Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất với mô hình xoáy cánh quay - thân trực thăng

Mô hình tính toán của bài viết xét trong trường hợp trực thăng hạ cánh xuống các bề mặt không bằng phẳng và có diện tích khác nhau. Hình dạng và kích thước các bề mặt được mô phỏng bằng các phần tử xoáy dạng khung tứ giác. Các phần tử xoáy mô phỏng các bề mặt tương tác với các khung xoáy tứ giác trên cánh quay và trên thân trực thăng, tạo ra hiệu quả mô phỏng tương tác khí động và xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất đối với đặc trưng khí động của trực thăng.

Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT VỚI MƠ HÌNH XỐY CÁNH QUAY - THÂN TRỰC THĂNG Phạm Thành Đồng1*, Phạm Thị Phương Anh2, Vũ Quốc Trụ1 Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn; 2Viện KH&CNQS Tóm tắt Từ mơ hình xốy cánh quay - thân trực thăng xây dựng phương pháp xoáy rời rạc phi tuyến không dừng, tác giả xây dựng công cụ tính tốn đặc trưng khí động cánh quay trực thăng điều kiện có hiệu ứng mặt đất Mơ hình tính tốn báo xét trường hợp trực thăng hạ cánh xuống bề mặt không phẳng có diện tích khác Hình dạng kích thước bề mặt mơ phần tử xoáy dạng khung tứ giác Các phần tử xốy mơ bề mặt tương tác với khung xoáy tứ giác cánh quay thân trực thăng, tạo hiệu mô tương tác khí động xét đến ảnh hưởng hiệu ứng mặt đất đặc trưng khí động trực thăng Các kết tính tốn nhận phản ánh tượng thực tế, sở khoa học để đưa khuyến cáo trình vận hành khai thác trực thăng Từ khóa: Cánh quay; trực thăng; xoáy rời rạc; hiệu ứng mặt đất Đặt vấn đề Khi trực thăng (TT) hạ cánh, tùy theo kích thước hình dạng địa hình nơi hạ cánh mà tượng hiệu ứng mặt đất có ảnh hưởng khác tới đặc trưng khí động (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 cánh quay (CQ) Sự ảnh hưởng khác diễn nào, tính tốn định lượng sao, giới chưa có nhiều nghiên cứu cơng bố Nhiều cơng trình dừng lại việc xem xét mơ hình TT có CQ (mơ hình CQ đơn lẻ) để khảo sát tốn hiệu ứng mặt đất mà chưa xét ảnh hưởng thân TT (chưa mơ tả thân TT mơ hình toán) [1, 2, 7, 8] Trên thực tế, hiệu ứng mặt đất mơ hình TT có CQ thân xuất khác biệt chuyển động dịng khí bên CQ ảnh hưởng tới ĐTKĐ CQ Với mơ hình TT có đủ CQ thân, TT bay gần mặt giới hạn (MGH), dịng khí phản xạ từ MGH ngồi việc tương tác với cánh quay (LCQ), va đập với bề mặt thân TT, tạo hiệu ứng đệm khí có tính chất khác so với mơ hình TT có CQ Có thể nghiên cứu hiệu ứng mặt đất nhiều phương pháp, nhiên sử dụng phương pháp xoáy rời rạc (XRR) cách tiếp cận phổ biến hiệu Trong công trình này, tác giả hướng tới sử dụng * Email: mrbook29@gmail.com 39 Selected Papers of Young Researchers - 2020 phương pháp XRR để nghiên cứu mô hiệu ứng mặt đất kết cấu TT gồm CQ thân XRR phương pháp số nhiều nhà khoa học giới sử dụng ưu việt việc giải toán tương tác cảm ứng tính tốn khí động cho khí cụ bay âm [1-3] Bằng phương pháp XRR với phần tử xoáy khung tứ giác, tác