Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định đặc trưng khí động lực của cánh quay trực thăng xét đến sự tương tác với thân và mặt giới hạn

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm xây dựng mô hình toán và phương pháp xác định các đặc trưng khí động của CQTT khi xét đến ảnh hưởng của thân và mặt giới hạn; Khảo sát bài toán tương tác khí động giữa cánh quay (CQ), thân TT và mặt giới hạn, nghiên cứu mô phỏng sự biến đổi của các đặc tính khí động CQ khi xét đến tương quan vị trí giữa CQ với thân TT;

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ PHẠM THÀNH ĐỒNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG KHÍ ĐỘNG LỰC CỦA CÁNH QUAY TRỰC THĂNG XÉT ĐẾN SỰ TƯƠNG TÁC VỚI THÂN VÀ MẶT GIỚI HẠN Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62.52.01.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2020 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Vũ Uy, Học viện KTQS PGS.TS Đặng Ngọc Thanh, Học viện KTQS Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Thế Mịch Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Minh Xuân Phản biện 3: PGS.TS Phạm Tiến Đạt Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tiến sĩ kỹ thuật cấp Học viện Kỹ thuật Quân họp tại………………………………… vào hồi giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án: Với mạnh tính động khả hoạt động linh hoạt địa hình thời tiết, trực thăng (TT) khí cụ bay (KCB) ngày ứng dụng rộng rãi nhiều quốc gia giới, nhiều lĩnh vực, quân dân Việc tham gia thực nhiều loại nhiệm vụ, hình thức điều kiện mơi trường (mưa bão, gió lớn, sóng biển, vùng đồi núi ) đặt yêu cầu cấp thiết cần nâng cao khả điều khiển, đảm bảo an toàn khai thác sử dụng TT Các nghiên cứu TT nói chung, khí động trực thăng nói riêng nhiệm vụ bay cụ thể có ý nghĩa quan trọng, sở khoa học để đưa khuyến cáo bay phù hợp, hạn chế ảnh hưởng điều kiện địa hình thời tiết đến trình bay, nâng cao tính an tồn, độ tin cậy chuyến bay Bên cạnh đó, Việt Nam, nhu cầu cải tiến hoàn thiện thiết bị tập lái, bổ sung tính mơ phục vụ hiệu cơng tác huấn luyện phi cơng thơng qua việc hồn thiện mơ hình tính tốn khí động CQ ngày trở nên cấp thiết Yêu cầu xác định xác liệu vận tốc dịng khí TT hạ cánh làm sở để hoàn thành dự án thiết kế chế tạo mìn chống đổ thời Đặc biệt toán đảm bảo an toàn bay TT cất hạ cánh tàu, nhà cao tầng, giàn khoan cần có nghiên cứu phân tích đánh giá nâng cao khả điều khiển Từ thấy việc nghiên cứu xây dựng mơ hình cánh quay trực thăng (CQTT) có xét đến yếu tố phi tuyến khơng dừng đặc trưng cho chuyển động TT, có xét đến ảnh hưởng cảm ứng từ thành phần khác TT ảnh hưởng bề mặt địa hình mang ý nghĩa quan trọng Từ vấn đề phân tích nói trên, tác giả xây dựng luận án (LA) “Nghiên cứu xác định đặc trưng khí động lực cánh quay trực thăng xét đến tương tác với thân mặt giới hạn”, đảm bảo tính mới, tính thực tiễn có ý nghĩa khoa học Mục đích nghiên cứu LA: Xây dựng mơ hình tốn phương pháp xác định đặc trưng khí động CQTT xét đến ảnh hưởng thân mặt giới hạn; Khảo sát toán tương tác khí động cánh quay (CQ), thân TT mặt giới hạn, nghiên cứu mô biến đổi đặc tính khí động CQ xét đến tương quan vị trí CQ với thân TT; Nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng, kích thước mặt giới hạn số trường hợp TT hạ cánh Đối tượng nghiên cứu LA: CQTT có hay nhiều cánh; Thân TT tích (3D); Mặt giới hạn có kích thước hình dạng tùy ý; Tương tác cảm ứng khí động CQ – thân TT – mặt giới hạn Phạm vi nghiên cứu LA: Tập trung nghiên cứu xây dựng mơ hình xốy CQTT có xét đến ảnh hưởng cảm ứng thân mặt giới hạn tới đặc trưng khí động (ĐTKĐ) CQ Mơ hình CQ xét có cánh quạt (LCQ) gắn cứng, không xét đến khớp chuyển động độ vặn LCQ; Chế độ bay áp dụng tính tốn khảo sát chủ yếu chế độ thổi đứng (bay treo, bay lên xuống thẳng đứng) Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu xây dựng mơ hình tính