Thiết kế và phân tích chân vịt có ống đạo lưu cho thiết bị tự hành dưới nước

Có được kết quả này, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy, Cô Bộ môn Kỹ thuật Hàng không - Khoa Kỹ thuật giao thông, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh và đặc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN NH ẬT DUY TÂN

THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH CHÂN VỊT CÓ ỐNG ĐẠO LƯU

CHO THIẾT BỊ TỰ HÀNH DƯỚI NƯỚC

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hàng Không

Mã số: 60520110

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2015

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Chí Công

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1.TS Trần Tiến Anh Chủ tịch hội đồng

2.TS Ngô Khánh Hiếu Thư ký hội đồng

3.PGS TS Nguyễn Thiện Tống Uỷ viên

4.TS Trương Quang Tri Uỷ viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành saukhi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1991 Nơi sinh: Tây Ninh

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Kiểm tra độ chính xác chương trình OpenProp

- Thiết kế chân vịt có ống đạo lưu cho thiết bị tự hành dưới nước

- Phân tích ảnh hưởng ống đạo lưu lên chân vịt

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/01/2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:14/06/2015

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Nguyễn Chí Công

Lời Cảm Ơn

Luận văn tốt nghiệp Thạc s của tôi được nghiên cứu và hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Có được kết quả này, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy, Cô Bộ môn Kỹ thuật Hàng không - Khoa Kỹ thuật giao thông, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh và đặc biệt cho phép tôi:

Xin chân thánh cảm ơn Thầy Phó Giáo sư Tiến s Nguyễn Thiện Tống đã nhiệt tình truyền thụ kiến thức bộ môn và giải đáp cặn kẽ các vấn đề liên quan đến đề tài; Xin chân thành cảm ơn Thầy Tiến s Nguyễn Chí Công và Cô Tiến s Lê Thị Hồng Hiếu đã tận tình hướng dẫn, truyền thụ kiến thức khoa học quý báu, đã tạo niềm tin và dìu dắt tôi trong quá trình nghiên cứu, xây dựng và hoàn thành đề tài:

“Thiết kế và phân tích chân vịt có ống đạo lưu cho thiết bị tự hành dưới nước (Design and Analysis of Ducted Propeller for AUV)”

Có thể nói, sự thành công của luận văn này, trước hết thuộc về công lao của nhà trường và toàn xã hội Đặc biệt là sự quan tâm, động viên, khuyến khích của gia đình Nhân đây, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu đậm

Một lần nữa tôi xin cảm ơn và mong nhận được sự đóng góp, phê bình của quý Thầy, Cô các nhà khoa học và các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

Tp HCM, tháng 7 năm 2015 Nguyễn Nhật Duy Tân

Tóm tắt luận văn

Mục đích của nghiên cứu là thiết kế hệ thống lực đẩy cho thiết bị tự hành dưới nước (autonomous underwater vehicle-AUV) nhằm giúp cho AUV tăng hiệu suất lực đẩy, tiết kiệm được năng lượng và tăng thời gian hoạt động trong nước Việc sử dụng chong chóng nước có ống đạo lưu không những giúp tàu thủy tiết kiệm năng lượng từ 5% đến 12% [1] mà còn giúp tàu thủy hay các thiết bị hoạt động trong nước giảm tiếng ồn, giảm ảnh hưởng hiện tượng xâm thực lên bề mặt chong chóng nước Đối tượng nghiên cứu là thiết kế và phân tích chong chóng nước có ống đạo lưu cho AUV có thông số thiết kế theo bảng 1 Việc thiết kế và phân tích chong chóng nước có ống đạo lưu cho AUV được thực hiện bằng chương trình OpenProp

và phương pháp số CFD (Computational Fluid Dynamics) Độ tin cậy của kết quả

từ chương trình OpenProp đã được kiểm nghiệm với kết quả từ thực nghiệm [2] Thông qua nghiên cứu này, kết quả chương trình OpenProp [2] được kiểm nghiệm bằng phương pháp số CFD, đồng thời trình bày rõ ảnh hưởng của ống đạo lưu lên

chong chóng nước và kết quả của đường đặc tính chong chóng nước có ống đạo lưu

Bảng 1 Thông số thiết kế AUV

Từ khóa: AUV, chong chóng nước có ống đạo lưu, chương trình OpenProp,

phương pháp số CFD

Abstract

The purpose of this study is to design propulsion system for AUV ( autonomous underwater vehicle), which needed a long operating time under the water in ocean, save up energy and increasing propulsive efficiency.It is well known that using ships which are implemented with ducted propellers could not only help to save energy comsunption about 5% to 12% [1] in compared to conventional ships but also reduce noise levels and avoid cavitaion from the propeller surface This study has two main objectives: design and analysis ducted proppeller of AUV with given design parameters in table 1 We use OpenProp as a computational tool on analytical approaching the optimum using point of the ducted propeller in the AUV and the characteristics of appropriate propeller are determined The reliability of the results from the OpenProp's program have been compared with the experimental data [2] In this study, we analys the effect of a duct on propeller and compare between the OpenProp's result with others publiced CFD's results, estimate the performance curve of a given design for use in off-design performance prediction

