Nghiên cứu tương tác khí động lực cánh chính và cánh đuôi ngang có xét đến cân bằng mômen ở chế độ bay bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI VINH BÌNH NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC KHÍ ĐỘNG LỰC CÁNH CHÍNH VÀ CÁNH ĐI NGANG CĨ XÉT ĐẾN CÂN BẰNG MÔMEN Ở CHẾ ĐỘ BAY BẰNG Ngành Mã số : Kỹ thuật khí động lực : 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Hoàng Thị Bích Ngọc Hà Nội - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu, kết nghiên cứu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng Tác giả Bùi Vinh Bình năm 2019 ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn PGS TS Hồng Thị Bích Ngọc dành nhiều thời gian, cơng sức trí tuệ hướng dẫn, tận tình bảo, động viên giúp đỡ suốt thời gian tác giả thực luận án Tác giả trân trọng cảm ơn thầy cô môn Máy Tự động thủy khí cho tơi lời khuyên quý báu trình thực luận án Tác giả trân trọng cảm ơn thầy cô Viện Cơ khí động lực, Phịng thí nghiệm Bộ mơn Hàng không vũ trụ, cán quan quản lý Viện Cơ khí động lực, Phịng Đào tạo tạo điều kiện cho thực học phần luận án tốt Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, người bạn đồng nghiệp động viên, khích lệ tinh thần tạo điều kiện để tơi hồn thành nhiệm vụ Nghiên cứu sinh Bùi Vinh Bình iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.1.1 Nghiên cứu thực nghiệm 1.1.2 Phương pháp số 10 1.1.2.1 Phương pháp kì dị 11 1.1.2.2 Phương pháp giải phương trình vi phân dịng thực 12 1.1.2.3 Phương pháp giải toán cân ổn định tĩnh dọc máy bay 13 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 14 1.3 Kết luận chương 15 Chương PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp thực nghiệm 17 17 2.1.1 Mô tả thực nghiệm nguyên lý đo áp suất 17 2.1.2 Hình dạng, kích thước cánh công nghệ gia công cánh 18 2.1.3 Đánh giá sai số thực nghiệm 20 2.2 Phương pháp kì dị 23 2.3 Phương pháp giải hệ phương trình vi phân dịng thực 26 2.4 Bài tốn cân mơmen 29 2.4.1 Cân mômen chế độ bay 29 2.4.2 Điểm trung hòa lượng dự trữ ổn định tĩnh dọc 31 2.5 Kết luận chương 32 iv Chương DỊNG TRONG VẾT SAU CÁNH MƠ HÌNH 35 3.1 Hiệu ứng chảy vòng mút cánh dòng dạt xuống 35 3.1.1 Kết thực nghiệm phân bố hệ số áp suất cánh 3.1.2 Kết thực nghiệm phân bố hệ số áp suất tiết diện sát mút cánh 3.1.3 Dòng dạt xuống sau cánh xét mặt đứng y = const 35 37 39 3.1.3.1 Vận tốc dọc vết khí động sau cánh lệch trục vết 40 3.1.3.2 Góc dịng dạt xuống 42 3.1.4 Dòng dạt xuống sau cánh xét mặt ngang z = const - Liên hệ dòng dạt xuống xoáy mút cánh 3.2 Hiệu ứng thành ống khí động ảnh hưởng đến đặc trưng khí động cánh 3D 46 51 3.2.1 Kết thực nghiệm tiết diện sát thành 52 3.2.2 Kết mơ số 55 3.3 Góc dịng dạt xuống xác định phương pháp bán giải tích - So sánh với kết số dịng 3D có nhớt 3.3.1 Phương pháp bán giải tích xác định giá trị trung bình góc dịng dạt xuống (phương pháp bán giải tích 1) 3.3.2 Phương pháp bán giải tích xác định góc dòng dạt xuống biến đổi theo phương x phương z (phương pháp bán giải tích 2) 3.4 Kết luận chương Chương KHÍ ĐỘNG LỰC