Dòng chảy qua cánh - CÁC THÔNG SỐ CỦA AUV- 123docz.net

CHƯỚNG 3 CÁC THÔNG SỐ CỦA AUV

3.2.3 Dòng chảy qua cánh

Ta sẽ xem xét hình dáng dòng chảy với nhiều góc cánh khác nhau để tìm ra giới hạn cho phép khi điều khiển AUV.

3.2.3.1 Điểm thất tốc.

Các phuơng tiện sử dụng các cánh lái để điều chỉnh độ cao hoặc độ sâu nhu máy bay, AUV (dạng có cánh lái) đều áp dụng sự chênh lệch áp suất của hai mặt cánh để tạo ra lực nâng. Lực nâng cánh có thể đuợc tính theo phuơng Bernoulli viết cho mặt trên và mặt duód của cánh:

Luận văn tổt nghiệp

Pịơp pph 2 P^top1 1 =pbottom pph 2 PVbottom

Với:

p : là áp suất.

p : khối lượng riêng của lưu chất.

h: chiều cao đến mặt thoáng.

V : vận tốc của lưu chất.

Hình 3.8 Phương trình Bernoulli cho mặt trên và dưới cánh.

Từ phương trình (3.11) ta cỏ thể viết thành:

(Ptop Pbottom) 2 p (Vbottom ^top)

Nhân hai vế cho diện tích cánh s:

(j*top ~ Pbottom)'s = 2 p(ybottom ~ Vtop)mS

(3.2)

(3.3)

Cuối cùng ta có phương trình lực nâng:

L = ^p.ầV2.s 1

Trong thực nghiệm đề cho đơn giản ta lấy:

(3.4)

AV2 = cla. v2luid (3.5) Với:

Vfluid,là vận tốc dòng chảy qua cánh hay chính là vận tốc u của AUV. cla : hệ số lực nâng theo góc tấn a (angle of attack, AOA).

Vậy lực nâng của AUV được tính theo công thức:

L = -p.cla.v2.s (3.6)

Điểm thất tốc (stall point): là điểm mà khi tăng góc tấn a thì lực nâng bắt đầu giảm dù vẫn duy trĩ lưu chất chảy qua cánh. Tại điểm thất tốc sẽ có các đặt điểm sau:

- Các đường stream line sẽ bắt đầu bị phân tách.

- Áp suất mặt trên cánh giảm.

- Xuất hiện hiện tượng khí thực (cavitation).

1.946 1.622 - 1.297 0.973

I-

0.649 H- 0.324 0

Velocity [mis]

Cut Plot 1: contours

Hình 3.9 Thất tốc xảy ra trên cánh.

Đe tìm điểm thất tốc ta có thể đo lực nâng cánh tương ứng với sự thay đổi của góc tấn a với cùng một vận tốc.

Bảng kết quả sau được tính bằng phần mêm Solidworks Flow Simulation:

Độ Lực nâng (N)

cla Độ

Lực nâng (N)

cla

0 0.741 0.107447072 13 2.722 0.39469761 1 0.739 0.107157066 14 2.855 0.413982982

Luận văn tốt nghiệp

2 0.910 0.131952544 15 3.028 0.439068466 3 0.893 0.129487497

16 3.127 0.453423743 4 1.113 0.161388112 17 3.324 0.481989293 5 2.257 0.32727131 18 3.370 0.488659422 6 1.463 0.21213909 19 3.176 0.46052888 7 1.633 0.236789566 20 3.067 0.444723575 8 1.801 0.261150035 21 3.120 0.452408723 9 1.995 0.289280578

22 3.141 0.455453782 10 2.168 0.314366061 23 3.123 0.452843731 11 2.369 0.343511623 24 3.229 0.468214028 12 2.554 0.370337141 25 3.449 0.500114643

Bảng 3.1 Bảng giá trị lực nâng và hệ số cla theo AOA Hệ số cla trong bảng trên được tính theo công thức:

d“ - ỉk <3J>

Theo đồ thị của lực nâng theo góc tấn Ao A ( hình 3.10) thì lực nâng giảm khi đạt góc Ao A là 19°.

ĐỒ THỊ Lực NÂNG L THEO GÓC TAN AOA

3.5

2.5

<< 2 Z

1.5

0.5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

AOA (ĐỘ)

Hình 3.10 Đồ thị lực nâng.

Luận văn tốt nghiệp

Sau đây ta sẽ kiểm tra lại các đường stream line:

Hình 3.11 AoA=0.

Tại góc 19°:

Hr 1.946 1.622 - 1.297 ■ 0.973 H- 0.649

I- 0.324 H- 0

Velocity [m/s]

Cut Plot 1:

contours

Tại góc 20°:

Hình 3.12 AoA=19°.

H- 1.946 1.622 - 1.297 0.973 0.649 I-

0.324 0

Velocity [m/s]

Gut Plot 1: contours

Hình 3.13 AoA=20°.

Như vậy tại góc 20° xuất hiện dòng chảy rối, kết quả này là phù hợp với lực nâng được tính toán. Từ kết quả này ta có thể giới hạn góc của cánh lặn là vào khoảng từ -18° đến 18° và hệ số cla được chọn trong Bảng 3.2.

3.3 Tính toán lai hê số ỉưc cản cd

Trong mục này tôi sẽ tính toán lại hệ số lực cản cdđã chọn bằng công thức thực nghiệm (2.37).

Lực cản D gây ra trên AUV có thể gây bỏi [9]:

• Lực ma sát của lưu chất với vỏ.

• Lực ma sát nhớt.

Công thức thực nghiệm tổng quát dùng để tính lực cản là:

D =^.p.Cd.Af.u2 (3.8)

Với:

p: khối lượng riêng của lưu chất.

cd: là hệ số lực cản. u: vận tốc của AUV.

.4^:diện tích rẽ nước (frontal area).

Diện tích rẽ nước được tính là diện tích hình chiếu của AUV lên mặt phang vuông góc với vector vận tốc u

Luận văn tốt nghiệp

Total area: 0.036354 meters frontal area.SLDPRT

File: frontal area.SLDPRT Config: Default

Hình 3.14 Diện tích rẽ nước Từ công thức (3.13) ta có hệ số lực cản

cd = A f . u2 D 2 (3.9)

Sử dụng Solidworks Flow Motion để tính lực D. Lực D sẽ gồm hai thành phần:

D fnormal 3” ffriction (3.10)

Với:

fnormal - là lực tác động lên diện tích rẽ nước. ffriction-là lực ma sát tác động lên võ AUV.

Trong Solidworks Flow Motion chọn cái mục tiêu tính toán như sau:

ạ...pỉ Goals

i... ị& GG Normal Force (7) 1 i... GG Friction Force (Z) 1 I .... GG Av Velocity (Z} 2

Ỉ Drag coefficient

! _L rm II ằ

Hình 3.15 Mục tiêu tính toán Ket quả tính toán được thể hiện trong bảng sau:

Goal Name Unit Value Averaged

Value

Minimum Value

Maximum Value GG Normal Force

(Z) 1 INI 4.025 4.018 4.136 -3.350

GG Friction Force

(Z) 1 IN] -1.036 -1.076 -1.226 -1.035

GG Av Velocity (Z)

2 {m/sj -1.500 -1.500 -1.500 -1.500

Drag coefficient n 0.1236734 0.1245152 0.1300531 0.1220033

Bảng 3.2 Kết quả Cd . Vậy kết quả

cd = 0.1237 (3.11)

Dấu trừ xuất hiện là do các lực fnormai và ffrictionngược chiều với trục dương z trong quá trình mô phỏng.

cdđược tính bằng Solidwork có giá trị lớn hon so với công thức (2.41) (0.1237 so với 0.0987) là vì công thức thực nghiệm chưa thể tính đến lực cản của chân vịt hay các kết cấu lỗ, hốc trên thân AUV.