CHƯƠNG 3. HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT TRONG ĐỊA HÌNH PHẲNG VÀ KHÔNG XÉT ĐẾN YẾU TỐ THỜI GIAN
3.1 Các thông số đầu vào và tạo mô hình mô phỏng
Tương quan giữa tốc độ quay chong chóng lái và tốc độ quay, góc đặt cánh của chong chóng mang phụ thuộc phương trình cân bằng moment [3]:
Mccm = Tccl.Lccl (3.1) Trực thăng muốn hoạt động được bắt buộc phải tuân thủ phương trình cân bằng moment này. Trong đó: Mccm là moment cản của chong chóng mang, Tccl là lực kéo tạo ra bởi chong chóng lái, Lccl là cánh tay đòn – khoảng cách giữa trục quay chong chóng mang và trục quay chong chóng lái.
Với tốc độ quay chong chóng mang là 650 vòng/phút, góc đặt cánh chong chóng mang từ 9 đến 12 độ thì tốc độ quay chong chóng lái có giá trị như sau:
Bảng 3.1: Tốc độ quay CCL theo các trường hợp
Góc đặt cánh CCM Tốc độ quay CCL (vòng/phút) ϕ = 90 5869
ϕ = 100 6243 ϕ = 110 6853 ϕ = 120 6618
Theo lý thuyết, hiệu ứng mặt đất xảy ra khi độ cao H < D với D = 3.5m là đường kính đĩa quay chong chóng mang, H là độ cao tính từ điểm thấp nhất của trực thăng đến mặt đất. Vậy, để nắm bắt được hiện tượng ta xét dải độ cao của máy bay thuộc khoảng 0.5m đến 3.5m tương ứng với 0.14D đến 1D là khoảng dự đoán xảy ra hiệu ứng mặt đất. Bên cạnh đó, xét thêm một trường hợp 8m (2.29D) nằm ngoài khoảng trên để đánh giá mô hình khi không có hiệu ứng mặt đất.
3.1.2 Tạo mô hình mô phỏng Dựa vào các mô hình 3D có sẵn và các kích thước hình học cơ bản về hình dạng như đường kính đĩa quay chong chóng mang, chiều dài dây cung, profil, đường kính chong chóng lái, ta có thể tạo được mô hình 3D toàn bộ trực thăng bao gồm các bộ phận chính là chong chóng mang, chong chóng lái và thân máy bay.
Để mô phỏng bài toán cánh quay, đầu tiên ta cần tạo miền bao xung quanh chong chóng mang và chong chóng lái. Các miền bao này có dạng hình trụ, đường kính và
Hình 3.1: Mô hình 3D toàn bộ trực thăng
20 độ cao trụ của vùng bao chong chóng mang có thể ảnh hưởng đến kết quả lực kéo tạo ra.
Để xem xét ảnh hưởng của chiều dày miền bao lên kết quả tính toán, với đường kính vùng bao CCM bằng 1.1D, ta sẽ cố định đường kính vùng bao và thay đổi độ dày lần lượt là 0.02m, 0.1m, 0.2m, 0.3m, 0.4m, 0.6m, 0.8m, 1m, 1.2m, 1.4m, 2m. Ta thấy lực kéo T cũng thay đổi theo, T bắt đầu ổn định khi độ dày lớn hơn hoặc bằng 0.4m. Tuy nhiên do khoảng cách từ CCM đến thân trực thăng nhỏ hơn 0.4m nên ta chọn vùng bao 0.3m tương ứng với 0.0857D [4].
Hình 3.2: Sự thay đổi lực kéo theo độ dày miền bào CCM Vùng quay chong chóng lái có độ dày là 0.1m và đường kính là 0.7m.
