Mô hình cánh và thân sau khi được thiết bằng phần mềm ANSYS module Spaceclaim sẽ được đưa vào module Designmodeler để tạo miền không gian mô phỏng. Miền không gian mô phỏng có kích thước là 10D x 10D x 8D được tách ra
làm hai vùng chính là vùng quay và vùng tĩnh.
Hình 3.17Miền quay của mô hình
1.1D
37
Hình 3.18 Miền tĩnh của mô hình
3.4.2 Khảo sát lưới
Nhằm mục đích kiểm tra đúng chính xác tính chất khí động của mô hình, các yêu cầu về chất lượng lưới là không thể bỏ qua. Cụ thểnhư sau:
- Đảm bảo tính chất hình học của đối tượng: Việc chia lưới qua thô, kích
thước lưới quá lớn làm cho biên dạng của mô hình bị biến đổi tại bề mặt, điều này
thường xảy ra lại các vị trí có độ cong lớn như mép vào của cánh;
- Đảm bảo hình dạng của lưới: sự méo mó vềlưới làm cho việc mô phỏng
có độ chính xác thấp. Vì vậy các chỉ số về trực giao (Orthogonal) và lệch chuẩn
(skewness) được đưa vào. Đối với mô phỏng Fluent trong Ansys, yêu cầu về chỉ
sốlưới tối thiểu cho trực giao là lớn hơn hoặc bằng 0.01;
- Lưới ở lớp biên: Cho việc tính toán dòng chảy, lớp biên là một yếu tố
quan trọng. Các mô hình rối khác nhau đòi hỏi việc chia lưới khác nhau để có thể
bắt được những đặc tính khác nhau. Chỉ số y+ nhỏhơn 1 cho mô hình rối k-ω và
chỉ số y+ nhỏhơn 200 cho mô hình rối k-ε.
Số phần tửlưới: số lượng phần tử lưới ảnh hưởng đến thời gian tính toán mô hình.
Mô hình được chọn cho việc khảo sát lưới là: - Mô hình chỉ có hai cánh; - Tốc độ cánh: 650 vòng/phút; - Góc đặt cánh: 9 độ. 3D 5D 10D 10D 1.1D
38
Việc tính toán sơ bộ giá trị y+ và lớp lưới đầu tiên cho phép chúng ta xác
định vùng giá trị nào của lưới tương ứng với mô hình rồi đang sử dụng. Từđó giảm thiểu sốtrường hợp khảo sát cho mô hình.
Bảng 3.2 Chiều dài lớp lưới đầu tiên với các giá trị y+
y+ Lớp lưới đầu tiên (mm)
1 0.011
10 0.11
100 1.1
Từ những yêu cầu vềlưới được liệt kê, các trường hợp khảo sát lưới được xây dựng, gồm có
- Trường hợp 1: Chia lưới tựđộng;
- Trường hợp 2: Face sizing 3mm trên mặt cánh;
- Trường hợp 3: Tách mặt cánh làm nhiều phần , face sizing 1mm ở phía
trước, face sizing 3mm ở phía sau;
- Trường hợp 4: Giống trường hợp 3 và sử dụng thêm inflation 0.3mm trên cánh;
- Trường hợp 5: Chia khối với mục đích nối lưới như chia ICEM;
- Trường hợp 6: Giống trường hợp 3 và sử dụng thêm inflation 0.01mm trên cánh.
Các trường từ1 đến 6 sử dụng mô hình rối k-epsilon theo tính toán về lớp
lưới đầu tiên trước đó.
- Trường hợp 7: Giống trường hợp 3, sử dụng thêm inflation 0.01mm; - Trường hợp 8: Giống trường hợp 5, sử dụng thêm inflation 0.01mm, face sizing 0.5mm các mặt phía trước, face sizing 1mm các mặt phía sau;
- Trường hợp 9: Giống trường hợp 5, sử dụng thêm inflation 0.01mm, face sizing 0.5mm các mặt phía trước, face sizing 0.5mm các mặt phía sau.