giả báo xây dựng mơ hình xốy phi tuyến khơng dừng CQ đơn lẻ [3], mơ hình xốy phi tuyến không dừng CQ - Thân TT [4, 5] Các mơ hình kiểm chứng tính xác độ tin cậy cách so sánh với số liệu cơng trình cơng bố quốc tế uy tín [3-5] Với cách tiếp cận xây dựng mơ hình trình bày [4, 5], tác giả xây dựng nhiều mơ hình nghiên cứu tốn tương tác đa vật khác nhau, mơ hình xốy CQ - Thân - Tịa nhà, mơ hình xốy CQ - Thân Khí cụ bay, Mơ hình xốy phi tuyến không dừng CQ - Thân - MGH xây dựng cơng trình [6] mơ Trên sở mơ hình xốy CQ Thân TT - MGH, tác giả tập trung tính tốn khảo sát toán TT hạ cánh xuống địa hình có kích thước hình dạng lồi lõm khác Xây dựng mơ hình xốy khảo sát tốn hiệu ứng mặt đất 2.1 Mơ hình xốy CQ - MGH Mơ hình CQ xét tới ảnh hưởng hiệu ứng mặt đất có tham gia hệ thống xốy mơ hình dạng MGH (Hình 1) MGH mơ hình khảo sát thay hệ thống khung xoáy liên kết Vị trí tương đối CQ MGH xác định thơng qua tham số khoảng cách h2, tính từ mặt phẳng CQ đến MGH có diện tích Smgh Hình Mơ hình CQ - MGH Bằng cách tiếp cận xây dựng ma trận hệ số cách tương tự mơ hình xốy CQ - Thân TT [4, 5], hệ phương trình tuyến tính xác định cường độ xốy hệ khí động đa vật CQ - MGH sau:   A1mm    C3Lm   C2mL      m1    B1m1     C4LL     Mgh L1   B3L1  CQ (1) Trong biểu thức (1) ma trận hệ số Ci (i = 2÷4),  M gh , B3 tính tốn từ phần tử xốy mơ MGH Chỉ số L thể số lượng phần tử xoáy thay 40 Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University cho kích thước MGH Cách xác định ma trận hệ số trình bày cụ thể [3-5] 2.2 Mơ hình xốy CQ - Thân - MGH Mơ hình tính toán xây dựng điều kiện TT hạ cánh bề mặt bãi đỗ (MGH) (Hình 2) Trong mơ hình này, khoảng cách h thân TT CQ giữ cố định, lấy giá trị h = 0,035R, với R bán kính CQ Hình Mơ hình CQ - Thân TT - MGH Hệ phương trình tuyến tính xác định cường độ xốy mơ hình xốy phi tuyến khơng dừng CQ - Thân TT - MGH xây dựng [6] sau:   A m m    A3Mm    C3Lm   A2mM   C1mL      m1    RHSm1   A4MM   C2ML    Th M1      B2M1      C4LM   C5LL     Mgh L1    B3L1    (2)  Th Các ma trận hệ số A2, A3, A4,  , B2 công thức (2) xác định theo xoáy thân TT Cụ thể A2 ma trận hệ số tạo khung xoáy thân TT tính điểm kiểm tra CQ A3 ma trận hệ số khung xoáy CQ tính điểm kiểm tra thân TT A4 ma trận hệ số khung xốy thân TT điểm kiểm tra  Th ma trận cường độ khung xoáy thân, B2 ma trận hệ số xác định thành phần pháp tuyến tổng vận tốc không nhiễu với vận tốc cảm ứng từ xoáy tự điểm kiểm tra thân TT M tổng số khung xoáy tạo mơ hình 3D thân TT Thân TT mơ hình có hình dạng giọt nước, tiêu biểu cho kiểu thân nhiều loại TT phổ thông Các ma trận Ci (i=1÷5),  Mgh B3 tính tốn từ phần tử xoáy thay MGH Chỉ số L thể số lượng phần tử xoáy thay cho kích thước MGH Sau giải hệ phương trình (1), (2), xác định lưu số tốc độ khung xoáy liên kết CQ, thân TT MGH Để xác định đặc trưng khí động CQ chênh áp, lực khí động hệ số khí động, vị trí xoáy tự sau LCQ, sử dụng biểu thức