Hình 3.3: Miền bao CCM và CCL
Để nắm bắt được hiện tượng của dòng khí trong vùng không gian xung quanh trực thăng và tương tác giữa các bộ phận của trực thăng, ta cần tạo thêm vùng bao tĩnh có dạng hình hộp bao quanh toàn bộ trực thăng với kích thước đủ lớn thể hiện cho môi trường xung quanh máy bay. Độ cao khảo sát là 0.5m đến 3.5m và 8m, kết hợp với chiều cao thân máy bay là 1.1m như vậy chiều cao từ mặt phẳng quay chong chóng mang đến mặt đất là 1.1 + xD (m) với x ϵ (0.5 ; 3.5) Ʋ {8} = (0.14D ; D) Ʋ {2.29D}. Để khảo sát được ảnh hưởng của độ cao lên hiệu ứng mặt đất, với mỗi độ cao ta cần thay x bằng các giá trị tương ứng để tạo
1.1D
0.0857D
21 một miền bao ngoài khác nhau. Các kích thước còn lại của hộp đều giống nhau với tất cả các trường hợp (Hình 3.4).
Hình 3.4: Miền bao toàn bộ trực thăng Tiến hành đặt tên các mặt trong mô hình:
- wing1, wing2 là bề mặt 2 lá cánh CCM - tail là bề mặt lá cánh CCL
- body là bề mặt thân máy bay
- ground là mặt đất: mặt dưới của miền bao hộp bên ngoài - inlet: mặt trên cùng của hộp
- outlet: 4 mặt xung quanh còn lại của miền bao hộp
- Các mặt giữa miền bao chong chóng mang và miền bao tĩnh: interface11, interface12, interface21, interface22, interface31, interface32
- Các mặt giữa miền bao chong chóng lái và miền bao tĩnh: interface41, interface42, interface51, interface52, interface61, interface62
a) inlet b) outlet c) mặt đất
d) Bề mặt trực thăng e) Các interface CCM f) Các interface CCL Hình 3.5: Đặt tên các mặt trong mô hình
1.1 + xD 3D 8D 8D
22 3.1.3 Chia lưới
Sau khi xây dựng được mô hình, bước tiếp theo là chia lưới để rời rạc hóa vùng không gian tính toán. Kết quả lực kéo và các hiện tượng gần lớp biên chong chóng mang và chong chóng lái là các kết quả quan trọng nên ta sẽ phải kiểm soát tốt lưới ở hai vùng này. Sử dụng face sizing kích thước 3mm chia lưới nhỏ phần tử bề mặt CCM và CCL. Để thỏa mãn điều kiện , ta cần quan tâm đến kích thước lớp lưới đầu tiên tại bề mặt lá cánh chong chóng mang và chong chóng lái, sử dụng inflation – First Layer Thickness với 8 lớp, lớp đầu tiên có độ dày 0.001mm độ dày các lớp tăng dần theo cấp số nhân 2 từ trong ra ngoài. Ta gọi mô hình lưới này là mô hình A – Tập trung chia lưới dày tại bề mặt hai lá cánh của chong chóng mang và bề mặt chong chóng lái.
a)
b) c)
Hình 3.6: Hình dạng lưới: (a) tổng thể, (b) tại mặt cắt lá cánh CCM, (c) tại mặt cắt lá cánh CCL
Lưới thu được có 5089660 phần tử và 1470985 mắt lưới.
Chất lượng lưới được đánh giá theo hai chỉ số Orthogonal quality – Thể hiện độ trực giao của phần tử lưới so với hướng dòng và Skewness – thể hiện độ méo của phần tử lưới. Trong mô hình này, giá trị Orthogonal trung bình là 0.74817 và Skewness là 0.23997.