Các trường hợp từ7 đến 9 sử dụng mô hình rối k-omega theo tính toán về
lớp lưới đầu tiên trước đó.
3.4.3 Cài đặt các điều kiện biên cho mô hình
Việc sử dụng Ansys Fluent steady cho chúng ta những kết quả trung bình. Các thiết lập điều kiện biên đầu vào gồm có:
- Inlet: Chọn loại là Pressure inlet và đặt áp suất Gauss là 0 (tương đương
với áp suất tuyệt đối tại inlet là 1atm);
- Outlet: Chọn loại là Pressure outlet và đặt áp suất Gauss là 0 (tương đương với áp suất tuyệt đối tại outlet là 1atm);
39
- Wall bao gồm: hai cánh của CCM, gốc cánh, thân và đế;
- Vùng quay của CCM được thiết lập với tâm quay tại tọa độ (x,y,z) = (0,0,0) quay xung quanh trục y tốc độ từ 650 vòng/phút đến 850 vòng/phút tương ứng với từng trước hợp.
Phương pháp số được dùng ở đây là thể tích hữu hạn và lược đồ giải
Coupled được sử dụng để giải các hệ phương trình vi phân. Sở dĩ chọn phương
pháp này vì bài toán này đã được chia ra làm 2 phần, việc sử dụng phương pháp
giải này cho phép truyền áp suất giữa vùng tĩnh và vùng quay.
Sử dụng các Interface được ghép nối với nhau cho phép định nghĩa áp suất trên các mặt trùng nhau là giống nhau.
3.5 Kết quảvà đánh giá
3.5.1 Kết quả khảo sát lưới
Kết quảđịnh lượng đối với lưới được kiểm soát thông qua các giá trị về số
phần tửlưới, số nốt lưới, các chỉ số chất lượng Orthogonal và Skewness, chỉ số y+ và sai sốđể so sánh với các tiêu chuẩn ban đầu đặt ra:
Bảng 3.3 Kết quả chất lượng lượng lưới
STT Số phần tử Số nốt lưới chỉ số Orthogonal nhỏ nhất chỉ số Skewness lớn nhất Y+ Lực nâng (N) Sai số (%) 1 111003 19413 0.2010 0.7990 375.93 4.81 4.50 2 437847 79422 0.2010 0.7990 248.06 4.63 0.50 3 1681436 304647 0.2007 0.7993 90.90 4.63 0.70 4 1659156 454970 0.0937 0.8994 29.03 4.71 2.36 5 1849394 496566 0.0627 0.9373 55.05 4.56 0.81 6 2120474 532150 0.0029 0.9288 0.60 4.05 12.06 7 2120474 532150 0.0029 0.9288 0.41 4.80 4.37 8 8832507 2347900 0.0084 0.9329 0.40 4.72 2.53
9 17830520 4895941 0.012182 0.91079 N/A N/A N/A Tại trường hợp cuối cùng, mặc dù chỉ số chất lượng được đảm bảo nhưng
sốlượng lưới quá lớn nên không được đưa vào mô phỏng. Để thấy rõ sựảnh hưởng của lưới đến kết quả mô phòng, các mặt cắt tại vị trí 0.7R vềtrường phân bố vận tốc áp suất được đưa vào.
40
1 4.55%
2 0.5%
3 2.63%
41
5 0.81%
6 12.06%
7 4.37%
Hình 3.19 Mặt cắt lưới và trường phân bố vận tốc và áp suất
Nhận xét và đánh giá:
Trường hợp 1: Đối với trường hợp này, lưới được xây dựng quá thô, không thể bám sát và đảm bảo hình học của mô hình, đặc biệt là phần mép vào và mép ra.
Trường hợp 2: Chất lượng lưới được nâng lên nhờ việc chia nhỏ trên bề
mặt cánh 3mm. Tuy nhiên, lưới ở mép vào vẫn nhọn không thể bám sát bề mặt cong của mô hình.
