1. Profile cánh
Profile của cánh nâng hiện nay thƣờng có khá nhiều dạng khác nhau, với mỗi loại có những ƣu nhƣợc điểm riêng, và do đó hệ số lực nâng, lực cản cũng có sự khác nhau. Vào những năm 1930, Ủy ban Tƣ vấn Hàng không quốc gia của Mỹ (the National Advisory Committee of Aeronautics - viết tắt NACA), tiền thân của NASA ngày nay, đã tiến hành thí nghiệm các loại profile cánh và đánh số một cách hệ thống (hình 1.19) Với mỗi loại profile cánh thử nghiệm, tiến hành xác định giá trị các hệ số lực nâng CL, hệ số lực cản CD, và hệ số mô men Cm theo giá trị số Reynolds (Rn) và góc tấn cánh . Kết quả đƣợc lập thành bảng hoặc xây dựng thành đồ thị (bảng 1.1 và hình 1.20)
Bảng 1.1 : Bảng hệ số lực nâng, lực cản và tỷ số lực nâng trên lực cản của cánh Profile NACA 63-412 có số RN = 3.000.000 theo góc tấn
2. Góc tấn
Góc tấn là góc tạo bởi dây cung cánh và phƣơng chuyển động của dòng bao. Góc tấn cánh có ảnh hƣởng rất lớn đến các hệ số lực nâng, lực cản và mômen cánh vì góc tấn cánh thay đổi sẽ làm thay đổi sự phân bố áp lực tác động lên bề mặt cánh. Với giá trị số Rn nhất định, mỗi loại profile cánh sẽ có một góc tấn mà tại đó giá trị hệ số lực nâng đạt cực đại, tƣơng tự cũng có một góc tấn mà hệ số lực cản đạt cực tiểu. Tuy nhiên, cần lƣu ý là hai giá trị góc tấn này không trùng nhau nên khi thiết kế cánh, tùy theo yêu cầu đặt ra mà tính chọn góc tấn cánh thích hợp (hình 1.21).
Hình 1.21: Áp lực lên bề mặt cánh thay đổi khi góc tấn thay đổi 3. Số Reynolds (Rn) [11]
Số Reynolds là đại lƣợng không thứ nguyên dùng biểu thị cho độ lớn tƣơng đối giữa ảnh hƣởng gây ra bởi quán tính và tính nhớt đến sự cản trở đối với dòng chảy. Trƣờng hợp cánh của tàu cánh ngầm có biên dạng cong chuyển động trong dòng nƣớc, số Reynolds đƣợc tính theo công thức:
Rn = Vd
= Vd (1.4) trong đó : V - vận tốc dòng chảy bao quanh cánh, lấy bằng vận tốc cánh (m/s)
d - chiều dài dây cung cánh, lấy bằng chiều rộng cánh b (m) - độ nhớt động học của nƣớc = 10-6 (m2/s), /
- độ nhớt động lực học của nƣớc = 10-3 (N.s/m2) - mật độ nƣớc, = 1000 (kg/m3)
Thay các giá trị trên vào có thể rút gọn công thức tính số Reynolds cho cánh của tàu cánh ngầm là :
Rn = 106 V b (1.5) trong đó : V - vận tốc cánh (m/s)
b - chiều rộng cánh (m)
Dựa vào giá trị số Reynolds có thể phân loại các dòng chảy thành chảy tầng hay chảy rối cụ thể nhƣ sau :
- Dòng chảy có Rn ≤ 2300 là dòng chảy tầng.
- Dòng chảy có 2300 < Rn < 104 : dòng chảy chuyển tiếp từ chảy tầng sang chảy rối - Dòng chảy có Rn ≥ 104 là dòng chảy rối.
Dòng chảy tầng có xu hƣớng tiêu thụ ít năng lƣợng hơn, hay nói cách khác là nó sinh ra lực cản nhỏ hơn, nhƣng với cánh của tàu cánh ngầm thì dòng chảy tầng ít tồn tại. Mặt khác, khi giá trị số Rn của dòng chảy quanh cánh càng lớn thì góc tấn của cánh tƣơng ứng với hệ số lực nâng cực đại càng tăng và do đó hệ số lực nâng cực đại càng lớn. Với giá trị số Rn thấp thì giá trị hệ số lực nâng tối đa thấp, góc tấn tối đa thấp hơn nhƣng tỷ số lực nâng trên lực cản lại cao do hệ số lực cản giảm, thể hiện ở hình 1.22.
Hình 1.22: Đồ thị hệ số lực nâng, hệ số lực cản và tỷ số lực nâng trên lực cản cánh theo số Rn và góc tấn
4. Tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng (AR) [11]
Tỷ lệ giữa chiều dài trên chiều rộng của cánh (AR = l/b)có ảnh hƣởng đến giá trị hệ số lực nâng cánh (hoặc lực nâng cánh) mà cụ thể là làm giảm hệ số lực nâng cánh. Tỷ lệ này càng lớn thì ảnh hƣởng của nó đến sự thay đổi của hệ số lực nâng CL càng ít. Để xác định ảnh hƣởng của tỷ lệ l/b đến hệ số lực nâng cánh CL thƣờng sử dụng hệ số phụ thuộc tỷ số chiều dài trên chiều rộng cánh FAR tính theo công thức :
FAR = ) AR 2 ( AR (1.6) Với AR = l/b hoặc có thể tra đồ thị hoặc bảng nhƣ hình 1.23.
Hình 1.23: Đồ thị và bảng hệ số ảnh hưởng của tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng cánh 5. Độ chìm sâu tương đối h [11]
Độ chìm sâu tƣơng đối b h
h cũngảnh hƣởng đến giá trị hệ số lực nâng CL của cánh. Độ chìm sâu tƣơng đối cánh h càng nhỏ thì càng làm giảm giá trị hệ số lực nâng của cánh CL Để xác định ảnh hƣởng của độ chìm sâu tƣơng đối h đến hệ số lực nâng cánh, có thể sử dụng
hệ số phụ thuộc độ chìm sâu FS tính theo công thức : FS = 2 b h b 5 , 1 222 , 0 1 (1.7)
Hình 1.24: Đồ thị hệ số ảnh hưởng độ chìm sâu FS
Nhƣ vậy, nếu hệ số lực nâng cánh CL mới chỉ xét đến sự phụ thuộc vào góc tấn và số Reynolds thì khi tính lực nâng cánh có xét đến ảnh hƣởng của tỷ số chiều dài trên chiều rộng cánh và độ chìm sâu tƣơng đối, công thức tính lực nâng cánh sẽ là :
F = 2 AR S
L V A.F .F
2 1
Chƣơng 2
THIẾT KẾ THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC NGƢỜI (HUMAN POWERED HYDROFOIL)