Nghiên cứu đặc tính khí động của cánh nâng khí cụ bay khi chuyển động gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt (tt)

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án Đối với các loại máy bay cánh quạt, khi máy bay cất hạ cánh trên mặt đường băng bê tông hoặc trên mặt đất nện, cũng như các loại tàu đệm khí động khi lư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI:

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Lã Hải Dũng

2 GS TSKH Nguyễn Đức Cương

Phản biện 1: GS TS Nguyễn Thế Mịch

Phản biện 2: PGS TS Trịnh Hồng Anh

Phản biện 3: TS Ngô Trí Thăng

Luận án được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án tiến sĩ và họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi .giờ, ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án

Đối với các loại máy bay cánh quạt, khi máy bay cất hạ cánh trên

mặt đường băng bê tông (hoặc trên mặt đất nện), cũng như các loại tàu đệm khí động khi lướt và bay là trên mặt nước, do có sự tác động tương hỗ giữa mặt giới hạn (mặt đường băng, mặt nước) cùng với luồng khí thổi sau cánh quạt, đã làm thay đổi hình ảnh dòng chảy bao quanh cánh khiến cho đặc tính của cánh nói riêng và của cả khí cụ bay nói chung thay đổi, gây ảnh hưởng đến các tính năng cất hạ cánh, tính ổn định và tính điều khiển của chúng Khái niệm về mặt giới hạn (như mặt đường băng bê tông, mặt đất nện, mặt nước…) được hiểu là mặt kết thúc của môi trường mà trong đó KCB chuyển động

Về mức độ ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt đến các đặc tính khí động của cánh tuy đã được đánh giá sơ bộ bằng các công thức thực nghiệm nhưng về cơ chế của các sự tác động tương hỗ trong tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn và cánh vẫn là những vấn đề nghiên cứu cần thiết trong

lĩnh vực khí động học ứng dụng của các KCB

Mục đích nghiên cứu của luận án

Trên cơ sở phương pháp XRR phi tuyến không dừng, xây dựng mô hình số và chương trình tính toán; tổ chức thử nghiệm và sử dụng phần mềm ANSYS.CFX để xác định và kiểm chứng các kết quả tính toán đặc tính khí

động của cánh KCB khi chuyển động gần mặt giới hạn có xét tới ảnh hưởng

của dòng khí sau cánh quạt ở vùng tốc độ nhỏ, dưới âm

Nội dung nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu tổng quan về sự ảnh hưởng của sự tác động tương hỗ trong các trường hợp giữa mặt giới hạn với cánh, giữa cánh quạt với cánh, giữa cánh quạt và mặt giới hạn với cánh

- Xây dựng mô hình số, thuật toán và chương trình tính toán xác định các đặc tính khí động của cánh KCB, khi chuyển động gần mặt giới hạn cứng, phẳng có xét đến ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt bằng phương pháp XRR phi tuyến không dừng

- Sử dụng phần mềm ANSYS.CFX và thử nghiệm mô hình tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn và cánh nâng trong ống khí động để kiểm chứng các kết quả tính toán

- Đánh giá ảnh hưởng của các tham số cánh quạt, mặt giới hạn, chế độ bay đến các đặc tính khí động của cánh KCB trong tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn và cánh nâng

Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu đặc tính khí động của cánh nâng KCB, chuyển động gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu sự tác động tương hỗ của tổ hợp giữa cánh quạt, mặt giới hạn và cánh nâng trong vùng tốc độ nhỏ dưới âm, cánh quạt thuộc loại cánh quạt kéo, đặt ở vùng mép trước cánh, mặt giới hạn là mặt cứng và phẳng

Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở lý thuyết khí động lực học và áp dụng phương pháp XRR phi tuyến không dừng để xác định các đặc tính khí động của cánh nâng KCB trong tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn và cánh, khi xét đến ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt ở vùng tốc độ nhỏ dưới âm Các kết quả của phương pháp tính được kiểm chứng bằng kết quả tính của phần mềm ANSYS.CFX và kết quả thử nghiệm mô hình cánh quạt - mặt giới hạn và cánh KCB trong ống khí động

Ý nghĩa khoa học của luận án

Các kết quả nghiên cứu của luận án đưa ra phương pháp, thuật toán xác định các hệ số khí động của cánh KCB khi bay gần mặt giới hạn, có xét