Table 1 AUV design input parameter

Keywords: AUV, ducted propeller, OpenProp, CFD

Lời cam đoan

Tôi cam kết:

- Đây là luận văn tốt nghiệp do tôi thực hiện,

- Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác,

- Các đoạn trích dẫn và số liệu kết quả sử dụng để so sánh trong luận văn này đều đƣợc dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi

L

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt luận văn v

Abstract vi

Lời cam đoan vii

Chú giải ký hiệu xii

Danh mục hình xv

Danh mục bảng xx

HƯ NG GIỚI THI U ĐỀ TÀI 1

1 Mở đầu 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4 Nội dung 2

HƯ NG S L THU ẾT 5

1 Lý thuyết chong chóng nước 5

1.1 Lý thuyết xoáy 5

1.2 Lý thuyết phần tử cánh 7

1.3 Kết hợp lý thuyết phần tử cánh và lý thuyết xoáy 8

1.4 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng hiệu suất đẩy chân vịt có ống đạo lưu 9

1.4.1 Phân tích thứ nguyên và đồng dạng động lực học 9

1.4.2 Phân tích định tính và hình dạng các đường đặc tính 14

1.5 Lý thuyết động lượng đơn giản của chong chóng nước không có ống đạo lưu 16

1.5.1 Hiệu suất lực đẩy chân vịt trong ống đạo lưu theo τ 19

1.5.2 Vận tốc dọc trục 21

2 Các phương pháp nghiên cứu 25

2.1 Phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm 25

2.1.1 Quan sát bằng thực nghiệm của Ghose và Gokarm 25

2.1.2 Phương pháp thực nghiệm được thực hiện bởi Van Manen

và Superina 26

2.2 Phương pháp LDV và PIV 29

2.3 Phương pháp giải tích 34

2.3.1 Lý thuyết động lượng đơn giản 34

2.3.2 Phương pháp đường lực nâng – Phương pháp mặt nâng 35

2.3.3 Phương pháp mặt xoáy – Phương pháp mảng xoáy 35

3 Giới thiệu chương trình OpenProp 37

3.1 Đánh giá độ tin cậy của chương trình OpenProp 39

3.2 Boundary element method/panel method 45

3.3 Phương pháp số – Phương pháp CFD 46

HƯ NG THIẾT Ế H N VỊT TRONG ỐNG ĐẠO LƯU 51

1 Thông số thiết kế 51

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế chân vịt trong ống đạo lưu 52

2.1 Ảnh hưởng hiệu suất chân vịt trong ống đạo lưu 52

2.1.1 Ảnh hưởng hệ số dày đặc 52

2.1.2 Ảnh hưởng hệ số lực đẩy CT 56

2.2 Ảnh hưởng hiện tượng xâm thực 59

2.3 Kết luận 61

3 Dựng hình học 3D cho chân vịt trong ống đạo lưu 64

HƯ NG PH N T H ẢNH HƯ NG ỐNG ĐẠO LƯU L N H N VỊT NG PHƯ NG PH P D 69

1 Phương trình tính toán 69

2 Phương pháp giải 71

3 Tính toán mô phỏng cho chân vịt và chân vịt có ống đạo lưu 72

3.1 Miền chia 73

3.2 Kết quả 77

HƯ NG 5 TỔNG ẾT 84

1 Các kết quả đạt được ở luận văn 84

2 Những mặt còn hạn chế của luận văn 84

3 Hướng phát triển luận văn 84

TÀI LI U TH HẢO 86

m lưu lượng lưu chất (m3/s)

Danh mục hình

Hình 1.1 Cấu tạo chân vịt trong ống đạo lưu 3

Hình 1.2 (a) Chân vịt trong ống đạo lưu tăng tốc và (b) chân vịt trong ống đạo lưu giảm tốc 4

Hình 2.1 Xoáy hậu lưu do vận tốc tiếp tuyến 5

Hình 2.2 Sự gia tăng các thành phần vận tốc qua chong chóng 6

Hình 2.3 Phân tích lực trên một phần tử cánh 7

Hình 2.4 Hệ số lực đẩy, moment xoắn và hiệu suất của chân vịt theo tỷ số tiến 14 Hình 2.5 Hệ số lực đẩy của ống đạo lưu và chân vịt trong ống đạo lưu 15

