4.4.1. Quy trình thiết kế - chế tạo cánh
Quy trình thiết và chế tạo cánh NACA được trình bày theo sơ đồ sau:
So
Sơ đồ 4.2: Sơ đồ quy trình thiết kế - chế tạo cánh NACA
XÁC ĐỊNH LOẠI CÁNH CẦN THIẾT SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ CÁNH THIẾT KẾ BIÊN DẠNG PROFIN BẢN VẼ CHẾ TẠO MÔ PHỎNG 3D CHẾ TẠO KIỂM TRA VÀ HOÀN THIỆN YÊU CẦU VỀ CÁNH Khu vực tiến hành thí nghiệm
a. Xác định cánh cần chế tạo
Các yêu cầu về cánh được sử dụng:
- Sử dụng nhiều biên dạng prôfin cánh khác nhau (cánh đối xứng và không đối xứng) để kiểm tra các đặt tính của dòng chảy tác dụng lên cánh.
- Cánh có nhiều ứng dụng thực tế: các cánh đối xứng và cánh không đối xứng được sử dụng trong công nghiệp tàu thủy và chế tạo máy bay.
- Cánh được thực hiện là cánh 3D, kích thước của cánh phù hợp với kích thước của kênh nước. Chiều dang cánh không được lớn hơn chiều rộng kênh nước cũng như không nhỏ quá sẽ khó quan sát hiện tượng.
- Đối với các cánh không đối xứng độ cong cánh phải bằng nhau. Cánh có chiều dày không quá lớn sẽ làm mất tác dụng của cánh không đối xứng, chiều dày quá nhỏ không thể hiện rõ hiện tượng tách lớp biên.
Từ các yêu cầu trên tiến hành chọn các chỉ số trong 4 chữ số của biên dạng cánh NACA như sau:
• Cánh đối xứng: NACA 0020
• Cánh không đối xứng: NACA 6320, NACA 6520, NACA 6720 và NACA 9816.
Cánh NACA 9816 có độ cong lớn hơn so với các cánh khác sử dụng để kiểm tra ảnh hưởng của độ cong đến đặc trưng dòng chảy.
b. Thiết kế biên dạng profin
Sử dụng chương trình vẽ cánh DESIGNFOIL_R6_DEMO xuất biên dạng profin cánh theo mong muốn.
Hình 4.13: chương trình thiết kế cánh NACA
Hình 4.14: Thiết kế biên dạng profin cánh bằng chương trình DESIGNFOIL_R6_DEMO
c. Xây dựng bản vẽ
- Xuất biên dạng cánh và thay đổi kích thước theo tỷ lệ đã chọn để được kích thước biên dạng cần thiết.
Hình 4.15: Biên dạng profin cánh NACA 6320
- Chọn kích thước của cánh 3D để xây dựng bản vẽ chế tạo: Chiều dài cánh : l = 100mm
Chiều dang cánh : b = 75mm Chiều dày lớn nhất : t = 20mm
Các kích thước chi tiết khác được thể hiện ở hình 4.16.
Nhập các chỉ số của 4 chữ số
Số lượng điểm hình thành biên dạng
Hình 4.16: Kích thước cánh NACA 6320
- Vẽ mô phỏng 3D (để tạo sự thuận lợi trong việt chế tạo)
Hình 4.17: Mô phỏng 3D cánh NACA 6320
d. Chế tạo
Hình 4.18: Phôi nhựa – chế tạo cánh
- Sử dụng phương pháp thủ công để gia công cánh.
Hình 4.19: Gia công cánh
- Sử dụng bản vẽ để kiểm tra độ chính xác :
Hình 4.20: Dưỡng mẫu để kiểm tra độ chính xác
Hình 4.21: Hoàn thiện cánh NACA
4.4.2. Thiết bị tạo tia màu
Vì lưu chất được sử dụng trong dòng chảy là nước sạch nên cần có thiết bị tạo tia màu để thể hiện rõ hình ảnh của dòng chảy. Thiết bị này gồm có bình chứa nước màu (mực), ống dẫn mực và thiết bị điều chỉnh lưu lượng mực, kim mực, cơ cấu cố định và di chuyển kim mực.
a. Bình chứa mực
Để đơn giản trong quá trình thí nghiệm và giảm chi phí chế tạo mực được chứa trong bình nhựa:
b. Thiết bị ống dẫn và điều chỉnh lưu lượng mực
Ống dẫn và thiết bị điều chỉnh lưu lượng mực thể hiện dưới hình 4.23.
Hình 4.23:Ống dẫn và thiết bị điều chỉnh lưu lượng mực
c. Kim mực
Kim mực là thiết bị dùng để dẫn mực từ bình chứa mực cho vào dòng chảy. Kim có đường kính rất nhỏ (d=3mm), chiều dài phần ngập trong nước chọn sao cho làm giảm tối đa sức cản dòng, chiều dài đoạn kim song song với dòng mực là L2=150mm. Kích thước được thể hiện dưới hình 4.24.
