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
1.3.1. Nghiên cứu ngoài nước
Với sự phát triển lâu đời của các KCB có cánh quay giữ vai trò tạo lực kéo và lực nâng trong đó có cánh quay của trực thăng, việc nghiên cứu, tính toán đặc tính khí động của cánh quay ban đầu thường thực hiện với các phương pháp sử dụng LTĐL, LTPTLC và sự kết hợp của hai phương pháp này. Việc tính toán đặc tính khí động cánh quay của trực thăng theo LTĐL và LTPTLC đƣợc đƣa ra trong nhiều tài liệu chuyên khảo về máy bay trực thăng [18], [16], [25], [38]. Trong đó đặc tính khí động của cánh quay đƣợc tính toán trong đầy đủ các chế độ hoạt động không chỉ trong chế độ đơn giản nhƣ bay treo. Tuy nhiên trong các chế độ bay phức tạp hơn, nhiều giả thiết cũng nhƣ các phép đơn giản hóa toán học cần đƣợc đƣa vào. Ngày nay, LTĐL và LTPTLC vẫn tiếp tục đƣợc sử dụng nhiều với các mục đích tính toán sơ bộ cho các thiết kế phát triển dạng cánh quay và TBB mới, đánh giá tiêu hao công suất cánh quay và các giới hạn bay của TBB [13], [27], [33], [34]. Trong công trình [13], B. Ibrahim và cộng sự phát triển chương trình tính toán công suất yêu cầu khi bay bằng của máy bay trực thăng bốn chỗ trên cơ sở LTĐL.
Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất yêu cầu có thể bao gồm mật độ không khí ở các độ cao khác nhau, vận tốc cảm ứng dọc theo lá cánh và lực cản ngang trên thân trực thăng. Nghiên cứu phát triển về một số dạng trực thăng phức hợp có trang bị thêm cánh nâng cố định [27], Kevin Ferguson và Douglas Thomson sử dụng mô hình tính toán theo LTPTLC để xác định các đặc tính khí động của hai cấu hình trực thăng phức hợp. Tiến hành so sánh, đánh giá các giới hạn hoạt động của chúng, bao gồm công suất yêu cầu ở độ cao bay ổn định; tầm bay lớn nhất; thời gian bay lớn nhất và trần bay treo.
Ứng dụng LTĐL và LTPTLC cho việc tính toán đặc trƣng khí động của các thiết bị bay nhiều cánh quạt (quadrotors) cũng đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Phát triển mô hình tính toán lực đẩy, lực kéo ngang và mô men cản quay cho quadrotors có bốn cánh quạt gắn trên khung tứ giác [34]. Moses Bangura đƣa ra những hạn chế của LTĐL và sự không phù hợp của nó trong việc giải thích sự khác nhau về công suất yêu cầu. Sử dụng LTPTLC, các mô hình tính toán đƣợc phát triển cho các cấu hình quadrotos khác nhau. Qua đó chỉ ra rằng cần thiết phải chế tạo lá cánh có biến thể hình học khác nhau. Hình dạng lá cánh phụ thuộc vào tỷ số giữa lực kéo, lực ngang của cánh quạt và công suất có sẵn của động cơ điện. Nghiên cứu tối ƣu hóa độ văn lá cánh trong chế độ bay tịnh tiến của trực thăng [33], Marco Lonoce đƣa ra một số mô hình xoắn lá cánh gồm xoắn tuyến tính toàn bộ chiều dài lá cánh, xoắn bậc hai và hai đoạn xoắn tuyến tính. Sử dụng LTPTLC để tính toán, đánh giá tiêu hao công suất của các mô hình cánh quay có dạng xoắn lá cánh khác nhau. Qua đó so sánh, đƣa ra các mô hình xoắn lá cánh tối ƣu về mặt công suất cho các chế độ bay khác nhau của trực thăng.
Trong xu thế phát triển mạnh mẽ của phương pháp mô phỏng CFD, các phần mềm thương mại CFD sử dụng cho việc nghiên cứu, khảo sát được ứng dụng rộng rãi. Với ưu điểm trực quan, các kết quả có thể được khai thác dưới nhiều dạng nhƣ hình ảnh dòng chảy, các thành phần lực khí động, hệ số khí động, bảng số liệu... nhiều nghiên cứu ứng dụng vào thực tế với mục đích cải tiến cánh quay được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng CFD. Trong đó cánh quay đƣợc nghiên cứu cải tiến về nhiều khía cạnh. Nhóm tác giả C.