Trường hợp 3: Việc chia cắt bề mặt cánh cho phép kiểm soát lưới ở đầu mút cánh, giúp vấn đề bị nhọn ở mép vào được giải quyết. Tuy nhiên, lưới xung
quanh cánh đang còn khá thô không thể bắt được những cuộn xoáy xung quanh cánh (hình 3.6). Điều này đòi hỏi đòi hỏi một phương pháp chia lưới có kích thước nhỏ trên bề mặt cánh.
42
Trường hợp 4: Việc chia lưới bằng Inflation cho phép kiểm soát lưới ở sát bề mặt cánh giúp đưa ra lựa chọn mô hình rối phù hợp. Dựa vào bảng tính toán sơ
bộ giá trị y+, giá trị lớp lưới đầu tiên nằm trong vùng phù hợp với mô hình rối k-
ε. Tuy nhiên, việc chia lưới này làm lưới xấu ở vùng mép ra của cánh.
Trường hợp 5: Với việc dùng kết hợp giữa việc tách khối và dùng Inflation cho cánh, chất lượng lưới được nâng lên cũngnhư đảm bảo chỉ số y+ cho mô hình rối k-ε. Phương pháp chia lưới này có sai số nhỏ (0.81%) hoàn toàn phù hợp cho bài toán mô phỏng khí động đối với cánh.
Trường hợp 6: Nhằm mục đích bắt được các hiện tượng rối, xoáy sát biên dạng cánh hơn nữa lưới ở sát cánh được chia nhỏ. Tuy nhiên, việc sử dụng Inflation
0.01mm trong trường hợp này làm lệch lưới, các chỉ số chất lượng orthogonal và skewness giảm mạnh. Đây cũng là nguyên nhân dẫn đến sai số lớn trong trường hợp này.
Trường hợp 7:Lưới ở trường hợp này hoàn toàn giống lưới ởtrường hợp
6 và được sử dụng mô hình rối k-ω phù hợp với chỉ sốy+. Điều này làm cho sai số giảm đi so với trường hợp trước đó.
Trường hợp 8,9: Để khắc phục tình trạng lệch lưới ở vùng sát cánh mà vẫn
đảm bảo lưới được sử dụng đặt yêu cầu về chỉ sốy+ đòi hỏi phải chia nhỏ vùng
lưới sát cánh theo các phương còn lại. Trường hợp 8 sử dụng face sizing 0.5mm các mặt phía trước và face sizing 1mm các mặt phía sau giúp chỉ số chất lượng cải thiện rõ rệt. Tuy nhiên vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu lưới ban đầu.Trường hợp 9 tiếp tục chia nhỏlưới hơn nữa giúp ta thu được kết quảnhư mong muốn. Tuy nhiên,
điều này đồng nghĩa với số lượng phần tửlưới tăng lên, thời gian tính toán tăng
lên một cách đáng kể. Cụ thểđối với trường hợp 9 là hơn 17 triệu phần tử.
Qua sựtính toán sơ bộ và quá trình khảo sát lưới, trường hợp 5 hoàn toàn
đảm bảo các yêu cầu tối thiểu về yêu cầu lưới, đồng thời tối ưu về thời gian tính toán cho mô hình tính toán hiện tại. Phương pháp chia lưới này sẽđược áp dụng trong suốt quá trình nghiên cứu này.
3.5.2 Kết quảkhí động trên mô hình chỉ hai cánh và toàn thân
Mục đích của việc khảo sát mô hình chỉ có hai cánh là để kiểm chứng kết quả mô phỏng so với tính toán lý thuyết. Từ đó đánh giá tính đứng đắn của quá trình mô phỏng. Đồng thời, đây cũng là tiền để so sánh sựảnh hưởng của mô thân MBTT và đế lên mô khảnăng tạo ra lực kéo của mô hình.