Hình 2.6 So sánh đặc tính chân vịt B4.70 không có ống đạo lưu và chân vịt Ka 4.70 trong ống đạo lưu 19A cùng tỷ lệ (pich ratio) P/D = 1.0 15

Hình 2.7 Dòng nước qua chân vịt theo lý thuyết động lượng th ng 16

Hình 2.8 Hiệu suất lực đẩy theo của CT và tỷ lệ lực đẩy η 20

Hình 2.9 So sánh vận tốc dọc trục trường hợp chân vịt có ống đạo lưu và không có ống đạo lưu 21

Hình 2.10 So sánh tỷ số đường kính chân vịt trong trường hợp có và không có ống đạo lưu tại cùng một giá trị lực đẩy 23

Hình 2.11 iểu diễn hàm fd theo CT và η 25

Hình 2.12 Mô hình thí nghiệm của chân vịt trong ống đạo lưu 27

Hình 2.13 Các ống thử nghiệm tại Wageningen 29

Hình 2.14 Vị trí đo vận tốc trường dòng chảy của chân vịt trong ống đạo lưu 30

Hình 2.15 Phân bố vận tốc trường dòng chảy trường hợp chân vịt có ống đạo lưu tại vị trí x r0 = 0.65 31

Hình 2.16 Phân bố vận tốc trường dòng chảy trường hợp chân vịt có ống đạo lưu tại vị trí x r0 = 1.00 31

Hình 2.17 Phân bố vận tốc trường dòng chảy trường hợp chân vịt có ống đạo lưu

tại vị trí x r0 = 2.00 32 Hình 2.18 Phân bố vận tốc trường dòng chảy trường hợp chân vịt không có

ống đạo lưu tại vị trí x r0 = 0.65 32 Hình 2.19 Đo vận tốc dòng sau ống đạo lưu bằng phương pháp PIV 34 Hình 2.20 Mô hình tính toán của chân vịt: (a) Mô hình đường lực nâng, (b) Mô

hình mặt nâng, (c) Mô hình mặt xoáy và (d) Mô hình mảng xoáy 36 Hình 2.21 Ảnh hưởng khe hở giữa ống đạo lưu và đầu mút cánh chân vịt đến

phân bố xoáy trong chân vịt có ống đạo lưu 37

Hình 2.22 Sơ đồ dữ liệu trong chương trình OpenProp 38

Hình 2.23 Phân bố vận tốc và lực trên biên dạng cánh 2D 39 Hình 2.24 So sánh giản đồ đường đặc tính chân vịt theo nghiên cứu của lack và

chương trình OpenProp 41 Hình 2.25 So sánh kết quả đường đặc tính của phương pháp thực nghiệm (PIV,

LDV) và kết quả của chương trình OpenProp 42 Hình 2.26 Mô hình lưới chân vịt 43 Hình 2.27 So sánh kết quả đường đặc tính của chân vịt bằng phương pháp CFD

và chương trình OpenProp 43 Hình 2.28 Chồng chập kết quả đường đặc tính của chân vịt bằng chương trình

Openprop, CFD và kết quả thực nghiệm PIV, LVD 44 Hình 2.29 Mô hình xoáy hình thành phía sau chân vịt có ống đạo lưu và chân vịt

không có ống đạo lưu 46 Hình 2.30 Sự thay đổi của hệ số η theo số Re 47 Hình 2.31 Phân bố áp suất và đặc tính dòng chảy bao quanh biên dạng ống đạo

lưu 19A tại số Re = 104 và Re = 105 ứng với chế độ tải CTP = 6 47

Hình 2.32 So sánh biên dạng ống đạo lưu 19A và biên dạng ống đạo lưu mới 48

Hình 2.33 So sánh phân bố áp suất trên ống đạo lưu 19A và trên ống đạo lưu mới 48

Hình 2.34 So sánh phân bố áp suất trên biên dạng cánh chân vịt Ka và biên dạng cánh chân vịt Z-peller 48

Hình 2.35 Ảnh hưởng vị trí đặt chân vịt trong ống đạo lưu 49

Hình 2.36 Ảnh hưởng vị trí đặt chân vịt trong ống đạo lưu 49

Hình 2.37 Sơ đồ cách thức thực hiện của đề tài 50

Hình 3.1 Phân bố hệ số dày đặc dây cung cánh của chân vịt (4 lá cánh) trong ống đạo lưu cho bốn trường hợp khác nhau 55

Hình 3.2 Ảnh hưởng của hệ số dày đặc dây cung cánh đến hiệu suất làm việc của chân vịt 55