tốn theo lý thuyết xốy mơ số Ý nghĩa khoa học thực tiễn: Có đóng góp việc xây dựng mơ hình tốn nghiên cứu tương tác khí động thành phần hệ đa vật phương pháp xốy rời rạc Áp dụng mơ hình xốy khuếch tán vào mơ hình xốy, làm cho mơ hình tốn xây dựng phương pháp xốy trở nên hoàn thiện hơn; Trên sở lý thuyết xây dựng mơ hình tốn, tạo cơng cụ tính tốn linh hoạt, đảm bảo độ xác, góp phần nâng cao hiệu trình khai thác vận hành trực thăng nước, phục vụ tốt cho dự án nghiên cứu khoa học dự án buồng tập lái trực thăng, dự án chế tạo sản xuất mìn chống đổ từ trực thăng dự án khác…; Đề xuất cách tiếp cận sử dụng phương pháp xốy rời rạc (XRR) khung xốy kín để mơ dịng chảy bao vật thể 3D Các nội dung đề tài: Xây dựng sở lý thuyết mơ hình tốn học phi tuyến khơng dừng CQTT, CQ – Thân TT, CQ – Thân – Mặt giới hạn theo lý thuyết XRR với phần tử xốy khung kín tứ giác, xét đến tượng khuếch tán xốy; Tạo cơng cụ tính tốn sở lý thuyết mơ hình tốn xây dựng, nghiên cứu kiểm chứng mơ hình; Sử dụng cơng cụ tính tốn kiểm chứng áp dụng toán cụ thể thực tiễn khai thác vận hành TT Bố cục LA: gồm phần mở đầu bốn chương nội dụng, phần kết luận, danh mục cơng trình liên quan đến LA cơng bố, danh mục tài liệu tham khảo phần phụ lục Chương TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ KHÍ ĐỘNG CQTT 1.1 Tình hình nghiên cứu giới Trên giới có nhiều cơng trình nghiên cứu khí động trực thăng với nhiều hướng tiếp cận nhiều phương pháp [10], [12], [21], [36], [41], [74], [77], [86], [95] Các lý thuyết xung Iuriev Sabina, lý thuyết xoáy cánh quay Zhukovsky [62], [67], [73] Belotserkovsky học trò [59], [60], [61], [63], [64], [65] nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để xác định tốc độ cảm ứng, từ xác định ĐTKĐ CQTT Việc có nhiều cơng trình nghiên cứu khí động lực học cánh quay trực thăng nhiều phương pháp góp phần thúc đẩy tiến khoa học, nâng cao trình độ lực nghiên cứu lĩnh vực khí động lực học Các cơng trình nghiên cứu tương tác khí động thành phần trực thăng có ý nghĩa khoa học cao cơng trình John Berry [26], cơng trình Liu Dawei [31] nhiều cơng trình khác sử dụng phương pháp CFD để nghiên cứu tương tác khí động CQTT- Thân TT [14], [16], [40], [42], [43], [47], [51], [53] Các cơng trình kể tập trung khảo sát tính tốn phân bố áp suất thân trực thăng, không nghiên cứu tác động thân lên đặc tính khí động CQ Bên cạnh tốn tương tác khí động, xu hướng nghiên cứu nâng cao hoàn thiện phương pháp tính tốn khí động lực học nhiều nhà khoa học giới quan tâm Các nghiên cứu tác giả Tsheglova V М [90], [92÷94] đặc tính khí động cánh quay xét đến hiệu ứng khuếch tán xốy, kết tính tốn so sánh với thực nghiệm, có độ xác cao Tuy nhiên cơng trình tập trung nghiên cứu sâu tượng khuếch tán lõi xoáy, mà chưa có phát triển nghiên cứu tương tác khí động Về mặt phương pháp nghiên cứu, để có số liệu khí động CQTT ngày người ta sử dụng nhiều cách tiếp cận Theo phát triển khoa học kỹ thuật tính tốn, nghiên cứu khí động trực thăng sử dụng phương pháp giải số ngày nhiều, độ xác ngày cao Phương pháp số xét đến tính nén, tính nhớt dịng khí phát triển mạnh giới mô đun CFD Ansys Mơ đun CFD Ansys có u cầu tương đối cao tài ngun máy thời gian tính tốn, không làm bật đặc điểm tương tác cảm ứng Kỹ thuật chia lưới ảnh hưởng nhiều đến độ xác tốn Mặc dù phương pháp tính tốn khí động CFD có nhiều ưu điểm mà nhờ sử dụng phổ biến ngày Phương pháp CFD có cách xây dựng mơ hình tương đối độc lập, khách quan, có mơ đun tính tốn giả lập mơi trường gần với điều kiện thực tế Các kết đạt từ phương pháp giải CFD trực quan, có độ xác tương đối cao Chính ưu điểm mà nhiều cơng trình, phương pháp CFD thường nhà khoa học sử dụng phương pháp “thực nghiệm ảo”, cách tính khác để so sánh kết quả, kiểm chứng mơ hình tốn [20], [21], [36], [41], [74], [77] Phương pháp XRR phương pháp số hình thành dựa sở lý thuyết xoáy Zhukovsky