Khi tăng góc đặt cánh hoặc tăng tốc độ quay của CCM làm cho lực kéo tăng
43
Hình 3.20 Lực nâng trên mô hình chỉ có hai cánh
Tại góc đặt cánh 9 độ và tốc độ vòng quay nhỏhơn 700 vòng/phút, lực kéo tạo ra không đáp ứng yêu cầu đặt ra. Các trường hợp khác hoàn toàn đáp ứng yêu cầu lực nâng đặt ra. Điều này cho thấy tính khả phi của mô hình.
Bảng 3.4 Sai số giữa mô phỏng và tính toán lý thuyết
Góc đặt cánh (độ) Tốc độ quay (vòng/phút) 650 700 750 800 850 9 0.81% 1.20% 0.85% 0.73% 0.70% 10 3.52% 3.73% 3.68% 3.78% 3.92% 11 5.19% 5.78% 5.92% 5.10% 5.13% 12 6.82% 6.80% 6.90% 6.08% 6.18%
So sánh với kết quả tình toán lý thuyết (bảng 3.3), sai số cho bài toán mô phỏng này luôn nhỏ hơn 7%. Như vậy, về mặt tính toán lực nâng cho thấy tính
đúng đắn, đáng tin cậy của quá trình mô phỏng.
Trên thực tế, mô hình MBTT không chỉ có hai cánh mà còn có thân, càng
đáp và các bộ phận vận tải liên quan. Đối với mô hình máy bay trong phòng thí nghiệm khá là nhỏ, các bộ phận liên quan như gốc cánh, thân, đế… có kích thướng
tương đối đáng kể so với mô hình. Vì vậy việc mô phỏng nghiên cứu ảnh hưởng
khí động của các chi tiết này là vô cùng cần tiết trong tiến trình nghiên cứu về bộ
thí nghiệm máy bay trực thăng.
0 2 4 6 8 10 12 650 700 750 800 850 Lực đ ẩy (N) Tốc độ quay CCM (vòng/phút) 9˚ 10˚ 11˚ 12˚
44
Hình 3.21 Lực nâng trên mô hình toàn bộ thân
Cũng giống như mô hình chỉcó hai cánh, khi tăng lực góc đặt cánh và tốc
độ vòng quay làm cho lực kéo trên cánh tăng lên. Tuy nhiên, lực nâng tổng thể tại
các trường hợp lại giảm đi. Điều này được lý giải bởi thân MBTT đã tạo ra những cuộn xoáy làm ảnh hưởng đến khí động từđó tạo ra sự cản hình dạng đối với mô hình này.
Bảng 3.5 Bảng chênh lệch lực nâng giữa mô hình có thân và không có thân
Góc đặt cánh (độ) Tốc độ quay (vòng/phút) 650 700 750 800 850 9 10.05% 9.78% 9.94% 10.11% 10.03% 10 11.96% 12.12% 11.86% 11.87% 11.86% 11 10.34% 11.59% 11.52% 11.49% 11.47% 12 9.58% 11.87% 11.84% 11.82% 11.83%
Dựa vào bảng 3.5, ta có thể thấy, sự chênh lệch này là đáng kể, xấp xỉ 11% cho mỗi trường hợp. Để có thể thấy rõ hơn đặt tính khí động của mô hình, trường hợp 10 độ, 750 vòng/phút được phân tích cụ thể.
45
Hình 3.22 Trường phân bố vận tốc và áp suất trên cánh
Hình 3.23 Đường dòng qua MBTT
46
Hình 3.25 Các véc tơ vận tốc
Khi CCM quay tạo nên vùng chênh lệch áp suất, áp suất dương tại khu vực
dưới mặt phẳng quay và áp suất âm xuất hiện tại mặt trên mặt phẳng quay. Do sự
chênh áp suất giữa hai mặt cánh, dòng khí bị hút từ trên xuống, qua mặt phẳng quay của chong chóng mang rồi đẩy mạnh xuống dưới tạo ra lực kéo cho MBTT. Tại đầu mút cánh, xuất hiện các cuộn xoáy. Đây là những đặc trưng cơ bản đối với tính chất khí động của MBTT.