Yang và cộng sự thay đổi hình dạng lá cánh để giảm tiếng ồn [19], Walid Khier cải tiến kết cấu gắn lá cánh để giảm mô men cản quay [37]. Trong các nghiên cứu chuyên sâu hơn, phương pháp CFD được sử dụng như công cụ thực nghiệm số, kết quả thu đƣợc từ mô phỏng CFD đƣợc đem ra so sánh với các kết quả thu đƣợc từ các mô hình xây dựng trên cơ sở các lý thuyết khác, hay so sánh với dữ liệu thực nghiệm [20], [21], [22], [28], [29], [50]. Các bài toán nghiên cứu về cánh quay trực thăng thường đưa ra giả thiết các lá cánh gắn cứng với ổ trục, ở đó chuyển động xoay góc lắp theo chu kỳ hay các chuyển động vẫy, lắc đã bị bỏ qua [45], [51]. Trong công trình [54] của Ивчин В.А. và Судаков В.Г., để nghiên cứu đặc tính khí động của cánh quay theo sự thay đổi của góc lắp lá cánh, nhóm tác giả cần thực hiện các trường
hợp mô phỏng với các góc lắp khác nhau, kết quả thu đƣợc chỉ phù hợp cho điều kiện bay treo. Rõ ràng khả năng của CFD là rất to lớn, đặc biệt trong lĩnh vực ứng dụng, kiểm tra đánh giá mô hình kết cấu đƣợc thiết kế mới. Tuy nhiên với bản chất là đại số hóa hệ phương trình vi phân chuyển động chất lưu, rất ít khả năng cho các nhà nghiên cứu can thiệp vào phương pháp. Đối tƣợng nghiên cứu trực tiếp của CFD là các miền chất lỏng, các vật thể nằm trong miền chất lỏng đóng vai trò xác lập nên các điều kiện biên, do đó phương pháp CFD gặp khó khăn khi phân tích các bài toán trong đó các vật thể có chuyển động phức tạp, điển hình nhƣ các lá cánh của cánh quay trực thăng. Sự phát triển trong tương lai của CFD sẽ là phát triển các mô đun hướng riêng vào từng đối tượng vật thể khí động và các mô đun chia lưới hiện đại với các tính năng quan trọng như lưới động, lưới thích nghi, lưới có thể điều khiển trong quá trình giải.
Như phân tích ở trên, chúng ta thấy rằng trường vận tốc cảm ứng không đƣợc tính toán, xác định trong các bài toán phân tích theo LTĐL và LTPTLC mà chỉ có thể xác định thông qua LTX. XRR là phương pháp rất ưu việt trong việc xác định tốc độ cảm ứng và mô phỏng các dòng xoáy chảy bao cánh quay trực thăng, đƣợc nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu phát triển (Белоцерковский С. М, Ludwig Prandtl, V.M. Falkner, Katz & Plotkin…).
Sự phát triển của công nghệ máy tính điện tử ngày nay tạo điều kiện cho việc thực hiện các bài toán phân tích cánh quay theo phương pháp số hay phương pháp xoáy rời rạc ngày càng phức tạp, giảm bớt các giả thiết và sát với thực tế. Sự phức tạp của các bài toán phân tích cánh quay theo phương pháp XRR đƣợc phát triển cả ở mô hình hình học (mô hình hình học chi tiết hơn, tính đến sự tương tác với các bề mặt khác...) cũng như tính chất động học (xét đến chuyển động lắc, vẫy, xoay lá cánh...), động lực học (đƣa vào các thành phần lực ngoài khí động nhƣ trọng lực, quán tính, đàn hồi...), khí động học (đƣa vào các mô hình tách dòng, tương tác khí động...) và tính chất của bài toán (không dừng, phi tuyến) của mô hình.
Với các công bố bằng tiếng Nga, có thể kể đến công trình của С.М.
