ĐI NGANG MƠ HÌNH
4.5.2 Phân tích thứ nguyên và tương tự đối với góc dịng dạt xuống
Góc dịng dạt xuống liên quan đến hai thành phần vận tốc đứng w và vận tốc dọc u theo phương trình (3.1): arctan u w (3.1)
Đối với cánh 3D có sải hữu hạn, dòng chảy vòng, từ bụng cánh lên lưng cánh qua không gian gần mút cánh, khi thoát ra khỏi cánh đi vào vết sau cánh biến thành xoáy mút cánh. Mối liên hệ giữa xoáy mút cánh và góc dịng dạt xuống xét ở chương 3 cho thấy, thành phần vận tốc đứng (w) vừa là một thành phần tạo nên
93
xốy mút cánh (phương trình (3.2)), vừa là một thành phần tạo nên góc dịng dạt xuống (phương trình (3.1)).
Vận tốc dọc u chịu ảnh hưởng nhiều từ vận tốc trong lớp biên, đặc biệt là phân bố vận tốc u tại mép ra của cánh. Đó vừa là phân bố vận tốc tại vị trí kết thúc lớp biên, vừa là phân bố vận tốc tại vị trí đầu vết (hình 4.28).
Phương pháp số dịng 3D có nhớt mà luận án thực hiện cho nghiệm phân bố vận tốc đồng thời cả phần dịng ngồi, lớp biên và vết (thông qua nhiều lần lặp đối với tất cả các điểm trong miền không gian chia lưới cho tới khi nghiệm hội tụ với độ chính xác cần thiết).
Phương pháp giải trực tiếp này cho phép sự giao thoa của các dòng chảy trên hai mặt cánh và hai đầu mút cánh hội tụ tại vết được xảy ra tự nhiên. Kết quả phân bố các vận tốc u và w thay đổi theo ba phương x, y, z, phụ thuộc vào các thơng số hình học cánh và góc tới.
Các vận tốc u, w và góc ε theo cơng thức (3.1) đều chịu ảnh hưởng của các thơng số hình học và động lực học. Xét phương trình quan hệ các thơng số ảnh hưởng đối với góc dịng dạt xuống ε:
, , , , , , , , LE, TE, c, , , ,t 0
F V c i x y z (4.11)
Áp dụng định lý Π đối với phương trình (4.11) có thể viết được:
( , , , , , , , , , , ) LE TE c t i x y z f 1 , , , , , , , , , Re c t LE TE x y z f ,i c c c c c (4.12)
Phương trình (4.12) xác định các tiêu chuẩn tương tự đối với góc dịng dạt xuống ε . Để áp dụng kết quả về góc ε giữa mơ hình và ngun hình phải đảm bảo các tiêu chuẩn tương tự (theo phương trình (4.12) cũng tương ứng với các tiêu chuẩn (4.2) – (4.9)), cụ thể:
- Vị trí xét tương ứng (x/c,y/c,z/c)
- Quy luật độ vồng đường nhân ηc/cvà quy luật độ dày profile ηt/c
Hình 4.28. Profile vận tốc trong vết lưới cánh máy thủy khí (nguồn: Internet)
94 - Hệ số dãn dài Λ
- Góc đặt cánh i, góc vuốt mép vào λLE và mép ra λTE - Góc tới α
- Số Re
Khi đảm bảo các điều kiện trên, quan hệ tương tự đối với góc dịng dạt xuống giữa mơ hình và nguyên hình là:
p m
(4.13)
4.6 Kết luận chương 4
Trong chương 3 đã xét biến thiên theo ba phương (x, y, z) của các thơng số dịng trong vết sau cánh chính, đặc biệt là góc dịng dạt xuống. Khi đặt cánh đi ngang phía sau cánh chính, nhiệm vụ lúc này là xét hệ hai cánh. Sự có mặt của cánh đi ngang phía sau cánh chính sẽ làm thay đổi quy luật biến thiên của các thơng số dịng trong vết, và cánh đuôi ngang cũng chịu những tác động do dịng nhiễu động trong vết cánh chính gây nên. Đó là vấn đề được nghiên cứu trong chương 4.
Cánh đuôi ngang sử dụng trong thực nghiệm đối xứng về hình học và động học (profile đối xứng và góc đặt cánh bằng khơng). Khi thực hiện đo áp suất trên cánh đuôi ngang đơn (khơng có cánh chính phía trước), phân bố áp suất trên lưng và bụng cánh giống nhau. Kết quả này cho giá trị lực nâng trên cánh bằng không, đúng với bản chất vật lý của dịng khơng góc tới qua cánh đối xứng. Khi gá lắp cánh chính ở phía trước với các góc đặt cánh khác nhau, áp suất đo được trên cánh đi ngang có sự chênh lệch giá trị trên mặt lưng và mặt bụng cánh, tạo nên lực nâng trên cánh đi ngang. Góc tới của cánh chính càng lớn, hệ số lực nâng tạo ra do dịng dạt xuống sau cánh chính ảnh hưởng tới cánh đuôi ngang càng lớn.
