Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC
1.3. Tình hình nghiên cứu về khí động lực cánh quay
1.3.2. Nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu về khí động lực học là một lĩnh vực không mới ở nước ta.
Khí động lực học là một trong các môn cơ sở của sinh viên các khoa thủy khí và cơ khí hàng không ở một số trường đại học kỹ thuật. Trong các đề tài nghiên cứu, vấn đề khí động lực học thường được quan tâm là các vấn đề liên quan đến thiết bị bay, đặc biệt là dòng chảy qua các tiết diện cánh, trong đó các lá cánh có chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay. Trong các nghiên cứu về chuyển động quay của lá cánh, ngoài các nghiên cứu về cánh quay máy bay trực thăng còn có các nghiên cứu về tuabin gió, cánh quạt động cơ hàng không, chân vịt tàu thủy [1], [8]... Những công trình nghiên cứu này phổ biến sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết cổ điển hoặc mô phỏng CFD thông qua việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng hiện đại nhƣ Ansys CFX hoặc Fluent để tiến hành khảo sát, mô phỏng dòng chảy bao qua cánh quạt, xác định các thành phần lực, mômen khí động qua đó xác định công suất yêu cầu hoặc công suất sinh ra trên trục quay kéo máy phát nhƣ ở tuabin gió.
Trong đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trực thăng [2], nhà nghiên cứu Lương Nguyễn Khánh Hưng đã đưa ra mô hình động lực học cánh quay tổng quát với đầy đủ các chuyển động đặc thù của lá cánh, tuy nhiên chƣa xây dựng được mô hình tính toán trường vận tốc cảm ứng để đưa vào mô hình động lực cánh quay.
Một số công trình nghiên cứu chuyên sâu về cánh quay sử dụng phương pháp XRR để tính toán, với mô hình xoáy là tuyến tính hoặc phi tuyến, phần tử xoáy hình móng ngựa. Tác giả Nguyễn Minh Xuân nghiên cứu về động lực học chuyển động vẫy của lá cánh cánh quay trực thăng, trong đó trường tốc độ cảm ứng đƣợc xác định bằng XRR, tuy nhiên mô hình tính toán theo XRR không được đưa ra, trường tốc độ cảm ứng được lấy từ công trình khác [12].
Tác giả Ngọc Anh Tuấn phát triển mô hình XRR phi tuyến, không dừng cho dòng chảy bao cánh quay hai tầng, đồng trục của trực thăng, trên cơ sở đó xác định các đặc trƣng khí động của cánh quay, đặc trƣng khí động của đuôi trong trường vận tốc cảm ứng của cánh quay và xác định điều kiện cân bằng, ổn định của trực thăng [10]. Trong công trình này, do điều kiện công nghệ, chương trình tính toán được tác giả lập trình trên nền MS-DOS, do vậy mô hình cánh quay khá đơn giản, việc chia lưới phần tử lá cánh quay chưa thật phù hợp. Nghiên cứu đồng thời ảnh hưởng của các chuyển động lắc, vẫy đến tính ổn định và điều khiển của trực thăng, tác giả Hoàng Anh Tú đã xây dựng đƣợc mô hình xác định tải khí động cánh quay bằng XRR phi tuyến, không dừng [9]. Tuy nhiên mô hình tính toán còn chƣa đầy đủ và chƣa tổng quát, mô hình lá cánh quay xét ở dạng đơn lẻ, riêng rẽ. Nghiên cứu tương tác khí động của cánh quay phía trước đến hai cánh nâng phía sau của máy bay cánh quạt [7], tác giả Nguyễn Trường Thành đã xây dựng mô hình XRR phi tuyến, không dừng của cánh quay, mô hình XRR của hai cánh nâng chịu ảnh hưởng của trường tốc độ cảm ứng sau cánh quay. Như vậy tác giả đã bỏ qua yếu tố tương tác ngược lại của cánh nâng đối với cánh quay, không phản ánh hết được tương tác khí động giữa các đối tượng.