TƯƠNG TÁC CÁNH CHÍNH VÀ CÁNH ĐI NGANG MƠ HÌNH 4.1 Ảnh hưởng dịng dạt sau cánh tới cánh ngang với thay đổi góc tới cánh 4.1.1 Thực nghiệm đo áp suất cánh đuôi ngang chịu ảnh hưởng dịng dạt xuống sau cánh 4.1.2 Dịng sau cánh có mặt cánh ngang 4.2 Ảnh hưởng hệ số dãn dài cánh tới khí động cánh đuôi ngang 59 59 60 68 70 70 70 75 78 4.2.1 Kết thực nghiệm đo áp suất cánh ngang 78 4.2.2 Kết số góc dòng dạt xuống mặt đứng qua gốc cánh 80 4.3 Ảnh hưởng khoảng cách hai cánh tới dịng dạt xuống vết khí động cánh 81 v 4.4 Nghiên cứu cánh mũi tên cánh thang xét cánh mơ hình thực nghiệm 4.5 Áp dụng kết nghiên cứu mơ hình cho ngun hình 4.5.1 Phân tích thứ ngun tương tự lực mơmen khí động sử dụng định lý Vaschy - Buckingham (định lý Π) 4.5.2 Phân tích thứ ngun tương tự góc dòng dạt xuống 4.6 Kết luận chương Chương TÍNH TỐN KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỐI VỚI MÁY BAY CĨ XÉT ĐẾN CÂN BẰNG MÔMEN Ở CHẾ ĐỘ BAY BẰNG 5.1 Tính tốn khí động lực tương tác cánh - thân - cánh đuôi máy bay mô hình 5.1.1 Hiệu ứng giao thoa cánh - thân 85 89 90 92 94 96 98 96 5.1.1.1 Hình dạng kích thước máy bay mơ hình 96 5.1.1.2 Hiệu ứng giao thoa cánh - thân 98 5.1.2 Hiệu ứng giao thoa cánh - thân dòng dạt xuống ảnh hưởng tới khí động lực cánh ngang 5.1.2.1 Hiệu ứng giao thoa cánh - thân ảnh hưởng tới cánh ngang 5.1.2.2 Hiệu ứng dịng dạt xuống sau cánh ảnh hưởng tới cánh ngang 5.2 Tính tốn khí động lực cân mơmen chế độ bay máy bay VNT-680 101 101 104 105 5.2.1 Tính tốn khí động lực máy bay VNT-680 105 5.2.2 Tính tốn cân máy bay chế độ bay 108 5.2.2.1 Thay đổi vị trí trọng tâm máy bay phương án thay đổi góc đặt cánh ngang 5.2.2.2 Sự thay đổi vị trí theo phương đứng, diện tích cánh ngang phương án thay đổi góc đặt cánh ngang 108 113 5.3 Kết luận chương 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 119 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 123 PHỤ LỤC 131 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu liên quan đến toán khí động b Sải cánh (m) c (c) Dây cung profile cánh (dây cung khí động trung bình cánh) (m) CL Hệ số lực nâng CL0 Hệ số lực nâng góc khơng độ CLα Đạo hàm hệ số lực nâng theo góc CD Hệ số lực cản CD0 Hệ số lực cản góc không độ Cp Hệ số áp suất D Lực cản (N) Di Lực cản cảm ứng (N) Dprofile Lực cản profile (N) Dp Lực cản áp suất (N) Df Lực cản ma sát bề mặt (N) g Gia tốc trọng trường (m/s2) I Tensor đơn vị k Động rối L Lực nâng (N) M∞ Số Mach dịng vơ p Áp suất tĩnh dịng (Pa) p∞ Áp suất tĩnh dịng vơ (Pa) S Diện tích cánh (m2) V∞ Vận tốc dịng vơ (m/s) u, v, w, Thành phần vận tốc theo phương x, y, z (m/s) vθ Vận tốc tiếp tuyến vịng xốy (m/s) i (iw, iH) Góc đặt cánh (góc đặt cánh chính, góc đặt cánh ngang) (độ) α Góc máy bay (angle of attack) (độ) αw, α Góc tới cánh đơn (góc tới cánh chính) (incidence angle) (độ) ε Góc dịng dạt xuống (độ) λ Góc vuốt đường c/4 cánh (độ) λLE, λTE Góc vuốt mép vào (leading edge) mép (trailing edge) cánh Λ Hệ số dãn dài cánh vii µ Cường độ lưỡng cực µt Độ nhớt rối ρ Khối lượng riêng khơng khí (kg/m3) σ Cường