối ưu sản lượng thu hoạch Tương tự lúa, chè lồi chịu hại kém, kể đến vài loại sâu hại như: Rầy xanh, bọ cánh tơ, nhện đỏ nâu, bọ xít muỗi 4.4.1 Các thiết lập mô Chè trồng theo luống, độ cao luống khoảng 0.8 – 1m khoảng cách luống phụ thuộc vào độ dốc địa hình: - Nơi dốc < 150: Hàng cách hàng 1.4 – 1.5m - Nơi dốc > 150: Hàng cách hàng 1.2 – 1.3m Ta chọn hai trường hợp độ dốc 100 200 để nghiên cứu với mơ hình 3D tương ứng trực thăng phun thuốc cho đồi chè Hình 4.17: Mơ hình 3D địa hình dốc 100 43 Hình 4.18: Mơ hình 3D địa hình dốc 200 Sử dụng lại thiết lập chia lưới mơ hình A, chia lưới tự động bề mặt dốc luống chè Ta thu lưới cho mơ hình (Hình 4.19) a) Dốc 100 c) Dốc 100 b) Dốc 100 có luống chè d) Dốc 100 có luống chè Hình 4.19: Lưới mơ hình Bảng 4.5: Thơng số lưới Mơ hình Số phần tử Số mắt lưới Skewness Orthogonal Dốc 100 5055240 1467110 0.24021 0.74786 Dốc 200 5068935 1469652 0.24011 0.74800 Đồi chè dốc 100 6209203 1878790 0.25594 0.73322 Đồi chè dốc 200 6872023 2122110 0.25956 0.72813 44 4.4.2 Xử lý kết mô  Phân tích tượng: t = 0.5T t = 6T t = 11T t = 17T t = 22T a) Độ dốc 10 t = 0.5T t = 6T t = 17T t = 22T t = 32.5T t = 11T t = 32.5T b) Đồi chè dốc 10 Hình 4.20: Đường dịng mặt cắt XY độ cao 0.5m địa hình dốc 10 độ Pa a) Độ dốc 100 b) Độ dốc 200 Hình 4.21: Phân bố áp suất mặt đất luống chè trường hợp t = 11T 45 Sự phát triển xốy đầu mũi cánh địa hình dốc tương tự địa hình phẳng thời điểm ban đầu Địa hình luống chè ảnh hưởng đến khả phát triển xoáy xung quanh so với trường hợp mặt dốc 100 nhẵn (Hình 4.20) Đệm khí tồn địa hình bay dốc phân bố áp suất tác dụng đệm khí khơng Điều thể qua phân bố áp suất mặt đất, vùng áp suất lớn xuất khu vực mặt phẳng quay chong chóng mang gần mặt đất (Hình 4.21) Như vậy, lực nâng khu vực mặt phẳng quay gần với mặt đất lớn nhất, giúp tạo moment cân Như vậy, tác dụng làm tăng lực nâng cho máy bay, hiệu ứng mặt đất địa hình dốc cịn có tác dụng tăng tính ổn định cho trực thăng  Đánh giá kết lực kéo: 900 8m Dốc 10 độ Lực kéo (N) 800 Dốc 20 độ Đồi chè dốc 10 độ 700 Đồi chè dốc 20 độ 600 500 0.5 1.5 Thời gian (s) 2.5 Hình 4.22: Lực kéo trực thăng bay địa hình dốc Lực kéo so sánh với trường hợp độ cao bay 8m lớn rõ rệt chứng tỏ hoạt động bay loại địa hình đồi núi dốc tạo hiệu ứng mặt đất Tương tự mơ hình mơ tán cây, luống chè thực tế có hiệ tượng rung động làm triệt tiêu ảnh hưởng lớp đệp khí lên trực thăng Điều đặt vấn đề cần tối ưu hóa mơ hình mơ cối tương tự trường hợp trực thăng bay tán 46 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG PHÁT TRIỂN Việc nghiên cứu hiệu ứng mặt đất cần thiết với mẫu trực thăng nào, Qua công cụ mô ANSYS Fluent việc tạo mơ hình lưới có độ tin cậy cao, ta nắm bắt tượng định tính dự đoán số trường hợp cụ thể trực thăng bay gần bề mặt hay vật thể khác Qua mơ dịng steady, ta có dải lực kéo độ cao từ 0.5m đến 3.5m khoảng xảy hiệu ứng mặt đất Kết có tính xác thực cao so sánh với