Không nghiên cứu về cánh quay, một số công trình trong nước sử dụng XRR để nghiên cứu vấn đề tương tác khí động của KCB với các bề mặt giới hạn hay trong các điều kiện bay đặc biệt. Tác giả Thái Doãn Tường xây dựng mô hình tương tác khí động giữa hai KCB gắn với nhau, qua đó đánh giá ảnh hưởng, tương tác khí động giữa vật mang với vật treo và hơn nữa là xem xét sự tương tác này trong giai đoạn khi hai đối tượng được tách khỏi nhau [11].
Nghiên cứu đặc tính khí động của khí cụ bay trong điều kiện bay ở độ cao thấp, tác giả Phan Xuân Tăng xây dựng mô hình XRR cho KCB và mô hình bề mặt không phẳng phía dưới, qua đó đánh giá ảnh hưởng của bề mặt đến đặc tính khí động của KCB khi bay sát với nó [6]. Tác giả Nguyễn Đình Sơn
nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí động của máy bay trong quá trình hạ cánh, mô hình XRR được xây dựng đã xét đến tương tác khí động giữa KCB với mặt giới hạn đồng thời xem xét trong chế độ bay đặc biệt là quá trình hạ cánh cũng nhƣ điều kiện bên ngoài là có gió cạnh [3]. Nhìn chung, các công trình này đã giải quyết tốt các bài toán tương tác khí động đƣợc đƣa ra, các mô hình xét đến tính phi tuyến của vấn đề, mô hình hình học của KCB và mặt giới hạn đƣợc thể hiện chi tiết thông qua việc thay thế bởi nhiều bề mặt mang.
Về mặt phương pháp tính, phương pháp XRR là phương pháp định hướng của luận án, các công trình trong nước do xây dựng trên cơ sở các phần tử xoáy móng ngựa nên định hướng giải quyết các bài toán chảy bao các mô hình vật thể dạng tấm mỏng, chƣa có công trình sử dụng các phần tử xoáy khác nhƣ xoáy khung tròn hay khung tứ giác để có thể giải quyết các bài toán chảy bao mô hình vật thể có thể tích, hình dạng phức tạp. Để tính toán các mô hình phức tạp hơn, các công trình hiện nay dừng lại ở cách tính ghép nhiều tấm mỏng. Tác giả Nguyễn Hồng Sơn dùng phương pháp nguồn – cực tính đƣợc cho cánh 3D tuy nhiên phần xoáy tự do ở đầu mút cánh đã không đƣợc xét đến [4]. Như đã đề cập ở trên, trong xu hướng hiện nay ở nước ngoài nhiều tác giả đƣa vào mô hình khuếch tán xoáy để nâng cao độ chính xác của mô hình XRR, vấn đề này vẫn chưa được các tác giả trong nước đề cập đến.
Nhận xét chung
Việc sử dụng phương pháp XRR nghiên cứu sâu về khí động lực cánh quay máy bay trực thăng trong nước còn chưa nhiều, tiêu biểu là các công trình [7], [9], [10], [12]. Các công trình khác sử dụng XRR tập trung vào nghiên cứu tương tác khí động giữa các bộ phận trên TBB, giữa các TBB và TBB với các mặt giới hạn [3], [6], [7], [11] hoặc giải bài toán tương tác động lực học dòng chảy và kết cấu [4], [9], [12], ở đó các bài toán tương tác này vẫn chỉ dừng ở mức áp dụng các kết quả tính toán khí động để tính kết cấu.
Mô hình XRR tính toán cánh quay [7], [9], [10] đƣợc phát triển từ mô hình đƣợc đề xuất bởi tác giả С.М. Белоцерковский [40] cho các bài toán kỹ thuật với đối tƣợng có mức độ phức tạp khác nhau về kết cấu, bổ sung thêm các yếu tố động học chuyển động của lá cánh. Việc phát triển mô hình tính toán cánh quay về yếu tố động lực học trong chuyển động lá cánh chƣa đƣợc đề cập đến.
Trong phương pháp XRR, các phần tử xoáy mới có tính linh hoạt và phù hợp với các đối tƣợng hình học khác nhau chƣa đƣợc sử dụng, tập trung sử dụng phần tử xoáy móng ngựa. Việc đề xuất, sử dụng các mô hình khuếch tán xoáy xét đến tính nhớt của môi trường, nâng cao độ chính xác của mô hình chƣa đƣợc cập nhật.