Sử dụng ống đồng làm kim mực: ưu điểm của loại ống này là có độ cứng tương đối cao và dễ chế tạo theo kích thước.
Hình 4.25: Chế tạo xong kim mực
d. Cơ cấu cố định và di chuyển kim mực
- Đây là cơ cấu cố định vị trí kim mực để tương thích với cánh trong quá trình thí nghiệm, bên cạnh đó cơ cấu này còn có thể di chuyển dọc theo chiều dài kênh nước nhằm thay đổi khoảng cách kim mực so với cánh khi cần thiết.
- Cơ cấu được đặt trên thành kênh nên các kích thước phải tương thích với chiều rộng kênh: khoảng cách hai rãnh bằng chiều rộng kênh (B = 20cm). Kích thước và hình dạng cụ thể được trình bày dưới hình 4.26a & 4.26b.
Hình 4.26b: Kích thước cơ cấu cố định và di chuyển kim mực
- Mô phỏng kết cấu:
Hình 4.27: Mô phỏng kết cấu cố định và di chuyển kim mực
- Chế tạo cơ cấu:
+ Các rãnh của hai thanh gỗ liên kết với kênh có chiều rộng là 5mm để tiện di chuyển trên thành kênh.
Hình 4.28: Chế tạo cơ cấu cố định và di chuyển kim mực
4.4.3. Cơ cấu điều chỉnh góc cánh
Với mục tiêu nghiên cứu các đặc trưng của dòng chảy khi tiếp xúc với vật thể ở từng góc tới khác nhau, đây là cơ cấu rất quan trọng vì vậy cần chế tạo thiết bị này với độ chính xác cao.
Dựa vào hình dạng và các kích thước của cánh để thiết kế kích thước cho cơ cấu này: khoảng cách từ tâm hai trục của cánh bằng bán kính vòng tròn chia độ, khoảng cách này là a = 40cm (thể hiện dưới các hình 4.29, 4.30).
- Yêu cầu đối với cơ cấu này là đơn giản và hiệu quả khi sử dụng.
- Sử dụng vật liệu mica, ưu điểm của loại này là có độ chính xác cao khi chế tạo.
Hình 4.29: Vòng chia độ thay đổi góc cánh
Vòng tròn chia độ được chia thành 36 góc, như vậy có thể thay đổi góc tới của cánh với góc tối thiểu là 100.
Hình 4.30: Các thanh mica dùng để cố định và thay đổi góc cánh
a Điều chỉnh góc tới Trục cố định a Thanh cố định cánh Thanh xoay góc cánh
4.4.4. Thiết bị điều chỉnh lưu tốc và nguồn cấp 4.4.4.1. Thiết bị điều chính lưu tốc 4.4.4.1. Thiết bị điều chính lưu tốc
Chuẩn số Re thay đổi theo vận tốc trung bình của dòng chảy, hiện tượng chảy đều tầng sẽ bị ảnh hưởng khi ta tăng hoặc giảm vận tốc dòng chảy.
Để điều chỉnh vận tốc dòng chảy ta sử dụng van nhựa – một thiết bị đơn giản và hiệu quả. Sử dụng loại van này cho cả đầu vào lẫn đầu ra.
Hình 4.31: Van điều chỉnh lưu tốc
4.4.4.2. Thiết bị xả và cấp nước cho dòng
- Cửa xả và cửa vào của kênh sẽ được nối thông với nhau tạo thành một hệ thống tuần hoàn khép kín, trong đó có sử dụng thiết bị bơm cấp làm nhiệm vụ hút nước ở cửa xả cũng như bơm cấp ngược trở lại cửa vào. Cửa vào và của xả có d=50mm.
- Cửa xả và cửa vào được nối với hệ thống ống dẫn có d = 34mm:
Hình 4.33: Hệ thống ống dẫn
- Thiết bị bơm cấp có các thông số như sau: + Công suất máy : 370W
+ Nguồn điện sử dụng : 220VAC - 50Hz + Kích thước đầu ra : d = 34mm
Để tiện cho việc tháo nước ra khi cần thiết ta lắp đặc một van xả ở dưới hệ thống xả của đường ống. Đây cũng có thể là thiết bị để thay đổi lưu lượng.
Hình 4.35: Van xả nước khi kết thúc thí nghiệm
4.4.5. Thiết bị lọc bẩn và làm giảm rối
Khi cho bơm nước vào khu vực thượng lưu của kênh dòng chảy sẽ bị xáo động rất lớn và tạo nhiều bọt khí. Trong các phương án thì sử dụng lưới lọc với kích thước lỗ : 1x1mm là giải pháp hợp lý nhất cho hệ thống lưới lọc.
