5. Bố cục của luận án
2.1 Phương pháp thực nghiệm
2.1.1 Mô tả thực nghiệm và nguyên lý đo áp suất
Thực nghiệm đo áp suất trên cánh được thực hiện trong ống khí động dạng hở AF6116 tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Kích thước buồng thử của ống khí động: (dài × rộng × cao) là (1.000 mm × 400 mm × 500 mm). Các thành buồng thử làm bằng nhựa trong suốt cho phép quan sát thực nghiệm và điều chỉnh gá lắp các
mô hình thí nghiệm trong buồng thử (hình 2.1). Dòng khí trong ống khí động có số
Mach M∞≤ 0,15 được tạo bởi một quạt hút.
Nguyên lý đo áp suất trên cánh được trình bày trên hình 2.2. Áp kế kỹ thuật số
DM 3501 [58] nhận tín hiệu độ chênh áp suất tĩnh đo trên mặt cánh (p) và áp suất vô cùng từ ống Pitot (p∞). Áp kế kỹ thuật số hiển thị giá trị trên màn hình, đồng thời truyền tín hiệu điện dạng tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi tín hiệu Keyence NR- HA08 [59] chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số tới máy tính có cài phần mềm Wave Logger. Phần mềm Wave Logger trên máy tính là phần mềm chuyên dụng, hiển thị kết quả thực nghiệm theo thời gian thực và cho phép xuất dữ liệu ra các định dạng file khác nhau.
Hệ số áp suất Cp đo tại mỗi điểm trên mặt cánh được xác định [60]:
2 2 1 1 2 V 2 p p p p C V ρ ρ ∞ ∞ ∞ − ∆ = = (2.1)
trong đó, p là giá trị áp suất đo được hiển thị trên màn hình dưới dạng tín hiệu điện Δ
(1 mV = 1 Pa); ρ (kg/m3) là khối lượng riêng của không khí; V∞ (m/s) là vận tốc dòng khí trong ống khí động.
2.1.2 Hình dạng, kích thước cánh và công nghệ gia công cánh
Kích thước của cánh thí nghiệm phụ thuộc vào kích thước của buồng thử ống khí động. Ống khí động AF6116 có kích thước buồng thử không lớn. Để tận dụng tối đa sao cho mô hình thí nghiệm có kích thước lớn nhất có thể, phương pháp gá cánh lựa chọn ở đây là ngàm cánh vào ống khí động (tại gốc cánh). Khoảng không gian từ đầu mút cánh đến thành đối diện của buồng thử cần để đủ lớn để hiệu ứng mút cánh (của cánh 3D) được xảy ra tự nhiên. Phương pháp gá lắp này có ưu điểm là chiều dài sải cánh th nghiệm được tăng gấp đôi. Các cánh được gia công rỗng, í
nên các dây đo áp (từ lỗ đo áp trên cánh) có thể để vào trong cánh và đưa các dây này ra ngoài ống khí động (dẫn đến áp kế) một cách thuận lợi không làm nhiễu dòng. Cũng nhờ đó mà các lỗ đo áp suất trên mặt lưng và mặt bụng cánh được đo trong cùng một lần gá cánh vào buồng thử ống khí động, tránh sai số do thay đổi các lần gá lắp gây nên.
Với các giới hạn kích thước buồng thử và điều kiện đo để nhận được kết quả thực nghiệm đối với cánh 3D, chiều dài hiệu dụng nửa sải cánh cánh chính bW = 300 mm, dây cung cánh chính cW= 100 mm (hệ số dãn dài cánh cánh chính ΛW = 6).
Profile cánh chính là Naca 4412 và Naca 0012. Cánh đuôi ngang có chiều dài hiệu dụng nửa sải cánh là bH = 200 mm, dây cung cánh đuôi ngang cH = 60 mm (hệ số dãn dài cánh đuôi ngang ΛH = 6,6). Profile cánh đuôi ngang là Naca 0012.