Hình 3.3 Giới hạn hiệu suất của chân vịt có ống đạo lưu theo hệ số lực đẩy CT 57 Hình 3.4 Giới hạn hiệu suất của chân vịt có ống đạo lưu theo đường kính D 57

Hình 3.5 So sánh hiệu suất của chân vịt và chân vịt trong ống đạo lưu theo đường kính D tại vùng hiệu suất thấp 58

Hình 3.6 So sánh hiệu suất của chân vịt và chân vịt trong ống đạo lưu theo đường kính D tại vùng hiệu suất cao 58

Hình 3.7 Dòng chảy bao quanh profin cánh chân vịt trong nước ở độ sâu h 60

Hình 3.8 Đánh giá hiện tượng xâm thực tại mặt hút và mặt đẩy của chân vịt trong ống đạo lưu V =2.5 m/s 61

Hình 3.9 Hiện tượng xâm thực trên mặt hút của chân vịt trong ống đạo lưu khi thay đổi vận tốc tới V = 5.5 m/s 61

Hình 3.10 Hình dáng chân vịt trong ống đạo lưu (D = 52.75 mm) và chân vịt không có ống đạo lưu (D = 112 mm) 63

Hình 3.11 So sánh đường đặc tính chân vịt (CV) và chân vịt trong ống đạo lưu

(OCV) bằng chương trình OpenProp 64

Hình 3.12 Thông số hình học chân vịt 65

Hình 3.13 Hình học chân vịt được biểu diễn ở dạng tập hợp các điểm trong Catia 65

Hình 3.14 Nối các điểm trên lá cánh chân vịt bằng phần mềm Solidword 66

Hình 3.15 Tạo mặt lá cánh chân vịt bằng phần mềm Solidword 66

Hình 3.16 Hình dáng chân vịt 67

Hình 3.17 Hình dạng chân vịt trong ống đạo lưu 68

Hình 4.1 So sánh phương pháp SMM và phương pháp MRF cho trường hợp chân vịt không có ống đạo lưu 71

Hình 4.2 Kích thước miền chia cho mô hình chân vịt 73

Hình 4.3 Kích thước miền chia chân vịt trong ống đạo lưu 74

Hình 4.4 Mô hình lưới của chân vịt không có ống đạo lưu 75

Hình 4.5 Lưới bề mặt chân vịt 76

Hình 4.6 Mô hình lưới của chân vịt có ống đạo lưu 76

Hình 4.7 Lưới bề mặt chân vịt 76

Hình 4.8 Phân bố Y+ cho mặt trước và mặt sau chân vịt 77

Hình 4.9 Phân bố Y+ cho mặt trước và mặt sau chân vịt có ống đạo lưu 77

Hình 4.10 Phân bố áp suất cho mặt trước và mặt sau chân vịt 78

Hình 4.11 Phân bố áp suất cho mặt trước và mặt sau chân vịt có ống đạo lưu 78

Hình 4.12 Phân bố vận tốc cho mặt trước và mặt sau chân vịt 79

Hình 4.13 Phân bố vận tốc cho mặt trước và mặt sau chân vịt có ống đạo lưu 79

Hình 4.14 Ảnh hưởng của ống đạo lưu lên chân vịt 80

Hình 4.15 Mô hình đường dòng qua chân vịt có ống đạo lưu 80 Hình 4.16 Phân bố đường dòng qua chân vịt nước dạng vectơ 81 Hình 4.17 So sánh đường đặc tính chân vịt bằng OpenProp và

phương pháp CFD 81 Hình 4.18 So sánh đường đặc tính chân vịt trong ống đạo lưu bằng OpenProp và phương pháp CFD 82 Hình 4.19 So sánh đường đặc tính chân vịt và chân vịt trong ống đạo lưu bằng

phương pháp CFD 83

Danh mục bảng

Bảng 1 Thông số thiết kế AUV v

Table 1 AUV design input parameter vi

Bảng 2.1 Thông số kích thước hình học ống đạo lưu 28

Bảng 2.2 Thông số hình học và đặc tính chân vịt 40

Bảng 2.3 Thông số hình học chân vịt 40

Bảng 2.4 Thông số hình học và đặc tính chân vịt 41

Bảng 2.5 Thông số hình học chân vịt 42

Bảng 2.6 So sánh kết quả chương trình CFD và kết quả của chương trình OpenProp 44

ảng 3.1 Công suất động cơ tại vận tốc Vmax 51

ảng 3.2 Số vòng quay và đường kính chân vịt tương ứng khi sử dụng hộp giảm tốc 52

ảng 3.3 Giá trị c D thay đổi theo từng vị trí bán kính r R 53

ảng 3.4 Thông số thiết kế đầu vào của chân vịt có ồng đạo lưu trong chương trình OpenProp 54