tính tốn trình bày [6] 41 Selected Papers of Young Researchers - 2020 Kết tính tốn 3.1 Kiểm chứng mơ hình xốy CQ - MGH Chương trình tính tốn viết sở mơ hình tốn xây dựng Các tham số đầu vào cho mơ hình tính tốn điều kiện hoạt động TT thể bảng Bảng Các tham số động hình học CQ Kích thước hình học Điều kiện hoạt động Bán kính cánh quay, [m] R = 10,6 Vận tốc góc quay, [rad/s] ω = 20,1 Dây cung LCQ, [m] b = 0,5 Chế độ bay Bay treo Góc lắp LCQ φ = 12º Bước thời gian Δt = 0,01s Bán kính trục quay Rtr = 0,25R Số LCQ k=2 Gọi GE tỉ số tăng hệ số lực kéo trường hợp TT bay vùng có hiệu ứng mặt đất CTIGE khơng có hiệu ứng mặt đất CTOGE, GE = CTIGE/CTOGE Các kết tính tốn cho thấy TT hạ cánh từ độ cao h2 = 2R tới mặt đất, xuống thấp hiệu ứng mặt đất tác động mạnh, nghĩa mức bù thêm lực kéo CQ TT ảnh hưởng hiệu ứng mặt đất tăng (Hình 3) Hình Tỉ số tăng hệ số lực kéo có hiệu ứng mặt đất theo khoảng cách h2/R So sánh kết tính tốn mơ hình xốy CQ - MGH với kết từ mơ hình tốn cơng trình Zorana Trivković [7] nhận tương đồng hai mô hình Điều cho thấy mơ hình xốy CQ - MGH có độ tin cậy độ xác cao Đây sở khoa học kết luận tính đắn cách tiếp cận xây dựng mơ hình xốy CQ - Thân - MGH, sử dụng mơ hình xốy CQ - Thân - MGH để nghiên cứu toán cụ thể đây: 42 Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University 3.2 Xác định ảnh hưởng diện tích MGH Khi TT thực hành hạ cánh, diện tích bãi đỗ (MGH) 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, không hạn chế Trong mục trình bày kết tính tốn làm rõ tác động khác biệt MGH 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, có diện tích Smgh = R × R, Smgh = 6R × 6R, Smgh = 12R × 12R Smgh = 18R × 18R (Hình 4) Các tính tốn mục thực TT hoạt động chế độ bay treo TT nằm vị trí trung tâm phía MGH a) Smgh = R × R c) Smgh = 12R × 12R b) Smgh = 6R × 6R d) Smgh = 18R × 18R Hình Mơ hình khảo sát tham số diện tích MGH 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 43 Selected Papers of Young Researchers - 2020 Đồ thị hình cho thấy diện tích MGH lớn mức tăng hệ số lực kéo CQ tác động hiệu ứng mặt đất lớn Tuy nhiên, thực tế để xây dựng bãi đỗ có diện tích lớn cho TT nhiều trường hợp đáp ứng (trên giàn khoan, tàu chiến, hay nhà cao tầng) Khi đó, sở tính tốn khảo sát khí động CQ có ảnh hưởng thân MGH trên, đưa khuyến cáo bay xây dựng qui định sử dụng bãi đỗ cho loại TT, trường hợp cụ thể Hình Mức tăng hệ số lực kéo CQ theo diện tích MGH 3.3 Khảo sát ảnh hưởng hình dạng MGH 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 thực nhiệm vụ cứu nạn vùng đồi núi, địa hình gồ ghề, lồi lõm hay 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 Trong mơ hình tính tốn, ngồi tham số mơ tả CQ thân TT, MGH có hình dạng bề mặt trải, có phần lồi (hoặc lõm) khu vực đặc trưng góc nghiêng θ Hình mơ hình dạng khác MGH, MGH có hình dạng lồi hay lõm phụ thuộc vào giá trị góc θ lớn hay nhỏ Khoảng cách h2 từ mặt phẳng cánh quay đến MGH nhận giá trị khảo sát 0,5R, R 1,5R Góc θ hai trường hợp hình 6a 6b khảo sát nằm dải giá trị 10º, 20º, 30º, 40º -10º, -20º, -30º, -40º 44 Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University a) MGH lồi b) MGH lõm Hình Các hình dạng khác MGH Các kết tính tốn trích xuất thời điểm CQTT quay 4,8 vịng quay, MGH có kích thước Smgh = 12R × 2R Đồ thị biến thiên hệ số lực kéo (Hình 7) cho thấy bay gần MGH lồi (θ > 0º), hiệu ứng mặt đất giảm so với trường hợp MGH dạng mặt phẳng (θ = 0º) Ngược lại, MGH có dạng lõm (θ < 0º), tùy thuộc vào giá trị góc nghiêng, hiệu ứng mặt đất tác động lên CQTT tăng lên giảm so với trường hợp MGH mặt phẳng Bảng thể hệ số lực kéo trung bình CQ ứng với giá trị khác góc nghiêng θ khoảng cách h2 Bảng Hệ số lực kéo CQTT theo góc nghiêng θ khoảng cách h2 θ -40º -30º -20º -10º 0º h2 = 0,5R 0,0096 0,0099 0,0101 0,0108 0,0105 h2 = R 0,0084 0,0087 0,0092 0,0096 0,0093 h2 = 1,5R 0,0071 0,0078 0,0084 0,0089 0,0089 0º 10º 20º 30º 40º h2 = 0,5R 0,0105 0,0097 0,0094 0,0091 0,009 h2 = R 0,0093 0,0091 0,0089 0,0088 0,0087 h2 = 1,5R 0,0089 0,0088 0,0087 0,0087 0,0086 h2 MGH lõm θ h2 MGH lồi Từ bảng 2, xây dựng đồ thị phụ thuộc tỉ số GE góc nghiêng MGH θ ứng với giá trị khoảng cách h2 khác (Hình 7a, 7b) 45 Selected Papers of Young Researchers - 2020 Các đồ thị hình cho thấy, trường hợp MGH lồi, hiệu ứng mặt đất giảm dần (GE giảm) tăng góc nghiêng MGH θ, nhiên tồn hiệu ứng mặt đất (GE lớn 1) kể góc θ có giá trị tương đối lớn Điều với khoảng cách h2 < 2R khác (Hình 6a, 7a) a) MGH lồi b) MGH lõm Hình Đồ thị tỉ số tăng hệ số lực kéo GE theo góc nghiêng θ MGH Trong trường hợp MGH có hình dạng lõm, độ nghiêng MGH nhỏ (0º > θ > -10º), hiệu ứng mặt đất có xu hướng tăng lên Tuy nhiên, tăng dần độ nghiêng MGH (-10º > θ > -40º), hiệu ứng mặt đất giảm dần Đặc biệt góc nghiêng MGH có giá trị lớn (θ = -30º, -40º) TT bay khoảng cách h2 = R÷2R, hệ số lực kéo giảm mạnh, khoảng 10% Kết phù hợp với tượng thực tế, TT hoạt động gần thung lũng, có hai bên sườn dốc có góc nghiêng lớn, TT bay tịa nhà cao tầng, hình thành cuộn xốy cảm ứng, có xu hướng hút TT xuống dưới, làm giảm lực kéo tạo từ CQ Kết luận Các nghiên cứu ảnh hưởng tính chất MGH báo sở khoa học tin cậy để đưa khuyến cáo bay TT hoạt vùng đồi núi, thung lũng, đặc biệt TT bay qua khe núi sâu, có độ nghiêng bề mặt lớn Mơ hình xốy CQ - Thân TT cơng cụ tính tốn thành lập sở mơ hình có khả thay đổi linh hoạt để nghiên cứu tốn tương tác khí động với nhiều đối tượng khác MGH (bao gồm thay đổi tính chất, hình dạng, kích thước…) lấy làm ví dụ đối tượng tính tốn chứng minh nhận xét 46 Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University Tài liệu tham khảo Белоцерковский С М, Локтев Б Е, Ништ М И (1992) Исследование на ЭВМ аэродинамических и аэроупругих характеристик винтов вертолётов, М., Машиностроение J Katz, A Plotkin (2001) Low-speed aerodynamics, Cambridge University Press Phạm