Xét tới ảnh hưởng của hệ số dãn dài cánh chính tới khí động cánh đi ngang, trong thực nghiệm đã tiến hành rút ngắn cánh chính (qua phần ngàm gốc cánh vào thành ống khí động). Kết quả thực nghiệm và số về hệ số áp suất trên cánh đuôi ngang với các giá trị khác nhau của góc tới cánh chính cho thấy sự tăng góc tới cánh chính làm tăng rõ rệt giá trị tuyệt đối của hệ số lực nâng trên cánh đuôi ngang. Kết quả mô phỏng số cho thấy rõ ảnh hưởng mạnh của hệ số dãn dài cánh chính tới thơng số sự thay dịng trong vết sau cánh chính theo cả phương đứng z, phương sải cánh y và phương dọc theo dòng chảy x. Hệ số dãn dài cánh chính giảm làm tăng hiệu ứng dạt xuống của dịng trong vết sau cánh chính (tăng góc dịng dạt xuống).
Trên cơ sở mơ hình thực nghiệm thực hiện đối với hệ hai cánh, tính tốn số phát triển cho các giá trị khoảng cách khác giữa cánh chính và cánh đi ngang. Hiệu ứng dịng dạt xuống trong vết sau cánh chính mạnh hơn khi khoảng cách giữa hai cánh càng nhỏ. Kết quả tính tốn hệ số lực khí động trên cánh chính cho thấy vị trí cánh đi ngang càng gần cánh chính, hệ số lực nâng trên cánh chính càng giảm. Điều này phù hợp với điều kiện vết sau cánh cần phải xa đến vô cùng mới đảm bảo
95
lực nâng đầy đủ. Sự có mặt của cánh đi ngang ở sau cánh chính là một tác nhân chặn dịng chảy trong vết. Khoảng cách giữa hai cánh càng ngắn, lưu số trong vết càng nhỏ tương ứng với lực nâng của cánh chính càng nhỏ.
Ảnh hưởng của độ vuốt cánh cũng được xét trên cánh mơ hình thực nghiệm đối với cánh thang và cánh mũi tên đã được công bố. Kết quả thực nghiệm về hệ số lực khí động trên cánh mũi tên và cánh thang có ý nghĩa kiểm chứng đối với kết quả tính tốn số. Kết quả tính tốn số về phân bố góc dịng dạt xuống sau cánh mũi tên và cánh thang ở các vị trí x = const khác nhau (và biến thiên theo x) với các góc tới khác nhau cho thấy hiệu ứng dòng dạt xuống sau cánh mũi tên nhỏ hơn đáng kể so với cánh thang. Vì vậy, tác động của dịng dạt xuống sau cánh chính mũi tên làm cho độ dốc biến thiên hệ số lực nâng trên cánh đuôi ngang nhỏ hơn so với hiệu ứng này gây nên từ cánh chính thang. Biến thiên của hệ số lực nâng trên cánh chính cho thấy, góc tới thất tốc đối với cánh mũi tên lớn hơn so với cánh thang.
Xét ảnh hưởng của góc tới cánh chính, hệ số dãn dài cánh chính, khoảng cách giữa cánh chính và cánh đi ngang, độ vuốt cánh chính tới dịng trong vết sau cánh chính và mức độ chi phối của những thay đổi này tới khí động cánh đi ngang.
Các nghiên cứu cho thấy lực nâng trên cánh đuôi ngang rất nhỏ so với cánh chính và nhiều trường hợp lực nâng này được tạo ra chỉ nhờ góc dịng dạt xuống sau cánh chính. Nhưng giá trị lực nâng nhỏ này trên cánh đi ngang lại là thành phần chính tạo tạo nên mơmen chúc ngóc cho máy bay. Vì vậy, vai trị của cánh đi ngang có ý nghĩa rất quan trọng đảm bảo cân bằng cho máy bay ở mọi chế độ bay ổn lập. Vai trị của cánh đi ngang đối với bài toán cân bằng và ổn định tĩnh dọc của máy bay được xét trên mơ hình máy bay có cánh chính - thân - cánh đi ở chương 5.
*
Cũng như ở chương 3, hệ hai cánh xét ở chương 4 có kích thước phụ thuộc vào kích thước buồng thử ống khí động. Các hiện tượng vật lý và kết luận định tính về tương tác khí động lực giữa cánh chính và cánh đi ngang có thể áp dụng được cho các hệ hai cánh dưới âm khác. Việc áp dụng các kết quả định lượng giữa hệ hai cánh mơ hình vào các trường hợp thực tế khác cần thiết phải dựa trên các tiêu chuẩn tương tự về hình học, góc tới và số Reynolds.
Chương 5 tiếp theo sẽ ứng dụng tính tốn số đối với hai loại máy bay: một máy bay mô hình có so sánh với kết quả thực nghiệm đã cơng bố (để kiểm chứng kết quả tính tốn khí động tổ hợp cánh chính – thân – cánh đi), và một máy bay đã chế tạo trong thực tế (để đánh giá sự cần thiết phải tính tốn chính xác lực khí động trên cánh đi ngang, khi cánh đuôi ngang đảm nhận chức năng cân bằng mômen ở chế độ bay bằng). Hai máy bay đã có sẵn này (máy bay mơ hình của NASA và máy bay không người lái đã sản xuất ở Việt Nam VNT-680), có cánh khơng đồng dạng với cánh đã thực nghiệm trong ống khí động ở chương 3 và chương 4. Nhưng những kết luận định tính về tương tác giữa cánh chính và cánh đi ngang vẫn có ý nghĩa kiểm chứng.
96