độ nguồn τˆ Tensor ứng suất φ Thế vận tốc φσ Thế vận tốc cảm ứng từ nguồn φD Thế vận tốc cảm ứng từ lưỡng cực Các ký hiệu liên quan đến thực nghiệm phương pháp bán giải tích n Số lần lấy mẫu đo áp suất δ Sai số dụng cụ đo σSD Độ lệch chuẩn (standard deviation) CV Hệ số phân tán (coefficient of variation) Δp (Δp = p - p∞) Độ chênh áp suất tĩnh đo (Pa) p Giá trị trung bình thực độ chênh áp suất tĩnh (Pa) pi Giá trị độ chênh áp suất tĩnh đo tức thời lần thứ i (Pa) bw Sải cánh kể phần thân (m) b'w Sải cánh không kể phần thân (m) b 0W Khoảng cách hai xoáy tự (xốy mút cánh) cánh kể phần thân (m) b ' 0W Khoảng cách hai xốy tự (xốy mút cánh) cánh khơng kể phần thân (m) DF Đường kính thân vị trí liên kết với cánh (m) Kx Hệ số tính đến khoảng cách cánh cánh ngang theo phương dọc x Kz Hệ số tính đến khoảng cách cánh cánh ngang theo phương đứng z Kα Hệ số giao thoa khí động thân cánh Π Định lý Vaschy – Buckingham (định lý Π) kL Tiêu chuẩn tương tự hình học kT Tiêu chuẩn tương tự thời gian chuyển động kV Tiêu chuẩn tương tự động học viii ηc, ηc(x) Quy luật phân bố độ vồng đường nhân profile cánh ηt, ηt(x) Quy luật phân bố độ dày profile cánh Các ký hiệu liên quan đến toán cân ổn định tĩnh dọc AC Điểm tâm khí động CG Điểm trọng tâm Cm Hệ số mômen chúc ngóc Cmα Đạo hàm hệ số mơmen chúc ngóc theo góc h Khoảng cách hai điểm theo phương đứng (trục z) (m) h W-CG Cánh tay đòn lực cản cánh (m) h F-CG Cánh tay địn lực cản thân (m) h H-CG Cánh tay đòn lực cản cánh đuôi ngang (m) h V-CG Cánh tay địn lực cản cánh đứng (m) l Khoảng cách hai điểm theo phương dọc (trục x) (m) l W-CG Cánh tay đòn lực nâng cánh (m) lF-CG Cánh tay địn lực nâng thân (m) lH-CG Cánh tay địn lực nâng cánh ngang (m) lV-CG Cánh tay đòn lực nâng cánh đứng (m) LW-H Khoảng cách tâm khí động cánh cánh ngang theo phương dọc (trục x) (m) m Khối lượng máy bay (kg) M (My) Mơmen chúc ngóc (N.m) NP Điểm trung hịa SM Lượng dự trữ ổn định tĩnh dọc vH Tỉ số thể tích cánh ngang η Hệ số hiệu cánh đuôi ngang Chữ viết tắt CĐN Cánh đuôi ngang CNC Thiết bị gia công điều khiển máy tính (Computer Numerical Control) EDM Thiết bị gia cơng xung điện (Electrical Discharge Machining) F.S Dải đo thiết bị (Full scale) KQ Kết ix LDA Thiết bị Laser ứng dụng hiệu ứng Doppler (Laser Doppler Anemometry) PIV Thiết bị ghi ảnh chuyển động hạt (Particle Image Velocimetry) TD Tiết diện (mặt cắt cánh) UAV Máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle) ... mũi máy bay) Lượng dự trữ ổn định tĩnh dọc máy bay với ba trường hợp vị trí ngang, thấp, cao cánh ngang (tương ứng với thay đổi góc đặt cánh ngang) Lượng dự trữ ổn định tĩnh dọc máy bay với trường... Tính tốn cân máy bay chế độ bay 108 5.2.2.1 Thay đổi vị trí trọng tâm máy bay phương án thay đổi góc đặt cánh ngang 5.2.2.2 Sự thay đổi vị trí theo phương đứng, diện tích cánh ngang phương án... cánh ngang 5.1.2.2 Hiệu ứng dịng dạt xuống sau cánh ảnh hưởng tới cánh ngang 5.2 Tính tốn khí động lực cân mômen chế độ bay máy bay VNT-680 101 101 104 105 5.2.1 Tính tốn khí động lực máy bay