Hình 2.3 là ảnh chụp cánh chính sử dụng trong thực nghiệm được gia công rỗng, ở bên trong chứa được các dây đo áp suất dẫn từ lỗ đo áp tới áp kế. Trên hai mặt lưng và bụng cánh có khoan 240 lỗ đo áp suất sắp xếp trên 12 hàng. Đường kính của lỗ đo áp suất là 0,4 mm. Vị trí của các lỗ đo áp suất trên hai mặt cánh được thể hiện trên hình 2.3. Ảnh chụp cánh đuôi ngang sử dụng trong thực nghiệm được trình bày trên hình 2.4. Cánh được làm rỗng có khả năng chứa các dây đo áp suất ở bên trong. Trên hai mặt lưng và bụng cánh có khoan ba hàng lỗ đường kính 0,4 mm,
mỗi hàng có 10 lỗ. Vị trí của các lỗ đo áp trên hai mặt cánh được thể hiện trên hình 2.4. Hình 2.5 là ảnh chụp cánh chính và cánh đuôi ngang được gá lắp trong buồng thử ống khí động. Khoảng cách giữa hai tâm khí động của cánh chính và cánh đuôi
ngang là LW-H = 275 mm (2,75cW).
Vật liệu gia công cánh là hợp kim nhôm đảm bảo chống biến dạng tại mép ra của cánh, đảm bảo độ nhẵn và độ chính xác hình dạng của cánh. Cánh được gia công
Hình 2.3. Hình dạng và kích thước cánh chính trong th c nghi m (cánh ự ệ được làm r ng ch a đư c toàn b các dây đo áp su t ỗ ứ ợ ộ ấ ởtrong)
Hình 2.4. Hình dạng và kích thư c cánh đuôi ngang (rớ ỗng) trong th c nghiự ệm
trên máy phay CNC và các lỗ đo áp suất được gia công trên máy xung điện CNC -
EDM (electrical discharge machine). Hai loại máy công cụ này đều được điều khiển theo nguyên lý kỹ thuật số nên độ chính xác gia công cao. Việc xây dựng quy trình công nghệ gia công các cánh này đòi hỏi công phu và quá trình thực hiện gia công cũng yêu cầu sự cẩn trọng.
2.1.3 Đánh giá sai số thực nghiệm
Sai số của phép đo trong thực nghiệm có hai loại chính là sai số dụng cụ đo (δ)
và sai số ngẫu nhiên của các lần lấy mẫu (σSD) [61, 62].
Sai số dụng cụ đo áp kế kỹ thuật số được xác định từ tài liệu của nhà sản xuất là: ±0,15% of F.S. ±1 digit. Ở đây, “F.S.” (full scale) là khả năng đo cực đại của áp kế (2 kPa), và “digit” là thang chia nhỏ nhất của áp kế (1 Pa). Thời gian giữa hai lần đo liên tiếp là 1 ms. Như vậy, sai số lớn nhất của áp kế δ = ±4 Pa. Đây là loại áp kế kỹ thuật số có độ chính xác rất cao. Sai số ngẫu nhiên σSD được xác định theo số lần lấy mẫu và được xác định theo công thức (2.2a) [63, 64]:
Có thể ứng dụng biểu đồ cột giá trị thực trung bình (true mean value) và thanh lỗi
(error bar) [65, 66] để đánh giá độ chính xác của phép đo áp suất tại mỗi lỗ đo trên cánh. Giá trị trung bình thực ∆p là trung bình cộng của n số lần lấy mẫu giá trị đo tức thời. Thanh lỗi được tính toán dựa theo độ lệch chuẩn (standard deviation, SD)
σSD 7]: [6 2 1 ( ) = 1 n i i SD p - p n σ = ∆ ∆ − ∑ (2.2a)
trong đó ∆pi là giá trị đo của lần lấy mẫu thứ i. Như vậy, số lần lấy mẫu càng lớn,
σSD(sai số ngẫu nhiên) càng nhỏ. Thí nghiệm ở đây có số lần lấy mẫu n = 30.000
(với thời gian đo là 30s). Khoảng 2/3 giá trị đo tức thời ∆pi
nằm trong dải
p σSD
∆ ± , nghĩa là, độ dài thanh lỗi là 2σSD.
Hệ số phân tán (coefficient of variation) đánh giá độ tin cậy của phép đo
(measuring confidence) thông qua mức độ biến động của n dữ liệu đo được xác định
bằng công thức[63]: /
V SD
C =σ ∆ (2.2b)
Hình 2.7 trình bày độ tin cậy của kết quả đo (các trường hợp trên hình (2.6)) thông
qua biểu đồ giá trị trung bình thực và thanh lỗi (hình (a)), biểu đồ miền phân tán và
hệ số phân tán (hình (b -1) (d1)), đồ thị giá trị tức thời theo thời gian (hình (b2)-(d2)).
Mỗi giá trị trung bình thực dạng biểu đồ cột (màu xanh) được vẽ cùng với thanh lỗi (màu đỏ) tương ứng với hai lần độ lệch chuẩn của phép đo (2σSD). Miền phân tán (dispersion) là tập hợp của n giá trị đo của n lần lấy mẫu (n = 30.000).