ảng 3.5 Phân bố hệ số dày đặc cánh theo từng vị trí bán kính r R 54

ảng 3.6 Giới hạn hệ số lực đẩy CT 57

ảng 3.7 Thông số thiết kế và đặc tính chân vịt 62

ảng 3.8 Thông số thiết kế chân vịt 62

ảng 3.9 Thông số thiết kế chân vịt trong ống đạo lưu 63

HƯ NG GIỚI THI U ĐỀ TÀI

1

1.1

Cũng giống như bầu trời, đại dương sâu rộng luôn tạo nguồn cảm hứng khám phá của con người Nhưng khi bắt tay vào khám phá nó, ta gặp rất nhiều trở ngại Vấn đề đầu tiên có thể nhận thấy rõ nhất đó là không khí để thở và áp lực nước Cùng với sự phát triển của công nghệ, các thiết bị di chuyển dưới nước tự động (viết tắt là autonomous underwater vehicle- AUV) đang trở nên ngày càng phổ biến AUV hiện đang góp mặt trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ quân sự cho đến dân

sự, từ l nh vực kinh tế cho đến l nh vực nghiên cứu khoa học như:

- Một nhiệm vụ quân sự tiêu biểu có sự tham gia của UAV là xây dựng bản

đồ khu vực để xác định vị trí mục tiêu, có thể là một cảng biển, hoặc giám sát một khu vực quân sự AUV cũng được sử dụng trong chiến tranh, như phát hiện và tiêu diệt tàu ngầm địch (tàu ngầm có người lái),

- Ngành công nghiệp dầu khí sử dụng AUV để khảo sát, thiết lập các bản đồ đáy biển chi tiết trước khi xây dựng các cơ sở hạ tầng dưới biển, hệ thống đường ống dẫn và các vị trí lắp đặt cần thiết sao cho chi phí sử dụng là hiệu quả nhất,

- Các nhà nghiên cứu thường sử dụng AUV nhằm mục đích nghiên cứu hồ, đại dương và nền địa chất trong lòng đại dương Một loạt các cảm biến được gắn trên AUV cho phép xác định thông tin về nồng độ vật chất hoặc các yếu tố khác nhau, sự hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng, sự hiện diện của sự sống

AUV đầu tiên được phát triển tại phòng thí nghiệm Vật lý ứng dụng tại Đại học Washington vào năm 1957 bởi Stan Murphy, Bob Francois và sau này là Tery Ewart Được biết với cái tên “Xe nghiên cứu chuyên dụng dưới nước”, thiết bị được

sử dụng để nghiên cứu khuếch tán, dẫn âm và dẫn đường tàu ngầm dưới nước Trải qua thời gian dài phát triển đã có nhiều nghiên cứu về AUV, một số nghiên cứu tiêu biểu trong những năm gần đây như:

- Sh Mansoorzadeh, E Javanmard (2014) [3] đã sử dụng phương pháp số CFD nhằm xác định các hệ số thủy động của AUV và kết quả được so sánh với mô hình được thử nghiệm trong thực tế,

- J L D Dantas, E A de Barros (2013) [4], Jagadeesh (2009) [5], đã sử dụng CFD nhằm tính toán ổn định của AUV dưới sự ảnh hưởng của góc tấn và các bề mặt điều khiển,

- Tyagi và Sen (2006) [6] đã sử dụng phương pháp CFD nhằm tính toán các thông số của AUV sử dụng chân vịt trong ống đạo lưu như: vận tốc, áp suất… Việc thiết kế tối ưu hóa AUV bằng cách sử dụng phương pháp CFD nhằm cho lực cản nhỏ nhất

1.2

Với mục đích là thiết kế tối ưu hệ thống lực đẩy cho AUV nhằm giúp cho AUV tăng hiệu suất lực đẩy, tiết kiệm được năng lượng và tăng thời gian hoạt động trong nước

1.3

Theo Glose và Gokarn [1], việc sử dụng chân vịt trong ống đạo lưu không chỉ giúp tàu thủy tiết kiệm năng lượng từ 5% đến 12%, giảm khối lượng và chi phí chế tạo so với trường hợp chỉ sử dụng chân vịt riêng lẻ mà còn giúp tàu thủy hay các thiết bị hoạt động trong nước giảm tiếng ồn, giảm ảnh hưởng hiện tượng xâm thực Tiếp nối luận văn của Trần Cao Văn [7] là thiết kế và chế tạo AUV, đối tượng nghiên cứu của đề tài là thiết kế và phân tích chân vịt trong ống đạo lưu cho AUV của nhóm