đến ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt Mô hình số mô phỏng cho tổ

hợp cánh quạt - mặt giới hạn và cánh nâng của KCB, cũng như thuật toán

được thiết lập trong luận án đã làm sáng tỏ cơ chế của sự tác động tương hỗ

trong tổ hợp đã nêu

Ý nghĩa thực tiễn của luận án

Các kết quả tính toán và khảo sát các tham số ảnh hưởng của cánh quạt và mặt giới hạn là những dữ liệu có giá trị tham khảo trong việc tính toán thiết kế KCB chuyển động gần mặt giới hạn, cũng như để nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng, bảo đảm an toàn bay khi cất hạ cánh đối với máy bay cánh quạt sử dụng trong lĩnh vực hàng không dân dụng và quân sự

Luận án gồm: Phần mở đầu, 4 chương và kết luận, được thể hiện trong 115 trang thuyết minh, với 12 bảng và 71 hình vẽ, đồ thị

1.1 Những nghiên cứu về sự tương tác khí động giữa cánh quạt - mặt giới hạn và cánh khí cụ bay

1.1.1 Hiệu ứng mặt giới hạn

Đối với các loại máy bay cũng như các loại tàu đệm khí động sử

dụng động cơ cánh quạt, khi bay ở độ cao thấp, gần với mặt đường băng bê tông hoặc gần với mặt nước, ngoài sự ảnh hưởng mặt giới hạn ra, còn có sự

ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt trong vùng dưới cánh đã làm thay đổi hình ảnh dòng chảy bao quanh cánh KCB, cũng như các đặc tính khí động của nó

Khi đề cập đến hiệu ứng mặt giới hạn với nghĩa rộng cũng như hiệu

ứng cánh - mặt đất với nghĩa hẹp, các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực

nghiệm cho thấy rằng khi h< 1 (h=h/b - trong đó: h - Độ cao từ mặt giới hạn tới mép sau cánh; b- Độ dài dây cung cánh nâng) thì hình ảnh dòng chảy bao quanh cánh đã khác với hình ảnh dòng chảy bao quanh cánh trong trường hợp cánh chuyển động trong môi trường không khí tự do

1.1.2 Những nghiên cứu về sự ảnh hưởng bởi sự tác động tương hỗ khí

động trong các tổ hợp: mặt giới hạn - cánh; cánh quạt - cánh và cánh

quạt - mặt giới hạn - cánh đến các đặc tính khí động của cánh KCB Các nghiên cứu ngoài nước

Các nghiên cứu lý thuyết

Các công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của mặt đất, mặt nước đến

đặc tính khí động của cánh và KCB: Các tác giả Tillotson, Takayuki

Koizumi and Chun Pu Chao [22] đã dùng phương pháp đối xứng gương khảo sát ảnh hưởng độ dày của cánh hình chữ nhật đến đặc tính khí động của cánh khi bay gần mặt giới hạn Các công trình [16], [20], [56] đã nghiên cứu ảnh hưởng của mặt đất đến biểu đồ phân bố áp suất theo dây cung ở mặt trên và mặt dưới của prôfin cánh Các công trình [57], [61] nghiên cứu về ảnh hưởng của mặt nước đến các đặc tính khí động của thuỷ phi cơ và xuồng bay Các công trình [23], [26] và [35] bằng phương pháp dựa trên lý thuyết xung lượng đã xác định được các tham số của dòng chảy qua cánh quạt với giả thiết bằng nhau tại mọi điểm trong mặt phẳng cắt ngang Các công trình nghiên cứu về sự ảnh hưởng bởi tương tác khí động trong tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn và cánh còn chưa có

Các nghiên cứu thực nghiệm

Phần lớn các nghiên cứu thực nghiệm về sự ảnh hưởng bởi sự tương tác khí động trong tổ hợp mặt giới hạn - cánh, cũng như trong tổ hợp cánh quạt - cánh đến các đặc trưng khí động của cánh trong vùng tốc độ nhỏ dưới

âm, đều được thực hiện trong ống khí động

Các nghiên cứu trong nước

Các công trình nghiên cứu về sự ảnh hưởng bởi tương tác khí động trong tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn và cánh còn chưa có Một số công trình đã công bố chủ yếu là các nghiên cứu độc lập về cánh quạt hoặc mới chỉ nghiên cứu về sự ảnh hưởng bởi sự tương tác khí động đến các đặc tính khí động của cánh KCB trong tổ hợp mặt giới hạn - cánh và tổ hợp cánh quạt - cánh

1.2 Các phương pháp giải bài toán tương tác khí động

1.2.1 Các phương trình xác định tham số của môi trường

Phương trình chuyển động; Phương trình liên tục; Phương trình năng lượng

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Phương pháp panel; Phương pháp nhiễu động nhỏ; Phương pháp XRR;

Phương pháp xung lượng.