Белоцерковский [40], trong đó tác giả đã trình bày việc thiết lập bài toán tính toán cánh quay theo phương pháp XRR phi tuyến, không dừng. Xuất phát từ các giả thiết và các định luật cơ bản trong LTX, đƣa ra mô hình tính toán cánh quay, xây dựng hệ phương trình tính toán cường độ của hệ xoáy rời rạc và
qua đó tính toán trường vận tốc cảm ứng trong toàn bộ không gian chảy bao cánh quay. Trong mô hình cánh quay đƣa ra, chuyển động vẫy của các lá cánh được đưa vào dưới dạng tham số động học; cánh quay có chuyển động bất kỳ ở các chế độ chảy bao dọc trục hay chảy bao xiên; có thể tính toán đến sự tương tác với các bề mặt giới hạn; vị trí dòng chảy ra từ các lá cánh có thể đƣa ra nhƣ một giả thiết ban đầu. Tuy nhiên mô hình chƣa xét đến sự khuếch tán của lõi xoáy nhƣ các tác giả sau này để tính đến tính nhớt của không khí, đưa mô hình sát với thực tế hơn, tránh sự phân kỳ của chương trình tính toán cũng nhƣ chƣa xem xét yếu tố động lực học, các chuyển động đặc thù của lá cánh mới chỉ được đưa vào dưới dạng các hàm số động học cho trước.
Trên cơ sở mô hình tính toán cánh quay theo phương pháp XRR của С.М.
Белоцерковский nhiều tác giả đã phát triển mô hình theo nhiều hướng khác nhau, tính toán với mô hình phức tạp, chi tiết hơn, các điều kiện bay, chế độ bay đặc thù, đặc biệt. П.И. Моцарь [61] phát triển mô hình toán học về động học bay của trực thăng với các điều kiện bay trên các bề mặt khác nhau. Việc tính toán các đặc trƣng khí động của trực thăng bay trên các dạng địa hình khác nhau làm cơ sở cho việc tạo ra dữ liệu của các mô hình xấp xỷ phi tuyến động học bay trực thăng. Trong công trình [60] Моцарь thực hiện tính toán đặc trƣng khí động của cánh quay theo thời gian thực ở chế độ vòng xoáy, là một chế độ bay đặc thù, quan trọng của trực thăng. Chỉ ra khả năng của việc mô hình hóa chế độ vòng xoáy của cánh quay trên cơ sở phương pháp XRR phi tuyến không dừng. Kết quả của thực nghiệm số này là các đặc trƣng khí động ở chế độ hạ cánh thẳng đứng và bay tịnh tiến vận tốc nhỏ với các góc sải chung khác nhau. Đƣa ra vùng giới hạn của các tham số vận tốc tịnh tiến, vận tốc thẳng đứng và góc lắp chung để định danh chế độ vòng xoáy. Công trình [59], Моцарь đưa ra phương pháp tính toán ảnh hưởng của mặt cắt ngang của lá cánh, góc tấn của mặt cắt đến đặc tính khí động của cánh quay. Sự thay đổi của góc tấn dọc theo lá cánh đƣợc đƣa vào phân tích bằng cách sử dụng các giá trị lưu số vận tốc của các phần tử xoáy và việc xấp xỷ cường độ của lớp xoáy tổng trên bề mặt lá cánh. Việc tính toán các đặc trƣng khí động của cánh quay đƣợc thực hiện khi có tính đến các đặc trƣng của tiết diện lá cánh, điều này cho phép xác định chính xác hơn độ lớn của mô men cản.
Tăng cường độ chính xác, đảm bảo sự hội tụ của chương trình tính toán, tránh sự mất ổn định của chương trình trong các trường hợp khi lá cánh cắt
qua màn xoáy gây ra bởi chính nó hay bởi các bề mặt mang khác, tăng cường tính sát thực của mô hình XRR, nhiều tác giả đã đƣa ra mô hình nghiên cứu cánh quay có tính đến độ nhớt của không khí làm khuếch tán xoáy [24], [30], [32], [62]. Khái niệm lõi xoáy được đưa ra, bên trong lõi xoáy cường độ xoáy giảm dần từ bán kính ngoài cho đến tâm xoáy. Sự tăng lên của bán kính lõi xoáy theo thời gian tương đương với sự ảnh hưởng của độ nhớt chất lỏng.
Trong mô hình khuếch tán xoáy của В. М. Щеглова xây dựng cho cánh quay [62], các sợi xoáy tự do tách ra khỏi bề mặt mang có sự phát triển về bán kính lõi xoáy đồng thời với sự giảm đi của cường độ xoáy. Kết quả tính toán đặc tính khí động cánh quay đƣợc so sánh với thực nghiệm có độ chính xác cao.