1.4

Cấu tạo hệ thống ống đạo lưu và chân vịt được mô tả như hình 1.1 Trong hệ thống này chân vịt được đặt trong ống đạo lưu, quay trong ống và cùng với ống đạo lưu tạo ra lực đẩy lớn hơn so với chân vịt đứng riêng lẻ Mặt cắt ngang của ống đạo lưu có hình vành khuyên, còn mặt cắt dọc ống có dạng airfoil Hệ thống ống đạo lưu

và chân vịt được phát triển đầu tiên bởi Luigi Stipa (1931), Ludwig Kort (1934) [8]

và được phát triển rộng rãi từ năm 1950 đến năm 1970 bởi Manen và Oosterveld (1966) [9], Wessinger và Maass (1968) [10] Năm 1973, Oosterveld [11] đã nghiên cứu về đặc trưng và ảnh hưởng hình dạng của ống đạo lưu và chân vịt Trong nghiên cứu của ông, chân vịt trong ống đạo lưu chỉ cho hiệu suất cao tại vận tốc thấp hơn khoảng 7.71 m/s [39] Trên tốc độ đó, lực cản tạo ra bởi ống đạo lưu tăng, làm giảm hiệu quả lực đẩy của chân vịt

Hình 1.1 Cấu tạo chân vịt trong ống đạo lưu Một trong các lý do làm cho chân vịt trong ống đạo lưu có hiệu suất lực đẩy lớn hơn so với chân vịt không nằm trong ống đạo lưu là:

- Trong thành phần lực đẩy của chân vịt trong ống đạo lưu ngoài lực đẩy của chân vịt còn có thành phần lực đẩy của ống đạo lưu,

- Do khoảng cách khe hở giữa đầu mút cánh chân vịt và thành trong ống là nhỏ nên làm giảm hiện tượng xoáy và tạo bọt tại đầu mút cánh chân vịt

(a) (b) Hình 1.2 (a) Chân vịt trong ống đạo lưu tăng tốc và (b) chân vịt trong

ống đạo lưu giảm tốc

Có hai loại chân vịt trong ống đạo lưu, loại tăng tốc (hay còn được gọi là Kort Nozzle) và loại giảm tốc (hay còn được gọi là Pump Jets) được mô tả như hình 1.2

- Loại ống đạo lưu tăng tốc làm cho dòng chảy tăng tốc khi chảy vào bề mặt chân vịt, ống đạo lưu sản sinh lực đẩy dương, nâng cao hiệu suất lực đẩy và giảm nhẹ phụ tải cho chân vịt nhưng thúc đẩy hiện tượng sủi bọt và làm tăng tiếng ồn,

- Loại ống đạo lưu giảm tốc làm cho dòng chảy giảm tốc khi chảy vào bề mặt chân vịt, ống đạo lưu sản sinh lực đẩy âm, làm giảm hiệu suất và tăng phụ tải cho chân vịt nhưng chậm hiện tượng sủi bọt và làm giảm tiếng ồn

Từ những ưu, nhược điểm trên mà ống đạo lưu gia tốc và giảm tốc được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như: đối với tàu lai, tàu kéo… do cần hiệu suất lực đẩy cao nên sử dụng ống đạo lưu loại tăng tốc, đối với các tàu làm nhiệm vụ đặc biệt trong quân sự với nhu cầu giảm tiếng ồn thì ống đạo lưu được sử dụng là loại giảm tốc

HƯ NG S L THU ẾT

Đầu tiên ta phải xem xét đến các lý thuyết về chân vịt từ đó xác định các yếu

tố ảnh hưởng đến việc thiết kế chân vịt trong ống đạo lưu Cơ sở lý thuyết xuất phát

từ các quan sát thực tiễn trong các thí nghiệm hay trong quá trình thử nghiệm chân vịt có ống đạo lưu trong các điều kiện thực tế đến các lý thuyết đơn giản như: phân tích thứ nguyên và đồng dạng động lực học, lý thuyết động lượng đơn giản hay phức tạp hơn là lý thuyết đường lực nâng và phương pháp mảng xoáy thông qua chương trình OpenProp

1 Lý yế o ó

1.1 Lý thuyết xoáy

Trong phần lý thuyết động lượng th ng chỉ xét thành phần vận tốc th ng của lưu chất Trên thực tế, dòng lưu chất qua chong chóng còn có thêm thành phần vận tốc tiếp tuyến do vận tốc góc của cánh quạt sinh ra Thành phần vận tốc tiếp tuyến này gây ra xoáy ở vùng hậu lưu phía sau chong chóng

Hình 2.1 Xoáy hậu lưu do vận tốc tiếp tuyến

Tương tự lý thuyết động lượng th ng Lưu chất trước chong chóng có vận tốc quay U = 0 Tại tiết diện chong chóng Luu chất co vận tốc góc là b.w và sau chong chóng là 2b.w