4.4.6. Bảng tổng hợp các thông số mô hình
Các thông số và tính năng của mô hình được thể hiện ở bản dưới: Kích thước tổng thể BxHxL = 0,8x0,4x2,4m
Trọng lượng không 150kg
Dung tích 200 lít
Kích thước phần thí nghiệm BxHxL = 0,2x0,2x75m Kích thước cửa vào, cửa xả D = 49mm
Tốc độ dòng ≤0,1m/s
Bơm cấp 370W; 220VAC - 50Hz
Vật liệu chế tạo Thép và mica
Bảng 4.1: Bảng tổng hợp thông số sơ bộ mô hình
CHƯƠNG 5
THÍ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH
Chương này sẽ trình bày các bước tiến hành thí nghiệm từ đó nhận xét kết quả thí nghiệm, đánh giá các hiện tượng dòng chảy đối với các loại cánh khác nhau là như thế nào? Khi thay đổi góc cánh thì ảnh hưởng gì đến đặc trưng của dòng chảy. Theo đó để khắc phục những tồn tại trong mô hình cần phải hiệu chỉnh những gì?
5.1. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 5.1.1. Mục đích và yêu cầu thí nghiệm 5.1.1. Mục đích và yêu cầu thí nghiệm
Thí nghiệm mô hình dòng chảy qua cánh nhằm khảo sát định tính hiện tượng chuyển động của lưu chất qua vật thể. Thí nghiệm giúp sinh viên có được cái nhìn trực quan, từ đó hiểu biết sâu sắc hơn về các vấn đề quan trọng của thủy động lực học: lớp biên, sự tách rời lớp biên, sự hình thành xoáy do tách rời lớp biên …
5.1.2. Công cụ và thiết bị thí nghiệm cần chuẩn bị
- Kênh nước và các thiết bị thí nghiệm sau khi được chế tạo có cấu tạo như hình 5.1. Hình 5.1: Tổng thể mô hình thiết kế Khu vực tiến hành thí nghiệm Hạ lưu Thượng lưu Bơm hút và cấp tuần hoàn
Kênh nước có kích thước phần thí nghiệm: B x H x L = 20x20x75cm
Hệ thống tạo tia màu : hệ thống tạo tia màu gồm 5 bình chứa mực được nối với 5 ổng dẩn bằng đồng có đường kính d = 3mm.
Hình 5.2: Hệ thống tạo tia màu
Vật thể được sử dụng chủ yếu là cánh NACA với biên dạng profin khác nhau: NACA 0020; NACA 6320; NACA 6520; NACA 6720; NACA 9816.
Ngoài ra còn sử dụng một số loại vật thể khác có hình dạng như hình trụ tròn, hình cầu, tấm mỏng… Trong thí nghiệm này chỉ sử dụng thêm vật thể có hình dạng trụ tròn.
Hệ thống ống dẫn và van điều khiển: sử dụng 4 van điều khiển và hệ thống ống dẫn có đường kính Φ34mm.
Hình 5.4: Hệ thống van và ống dẫn
Chuẩn bị nguồn bơm cấp
Nguồn cấp cho bơm tuần hoàn cần có: + Công suất máy : 370W
+ Nguồn điện sử dụng : 220VAC - 50Hz + Kích thước đầu ra : d = 34mm
5.1.3. Tiến hành thí nghiệm
Quá trình thí nghiệm tiến hành theo các bước sau:
Khởi động bơm cấp trong một thời gian để dòng chảy có thể ổn định. Chuẩn bị khởi động hệ thống tạo tia màu để cho vào dòng chảy.
Lần lượt tiến hành thí nghiệm với những vật thể khác nhau với vận tốc dòng chảy V = 0,1m/s:
+ Đối với biên dạng cánh mỏng – cánh NACA: tiến hành thí nghiệm với từng biên dạng cánh với các góc tới khác nhau từ 0º - 20º và 0º - (-20º).
Các biên dạng cánh sử dụng: NACA 0020; NACA 6320; NACA 6520; NACA 6720; NACA 9816.
Khoảng cách giữa đáy kênh với tâm trục chính cánh được chọn là 10cm. + Sau đó cũng tiến hành thí nghiệm với vật thể hình trụ tròn.
Quan sát, đối chiếu lại lý thuyết và vẽ lại hiện tượng (nếu có thể). Tiến hành đo đạt lấy số liệu và tính toán.
Lưu chất sử dụng là nước với:
Khối lượng riêng: ρ = 998,23 KG/m3 Hệ số nhớt động học: ν = 1,01.10-6 m2/s Hệ số nhớt động lực học: µ = 1.789 x 10-5
KGS/m
- Đo vận tốc dòng chảy: tiến hành đo quãng đường đi được trên 1 đơn vị thời gian tại khu vực thí nghiệm, từ đó có thể suy ra được vận tốc dòng chảy.