Mô hình này đƣợc quan tâm và đƣợc dẫn tham khảo trong nhiều công trình khoa học trong lĩnh vực khí động. Trong công trình [52] các tác giả Ю.М.
Игнаткин và С.Г. Константинов đƣa ra kỹ thuật phân tích đặc trƣng khí động của cánh quay trực thăng trên cơ sở lý thuyết xoáy lá cánh phi tuyến có tính đến sự khuếch tán xoáy. Một số kết quả khảo sát đƣợc thực hiện với cánh quay ở các chế độ làm việc khác nhau, các kết quả đƣợc so sánh với thực nghiệm có mức độ phù hợp cao. Ngoài ra còn có nhiều mô hình khuếch tán xoáy khác đƣợc đề xuất bởi các nhóm nghiên cứu [24], [31], [32], [35]. Trong các mô hình của mình, mỗi nhà nghiên cứu có cách xác định quy luật khuếch tán xoáy khác nhau, tuy nhiên có một điểm chung đó là các quy luật này đều phụ thuộc vào số Reynolds của dòng khí môi trường, phụ thuộc vào chế độ dòng chảy (chảy rối, chảy tầng).
Với ưu thế về khả năng mô tả ảnh hưởng cảm ứng giữa các bề mặt mang, phương pháp XRR được nhiều tác giả sử dụng để nghiên cứu các bài toán tương tác khí động. Không chỉ tương tác giữa các lá cánh trong một cánh quay độc lập, các bài toán tương tác giữa cánh quay với các bộ phận khác của trực thăng nhƣ thân, cánh quạt đuôi cũng đƣợc xét đến [53], [56]. Các nghiên cứu của Ю.М. Игнаткин cùng các cộng sự [49], [51], [52], [53], trong đó tác giả tính toán sự tương tác giữa cánh quay chính và cánh quay đuôi của trực thăng. Phương pháp sử dụng trong công trình là sự kết hợp giữa mô phỏng CFD bằng Ansys Fluent với cách tính toán theo các lý thuyết xoáy. Nhiều nghiên cứu về tương tác khí động của cánh quay với các bề mặt giới hạn cũng được thực hiện, trong đó trường hợp trực thăng bay sát mặt đất hay tạo ra chế
độ vòng xoáy trên cánh quay có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu khí động cánh quay trực thăng, đƣợc nhiều tác giả quan tâm [60], [61].
Sự phát triển trong các nghiên cứu với phương pháp XRR trong những năm gần đây còn đƣợc thể hiện qua việc phát triển, sử dụng nhiều dạng phần tử xoáy. So với trước đây, các công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp XRR chủ yếu rời rạc màn xoáy bằng phần tử xoáy điểm, đoạn xoáy thẳng, xoáy hình móng ngựa, ngày nay còn có thêm các phần tử xoáy khác nhƣ xoáy khung kín dạng hình tròn, xoáy khung kín hình tứ giác. Sự đa dạng của các dạng phần tử xoáy tạo ra tính linh hoạt và phù hợp hơn cho các bài toán nghiên cứu khí động các đối tƣợng khác nhau. Các phần tử xoáy thẳng, xoáy móng ngựa thường được sử dụng cho các bài toán nghiên cứu với các bề mặt mang và màn xoáy tự do dạng phẳng, mỏng hoặc được mô hình hóa dưới dạng các tấm phẳng đƣợc ghép nối với nhau. Phần tử xoáy khung kín hình tròn thường được dùng để mô hình hóa dòng chảy trong ống, trong các động cơ tuabin phản lực. Phần tử xoáy khung kín tứ giác có khả năng mô hình hóa các hình dạng 3D thực của đối tượng, đây là là một bước phát triển quan trọng của phương pháp XRR. Nhiều tác giả sử dụng phương pháp XRR với phần tử khung kín tứ giác để giải quyết các bài toán phức tạp rất thành công. Tiêu biểu nhƣ các công trình của của Желанников А.И [46], [48]; Лифанов И.К.