N.Y, cho phép mơ hình hóa chất hình thành lực nâng (lực pháp tuyến chênh lệch áp suất) lực cản cảm ứng [18], [19], [29], [59], [63] Đây phương pháp ưu việt việc xác định tốc độ cảm ứng mô dịng xốy chảy bao CQTT, nhiều nhà khoa học giới nghiên cứu phát triển (Belotserkovsky S М, Ludwig Prandtl, V.M Falkner, Katz & Plotkin,…[37], [54], [55], [69], [85]) Nhiều nghiên cứu phương pháp XRR thích hợp việc tính tốn đặc tính khí động CQTT KCB tốc độ thấp [27] Đặc biệt phương pháp XRR ưu việt để nghiên cứu tương tác khí động vật hệ khí động đa vật [22], [31], [76], [96] Phương pháp XRR khơng u cầu cao cấu hình máy tính, có thời gian tính tốn nhanh Các phần tử xốy ứng dụng phương pháp XRR đa dạng linh hoạt, phù hợp nhiều dạng tốn, mơ hình dạng phức tạp nhiều đối tượng nghiên cứu Tiêu biểu cơng trình Motsar P.I [87], [88], [89]; cơng trình Jelanhiikov A.I [23], [72]; Liphanov I.K [84], [85]; J Katz A Plotkin [29] Bài tốn chảy bao khí động CQ cịn đặc trưng lớn tính phi tuyến, tính khơng dừng Do hướng tiếp cận phi tuyến không dừng sử dụng phương pháp XRR để xây dựng mơ hình tính tốn khí động CQ phù hợp Có thể thấy toàn thiết kế chế tạo TT xuất phát triển từ lâu, nhiên tính ứng dụng TT làm cho vấn đề nghiên cứu liên quan đến khí động TT không ngừng phát triển Các nghiên cứu khí động TT ln có tính thời sự, đặc biệt tốn tương tác khí động đa vật, toán khảo sát ảnh hưởng bề mặt địa hình mơ dịng chảy bao vật thể 3D có tính cấp thiết 1.2 Tình hình nghiên cứu nước Ở Việt Nam, nghiên cứu khí động học nói chung khí động cánh quay trực thăng nói riêng ngày quan tâm phát triển Ngày có nhiều cơng trình nghiên cứu khí động trực thăng cơng bố tạp chí chuyên ngành uy tín Nổi bật nghiên cứu khí động trực thăng nhóm cơng trình sử dụng phương pháp XRR để tính tốn, xây dựng mơ hình xốy tuyến tính phi tuyến, với phần tử xốy hình móng ngựa [2], [3], [5], [6], [7], [8], [9] Nhóm cơng trình định hướng để giải toán chảy bao vật thể dạng mỏng riêng rẽ, khơng mơ lớp tốn có chảy bao vật tích, khơng phù hợp với lớp tốn tương tác khí động Bên cạnh đó, đặc điểm xốy tự phát triển liên tục phía sau biến đổi mở rộng theo thời gian, nghĩa ln có khuếch tán xốy khơng gian dịng chảy Điều chưa đề cập tới cơng trình nghiên cứu nước Mặc dù thấy rằng, thời điểm kỹ thuật tính tốn chưa phát triển, phương pháp XRR tác giả nước ứng dụng hiệu quả, thể nhiều ưu giải tốn khí động học, đáp ứng yêu cầu phát triển khoa học công nghệ Nhà nước Quân đội Kết luận chương Nghiên cứu tính tốn khí động CQTT đề tài quan tâm, xuất phát từ ứng dụng thực tiễn Có nhiều phương pháp, nhiên sử dụng phương pháp xốy nghiên cứu tương tác khí động CQTT phù hợp hiệu quả, hợp với xu phát triển chung giới Các cơng trình nghiên cứu khí động CQTT nước đạt số kết định, dừng lại nghiên cứu CQ độc lập dựa XRR với phần tử xốy hình móng ngựa; đối tượng tính tốn mơ dạng mỏng; chưa nghiên cứu tượng khuếch tán xoáy Điều cho thấy hướng nghiên cứu LA tương tác khí động lực học CQ – thân TT, xét đến hiệu ứng khuếch tán xoáy xét đến ảnh hưởng bề mặt địa hình hướng nghiên cứu mới, có tính thời tính cấp thiết, nhiều nhà khoa học quan tâm Chương NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN 2.2 Xây dựng mơ hình xốy cánh quay phi tuyến khơng dừng 2.2.1 Các giả thiết điều kiện biên Xét chuyển động CQTT hệ trục tọa độ OXYZ với vận tốc U góc αcq theo hướng âm trục OX, CQ quay xung quanh trục OZ với vận tốc góc  (hình 2.1) Theo khía cạnh tốn học, tính tốn khí động CQTT phương pháp XRR hướng đến việc xác định trường tốc độ W( r ,t) trường áp suất p( r ,t) hệ tọa độ không gian thỏa mãn điều kiện giả thiết sau [23], [72]: - Thế vận tốc nhiễu Φ( r ,t) thời điểm bên ngồi bề mặt xốy (các bề mặt xốy liên kết xoáy tự do) phải thỏa mãn phương trình Laplace: - Trên bề mặt LCQ thay xoáy liên kết phải thỏa mãn điều kiện chảy khơng thấm - Trên xốy tự cần