- Tính lưu lượng và số Reynolds:
Ứng với từng vận tốc dòng chảy ta tính được lưu lượng và số Re: + Tính lưu lượng:
Q = Av (m3/s)
Với A = B.H = 0,2.0,2 = 0,04m2 : là diện tích mặt cắt ướt kênh. v – vận tốc dòng đo được. + Số Re: ρ µ γ DV DV = = Re
Ví dụ hệ số Re của dòng tại cánh : Vận tốc dòng điều chỉnh 0,1m/s ; D =0,1m
Vậy : 6 10 . 01 , 1 1 , 0 . 1 , 0 Re= − ≈ 9900
5.2. NHẬN XÉT KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Sau khi thử nghiệm dòng chảy qua cánh nhóm rút ra một số nhận xét về tính chất của dòng chảy khi gặp cánh như sau:
5.2.1. Nhận xét chung về đặc trưng dòng chảy khi gặp cánh
- Khi tiếp xúc cánh dòng chảy được tách thành hai hướng đối với cánh, dòng ở trên cánh và dòng phía dưới cánh vận tốc của hai dòng này lớn hơn vận tốc dòng trước cánh.
- Hình thành lớp biên trên thành biên của cánh, chiều dày lớp biên là rất nhỏ tuy nhiên vẫn có thể quan sát khá rõ ràng.
- Tại điểm đầu của cánh bề dày lớp biên là không có, vùng dòng chảy sau cánh trở nên rất rối.
- Hiện tượng tách lớp biên thể hiện khá rõ ràng. Tuy nhiên khó phân biệt được vùng lớp biên chuyển tiếp.
Các hiện tượng quan sát được tương thích với lý thuyết đã trình bày.
Tuy nhiên, khi quan sát hiện tượng dòng chảy qua cánh vẫn còn một số điểm hạn chế sau:
+ Dòng chảy trong kênh chưa đều, chưa thể hiện được tính chất của dòng chảy đều tầng.
+ Vận tốc dòng chảy còn thấp, đối với kích thước cánh đã thiết kế thì vận tốc dòng chảy phải đủ lớn để tạo sự cuộn xoáy phía sau vật thể rõ ràng.
5.2.2. Ảnh hưởng của hình dạng vật thể đến đặc trưng dòng chảy
Dòng qua cánh đối xứng:
Khi gặp cánh dòng bị tách ra hai phía với chiều dày lớp biên đều nhau, dòng qua cánh tương đối êm, hiện tượng tách lớp biên diễn ra ở cuối bề mặt cánh, được thể hiện trên hình 5.5.
Dòng qua cánh cong:
Chiều dày lớp biên được tách ra hai phía của cánh không đều nhau, sự chênh lệch trên là do hình dạng bề mặt cánh. Mặt dưới của cánh có diện tích tiếp xúc ít hơn mặt trên nên xảy ra hiện tượng tách lớp biên và tạo ra cuộn xoáy sớm.
Thí nghiệm đối với cánh có độ cong khác nhau:
- Sau khi thí nghiệm đối với các cánh NACA 6320, NACA 6520, NACA 6720 và NACA 9816 có thể thấy:
+ Đối với các cánh NACA 6320, NACA 6520, NACA 6720 có độ cong và chiều dày lớn nhất bằng nhau (cùng X1,X3,X4) dòng ở mặt trên của cánh chiều dài lớp biên ngắn hơn, hiện tượng tách lớp biên và tạo ra dòng xoáy phía trên bề mặt cánh sớm hơn so với cánh NACA 6520 và NACA 6720.
Hình 5.6: Thí nghiệm với cánh NACA 6320
Hiện tượng này là do sự thay đổi hình dạng bề mặt cánh, những cánh có khoảng cách từ độ cong lớn nhất tới cạnh trước cánh càng gần thì hiện tượng tách lớp biên diễn ra càng sớm.
Vị trí phân tách
Hình 5.7: Thí nghiệm với cánh NACA 6720
- Đối với cánh NACA 9816 có độ cong tối đa lớn hơn so với các cánh khác nên dòng tại vị trí có độ cong lớn nhất bị tách hẳn và tạo xoáy lớn.
Hình 5.8: Thí nghiệm với cánh NACA 9816
Thí nghiệm đối với dòng chảy qua vật thể hình trụ tròn.
Hình 5.9: Thí nghiệm với vật thể có hình trụ tròn
Vị trí phân tách Vị trí
Vật thể hình trụ tròn có kích thước lớn hơn các cánh (d = 40mm) nên vùng sau cánh tạo cuộn xoáy mạnh. Lớp biên được phân bố đều ở hai bên dòng chảy qua vật