47
CHƯƠNG 4.KIỂM TRA ĐẶC TÍNH BỀN CỦA MÔ HÌNH
4.1 Thông số vật liệu
Mô hình máy bay được đơn giản hóa bởi 4 loại vật liệu cơ bản (gỗ, nhôm, composite và thép). Gỗ, nhôm và composite là những vật liệu có khối lượng riêng nhỏ phù hợp cho các khí cụ bay. Vì vậy, vật liệu gỗđược dùng cho vỏ cánh, và các thanh ngang trên cánh. Thanh dọc cánh làm bằng nhôm đểtăng độ cứng cho cánh và thân máy bay được làm từ vật liệu composite có tính chịu bền cao.
Đối với vật liệu thép có tính bền cao, tuy nhiên lại có khối lượng riêng lớn
nên thường ít được sử dụng cho khí cụ bay. Nhưng để làm các vật liệu chịu ứng suất kéo nén lớn, thép là một lựa chọn không thể bỏ qua. Với đặc tính nổi trội như
vậy, chân đếđược thiết kế từ thép để đảm bảo độ vững chắc cho mô hình (hình 3.1).
Đối với các vật liệu đẳng hướng như gỗ, nhôm, thép các giới hạn về vật liệu
được quy định bởi ứng suất kéo, ứng suất nén và ứng suất cắt. Còn đối với composite không phải là vật liệu đẳng hướng, các giới hạn về kéo nén theo các
phương là khác nhau. Đồng thời, trên phương diện biến dạng cũng là một yếu tố
giới hạn bền cho loại vật liệu này.
Bảng 4.1 Thông số của các vật liệu đẳng hướng
Vật liệu Ứng suất kéo tới hạn [MPa] Ứng suất nén tới hạn [MPa] Gỗ 41 66.3 Nhôm 280 310 Thép 250 460 Bảng 4.2 Thông số vật liệu composite Phương Ứng suất tới hạn [MPa] Biến dạng tới hạn[m/m] Giới hạn kéo X 34 0.0026 Y 1632 0.0143 Z 34 0.0026 Giới hạn nén X -68 -0.0146 Y -704 -0.006 Z -68 -0.0146 Giới hạn cắt X 80 0.012 Y 55 0.016 Z 80 0.016
48
Vì đặc tính khác biệt như vậy, việc xây dựng các lớp composite đúng hướng là vô cùng quan trọng. Đối với mô hình này, ứng suất kéo nén lớn nhất theo phương Y, đây là cơ sở cho sự sắp xếp các tấm composite cho phù hợp với mô hình.
4.2 Chia lưới
Cũng giống như những yêu cầu vềlưới đối với khí động, lưới kết cấu đòi
hỏi độ lệch chuẩn và trực giao phù hợp. Điểm khác biệt lớn nhất giữa lưới khí động
và lưới kết cấu là sự chênh lệch giữkích thước lưới lớn nhất và kích thước lưới nhỏ nhất. Đối với bài toán khí động cho phép chia lưới mịn tại các vùng có đặc
điểm khí động nhảy cảm, điều này làm cho kích thước lưới giữa các vùng có sự
chênh lệch lớn. Tuy nhiên, việc chia lưới lệch quá nhiều đối với bài toán kết cấu gây ra sai số lớn. Các chỉ số Jacobian được áp dụng để kiểm soát độ lệch lưới.
Hình 4.1 Lưới trên cánh
Hình 4.2 Lưới trên toàn mô hình
Đối với cụm cánh có cấu tạo đơn giản, lưới vuông được sử dụng, còn đối với cụm thân và giá đỡ có kết cấu phức tạp, lưới tam giác được sử dụng. Kết quả lưới thu được có chất lượng Orthogonal là và skewness nằm trong vùng cho phép.
4.3 Các điều kiện biên
Giống như bài toán FSI một chiều thông thường, áp suất khí động được sử
dụng đểđưa vào tính toán cho bài toán kết cấu. Bên cạnh đó các cài đặt khác được