Hình 2.2 Sự gia tăng các thành phần vận tốc qua chong chóng

Chia tiết diện chong chóng thành các hình vành khuyên có diện tích dA bằng nhau, bề dày dr ứng với mỗi vị trí bán kính r

Xét lưu chất qua chong chóng ở giữa vị trí r và (r+dr)

Áp dụng định luật bảo toàn động lượng góc

bwr 2 m r mU H

Sự thay đổi dộng lượng góc trên mỗi vi phân diện tích q

)bwr2)(

a1(V)rdr2(bwr2dm

local

x

Jb

arbw

aVdMw

r bwr)22

dr ) w 2 )(

r 2 )).(

b 1 ( w r dT F

Lực đẩy theo lý thuyết động lƣợng th ng

aV2)

a1(V.)

rdr2(

a a

Hình 2.3 Phân tích lực trên một phần tử cánh Phân tích lực tác dụng lên một biên dạng cánh

Lực đẩy

1dr

L 2

eccossec)b1)(

a1(cCrVB2

1dr

dQ

L 2

VdT

1.3 ết hợp lý thuyết phần tử cánh và lý thuyết xoáy

Lý thuyết phần tử cánh hiện đại là sự phát triển của lý thuyết phần tử cánh ban đầu khi kết hợp các lý thuyết khác như lý thuyết xoáy Xét một phần tử cánh cách trục quay một khoảng r

Lực đẩy và momen xoắn được xác định

) a 1 ( a rW 4 dr

(1.17)

Hệ số a tìm được theo phương trình lực đẩy

2 2

RV21

T)

a1(a4

ec cos C 4

1 ) a 1 (

2eccosC2

1)b1(b

Thiết lập mối quan hệ a và b

0 tan x

J x

J ) a 1 ( a b tan x

J 1 b

J)a21(tan2x

J)tan)a1(a4(0

tan)a21()1)(tana1(a4x

J

(1.24)

Hiệu suất cục bộ

) tan(

tan a 1

b 1

số nhớt động lực học μ (m2/s), vận tốc dòng lưu chất đến chân vịt Va (m/s) và áp suất t nh tại một vị trí trên chân vịt (p) nhằm tìm hiểu các hệ số như hệ số lực đẩy

ác hệ số th nguy n

Phương pháp phân tích giúp cho ta tổng quát hóa kết quả của các thí nghiệm riêng rẽ, trình bày các kết quả một cách có hệ thống với ý ngh a vật lý rõ ràng, mở rộng khả năng ứng dụng các kết quả này vào việc dự đoán cho các trường hợp khác

fecba31)L(

fea1)M(

0 0

a 2

4 0

p

Dn

p,nD

,nD

VfnD

T

(2.4)

Phân tích các hệ số trong phương trình (2.5), ta có:

p T 2

4

0

p

k n

0 2

Hệ số moment xo n Torque Ceofficient) - k Q

thuộc vào Re, 0, J

0 0

a 2

5 p

Dn

p,nD

,nD

VgnDQ

Hệ số moment xoắn đƣợc định ngh a nhƣ sau

J,Re,0

g k

n D

Q

k Q p

Hệ số c ng suất Power Ceofficient) – C P

Công suất cần thiết cung cấp cho chân vịt

5 0 3 5

0 2

2 ) (

0 3

D n

Hiệu suất chân vịt

Công suất cung cấp cho chân vịt

Đây cũng chính là công suất trục động cơ cung cấp cho chân vịt Chân vịt nhận nguồn năng lương này rồi chuyển hóa thành động năng của dòng lưu chất, tạo ra lực

Hiệu suất làm việc của chân vịt

P T Q

T p

a p

C

k J k

JC nQ

f , L

S , D

L , Re, f n D

T T k k

Hệ số moment xo n Torque Ceofficient) - k Qd

p,nD

,Dn

VgnD

Q

2 2 2

a 2

5 d

Hệ số moment xoắn được định ngh a như sau

L J

g k

d

Q



 , , Re,

Hệ số moment xoắn được tính theo công thức

n D

Q

Hiệu số c ng suất Power Ceofficient) – C Pd

Công suất cần thiết cung cấp cho chân vịt trong ống đạo lưu

2 ) (

d

Đặt

d Q

Hiệu suất chân vịt trong ống đạo lưu

Công suất cung cấp cho ống đạo lưu

Công suất có ích của ống đạo lưu là Pout = Td Va

Hiệu suất làm việc của ống đạo lưu

d d

d

d

P T Q

T a

d

C

k J k

JC nQ

V T

1.4.2 Phân tích định tính và hình dạng các đư ng đ c tính

giảm dần theo tỷ số tiến

Hình 2.4 Hệ số lực đẩy, moment xoắn và hiệu suất của chân vịt theo

tỷ số tiến [12]