1.3 Hiện trạng của vấn đề và hướng nghiên cứu của luận án

Trên cơ sở tổng quan các công trình nghiên cứu ở ngoài nước cũng như trong nước, nhận thấy rằng:

- Các nghiên cứu mới chỉ đề cập đến tương tác khí động giữa cánh và cánh quạt; hoặc chỉ mới nghiên cứu ảnh hưởng của mặt giới hạn đến đặc tính khí động của KCB

- Không thể cộng thuần túy ảnh hưởng của mặt giới hạn và dòng khí sau cánh quạt đến đặc tính khí động của cánh Sự hình thành màn xoáy tự do của cánh nâng trong tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn - cánh nâng phải có sự tác động qua lại lẫn nhau giữa các thành phần trong tổ hợp

- Chưa có công trình nào công bố kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về vấn đề xác định đặc tính khí động của cánh KCB khi bay gần mặt giới hạn có tính đến ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt

Luận án chọn đối tượng nghiên cứu là đặc tính khí động của cánh KCB khi chịu ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt trên tổ hợp cánh quạt

- mặt giới hạn và cánh nâng, trong đó cánh quạt đặt trước cánh nâng; bề mặt giới hạn là cứng và phẳng Luận án sẽ sử dụng phương pháp XRR phi tuyến không dừng để giải quyết nhiệm vụ đặt ra

1.4 Kết luận chương 1

Luận án đưa ra đối tượng, phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu xác

định các đặc tính khí động của cánh KCB, sử dụng động cơ cánh quạt

chuyển động gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt trong vùng tốc độ nhỏ dưới âm, khi cánh quạt thuộc loại cánh quạt kéo, đặt ở vùng mép trước cánh, mặt giới hạn là mặt cứng và phẳng Luận

án lựa chọn phương pháp XRR phi tuyến không dừng làm phương pháp nghiên cứu của luận án

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA CÁNH KHÍ CỤ BAY KHI BAY GẦN MẶT GIỚI HẠN

CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG KHÍ SAU CÁNH QUẠT 2.1 Thiết lập bài toán

Luận án sử dụng phương pháp XRR phi tuyến không dừng để xây dựng

mô hình và thuật toán xác định các đặc tính khí động của cánh nâng hình chữ nhật trong sự tác động tương hỗ của tổ hợp giữa cánh quạt - mặt giới hạn và

cánh KCB trong vùng tốc độ nhỏ dưới âm, cánh quạt thuộc loại cánh quạt

kéo, đặt ở vùng mép trước cánh, mặt giới hạn là mặt cứng và phẳng

2.1.1 Các giả thiết và điều kiện biên

Dòng chảy bao quanh cánh KCB trong tổ hợp cánh quạt- mặt giới hạn - cánh là dòng thế, không có hiện tượng tách dòng từ mép trước cánh hoặc từ các điểm trên mặt cánh; Các điểm trong không gian, bên ngoài cánh và các vùng vết xoáy tự do I và II đều tuân thủ định luật bảo toàn khối lượng, thế vận tốc nhiễu động của dòng khí phải thỏa mãn phương trình liên tục dạng phương trình Laplace; Ở khoảng cách xa vô cùng cách cánh KCB và các màn vết xoáy của nó thì mọi nhiễu động bị triệt tiêu, không khí ở trạng thái tĩnh, dòng chảy là dòng không nhiễu động; Từ mép sau cánh, nơi màn xoáy tự do thoát ra còn cần phải thỏa mãn giả thuyết Traplưgin - Giucôpxki về giá trị hữu hạn của tốc độ Tất cả những giả thiết và những

điều kiện nêu trên đều được thực hiện đối với lá cánh quạt và mặt giới hạn

2.1.2 Các hệ trục tọa độ

Quá trình tính toán cần chuyển đổi các thành phần của tổ hợp (cánh quạt, mặt giới hạn và cánh KCB) về cùng một hệ trục tọa độ Ở đây lấy hệ tọa độ liên kết trên cánh KCB là hệ tọa độ cơ sở, thực hiện chuyển đổi các