thỏa mãn điều kiện khơng có chênh áp - Trên vị trí dịng khí khỏi bề mặt LCQ (ở mép sau cánh quay) phải thỏa mãn điều kiện Traplugin- Jucốpski-Kutta vận tốc hữu hạn xoáy thoát có phương tiếp tuyến với bề mặt cánh - Tốc độ nhiễu tắt dần độ dài xoáy tiến xa vơ 2.2.2 Xây dựng mơ hình tốn học Các bề mặt cánh hệ thống xoáy tự thoát sau cánh thay xốy khung kín hình tứ giác Thay LCQ xoáy liên tục, thực rời rạc hóa xốy theo kích thước LCQ Cụ thể chia cánh CQ theo hướng sải cánh thành N dải xoáy theo hướng dây cung cánh thành n khung xoáy Như LCQ thay xoáy liên kết có m  n  N khung xốy tứ giác Các điểm kiểm tra (được đánh dầu kí hiệu “+” hình 2.7) mà thực điều kiện khơng chảy thấm Hình 2.7 Mơ hình LCQ phân bố khung xốy Hình 2.10 Mơ hình khuếch tán xốy Các vết xốy hình thành sau LCQ mơ hệ thống khung xốy tứ giác chuyển động với phần tử dịng khí Phần tử xốy khung dạng tứ giác cấu tạo từ đoạn xoáy thành phần, việc xác định tốc độ cảm ứng gây khung xốy tứ giác điểm khơng gian tổng tốc độ cảm ứng gây đoạn xoáy thành phần [29],[63]: qP1234 (u, v, w) = q12 (u1 , v1, w1 )  q23(u2 , v2 , w3 )  q34 (u3 , v3 , w3 )  q41(u4 , v4 , w4 ) Mỗi thành phần (ui ,vi , wi ), i   xác định dựa theo định luật Biot-Savart [29],[63] Đoạn xốy 12 có lưu số tốc độ Γ gây tốc độ cảm ứng điểm P  x p , y p , z p  không gian là: r r   r1  r2 q  r0     12 4 r  r  r1 r2  (2.12) Mơ hình khuếch tán xốy: Biểu thức (2.12) cho thấy điểm cần tính tốc độ cảm ứng nằm sợi xoáy (tức P nằm đoạn xoáy 12), xuất điểm kỳ dị xác định giá trị tốc độ cảm ứng điểm (do mẫu số 0) Giải vấn đề này, LA áp dụng mô hình khuếch tán xốy Squire, Bhagwat Leishman với tỉ số thay đổi độ nhớt  =8 [38], [39], [44] (hình 2.10) rc  rx 02    L     t (2.13) Khi xét đến yếu tố bán kính lõi xốy, cơng thức xác định tốc độ cảm ứng điểm gây đoạn xốy khơng gian cho định luật Biot - Savart thay đổi [29], [92], [93]:   r1  r2 r1 r2  q  r   12 4 r  r  r  r  r  r r2  rc 2 c c      (2.14) Tọa độ điểm kiểm tra khung xoáy xác định từ tọa độ đỉnh tứ giác tạo nên khung xoáy Điều kiện biên theo lý thuyết XRR tính chảy khơng thấm dịng bề mặt LCQ điểm kiểm tra sở để thiết lập hệ phương trình tuyến tính với ẩn số cường độ khung xoáy: a1m      RHS1   a11 a12 a a2m      RHS2  CQ  21 a22   B1m1 hay  A1mm     m1             a3m    m   RHSm   am1 am2   (2.15) Nếu CQ có số LCQ kcq >1, tổng số xoáy thay bề mặt LCQ CQ m  kcq Do số phương trình số ẩn hệ phương trình (2.15) tăng lên kcq lần Giải hệ phương trình (2.15), xác định giá trị cường độ khung xoáy liên kết thành phần, sở để tính tốn đặc tính khí động mơ hình cánh quay Các kết đưa qua tính tốn từ mơ hình xốy CQ dựa kích thước tham chiếu bán kính R LCQ, vận tốc đầu mút LCQ ωR diện tích quét CQ, F=  R 2.3 Xây dựng mơ hình xốy CQ - Thân trực thăng Bề mặt thân chia nhỏ thay khung xốy liên kết hình tứ giác có cường độ thay đổi Theo nguyên tắc lý thuyết xoáy, bề mặt thân TT cần thỏa mãn điều kiện biên tính khơng chảy thấu Mơ hình xốy CQ – Thân TT gồm hai hệ thống xoáy liên kết hình tứ giác thay cho bề mặt LCQ bề mặt thân TT Hai hệ thống xoáy tác động qua lại lẫn thể ảnh hưởng cảm ứng khí động CQ thân TT Mơ hình thân TT mơ hình hố M khung xoáy liên kết Số lượng khung xoáy tứ giác thay bề mặt thân TT lấy dựa sở cân yếu tố điều kiện hội tụ giảm thiểu khối lượng tính tốn [63] Vị trí tương đối thân TT CQ xác định tham số h L1 (hình 2.14) Hình 2.14 Mơ hình CQ – Thân   A1mm   A3 M m  A2 mM    m1    B1m1     A4 M M    Th    B2 M 1  CQ  M 1  (2.20) CQ thay thể m khung xoáy tứ giác, mơ hình xốy CQ – Thân TT có tổng số khung xốy m+M Đây số lượng điểm kiểm tra mơ hình xoáy CQ – Thân TT Áp dụng điều kiện biên theo lý thuyết XRR tính chảy khơng thấm dịng điểm kiểm tra mơ hình xốy CQ – Thân TT, nhận hệ phương trình tuyến tính xác định cường độ xốy hệ khí động đa vật CQ – Thân viết dạng ma trận biểu thức (2.20) Trong hệ phương trình (2.20), ma trận hệ số A1, B1 thể tác động xoáy liên kết bề mặt CQ điểm kiểm tra nằm CQ Ma trận ẩn  CQ lưu số tốc độ xoáy liên kết thay bề mặt CQ Các ma trận hệ số A2, A3, A4,  Th , B2 mơ tả tác động khí động liên quan đến xoáy liên kết bề mặt thân TT 2.4 Xây dựng mơ hình xốy CQ mơ hình xốy CQ – Thân TT điều kiện có tương tác với đối tượng khác Trong thực tế hoạt động, TT thường xuyên có chuyến bay thành phố, bên cạnh nhà cao tầng, bay vùng đồi núi, thung lũng chịu tác động cảm ứng từ bề mặt địa hình lồi lõm phức tạp Để nghiên cứu tác động tương tác từ bên ĐTKĐ TT, sử dụng mơ hình tốn CQ đơn lẻ mơ hình tốn CQ – Thân TT khơng đủ Các mơ hình xốy CQ – Mặt giới hạn (MGH) mơ hình xốy CQ – Thân – Mặt giới hạn xây dựng phần giải vấn đề 2.4.1 Xây dựng mơ hình xốy CQ – Mặt giới hạn Có thể nghiên cứu hiệu ứng mặt đất nhiều phương pháp, nhiên sử dụng phương pháp xoáy cách tiếp cận phổ biến theo cách sau: sử dụng phương pháp đối xứng gương phương pháp mô bề mặt giới hạn hệ thống khung xoáy [63] Trong LA này, sử dụng phương pháp thứ để 11 Hình ảnh xốy sau LCQ vị trí góc phương vị ψ=1800 (hình 3.7-a,b) ψ=2700 (hình 3.7-c,d) tính từ mơ hình xoáy CQ LA Kritsky B.S [78] Theo xốy thu sau CQ từ mơ hình LA tương đồng với hình ảnh xốy từ mơ hình Kritsky B.S áp dụng tham số đầu vào 3.3.2 Kiểm chứng với mơ hình CQ Moshar P.I [87] Volodko А.М [67] Áp dụng số liệu tham số hình học điều kiện hoạt động CQ cơng trình Moshar P.I Volodko А.М cho mơ hình xốy CQ LA Kết tính tốn giá trị lực kéo đạt từ mơ hình xốy CQ LA so sánh với số liệu lấy từ cơng trình Moshar P.I [87] Volodko А.М [67] thể qua đồ thị hình 3.12 Các giá trị hệ số lực kéo trung bình theo góc lắp khác tính tốn từ mơ hình tương đồng giá trị qui luật biến đổi 3.3.3 Kiểm chứng với mơ hình CQ Juan D Colmenares Trong cơng trình [28] cơng bố năm 2015, Juan D Colmenares xây dựng mơ hình cánh quay phương pháp XRR khơng dừng Mơ hình CQ Juan D Colmenares có LCQ, hoạt động chế độ bay treo Áp dụng tính tốn với mơ hình CQ LA Juan D Colmenares thu kết quả: a) Mơ hình xốy CQ LA b) Mơ hình CQ [28] Hình 3.13 Mơ xốy CQ sau vịng quay, góc lắp LCQ=120 Hình 3.13 3.14 thể xốy CQ sau quay vịng (hình 3.13) vịng (hình 3.14) Ở điều kiện đầu vào, xốy mơ từ mơ hình có tương đồng hình dạng kích thước a) Mơ hình xốy CQ LA b) Mơ hình CQ [28] Hình 3.14 Mơ xốy CQ sau vịng quay, góc lắp LCQ=120 Q trình biến thiên hệ số lực kéo CQ thể hình 3.15 trường hợp góc lắp LCQ khác Kết lấy thời điểm CQ quay vịng quay Hệ số lực kéo tính tốn mơ hình xốy CQ LA mơ hình CQ 12 Juan D Colmenares góc lắp LCQ 50 , 80 120 hội tụ giá trị gần Sai lệch hệ số lực kéo lớn hai mơ hình góc lắp LCQ 120 8.5%, nằm giới hạn cho phép Hình 3.12 Lực kéo CQTT theo góc lắp LCQ chế độ bay treo Hình 3.4 Sơ đồ thuật tốn xác định đặc trưng khí động CQ Hình 3.15 Biến thiên hệ số lực kéo với góc lắp LCQ khác 3.4 Kiểm chứng mơ hình xốy CQ – Thân Mơ hình xốy CQ – Thân TT phát triển sở mơ hình xốy CQ, mơ hình xét tương tác khí động phương pháp xốy, chưa có mơ hình tương tự cơng bố để so sánh trực tiếp Do tác giả LA sử dụng phương pháp “so sánh kép” để tiến hành kiểm chứng mơ hình xốy CQ – Thân theo bước sau: 3.4.1 Bước 1: Kiểm chứng mơ hình xốy CQ – Mặt giới hạn Mơ hình tốn hệ CQ – Mặt giới hạn xây dựng chương có cách tiếp cận tương tự mơ hình tốn hệ CQ – Thân TT Mặt giới hạn mơ hình xốy CQ – Mặt giới hạn thay khung xoáy liên kết Khoảng cách h2 từ mặt phẳng 13 CQ tới mặt giới hạn 0.5R, R 1.5R Gọi GE tỉ số tăng hệ số lực kéo trường hợp TT có hiệu ứng mặt đất (IGE) khơng có hiệu ứng mặt đất (OGE), GE= CTIGE/ CTOGE Ứng với dải khoảng cách h2=0.5R, h2=R h2=1.5R kết tính toán cho giá trị GE =1.22, GE =1.082 GE =1.047, hình 3.17 Cùng điều kiện đầu vào tính tốn CQ, so sánh kết mơ hình xoáy CQ – Mặt giới hạn với kết từ mơ hình tốn cơng trình Zorana Trivković [50] (hình 3.17) cho thấy tương