Đánh giá độ tin cậy kết quả đo của một số trường hợp khác được trình bày trong phần Phụ lục 2.
Hình 2.6. (a) Hệ ố s áp su tấ ; (b) V ịtrí tiết diện 1 (cánh chính Naca 4412, α = 14o)
(a) (b)
Hình 2.7. Độ tin cậy ết quả đo. (a) Giá trị trung bình thựk c và thanh lỗi (10 lỗ phía bụng TD.1 (α = 14o)); (b1), (c1), (d1) Miền phân tán và hệ ố s phân tán tại các lỗ 1,
3, 5; (b2), (c2), (d2) Giá trị tức th i c a 30.000 d li u đo ờ ủ ữ ệ
(a)
(b1) (b2)
(c1) (c2)
Cùng với dạng biểu diễn phân tán không gian giá trị thực của 30.000 lần lấy mẫu đo trên các hình 2.7(b1), (c1), (d1), biểu diễn theo thời gian giá trị thực của 30.000 lần lấy mẫu đo này cũng được thể hiện tương ứng trên các hình 2.7(b2), (c2), (d2).
Các hình (b2), (c2), (d2) tương tự như đáp ứng tức thời theo thời gian 30s của 30.000 lần lấy mẫu hiển thị trên màn hình máy tính dưới dạng tín hiệu điện (mV) như trên hình 2.8(b). Phần mềm Wave Logger xuất kết quả kết nối với hệ thống thu thập dữ liệu của áp kế kỹ thuật số DM 3501 cho phép xuất ra kết quả tức thời trên màn hình máy tính và kết quả dạng file số của Excel. Đồ thị trên các hình 2.7(a),
(b), (c), (d) là kết quả của dữ liệu 30.000 lần lấy mẫu đo từ file số của Excel của phần mềm Wave Logger. Các hình biểu diễn này cho thấy tính xác thực và độ chính xác của kết quả đo.
Hình 2.8. (a) Mô hình cánh đuôi ngang trong buồng th ; (b) Giao di n hiử ệ ển thị tín hiệu đi n (mV) tạ ỗệ i l 8 (phía b ng) và l 3 (phía lụ ỗ ưng);
(c) Hệ ố s áp su t trên ti t di n 1 (hàng lỗ 1) ấ ế ệ (a) (b) (c) Lỗ số 8 (phía bụng): -57.28mV Lỗ số 3 (phía lưng): -56.07mV Vị trí để gá lắp cánh chính Lỗ số 3 (hàng 1)
Trước khi thực hiện các thực nghiệm đo áp suất trên cánh đuôi ngang nằm sau cánh chính chịu ảnh hưởng nhiễu do cánh chính gây nên, thử nghiệm đo áp suất trên
cánh đuôi ngang đơn, góc tới α = 0o, được tiến hành để đánh giá độ chính xác của kết quả đo (hình 2.8). Quy ước ở đây, α đối với cánh đơn gọi là góc tới và đối với máy bay gọi là góc tấn (bởi với máy bay, còn có khái niệm góc đặt cánh so với trục
thân máy bay). Cánh đuôi ngang đơn trên hình 2.8(a) có góc tới 0 độ và không có cánh chính ở trước, vận tốc dòng trong ống khí động là 16 m/s. Cánh đuôi trong trường hợp này giống như một cánh chính nhỏ (với trường vận tốc ở vô cùng là vận tốc đồng nhất V∞). Đây là trường hợp đối xứng cả về hình học và động học, vì vậy, áp suất phân bố trên lưng và bụng cánh phải bằng nhau (vị trí điểm số 3 và điểm số 8, xem trên hình 2.4). Hình 2.8(b) là hiển thị tín hiệu điện của giá trị áp suất của 30.000 lần đo tại lỗ số 8 (phía bụng cánh) và lỗ số 3 (phía lưng cánh). Giá trị trung bình của 30.000 lần đo tại điểm số 3 là -56,07 Pa và điểm số 8 là -57,28 Pa (chênh
lệch nhau 2%) (hình 2.8(b)). So sánh kết quả hệ số áp suất trên hình 2.8(c) (kết quả
số tính theo phương pháp kì dị 3D tại tiết diện 1, kết quả thực nghiệm 2D của
Riegels [68]) cho thấy độ chính xác của phép đo liên quan đến dụng cụ đo, số lần lấy mẫu, độ chính xác gia công cánh và gá lắp cánh trong buồng thử ống khí động.