Thành Đồng, Nguyễn Anh Tuấn, Đặng Ngọc Thanh, Phạm Vũ Uy (2017) Xây dựng mơ hình tính tốn đặc trưng khí động cánh quay trực thăng Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, 185 (8-2017), Học viện KTQS, tr 70-80 Phạm Thành Đồng, Đặng Ngọc Thanh, Phạm Vũ Uy (2018) Mơ tương tác khí động cánh quay thân trực thăng Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, 192 (8-2018), Học viện KTQS, tr 80-88 Pham ThanhDong, Nguyen AnhTuan, Dang NgocThanh, Pham VuUy (2018) Numerical Method to Study Helicopter Main Rotor-fuselage Aerodynamic Interaction International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems 2018 (ICFMAS2018), Ta Quang Buu Library - Hanoi University of Science and Technology (HUST) - 10/2018, pp 172-179 Phạm Thành Đồng, Nguyễn Anh Tuấn, Đặng Ngọc Thanh, Phạm Vũ Uy (2019) Nghiên cứu ảnh hưởng địa hình đến đặc trưng khí động trực thăng hạ cánh Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, 197 (4-2019), Học viện KTQS, tr 71-79 Zorana Trivković, Jelena Svorcan, Marija Baltić, Dragan Komarov, Vasko Fotev (2016) Computational Analysis of Helicopter Main Rotor Blades in Ground Effect Scientific Technical Review, 66(4), pp 52-58 Balakrishnan Ganesh, Narayanan Komerath (June 2004) Unsteady Aerodynamics of Rotorcraft in Ground Effect Fluid Dynamics Meeting, Portland, OR, AIAA Paper 2004-2431 A STUDY OF GROUND EFFECT USING ROTOR-FUSELAGE VORTEX MODEL Abstract: Based on the rotor - helicopter fuselage model built by discrete vortex method with quadrilateral swirl element, the authors created a tool to calculate the aerodynamic characteristics of the helicopter rotor in ground effect The calculation model of the paper considered a helicopter landing on uneven surfaces and had different areas The shape and dimensions of the surfaces are modeled by vortex quadrangular frame These vortex frames interact with bound vortex frames on the rotor blades and the fuselage, creating simulation efficiency of the ground effect on the helicopter The calculation results reflect the actual phenomena which is the scientific basis for making recommendations during the operation of helicopter Keywords: Main rotor; helicopter; vortex-lattice method; ground effect Ngày nhận bài: 20/3/2020; Ngày nhận sửa lần cuối: 26/6/2020; Ngày duyệt đăng: 01/7/2020  47 ... tốn TT hạ cánh xuống địa hình có kích thước hình dạng lồi lõm khác Xây dựng mơ hình xốy khảo sát tốn hiệu ứng mặt đất 2.1 Mơ hình xốy CQ - MGH Mơ hình CQ xét tới ảnh hưởng hiệu ứng mặt đất có tham... cánh từ độ cao h2 = 2R tới mặt đất, xuống thấp hiệu ứng mặt đất tác động mạnh, nghĩa mức bù thêm lực kéo CQ TT ảnh hưởng hiệu ứng mặt đất tăng (Hình 3) Hình Tỉ số tăng hệ số lực kéo có hiệu ứng. .. nhau, mơ hình xốy CQ - Thân - Tịa nhà, mơ hình xốy CQ - Thân Khí cụ bay, Mơ hình xốy phi tuyến khơng dừng CQ - Thân - MGH xây dựng cơng trình [6] mơ Trên sở mơ hình xốy CQ Thân TT - MGH, tác