Theo hình 2.5, lực đẩy của ống đạo lưu lớn một nữa giá trị mà chân vịt tạo ra tại giá trị J = 0.1 Tuy nhiên, ống đạo lưu sẽ trở nên hạn chế khi vận tốc tàu di chuyển với tốc độ cao Theo hình 2.5, tại giá trị J = 0.6 trở đi thì hệ số lực đẩy do ống đạo lưu có giá trị âm

Hình 2.5 Hệ số lực đẩy của ống đạo lưu và chân vịt trong ống đạo lưu [13] Theo hình 2.6, hệ số lực đẩy (tại tỷ số tiến thấp hơn 0.4) và hiệu suất (tại tỷ số tiến thấp hơn 0.6) của chân vịt trong ống đạo lưu cao hơn so với chân vịt không có ống đạo lưu Hệ số moment xoắn của chân vịt có ống đạo lưu thấp hơn so với chân vịt không có ống đạo lưu điều này chứng tỏ chân vịt có ống đạo lưu tiêu tốn ít năng lượng hơn so với chân vịt không có ống đạo lưu

Hình 2.6 So sánh đặc tính chân vịt 70 không có ống đạo lưu và chân vịt Ka

4-70 trong ống đạo lưu 19A cùng tỷ lệ (pitch ratio) P/D = 1.0 [14]

1.5 Lý thuyết đ ng lượng đ n giản c a chong chóng nư c kh ng có ống đạo lưu

Ảnh hưởng của ống đạo lưu lên chân vịt có thể nhận biết bằng cách sử dụng lý thuyết động lượng đơn giản cho chân vịt trong ống đạo lưu

Lý thuyết động lượng đơn giản bắt nguồn từ việc xem chân vịt là một đ a mỏng chuyển động có diện tích quét là S, lưu chất chuyển động qua chân vịt sẽ không tạo ra lực cản Dòng lưu chất khi đi qua đ a sẽ nhận năng lượng dưới dạng áp năng từ đ a và năng lượng được gia tăng giống nhau ở toàn bộ diện tích đ a

Giả thiết rằng dòng nước là không nén được, không ma sát, không xoay Vận tốc lưu chất khi đi qua đ a là hằng số và tất cả năng lượng cung cấp cho đ a đều được truyền hoàn toàn cho lưu chất

Toàn bộ hệ thống được biểu diễn như hình 2.7

Hình 2.7 Dòng nước qua chân vịt theo lý thuyết động lượng th ng

đến khi đến đầu ra thì vận tốc trở thành Vj0 và áp suất trở lại áp suất po

Lưu lượng lưu chất đi qua tiết diện của đ a là

po

V

D m

D p p

2 0

2

1 2

2 0 0

2

1 2

1 2

0 0

2 0

2

1 2

1 2

1 2

1

po po

1

p p V

Kết hợp phương trình (3.5) và phương trình (3.3)

 jo a  jo a jo a

88

2 2

V D

T C

2 2

V C

2 a

jo 0

2 3 2 2

2 2

a 0 j 2

a a 0 j w

a p p

V V

V 2 ) V V ( m 2 1

V ) V V ( m E

V T

a 2 2 V

V 1 2

a jo

2

1.5.1 Hiệu suất lực đẩy chân vịt trong ống đạo lưu theo 𝛕

phía sau chân vịt có ống đạo lưu

Tổng lực đẩy do chân vịt và ống đạo lưu tạo ra

D p p

2 j 2 2 2

1 2

Kết hợp phương trình (3.15) và (3.17)

2

a j p

V V

d p T

V D T V

D

T T C

2 2 2

2

8

18

V

V C

T a

j

C V

V

V 1

2

Nhận xét

thì hiệu suất đẩy của chân vịt có ống đạo lưu tăng tốc (Kort Nozzle) lớn hơn hiệu suất đẩy chân vịt không có ống đạo lưu và thấp nhất là hiệu suất đẩy của chân vịt có ống đạo lưu giảm tốc (Pump Jets)

1.5.2 Vận tốc d c trục

trong trường hợp không có ống đạo lưu

Tỷ số vận tốc dọc trục trường hợp có ống đạo lưu và không có ống đạo lưu với cùng một giá trị lực đẩy được tính theo phương trình (3.24)

p

C

C V

V

11

11

Hình 2.9 So sánh vận tốc dọc trục trường hợp chân vịt có ống đạo lưu và không có

ống đạo lưu [15]