CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA YẾU TỐ THỜI GIAN VÀ ĐỊA HÌNH LÊN SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT
4.1 Ảnh hưởng của thời gian
Kết quả mô phỏng steady tuy đã thực hiện tốt nhiệm vụ tính toán lực kéo chong chóng mang, ảnh hưởng chong chóng lái đến đường dòng nhưng chưa thể hiện được một số hiện tượng quan trọng của hiệu ứng mặt đất. Một trong số đó phải kể đến sự hình thành và phát triển của xoáy đầu mũi cánh. Hơn nữa, khi trực thăng hoạt động, nó chịu ảnh hưởng bởi sự liên tục về thời gian, vì vậy, để mô phỏng sát với thực tế nhất thì thời gian là một yếu tố quan trọng không thể bỏ qua.
4.1.1 Thiết lập mô phỏng
Ta vẫn sử dụng mô hình các miền bao 3D giống bài toán steady, chia lưới theo dạng A.
Trường hợp mô phỏng với góc đặt cánh 11 độ, các độ cao 0.5m, 1m, 1.5m, 2m trong khoảng có hiệu ứng mặt đất và một trường hợp 8m nằm ngoài khoảng.
Vì sử dụng bài toán transient nên ta đổi thiết lập frame motion thành mesh motion, các cài đặt về mô hình rối, tốc độ quay chong chóng mang và chong chóng lái không đổi.
Với tốc độ quay chong chóng mang là 650 vòng/phút, ta có chu kỳ quay của chong chóng mang là: T =
= 0.092s
Theo nghiên cứu về modal của Lê Văn Việt [5], bước thời gian được chọn lớn nhất là 0.0226. Vậy, chọn bước thời gian của mô phỏng transient là: 0.015s thỏa mãn yêu cầu.
Chọn số bước thời gian là 200 tương ứng với thời gian thực tế là 3s tương đương 32.5 chu kỳ quay của chong chóng mang.
Mỗi time step chạy với 20 vòng lặp.
4.1.2 Đường dòng và xoáy đầu mũi cánh
Chuyển động quay của chong chóng mang tạo nên vùng áp suất dương tại khu vực dưới mặt phẳng quay và áp suất âm xuất hiện tại mặt trên mặt phẳng quay. Do chênh lệch áp suất giữa mặt trên và mặt dưới chong chóng mang, khí bị hút từ phía trên (chủ yếu từ inlet), qua mặt phẳng quay chong chóng mang thì bị đẩy mạnh xuống. Áp suất lớn tại khu vực bên dưới trực thăng làm cho các phần tử khí tiếp tục bị đẩy ra xung quanh. Sau đó, các phần tử khí tiếp tục bị hút vào chong chóng mang theo chiều từ trên xuống do ảnh hưởng của vùng áp suất âm.
Khi đó xoáy xuất hiện tại đầu mũi cánh (Hình 4.1) ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng tạo lực nâng cho chong chóng mang. Hình ảnh kết quả mô phỏng đường dòng khi có và không có hiệu ứng mặt đất tại thời điểm ban đầu (Hình 4.2-a và Hình 4.3-a) tương tự hình ảnh đường dòng theo lý thuyết (Hình 1.16).
32 Sự xuất hiện và phát triển xoáy khi có hiệu ứng mặt đất: Xoáy xuất hiện tại thời điểm ban đầu có tâm tại đầu mũi cánh của chong chóng mang (Hình 4.2-a).
Tâm xoáy không cố định tại đầu mũi cánh mà di chuyển dần xuống (Hình 4.2-b, Hình 4.2-c). Tâm xoáy bị đẩy xuống gặp mặt đất và di chuyển ra xa trực thăng theo hướng song song mặt đất (Hình 4.2-d, Hình 4.2-e, Hình 4.2-f).
Sự hình thành và phát triển xoáy khi không có hiệu ứng mặt đất: Tương tự tại thời điểm ban đầu, xoáy có tâm tại đầu mũi cánh chong chóng mang (Hình 4.3-b). Do không gặp cản trở bởi trực thăng cách xa mặt đất nên tâm xoáy chỉ có một hướng di chuyển duy nhất là tiếp tục bị đẩy xuống phía dưới (Hình 4.3-f).
Hình 4.1: Xoáy đầu mũi cánh
a) t = 0.5T b) t = 6T c) t = 11T
d) t = 17T e) t = 22T f) t = 32.5T Hình 4.2: Đường dòng tại trường hợp H = 0.5m
a) t = 0.5T b) t = 6T c) t = 11T
d) t = 17T e) t = 22T f) t = 32.5T Hình 4.3: Đường dòng tại trường hợp H = 8m
Như vậy, ta có thể thấy rõ ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất lên sự phát triển của xoáy. Khi máy bay bay cao, vùng ảnh hưởng của xoáy có thể phát triển rộng cả bên trên và dưới trực thăng, đường dòng có dạng gần giống như hình tròn với tâm xoáy ở giữa. Khi bay thấp, do bị cản trở bởi mặt đất nên xoáy chỉ có thể mở rộng lên trên có dạng bất đối xứng.