2.2 Xây dựng mô hình số, xác định các đặc tính khí động phi tuyến không dừng của cánh KCB, khi bay gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt

2.2.1 Sơ đồ xoáy của tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn - cánh KCB

Các bề mặt trung bình của các lá cánh quạt, cánh KCB và bề mặt

không dừng

2.2.2 Sơ đồ xoáy cánh quạt

Các xoáy liên kết trên bề mặt lá cánh và xoáy tự do xung quanh lá cánh sẽ tạo ra tốc độ cảm ứng tại điểm bất kì trong không gian lân cận nó:

cqj = cqj − + cqj + + cqIj + cqIIj + cqIIIj ; j = x , y ,z cq cq cq

với:vcrcqj − ,vcrcqj + ,vcrcqIj ,vcrcqIIj ,vcrcqIIIj- lần lượt là các thành phần tốc độ cảm ứng do

các xoáy liên kết ngang, xoáy liên kết dọc trên bề mặt lá cánh và các xoáy

Từ điều kiện không chảy thấu bề mặt lá cánh quạt và điều kiện bảo

toàn lưu số vận tốc theo chu tuyến kín ta có hệ phương trình:

2.2.3 Sơ đồ xoáy mặt giới hạn

Mặt giới hạn có kích thước vô hạn được thay bằng mặt giới hạn có kích thước hữu hạn với chiều rộng (theo dây cung prôfin cánh) và chiều dài (theo sải cánh) từ 3 - 5 lần độ dài của chúng [7] Các hệ xoáy thay thế mặt giới hạn tạo ra tại điểm bất kì C một tốc độ cảm ứng:

сr cr cr cr cr

mghj = mghj − + mghj + + mghIj + mghIIj ; j = x , y , z 2 2 2

do các xoáy liên kết ngang, xoáy liên kết dọc trên mặt giới hạn, các xoáy tự

Từ điều kiện không chảy thấu bề mặt giới hạn và điều kiện bảo toàn lưu số vận tốc theo chu tuyến kín, ta có hệ phương trình:

(2.31)

Ta chỉ xét nửa bên phải mặt giới hạn, còn sự ảnh hưởng của nửa mặt

giới hạn bên trái được tính đến dựa vào điều kiện đối xứng

ngang, xoáy dọc liên kết trên bề mặt cánh, các xoáy tự do ở vùng I, II

Do cánh có hình dạng đối xứng trên mặt phẳng và chuyển động không trượt Vì vậy, chỉ xét nửa bên phải cánh, còn sự ảnh hưởng của nửa cánh bên trái được tính đến dựa vào điều kiện đối xứng

2.2.5 Xác định các đặc tính khí động của cánh KCB khi bay gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt

2.2.5.1 Màn xoáy hình thành khi có ảnh hưởng của mặt giới hạn và dòng khí sau cánh quạt

Các sơ đồ xoáy thay thế lá cánh quạt, mặt giới hạn và cánh nâng sẽ gây ra ở một điểm bất kì trong tổ hợp với vận tốc cảm ứng:

cảm ứng do màn xoáy sau cánh nâng gây ra

Cấu trúc hệ xoáy tự do thoát khỏi lá cánh quạt

Xác định bằng tọa độ các điểm cuối hiện tại cộng với đoạn dịch

tương ứng tại điểm cuối đó (2.44):

độO x y z1 1 1 1; vcrcqj- vận tốc cảm ứng do tổ hợp màn xoáy gây ra tại điểm cuối

,y1r 1+,z 1r 1+

- vị trí điểm cuối xoáy ở bước tiếp theo

Cấu trúc hệ xoáy tự do thoát khỏi cánh nâng

Cấu trúc hệ xoáy tự do thoát khỏi mặt giới hạn

Xác định phân bố áp suất và đặc tính khí động của cánh

Sử dụng tích phân Côsi - Lagrăng [41], xác định phân bố áp suất lên

được tính theo các công thức sau:

sải cánh theo dải k; S- diện tích cánh

Kết quả tính toán:

- Cánh nâng hình chữ nhật có: Dây cung b = 0,26 [m]; Sải cánh

- Cánh quạt 2 lá cánh, sử dụng prôfin BC-2; Đường kính D=0,30[m];

- n- tốc độ vòng quay cánh quạt [v/ph]

Hệ số lực nâng c y và hệ số mô men dọc m z theo thời gian không thứ nguyên ττττ: Phần lớn trong khoảng thời gian τ =1, các hệ số cy, mz chưa đạt