đồng hai mơ hình Điều cho thấy kết tính tốn từ mơ hình xốy CQ – Mặt giới hạn có độ tin cậy độ xác cao Đây sở khoa học quan trọng kết luận tính đắn cách tiếp cận xây dựng mơ hình xốy CQ – Thân chương Hình 3.17 Đồ thị phụ thuộc GE khoảng cách h2/R 3.4.2 Bước 2: So sánh mơ hình xốy CQ – Thân với mơ hình CFD Mơ hình xốy CQ – Thân: Các kích thước hình học tham số làm việc mơ hình CQ – Thân lấy dựa sở số liệu bảng 3.6, hình 3.18 Thân TT có hình dạng giọt nước phổ biến nhiều loại TT nay, bề mặt thân TT thay khung xốy tứ giác Hình 3.18 Mơ hình CQ – Thân Hình 3.23 Biến thiên hệ số lực kéo CQ mơ hình xốy CQ – Thân 14 Sau thiết lập điều kiện bay vào chương trình tính tốn viết theo mơ hình xốy CQ – Thân, thu kết mô đặc trưng khí động CQTT có xét đến ảnh hưởng cảm ứng từ thân TT Biến thiên hệ số lực kéo CQ mơ hình xốy CQ – Thân thể đồ thị hình 3.23 Mơ hình CQ – Thân Ansys-Fluent: Ở sử dụng phương pháp CFD xây dựng mơ hình mơ hệ liên hợp CQ - Thân phần mềm Ansys - Fluent cách tính khác để so sánh, kiểm chứng Mơ hình CQ Thân TT xây dựng phương pháp CFD có kích thước hình học tương đồng với mơ hình xốy CQ - Thân TT Q trình thiết lập điều kiện chia lưới mơ hình trình bày cụ thể LA Sau gần 3000 vịng lặp, tốn hội tụ (hình 3.32) Hình 3.24 Điều kiện biên Hình 3.32 Biến thiên hệ số lực nâng mơ hình CQ – Thân Hình 3.32 thể biến thiên hệ số lực kéo CQ mơ hình CQ - Thân TT tính phần mềm Ansys Fluent, theo hệ số lực nâng theo bước tính tốn hội tụ giá trị 0.013 Từ kết tính tốn với mơ hình xốy CQ – Thân hình 3.23, hệ số lực kéo CQ hội tụ giá trị 0.0123 Đối chiếu kết quả, cho thấy sai khác giá trị tính tốn hệ số lực kéo CQ phương pháp khác (XRR CFD) tương đối nhỏ, khoảng 5.7% Bằng hai phương pháp khác (XRR CFD) tính tốn mơ hình CQ – Thân TT cho thấy phù hợp tương đồng kết Tuy nhiên thời gian tính tốn tốc độ hội tụ lại khác Trong mơ hình CQ – Thân TT/Ansys Fluent, sau thời gian tính tốn 3s, tương ứng với vòng quay, đồ thị hệ số lực kéo bắt đầu hội tụ (hình 3.32) Trong mơ hình xốy CQ – Thân TT phương pháp XRR, sau thời gian tính tốn 1s, tương ứng khoảng vịng quay, đồ thị hệ số lực kéo CQ bắt đầu hội tụ (hình 3.23) Như mơ hình xốy CQ – Thân xây dựng phương pháp XRR có 15 thời gian tính tốn ngắn, cho kết nhanh so với mơ hình xây dựng phần mềm Ansys Fluent Kết luận chương Trên sở nghiên cứu phân tích phương pháp kiểm chứng kết sử dụng nhiều giới, LA lựa chọn áp dụng phương pháp kiểm chứng cho mơ hình xốy CQ mơ hình xốy CQ – Thân cách phù hợp; Kết tính tốn từ mơ hình xốy với nhiều trường hợp tính tốn cụ thể thể tương đồng với kết công bố cơng trình tác giả nước ngồi Qua chứng minh mơ hình tốn xây dựng LA có tính đắn, đảm bảo độ xác tin cậy, sử dụng cơng cụ tính tốn khảo sát hiệu Chương TÍNH TỐN CÁC ĐẶC TRƯNG KHÍ ĐỘNG LỰC CỦA CQ XÉT ĐẾN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THÂN TT VÀ MGH 4.1 Tính tốn ĐTKĐ CQ chế độ bay khác Mơ hình CQ thân TT lấy kích thước tương tự bảng 3.5 Ở chế độ bay khảo sát, kết tính tốn trích xuất bước tính thứ 150, CQTT quay 4.8 vòng quay đồ thị hệ số lực kéo có độ hội tụ tốt Khoảng cách tương đối CQ Thân TT h  0.35 ( h  h / R ,hình 2.20), góc lắp LCQ 0  120 Hệ số lực kéo tính tốn mơ hình xốy CQ mơ hình xốy CQ – Thân TT chế độ treo thể hình 4.2 cho thấy sai khác hệ số lực kéo chế độ bay treo mơ hình xốy Khi có thân mơ hình tính tốn, đồ thị hệ số lực kéo mơ hình xốy CQ – Thân TT xuất “Peak” giá trị tương đối đáng kể Ở chế độ bay treo, sau khoảng vịng quay, đồ thị hệ số lực kéo tính tốn hai mơ hình đạt hội tụ tốt Và từ vòng quay thứ CQ hoạt động ổn lập, vòng quay sai lệch giá trị lớn nhỏ khoảng 2.3% Tuy nhiên mơ hình xốy CQ – Thân TT, có mặt thân TT mà sai lệch giá trị lớn với giá trị nhỏ hệ số lực kéo 3.5% Vòng quay thứ bước tính thứ 125, sau bước tính, LCQ có vị trí tương ứng thể hình 4.3 Ứng với vị trí LCQ vịng quay thứ hình 4.3, thu đồ thị phân bố hệ số lực pháp tuyến LCQ mơ hình tốn thể hình 4.4 Tại vị trí ứng với bước tính thứ 125, 141, đồ thị hệ số lực pháp tuyến LCQ thứ mơ hình xốy CQ 16 xoáy CQ – Thân TT gần trùng lặp hồn tồn, khơng có sai lệch Tại vị trí LCQ ứng với bước tính thứ 133, LCQ qua phần đầu phía trước thân TT, phát có sai lệch nhỏ hệ số lực pháp tuyến mơ hình xốy CQ xốy CQ – Thân TT (khu vực 3/KV3, hình 4.4) Sự sai lệch nằm phần gốc LCQ quét qua phần đầu thân TT Trong bước tính thứ 149, mà LCQ quét qua phần đuôi thân TT, quan sát thấy có sai lệch rõ rệt hệ số lực pháp tuyến LCQ mơ hình tính tốn Sự sai lệch tập trung khu vực (KV1, hình 4.4) khu vực (KV2, hình 4.4), tức phần đầu mút phần gốc cánh Hình 4.2 Biến thiên hệ số lực kéo theo thời Hình 4.3 Vị trí LCQ ứng với số bước gian, TT hoạt động chế độ bay treo tính tốn vịng quay thứ Tính tốn hệ số lực kéo cánh quay theo hai mơ hình xốy CQ mơ hình xốy CQ – Thân TT chế độ thổi đứng với vận tốc Vz khác nhau, ta thu đồ thị hình 4.7 Hình 4.4 Phân bố hệ số lực pháp tuyến LCQ theo sải cánh theo bước tính vịng quay 17 Hình 4.7 Hệ số lực kéo trung bình CQTT theo Vz chế độ thổi đứng Hình 4.9 Biến thiên hệ số lực kéo khoảng cách h khác Hình 4.14 Hệ số lực kéo trung bình từ mơ hình CQ khơng có thân TT mơ hình CQ có thân TT điều kiện có hiệu ứng mặt đất Từ kết cho thấy TT chuyển động chế độ thổi đứng, quy luật biến thiên hệ số lực kéo trung bình tính tốn hai mơ hình xốy CQ mơ hình xốy CQ – Thân TT tương đối tương đồng Cụ thể, TT bay lên thẳng đứng, hệ số lực kéo trung bình giảm theo chiều tăng giá trị vận tốc chuyển động (Vz) Khi TT bay xuống thẳng đứng, hệ số lực kéo trung bình tăng lên theo chiều tăng giá trị vận tốc chuyển động Điều phụ hợp với nhận xét từ nhiều cơng trình nghiên cứu khí động lực học TT giới [63],[88] Tuy nhiên, kết tính tốn bộc lộ rõ ảnh hưởng thân lên đặc tính nâng CQ, ảnh hưởng lớn tốc độ chuyển động lên xuống tăng Điều có ý nghĩa thực tiễn lớn trường hợp TT hạ cánh khẩn cấp chế độ tự quay/ autorotation) Cụ thể, mơ hình xốy CQ – Thân TT, hệ số lực kéo trung bình giảm nhanh TT bay lên thẳng đứng tăng nhanh TT bay xuống thẳng đứng a) mơ hình xốy CQ b) mơ hình xốy CQ - Thân Hình 4.8 Cấu trúc xốy TT bay lên thẳng đứng với vz= 10 m/s Trên hình 4.8 mơ cấu trúc xốy mơ hình xốy CQ mơ hình xốy CQ - Thân TT Do khơng có vật cản phía sau mơ hình xốy CQ (khơng có thân TT), xoáy tự phát triển xuống nhanh Ở 18 hai mơ hình quan sát thấy cuộn xốy hình thành phía gốc cánh (ở trung tâm CQ) nhiên kích thước cuộn xốy mơ hình có khác Theo mơ hình xốy CQ – Thân cuộn xốy gốc cánh có kích cỡ nhỏ hơn, đồng nghĩa tốc độ cảm ứng khu vực gốc cánh nhỏ Đây hiệu ứng cho thấy khác biệt mơ hình xốy CQ có thân TT mơ hình xốy khơng có thân TT 4.2 Tính tốn ảnh hưởng khoảng cách tương đối CQ Thân TT đến ĐTKĐ CQ Trong mô hình xốy CQ – thân TT, vị trí tương đối CQ Thân TT đặc trưng khoảng cách không thứ nguyên h  h / R Tính tốn ĐTKĐ TT chế độ bay treo thu đồ thị biến thiên hệ số lực kéo với khoảng cách h khác thể hình 4.9 Kết tính tốn cho thấy h nhỏ (Thân TT gần CQ), hệ số lực kéo CQ đạt lớn, tức tác động cảm ứng Thân TT lên ĐTKĐ CQ lớn Ngược lại, h lớn (Thân TT cách xa CQ), ảnh hưởng cảm ứng Thân lên CQ giảm dần gần khơng cịn ảnh hưởng h> 0.5R 4.3 Xác định ĐTKĐ CQ xét đến ảnh hưởng thân TT điều kiện có tương tác với mặt giới hạn Khi TT thực hành hạ cánh, tùy theo tính chất, kích thước hình dạng địa hình nơi hạ cánh mà tượng hiệu ứng mặt đất có ảnh hưởng khác tới ĐTKĐ TT Diện tích khu vực hạ cánh to hay nhỏ, bề mặt địa hình khu vực hạ cánh phẳng hay lồi, lõm gây mức độ ảnh hưởng khác lên đặc tính khí động CQ Kết tính tốn khảo sát trường hợp cụ thể trình bày phần 4.3.1 Xác định ảnh hưởng khoảng cách hạ cánh đến ĐTKĐ CQ Mơ hình tính tốn xây dựng điều kiện TT thực hành hạ cánh bề mặt bãi đỗ (MGH) có diện tích Smgh= 2R  2R Trường hợp thường gặp TT hạ cánh boong tàu, nhà cao tầng hay giàn khoan Mơ tả mặt giới hạn khung xoáy tứ giác, đưa chúng vào mơ hình tốn tính tốn tương tác hệ xốy mơ hình tổng thể Cụ thể trình thiết lập tốn kết tính tốn thu sau: Khoảng cách h2 từ mặt phẳng CQ xuống bề mặt MGH nhận giá trị 0.5R, R 1.5R Kí hiệu OGE/Out of ground effect thể trường hợp TT hoạt động ngồi vùng có hiệu ứng mặt đất (h2>2R) Kí hiệu IGE/In ground effect thể trường hợp TT hoạt động điều kiện có hiệu ứng mặt đất (h2=0.5R; h2=R; h2=1.5R) Kết 19 cho thấy tất trường hợp h2, có mặt thân TT mơ hình làm giảm ảnh hưởng tượng hiệu ứng mặt đất Mức độ giảm phụ thuộc vào khoảng cách h2 từ mặt phẳng CQ đến mặt giới hạn Ở mơ hình xốy CQ – Mặt giới hạn (khơng có thân TT) mơ hình xốy CQ – Thân – Mặt giới hạn (có thân TT), hệ số lực kéo CQ tăng khoảng cách h2 giảm dần Mức tăng hệ số lực kéo CQ mơ hình xốy CQ – Thân – Mặt giới hạn (có thân TT) nhỏ mức tăng hệ số lực kéo CQ mơ hình xốy CQ –Mặt giới hạn (khơng có thân TT) từ 1÷5% tùy thuộc giá trị khoảng cách h2 (hình 4.14) 4.3.2 Khảo sát ảnh hưởng diện tích mặt giới hạn Khi TT thực hành hạ cánh, diện tích bãi đỗ có ảnh hưởng định ĐTKĐ TT Bãi đỗ có diện tích nhỏ hẹp (giàn khoan, boong tàu, nhà cao tầng ) có tác động khác với bãi đỗ có bề mặt rộng Trong mục trình bày kết tính tốn làm rõ tác động khác biệt mặt giới hạn có diện tích khác Mơ hình MGH tốn có dạng mặt phẳng có khoảng cách h2 từ MGH đến mặt phẳng quay lấy cố định, h2=R Các MGH dùng khảo sát có kích thước khác nhau: Smgh =R  R, Smgh =6R  6R, Smgh =12R  12R Smgh =18R  18R (hình 4.15) TT hoạt động chế độ bay treo TT nằm vị trí trung tâm phía MGH Hệ số lực kéo CQ với kích thước MGH khác có giá trị trung bình khác Ứng với kích thước MGH hình 4.15-a, 4.15-b, 4.15-c 4.15d, hệ số lực kéo hội tụ giá trị trung bình 0.0088, 0.0091, 0.0092, 0.0093 Ở trường hợp khơng có hiệu ứng mặt đất (OGE), hệ số lực kéo trung bình CQTT đạt giá trị CtOGE=0.0085 Trong điều kiện có hiệu ứng mặt đất (IGE), hệ số lực nâng CQ tăng lên đáng kể, nhiên mức tăng cịn phụ thuộc vào kích thước mặt giới hạn Gọi ε (%) mức tăng hệ số lực kéo CQ có hiệu ứng mặt đất Tương quan tỉ lệ Smgh/F mức tăng hệ số lực kéo ε thể hình 4.17 Đồ thị hình 4.17 cho thấy diện tích mặt giới hạn lớn mức tăng hệ số lực kéo CQ tác động hiệu ứng mặt đất lớn a) Smgh =R  R b) Smgh =6R  6R c) Smgh =12R  12R d) Smgh =18R  18R Hình 4.15 Mơ hình khảo sát tham số diện tích mặt giới hạn 20 Hình 4.17 Mức tăng hệ số lực kéo CQ theo diện tích mặt giới hạn Các tính tốn khảo sát mục cịn có nhiều ý nghĩa quan trọng việc khai thác sử dụng điều khiển TT cất hạ cánh khu vực giàn khoan, tàu chiến, hay nhà cao tầng 4.3.3 Khảo sát ảnh hưởng hình dạng mặt giới hạn Trong thực tiễn hoạt động chấp hành nhiệm vụ, nhiều trường hợp TT khơng có điều kiện để hạ cánh xuống địa hình có bề mặt phẳng Khi làm nhiệm vụ cứu nạn vùng đồi núi, địa hình gồ ghề, lồi lõm có mặt nghiêng sườn núi tác động mạnh tới khả tạo lực nâng CQTT, qua ảnh hưởng trực tiếp tới tính điều khiển TT Độ nghiêng, độ dốc sườn núi hay địa hình khác có tác động khác tới TT Bài toán mục tập trung tính tốn làm rõ mức độ ảnh hưởng góc nghiêng địa hình tới hình thành lực kéo CQTT GE tỉ số tăng hệ số lực kéo trường hợp TT chịu ảnh hưởng không chịu ảnh hưởng hiệu ứng mặt đất, GE= CTIGE/ CTOGE a- lồi b- lõm Hình 4.18 Các hình dạng khác MGH Hình 4.20 Đồ thị phụ thuộc tỉ số tăng hệ số lực kéo GE góc nghiêng θ Sau thiết lập tham số tính tốn điều kiện bay TT, biến thiên hệ số lực kéo CQTT bay treo gần MGH có hình dạng lồi, lõm, với góc nghiêng khác thể hình 4.20 Từ đồ thị hình 4.20, nhận thấy trường hợp MGH lồi, hiệu ứng 21 mặt đất giảm dần (GE giảm) tăng góc nghiêng MGH θ, nhiên ln tồn hiệu ứng mặt đất (GE lớn 1) kể góc θ có giá trị tương đối lớn Điều với khoảng cách h2 khác nhau, hình 4.20 –a Trong trường hợp MGH có hình dạng lõm, góc nghiêng MGH nhỏ (θ