lý thuyết, độ cao bay nhỏ đường kính chong chóng mang gây hiệu ứng mặt đất Bằng cách khoanh vùng ảnh hưởng áp lực lên lúa, kết hợp mơ làm thực nghiệm, đề xuất độ cao phun thuốc lớn 2.5m để lúa không bị đổ Các mô transient miền thời gian làm tốt nhiệm vụ thể tượng đặc trưng dịng khí xốy đầu mũi cánh lớp đệm khí Xốy không cố định mà di chuyển từ đầu mũi cánh xuống, tùy thuộc vào độ cao vật thể bên ảnh hưởng đến phát triển xốy Thêm vào đó, anh hưởng chong chóng lái làm cho đường dịng bị lệch phía Mơ miền thời gian kết hợp với thay đổi địa hình trồng cho kết định tính khác Khi trực thăng bay gần vật thể đó, bề mặt vật thể cản trở phát triển rộng xoáy điều dẫn đến việc tăng lên áp suất bề mặt vật thể lực kéo trực thăng  Định hướng phát triển: Cải tiến mơ hình mô cối, đánh giá ảnh hưởng rung động triệt tiêu đệm khí trực thăng bay tán Vì phun thuốc trực thăng chủ yếu bay để phần bố lượng thuốc khu vực trồng Do nghiên cứu dừng lại chế độ bay treo nên định hướng quan trọng luận văn nghiên cứu hiệu ứng mặt đất chế độ bay 47 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] TÀI LIỆU THAM KHẢO J.Seddon, "Basic Helicopter Aerodynamics", First published 1990 Nguyễn Thế Mịch, "Giáo trình máy bay trực thăng", Nxb Bách Khoa 2009 Trần Bảo Anh, "Nghiên cứu đặc tính khí động máy bay trực thăng chế độ bay treo", Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2019 Vũ Tuấn Dương, "Nghiên cứu đặc tính khí động máy bay trực thăng không người lái ứng dụng phun thuốc trừ sâu nông nghiệp", Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2018 Lê Văn Việt, "Nghiên cứu kiểm bền chong chóng mang máy bay UAV trực thăng ứng dụng nông nghiệp", Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2019 https://www.learncax.com/knowledge-base/blog/by-category/cfd/basics-ofy-plus-boundary-layer-and-wall-function-in-turbulent-flows http://tuaf.edu.vn/khoanonghoc/bai-viet/quy-trinh-ky-thuat-trong-tham-can h-che-an-toan-1837.html?fbclid=IwAR2LJmDumTBcjDP3ook6FGkiXIRd 5JU9vxNoSW65TzszINne7iqfrXd_Fcc http://camnangcaytrong.com/cay-vai-cd68.html?fbclid=IwAR05Xepwhk7i VBOKZNRt9_kcCoX3jcLdiJdXGU4oLazKKPqn-HDOK1Xe_-A http://www.nuibavi.com/bavi/Ky-thuat-trong-cay-Vai-Thieu.html?fbclid=I wAR0KxTCBkTG_CIuSk1z-grbrpiUkVKML2ertunZjb3Qqv9KBHzxmfm DlGG4 48 ... khí động lực Tên đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất yếu tố địa hình ảnh hưởng đến hoạt động bay trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu b Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất với... văn: Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất yếu tố địa hình ảnh hưởng đến hoạt động bay trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số HV: CBC19002 Tác giả, Người. .. thêm ảnh hưởng yếu tố địa hình yếu tố thời gian lên hiệu ứng mặt đất Vậy, ta có thơng số đầu vào ảnh hưởng đến tốn này, là: - Thơng số đầu vào chong chóng mang chong chóng lái - Hình dạng trực thăng