được giá trị ổn định do dòng chảy chưa chảy bao hết cánh, ở khoảng thời

gian cuối, các hệ số khí động có xu hướng ổn định ở các giá trị xác định, lúc này dòng chảy đã bắt đầu chảy bao hết cánh (hình 2.11 và hình 2.12)

(2.53) (2.48)

He so cy theo canh rieng biet va cac to hop

1.Canh rieng biet; 2.Canh quat-canh; 3.Mat gioi han-canh; 4.Canh quat-MGH-canh

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0

1.Canh rieng biet; 2.Canh quat-canh; 3.Mat gioi han-canh; 4.Canh quat-MGH-canh

quay cánh quạt n = 3000 [v/ph]; Vị trí tương đối giữa cánh nâng và cánh

- Cánh quạt 2 lá cánh

biệt và các tổ hợp cánh quạt - cánh; mặt giới hạn - cánh; cánh quạt - mặt giới hạn - cánh Kết quả khảo sát được thể hiện trên bảng 2.1, hình 2.13 và hình 2.14

Bảng 2.1 Giá trị hệ số lực nâng c y và m z theo cánh riêng biệt và các tổ hợp

Cánh riêng

biệt

Cánh cánh

quạt-Mặt giới hạn- cánh

Cánh quạt- MGH-cánh

theo cánh riêng biệt và các tổ hợp

Do thi he so cy theo thoi gian khong thu nguyen

Thoi gian

Do thi he so mz theo thoi gian khong thu nguyen

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

-8 -4 0 -2

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

của tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn - cánh (tổ hợp có xét đến ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt) so với tổ hợp mặt giới hạn - cánh (tổ hợp không xét đến ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt) khoảng 22%

Hệ số lực nâng c y và hệ số mô men dọc m z theo góc tấn α

Bảng 2.2 Giá trị hệ số lực nâng c y và hệ số mô men dọc m z theo góc tấn

Hệ số lực nâng c y và hệ số mô men dọc m z theo vận tốc bay

Bảng 2.3 Giá trị hệ số lực nâng c y và hệ số mô men dọc m z theo vận tốc bay

Hệ số lực nâng c y và hệ số mô men dọc m z theo vận tốc vòng quay

Bảng 2.4 Giá trị hệ số lực nâng c y và hệ số mô men dọc m z theo tốc độ vòng quay cánh quạt của tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn và cánh

Màn xoáy được hình thành theo

thời gian (hình 2.17), ở bước thời gian

hiện tại tác động lên màn xoáy hình

thành ở bước thời gian tiếp theo làm

cho hình ảnh dòng chảy có xu thế

cuộn vào theo mút ngoài cánh Dòng

sau cánh quạt có dạng xoắn, ở mút

ngoài lá cánh quạt màn xoáy cũng có

xu hướng cuộn lại

Hệ số lực nâng c y và hệ số mô men dọc m z theo góc lắp giữa trục quay cánh quạt so với dây cung cánh φ

Bảng 2.5 Giá trị hệ số lực nâng c y và hệ số mô men dọc m z theo góc giữa trục

quay cánh quạt với dây cung cánh

đặc tính khí động cánh nâng khi bay gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng

của dòng khí sau cánh quạt Chương 2 cũng đã thiết lập sơ đồ thuật toán và xây dựng chương trình tính toán xác định đặc tính khí động cánh nâng khi bay gần mặt giới hạn có xét đến ảnh hưởng của dòng khí sau cánh quạt bằng phần mềm Matlab

Chương 3 KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH SỐ BẰNG PHẦN MỀM ANSYS.CFX

VÀ THỰC NGHIỆM TRONG ỐNG KHÍ ĐỘNG

Mô hình số và chương trình tính toán đã xây dựng ở chương 2, được kiểm chứng bằng cách so sánh với các kết quả tính của phần mềm ANSYS.CFX và các kết quả thực nghiệm mô hình tổ hợp cánh quạt - mặt giới hạn và cánh trong ống khí động OT-1 của Viện Kỹ thuật PK-KQ, nhằm khẳng định độ tin cậy, tính ứng dụng và hiệu quả của mô hình số và chương trình tính toán trong các bài toán cụ thể mà thực tế đặt ra

Việc kiểm chứng mô hình số và chương trình tính được thực hiện

hợp như đã trình bày trong chương 2, khi thay đổi một tham số nào đó: