3 DÒNG TRONG VẾT SAU CÁNH MÔ HÌNH
3.2 Hiệu ứng thành ống khí động ảnh hưởng đến đặc trưng khí động trên cánh 3D
động trên cánh 3D
Trong thực nghiệm, việc gá lắp cố định cánh trong buồng thử ống khí động luôn gây ra một sự nhiễu dòng nhất định phụ thuôc vào cách gá lắp cố định cánh [91], [92]. Phương pháp cố định cánh vào ống khí động sử dụng trong luận án này là
ngàm đầu gốc cánh vào thành ống khí động. Phương pháp này có ưu điểm là có độ cứng vững cao (nếu gia công bộ đồ gá ngàm cánh hợp lý và có độ chính xác cao) và có thể tăng gấp đôi chiều dài sải cánh thí nghiệm. Nếu như mục đích thí nghiệm là xác định thông số dòng 2D qua cánh với cánh chữ nhật có chiều dài sải cánh đủ lớn thì hiệu ứng thành ống khí động là bỏ qua được. Tuy nhiên, nếu muốn nhận được kết quả thí nghiệm đối với dòng qua cánh 3D thì cần có biện pháp gá lắp cố định
cánh trong ống khí động một cách phù hợp.
Để đo áp suất 3D (phân bố áp suất trên các tiết diện khác nhau theo chiều sải cánh), cần thiết phải để một khoảng không gian cách giữa mút cánh và thành ống khí động để cho sự chảy vòng qua không gian đầu mút cánh từ nơi ápsuất cao (phía bụng cánh) tới nới áp suất thấp (phía lưng cánh) được xảy ra một cách tự nhiên không có trở ngại. Công trình thực nghiệm của luận án đã để khoảng cách từ mút cánh đến thành ống khí động bằng chiều dài dây cung cánh (100 mm).
Sự chảy vòng tại mút cánh, cũng như điều kiện chập dòng (dòng qua lưng cánh và dòng qua bụng cánh) tại mép ra của cánh cần được xảy ra một cách tự nhiên. Nghĩa là, dòng chảy trên lưng cánh cũng như bụng cánh phải được xảy ra đồng thời đúng như bản chất tự nhiên của hiện tượng. Để đáp ứng điều kiện này, luận án đã
thực hiện gia công cánh rỗng và luồn toàn bộ dây dẫn đo áp suất vào trong lòng cánh. Kỹ thuật sử dụng cánh rỗng, không chỉ loại bỏ được nhiễu dòng do các dây dẫn đo áp suất gây nên, mà còn có thể đo đồng thời áp suất trên hai mặt lưng và
bụng cánh trong một lần gá lắp cố định cánh. Đây là một ưu điểm trong thực
nghiệm của luận án so với những công trình thực hiện đo áp suất tĩnh trên cánh được gia công đặc ([1, 2 ... ). ] Việc đo áp suất trên mô hình cánh đặc không chỉ bị nhiễu dòng do dây dẫn đo áp dồn về một mặt cánh, mà chỉ thực hiện được việc đo áp suất trên một mặt lưng cánh (hoặc mặt bụng cánh) trong một lần gá lắp cánh và hệ thống dây dẫn đo áp suất (do mặt còn lại vướng dây dẫn đo áp, không đúng với mặt cánh trơn cần đo).
Yếu tố còn lại có thể chi phối độ chính xác của kết quả đo áp suất trên cánh 3D là mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng thành ống khí động. Hiệu ứng thành ống khí động ảnh hưởng đến kết quả khí động của cánh 3D, cũng có phần giống về định tính với
sự ảnh hưởng của thân máy bay đến lực khí động trên cánh khi so sánh với trường hợp cánh được xét độc lập (cánh đơn). Hiệu ứng tương tác cánh thân sẽ được xét -
trong chương 5.
3.2.1 Kết quả thực nghiệm trên các tiết diện sát thành
Trên hình 3.23, trên cánh có hai hàng lỗ số 1 và số 2 sát thành ống khí động (tiết diện 1 và tiết diện 2) cách thành 40 mm và 80 mm (cánh có khoan 12 hàng lỗ, có một hàng bị ngàm vào thành, còn lại 11 hàng lỗ). Để xét phân bố áp suất trên toàn cánh, có 11 hàng lỗ có kết quả đo. Để xét hiệu ứng mút cánh, phân bố áp suất trên hàng lỗ 11 và hàng lỗ 10 cho thấy được mức độ dòng chảy vòng qua không gian đầu mút cánh. Để xét hiệu ứng thành ống khí động, cần thiết xét phân bố áp suất trên hai hàng lỗ 1 và 2.
Kết quả thực nghiệm hệ số áp suất trên hai tiết diện 1 và 2 (TD. 1 và TD. 2) sát thành ống khí động với góc tới -4α= ovà α = 4o(profile Naca 4412) được thể hiện trên hình 3.24. Kết quả thực nghiệm này được so sánh với kết quả mô phỏng số. Kết quả cho thấy ở hai giá trị góc tới α -4= ovà α = 4o, phân bố áp suất trên hai tiết diện 1 và 2 sát thành gần như tương tự nhau (khác nhau không đáng kể). Có thể đối chiếu với kết quả thực nghiệm phân bố hệ số áp suất trên 11 hàng lỗ (11 tiết diện) ở trường hợp góc tới α = 4o trên hình 3.2 và có thể thấy sự biến đổi đều của phân bố hệ số áp suất trên nửa sải cánh từ gốc đến mút cánh. Những phân tích trên cho thấy, với góc tới α -4= o và α = 4o, hiệu ứng thành không có ảnh hưởng đáng kể tới phân bố áp suất trên tiết diện 1 (cách thành 40 mm tương ứng với 40%c). Với mô hình thí nghiệm ở đây, khoảng cách 40 mm của hàng lỗ sát thành ống khí động là đủ lớn để coi hàng lỗ số 1 cho kết quả thực nghiệm trên tiết diện 1 đúng với thực tế của cánh 3D mà không bị ảnh hưởng của hiệu ứng thành ống khí động. Thực nghiệm và tính toán với dải góc tới lớn hơn (xem hình 3.26 và 3.27) , cho thấy với góc tới nhỏ hơn 10 độ, khoảng cách 40 mm vẫn đủ lớn để ảnh hưởng của thành ống khí động tới kết quả đo của hàng lỗ số 1 có thể bỏ qua được.
Hình ảnh hiển thị đường dòng sát thành ống khí động nhờ các sợi chỉ tơ dán lên mặt lưng cánh (profile Naca 4412) ở các góc tới α -4= o, α = 0o, α = 4o được thể hiện trên hình 3.25. Theo phương sải cánh, các hàng chỉ tơ cách nhau 10 mm và
Hình 3.24. Hệ ố s áp su t t i hai ti t di n TD. 1 và TD. 2 (Naca 4412). ấ ạ ế ệ (a) α -4= o; (b) α = 4o
Hình 3.23. Vị trí ti t di n 1 và tiế ệ ết diện 2 sát thành ống khí đ ng ộ
hàng chỉ sát thành cách thành 10 mm. Các ảnh chụp cho thấy, ảnh hưởng tương tác của dòng chảy sát thành đã làm xô các sợi chỉ gần thành (vùng ảnh hưởng được đánh dầu bằng đường vẽ tạo nên các tam giác cong). Trong ba trường hợp góc tới nói trên, với góc tới α = 4o, các sợi chỉ bị xô mạnh nhất. Tuy vậy, ảnh hưởng lệch dòng chỉ xảy ra chủ yếu ở phần mép ra của cánh và cũng chỉ nằm trong phạm vi bốn hàng chỉ sát thành (trong giới hạn 40 mm sát thành). Do đó, kết quả đo tại vị trí
cách thành 40 mm (TD. 1) hầu như không bị ảnh hưởng. Hai trường hợp còn lại với α -4= o, α = 0o, ảnh hưởng của thành ống khí động làm xô các hàng chỉ còn yếu hơn trường hợp α = 4o. Riêng với trường hợp α -4= o, do biên dạng cong phía lưng của profile cánh Naca 4412 mà ảnh hưởng của thành ống khí động tới dỏng chảy phía lưng cánh là rất ít trên phần lớn chiều dài profile cánh, và chỉ một vùng nhỏ ở mép ra của cánh bị ảnh hưởng.
Với các góc tới lớn (α = 14o và α = 18o) ảnh hưởng của thành ống khí động lên kết quả đo áp suất trên hàng lỗ số 1 là rất rõ ràng, điều này được thể hiện trên hình 3.26. Không giống như kết quả trên hình 3.24 với góc tới α -4= o và α= 4o, với các trường hợp α = 14ovà α = 18o dạng phân bố hệ số áp suất trên hàng lỗ số một (TD. 1) rất khác so với phân bố hệ số áp suất trên hàng lỗ số 2 (TD. 2). Kết quả thực nghiệm (so sánh với kết quả mô phỏng số) trên hình 3.26 cho thấy, phân bố áp suất phía bụng profile cánh hầu như không có thay đổi đáng kể giữa hàng lỗ số 1 (TD. 1) và hàng lỗ số 2 (TD. 2). Tuy nhiên, phía lưng profile cánh đã xảy ra sự khác nhau lớn về phân bố áp suất trên các hàng lỗ phía lưng profile cánh tại hai tiết diện TD. 1 và TD. 2. Giá trị tuyệt đối của hệ số áp suất phía lưng profile TD. 1 nhỏ hơn nhiều so với giá trị tuyệt đối của hệ số áp suất phía lưng profile TD. 2, và điều này dẫn tới sự sụt giảm hệ số lực nâng trên profile TD. 1 (được phân tích trong mục 3.2.2, trên
hình 3.28 và hình 3.29). Sự giảm mạnh của hệ số lực nâng trên hàng lỗ số 1 (TD. 1) cho thấy, với góc tới α = 14ovà α = 18o, khoảng cách 40 mm cách thành ống khí động của hàng lỗ đo áp suất số 1 không còn “an toàn” dưới ảnh hưởng của hiệu ứng thành ống khí động. Kết quả áp suất đo tại hàng lỗ sát thành này không thể đại diện cho áp suất thực của một cánh đơn có sải đối xứng qua gốc cánh.
Hình 3.26. Hệ ố s áp su t t i hai ti t di n TD. 1 và TD. 2. ấ ạ ế ệ (a) α = 14o; (b) α = 18o
Kết quả mô phỏng số trong mục 3.2.2 tiếp theo sẽ cho thấy những bức tranh sinh động, cụ thể hơn về vùng giao thoa của hai lớp dòng chảy trên thành ống khí động và trên mặt gốc cánh.
3.2.2 Kết quả mô phỏng số
Trường hợp góc tới α = 4o như kết quả thực nghiệm trên hình 3.24(b) được xét chi tiết hơn từ kết quả mô phỏng ở những tiết diện gần thành hơn so với hàng lỗ TD.1 cách tường 40 mm như trong thực nghiệm.
Hình 3.27 trình bày kết quả mô phỏng dòng qua cánh với góc tới α = 4o trong hai
trường hợp gốc cánh là mặt đối xứng (không có hiệu ứng thành) và gốc cánh là thành ống khí động (có hiệu ứng thành). Xét mặt A cách thành ống khí động 5 mm
(5%c). Hình 3.27(a) biểu diễn đường dòng trên mặt A trong trường hợp mặt đối
xứng (thành ống khí động ở vị trí mặt đối xứng tại gốc cánh) và hình 3.27(b) là
đường dòng trên mặt A với trường hợp thành ống khí động (trường hợp thực
nghiệm). Như so sánh với kết quả trên hình 3.27(a) và 3.27(b) cho thấy sự tách thành mạnh tại miền lớp biên sát thành và tạo thành xoáy phía sau cánh. Phân bố hệ số lực nâng trên nửa sải cánh trên hình 3.27(c) chỉ ra sự khác nhau của hệ số lực nâng trong hai trường hợp có và không có hiệu ứng thành ống khí động. Sự giao thoa hai lớp dòng qua cánh (vùng gần gốc cánh) và thành ống khí động gây nên sự
Hình 3.27. ết quả mô phỏng, α = 4K o. (a) Đường dòng qua m t A (không ặ có thành ống); (b) Đường dòng qua mặt A (có thành ống); (c) Hệ ố ự s l c
tách thành và giảm hệ số lực nâng trong miền gần gốc cánh. Phân bố hệ số áp suất trên mặt cắt A trong hai trường hợp có và không có hiệu ứng thành ống khí động khác nhau nhiều (hình 3.27(d)).
Với góc tới α = 14o, sự giao thoa của dòng tại vùng gần gốc cánh gây nên sự tách thành rất mạnh được chỉ ra trên hình 3.28(b). Đường dòng trên mặt qua mặt gốc cánh trong trường hợp không có thành ống khí động (hình 3.28(a)) có tách thành trên lưng cánh nhưng vùng tách thành không vồng lên và bao trùm rộng ra phần sau cánh như trường hợp trên hình 3.28(b). Hệ số lực nâng trên nửa sải cánh bị giảm đáng kể ở gần gốc cánh do hiệu ứng thành khi so sánh với trường hợp không có thành như được chỉ ra trên hình 3.28(c). Phân bố hệ số áp suất trên mặt cắt A (hình
3.28(d)) cũng cho thấy sự khác nhau lớn giữa hai trường hợp có và không có hiệu ứng thành ống khí động. Sự khác nhau rất lớn này của phân bố hệ số áp suất chủ yếu xảy ra phía lưng cánh nơi tách thành xảy ra rất mạnh.
Phân bố hệ số lực nâng trên hình 3.27(c) và 3.28(c) đối với hai trường hợp góc tới α = 4° và α = 14° cho thấy sự khác nhau có và không có hiệu ứng thành tại các tiết diện sát gốc cánh. Để so sánh và đánh giá từ giá trị số, bảng 3.1 cho thấy giá trị hệ số lực nâng trên ba tiết diện sát thành ống khí động với α = 4ovà α= 14o.
Hình 3.28. Kết qu mô ph ng, α = 14ả ỏ o. (a) Đường dòng qua mặt A (không có thành ống); (b) Đường dòng qua m t ặ A (có thành ống); (c) Hệ ố ự s l c nâng trên n a sử ải cánh; (d) H s ệ ốáp suất trên tiết diện A
Hình 3.29. Kết qu mô ph ng, α = 18ả ỏ o. (a) Trường áp suất trên m t A ặ (không có thành ống); (b) Trư ng áp suấờ t trên mặt A (có thành ống); (c) Hệ ố ự s l c nâng trên nửa sải cánh; (d) H s áp su t trên ti t di n A ệ ố ấ ế ệ
Hình 3.30. Các hệ ố ự s l c khí đ ng trong hai trư ng hợp có và không có ộ ờ hi u ệ ứng thành ống khí đ ng. (a) H s l c nâng; (b) Hệ ố ựộ ệ ố ự s l c c n ả
Bảng 3.1. Hệ ố ự s l c nâng (CL(wall)) có và (CL(sym)) không có hiệu ứng thành tại ba ti t ế diện g n gầ ốc cánh Tiết diện y (mm) α = 4o α = 14o
CL(sym) CL(wall) ∆(%) CL(sym) CL(wall) ∆(%)
TD. 1 40 0,600 0,570 5,0% 1,261 1,097 13%
TD. 2 80 0,594 0,579 2,5% 1,254 1,194 4,8%
TD. 3 120 0,582 0,573 1,5% 1,238 1,217 1,8%
Các kết quả số trên bảng 3.1 cho phép đánh giá chênh lệch của hệ số lực nâng
gây nên bởi hiệu ứng thành ống khí động tại ba tiết diện 1, 2 và 3 với hai trường hợp α = 4° và α= 14°. Trên bảng 3.1, y là khoảng cách từ thành ống khí động đến lỗ đo áp suất. Với α = 4°, chênh lệch hệ số lực nâng (tại ba tiết diện 1, 2 và 3) của hai trường hợp có và không có hiệu ứng thành bằng và nhỏ hơn 5%. Với α = 14°,
chênh lệch hệ số lực nâng tại tiết diện 1 là 13% (hiệu ứng thành là đáng kể, tương ứng với nhận xét kết quả trên hình 3.26(a)). Từ khoảng cách y = 80 mm và lớn hơn (tiết diện 2 và 3), chênh lệch của hệ số lực nâng nhỏ hơn 5%.
Sự khác nhau về trường phân bố áp suất trên mặt A gần gốc cánh trong hai trường hợp có và không có hiệu ứng thành khi α = 18o được trình bày trên hình 3.29(a) và 3.29(b). Hệ số lực nâng tại vùng gần gốc cánh giảm mạnh trong trường hợp có hiệu ứng thành so với trường hợp không có hiệu ứng thành (hình 3.29(c)). Phân bố hệ số áp suất trên mặt cắt A được chỉ ra trên hình 3.29(d) rất khác nhau đối với hai trường hợp có và không có hiệu ứng thành.
Hệ số lực nâng và hệ số lực cản tổng của cánh theo góc tới trong hai trường hợp có và không có hiệu ứng thành được trình bày trên hình 3.30. Góc tới càng lớn thì ảnh hưởng của hiệu ứng thành ống càng mạnh, làm giảm đáng kể hệ số lực nâng và tăng hệ số lực cản.
Với kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán số xác định các đặc trưng dòng chảy đối với mô hình cánh sử dụng trong thực nghiệm ở trên, hiệu ứng thành ống khí động là đáng kể với góc tới α > 10o. Khoảng cách 40 mm (40% dây cung cánh c) giữa mặt cắt 1 (hàng lỗ đo áp suất số 1) và thành ống khí động là đủ rộng để có thể bỏ qua hiệu ứng thành khi góc tới α < 10o. Cần lưu ý rằng nhận định này chỉ áp dụng cho việc xác định hệ số lực nâng và hệ số lực cản. Trong nhiều trường hợp, sự khác nhau về phân bố hệ số áp suất trên hai mặt lưng cánh và bụng cánh trong các trường hợp có và không có hiệu ứng thành có liên quan tới trạng thái phân bố tải trọng trên cánh và bài toán khí động đàn hồi xác định lực khí động trên cánh khi cánh bị biến dạng đàn hồi [93].
Hiệu ứng thành ống khí động đối với cánh trong thực nghiệm cũng có sự tương tự như hiệu ứng giao thoa cánh - thân máy bay. Vùng giao thoa cánh - thân máy bay
cũng xảy ra hiện tượng tách thành rất mạnh đặc biệt khi góc tấn lớn. Hiện tượng này của máy bay sẽ được xét trong chương 5.
3.3 Góc dòng dạt xuống xác định bằng phương pháp bán giải tích - So sánh với kết quả số dòng 3D có nhớt