Bảng 3.2: Chỉ số chất lượng lưới Orthogonal Không chấp
nhận được Tồi Chấp nhận
được Tốt Rất tốt Ưu việt 0-0.001 0.001-0.15 0.15-0.20 0.2-0.7 0.7-0.95 0.95-1.00
Bảng 3.3: Chỉ số chất lượng lưới Skewness Không chấp
nhận được Tồi Chấp nhận
được Tốt Rất tốt Ưu việt 0-0.001 0.001-0.15 0.15-0.20 0.2-0.7 0.7-0.95 0.95-1.00
23 Như vậy, lưới thu được thỏa mãn điều kiện về chất lượng lưới.
Lưới thu được có nhược điểm là chưa kiểm soát được khu vực bề mặt thân máy bay dẫn đến rủi do không kiểm soát được giá trị và áp lực tạo ra tại bề mặt này. Nhưng để chia nhỏ lưới khu vực thân sẽ tăng số lượng phần tử và khối lượng tính toán cũng tăng lên. Để đánh giá ảnh hưởng và sự cần thiết của việc chia lưới chi tiết vùng thân máy bay và cũng thỏa mãn nhu cầu giảm khối lượng tính toán, tôi sẽ chỉ chia lưới chi tiết đối với một trường hợp, cụ thể là H = 0.5m, góc đặt cánh 11 độ. Kết quả tính toán mô hình này sẽ so sánh với trường hợp tương tự của mô hình cũ để đánh giá kết quả giữa hai mô hình.
Các thiết lập với CCM và CCL không đổi, bổ sung thêm face sizing tại bề mặt thân với kích thước 6mm. Tại các lớp lưới đầu tiên của thân sử dụng inflation – First Layer Thickness với 8 lớp, lớp đầu tiên có độ dày 0.001mm độ dày các lớp tăng dần theo cấp số nhân 2 từ trong ra ngoài. Lưới mới thu được có 8668369 phần tử và 2582620 mắt lưới. Các chỉ số Orthogonal và Skewness có giá trị trung bình lần lượt là 0.75415 và 0.2323 thỏa mãn điều kiện chất lượng lưới.
Hình 3.7: Mặt cắt chia lưới chi tiết vùng thân máy bay
Ta gọi mô hình lưới này là mô hình B: Tập trung chia lưới dày tại bề mặt hai lá cánh của chong chóng mang bề mặt chong chóng lái và cả thân trực thăng.
3.1.4 Cài đặt điều kiện biên Chọn bộ giải Pressure-based, Steady.
Tương tác dòng khí giữa chong chóng mang, chóng chóng lái, mặt đất và thân máy bay là tương đối phức tạp, vì vậy cần phải chọn mô hình rối phù hợp để nắm bắt được hiện tượng trong bài toán này. Ở đây, ta quan tâm đến khả năng tạo lực kéo, tạo xoáy khu vực đầu mũi cánh, dòng chảy qua các biên dạng trực thăng, nên cần nắm bắt được chính xác hiện tượng dòng sát bề mặt vật thể. Vì vậy, mô hình rối phù hợp yêu cầu trên được chọn trong bài toán này là k – ω SST, mô hình này cho phép giải bài toán với dòng sát bề mặt cánh và cho kết quả tính toán chính xác với số Reynolds thấp. Yêu cầu thỏa mãn mô hình rối này là giá trị
≤ 1.
Tốc độ vùng quay CCM được thiết lập là 650 (vòng/phút), với tâm quay trùng gốc tọa độ.
Tốc độ vùng quay CCL thiết lập tùy vào trường hợp dựa theo bảng, với tâm quay có tọa độ (0.096931; -0.64183; 1.9646).
24 Thiết lập gán các mặt interface tương ứng là các mặt giao giữa các vùng khác nhau trong mô hình: interface11 - interface12, interface21 - interface22, interface31 - interface32, interface41 - interface42, interface51 - interface52, interface61 - interface62.
Các lớp biên được cài đặt mặc định bao gồm: wing1, wing2, body, tail, ground.
Inlet: Chọn loại pressure inlet và áp suất Gauss bằng 0 (tương đương với áp suất tuyệt đối tại inlet là 1 atm).
Outlet: Chọn loại pressure outlet và đặt áp suất Gauss bằng 0 (tương đương với áp suất tuyệt đối tại outlet là 1 atm).
Thực hiện chạy 1000 vòng lặp.