33 Ta thấy xoáy luôn bắt đầu xuất hiện tại đầu mũi cánh nhưng chỉ trong một thời gian rất nhỏ, xoáy luôn có xu hướng bị đẩy xuống dưới. Hình ảnh trực thăng Rmax đang phun thuốc cũng thể hiện điều này (Hình 4.5), giọt sương cuộn xoáy bên dưới Rmax có tâm không nằm tại đầu mũi cánh mà đã bị lệch xuống phía dưới tương tự trường hợp đường dòng tại t = 6T (Hình 4.2-b và Hình 4.3-b).
4.1.3 Phân bố áp suất tại mặt đất
a) Trường hợp H = 0.5m
b) Trường hợp H = 2m
Hình 4.4: Phân bố áp suất trên mặt đất theo từng thời điểm
0.5T 6T 11T
17T 22T 32.5T
Pa
0.5T 6T 11T
17T 22T 32.5T
34 Phân bố áp suất trên mặt đất chịu ảnh hưởng rất lớn bởi độ cao bay, máy bay càng bay cao thì dòng khí cần một khoảng thời gian càng lớn để tác dụng áp lực lên mặt đất. Áp suất trên mặt đất thăng dần khi độ cao bay càng thấp.
4.1.4 Lực kéo thay đổi theo thời gian
Bằng cách cài đặt 3 timestep/ lần lưu kết quả, ta thu được đồ thị thay đổi lực kéo theo độ cao và thời gian tương ứng. Qua đồ thị lực kéo (Hình 4.5), ta có thể thấy sự chênh lệch lực kéo giữa các trường hợp độ cao khác nhau.
Hình 4.5: Lực kéo thay đổi theo thời gian và độ cao
Tại thời điểm ban đầu khi t gần bằng 0s, lực kéo tại mọi độ cao đều rất lớn.
Hiện tượng này không phải do hiệu ứng mặt đất vì tại độ cao 8m cũng xuất hiện lực kéo tương tự, như vậy, sự tăng đột ngột của lực kéo tại thời điểm ban đầu hoàn toàn do bản chất của bài toán mô phỏng và các giá trị khởi tạo. Từ 0s đến 0.5s, lực kéo giảm nhanh tại tất cả các trường hợp. Từ 0.5s đến 1s lực kéo tăng trở lại và ổn định dần theo thời gian. Khi so sánh kết quả lực kéo giữa mô phỏng steady và transient (lấy giá trị trung bình), ta thấy chênh lệch lực kéo tại các trường hợp tương đương là tương đối lớn với ΔT ≈ 60 N. Có hai nguyên nhân chính dẫn đến sai số này:
Mô phỏng steady sử dụng 1000 vòng lặp nên kết quả lực kéo có đủ số vòng lặp tính toán cần thiết để hội tụ. Trong mô phỏng transient, tại mỗi timestep chỉ chạy tối đa 20 vòng lặp nên tại mỗi bước thời gian đó thì lực kéo chưa đạt trạng thái hội tụ. Muốn giảm sai số ta phải tăng số vòng lặp tại mỗi timestep bằng 1000 vòng lặp, tương tự bài toán steady, nhưng cách làm này gây tốn tài nguyên máy tính và tăng đáng kể thời gian tính toán.
Bản chất của mô phỏng steady là dòng dừng, lấy một giá trị khởi tạo duy nhất là dòng vào từ inlet, trong khi bài toán transient thể hiện sự liên tục của thời gian nên sẽ lấy giá trị tính toán của bước thời gian trước làm đầu vào cho bước
500 600 700 800 900
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Lực kéo (N)
Thời gian (s)
0.5m 1m 1.5m 2m 8m
35 thời gian ngay sau nó. Sự khác nhau giữa hai cách lấy dữ liệu đầu vào này cũng là một nguyên nhân gây ra sai khác trong kết quả lực kéo giữa hai trường hợp.
Như vậy, do có đủ số vòng lặp để đạt đến trạng thái hội tụ, nên kết quả lực kéo của mô phỏng steady sẽ đáng tin cậy hơn, nhưng nó không thể hiện được sự thay đổi lực kéo theo thời gian. Trong khi đó, tuy giá trị lực kéo của mô phỏng transient có độ chính xác thấp hơn nhưng nó thể hiện được đồ thị thay đổi lực kéo theo thời gian và các nhiễu động ảnh hưởng đến kết quả bài toán.