[57]… Một số các công trình khác tiếp cận vấn đề bằng phương pháp xoáy khung kín ở khía cạnh tuyến tính không dừng [42], [47], hoặc với mô hình 3D không dừng không nhớt [58] rất đáng chú ý. Qua các công trình đó có thể thấy rằng, trong phương pháp XRR, việc chia lưới trên các bề mặt vật thể khảo sát có ý nghĩa quan trọng, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả các công trình. Thuật chia lưới, phân bố xoáy và điểm kiểm tra một cách phù hợp sẽ loại bỏ đƣợc nhiều khó khăn trong việc kiểm soát tính toán. Trong công trình [26] của J. Katz và A. Plotkin, mô hình cánh và cánh quay đƣợc xây dựng trên nền tảng phần tử xoáy dạng khung kín, tác giả tập trung mô tả sự phân bố lưới cánh trong mô hình tính toán, mô phỏng màn xoáy sau mép cánh. Kết quả tính toán từ công trình cho độ chính xác tương đối cao, và sau này mô hình tính toán trong công trình đƣợc nhiều các tác giả khác sử dụng và trích dẫn tham khảo.
Về phương pháp thực nghiệm, với sự phát triển lâu đời, đa dạng của các TBB có cánh quay, tương ứng với mỗi TBB được đưa vào sử dụng đều phải
trải qua quá trình thử nghiệm khắt khe, lâu dài. Thử nghiệm bay là giai đoạn thử nghiệm cuối cùng của quá trình thiết kế chế thử TBB. Trước đó mỗi bộ phận của TBB trong đó có cánh quay cũng cần phải tiến hành các thử nghiệm bộ phận [23]. Nhóm tác giả Byoung-Eon Lee và cộng sự tiến hành thực nghiệm với mẫu thử kích thước nhỏ của một cánh quay đồng trục nhằm mục đích xác định công suất yêu cầu và hiệu suất của cánh quay ở chế độ bay treo khi thay đổi góc sải chung, vận tốc quay với một số dạng lá cánh [17]. Nhóm tác giả đã đƣa ra cấu trúc giá thử nghiệm, bố trí, sử dụng các thiết bị đo hiện đại. Các nội dung này có thể đƣợc vận dụng khi thực hiện các thử nghiệm cánh quay với các mục đích thử nghiệm khác.
Mặt khác, thực nghiệm cũng là phương pháp bổ trợ cho các phương pháp nghiên cứu lý thuyết. Song song với việc sử dụng các phương pháp nghiên cứu lý thuyết, các nhà nghiên cứu thường tiến hành thực nghiệm trên các mẫu thử. Dữ liệu thu đƣợc từ thực nghiệm làm cơ sở so sánh, đánh giá độ chính xác của các phương pháp nghiên cứu lý thuyết khác [14], [15], [36].
Nhận xét chung
Xây dựng các mô hình tính toán khí động lực cánh quay vẫn là vấn đề đƣợc nhiều tác giả quan tâm, nghiên cứu. Nhiều công trình nghiên cứu về cánh quay được thực hiện bởi các phương pháp khác nhau. Các phương pháp nghiên cứu kinh điển nhƣ sử dụng LTĐL, LTPTLC vẫn tiếp tục đƣợc sử dụng. Việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng CFD để tính toán cánh quay ngày càng trở lên phổ biến. Trong tương lai với việc phát triển các mô đun riêng cho đối tượng cánh quay và công cụ chia lưới mạnh, phương pháp mô phỏng CFD sẽ có khả năng đáp ứng tốt hơn với các bài toán phân tích, khảo sát. Tuy nhiên để nghiên cứu chuyên sâu hơn về khí động lực cánh quay, lý thuyết xoáy với phương pháp XRR vẫn đang là phương pháp nghiên cứu chính và đang tiếp tục được phát triển. XRR là phương pháp duy nhất xác định riêng được sự phân bố của trường tốc độ cảm ứng.
Sự phát triển của phương pháp XRR trong nghiên cứu cánh quay được thể hiện qua nhiều mô hình tính toán với mức độ phức tạp khác nhau. Mức độ phức tạp của mô hình có thể thấy qua các khía cạnh nhƣ chế độ làm việc của cánh quay, mức độ chi tiết của mô hình hình học, các chuyển động đặc thù của lá cánh, tính chất động học hay động lực học của các chuyển động lá cánh cũng nhƣ tính chất khí động của bài toán. Trong những năm gần đây, để nâng