Tài liệu Khảo sát đặc tính khí động học biên dạng cánh sử dụng trên máy bay dân dụng hiện đại

/m BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGUYỄN THỊ THU HẰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Thị Thu Hằng KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HV. KHÍ Nguyễn ĐỘNG Văn Nhu HỌC BIÊN DẠNG CÁNH CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC SỬ DỤNG TRÊN MÁY BAY DÂN DỤNG HIỆN ĐẠI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC KHÓA – 2016B Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- Nguyễn Thị Thu Hằng KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC BIÊN DẠNG CÁNH SỬ DỤNG TRÊN MÁY BAY DÂN DỤNG HIỆN ĐẠI Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ THỊ THÁI Hà Nội – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, là kết quả nghiên cứu của tôi đã thực hiện được dưới sự hướng dẫn của Giáo viên hướng dẫn luận văn và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. Hà Nội, tháng 9 năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Thu Hằng LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, với tư cách là tác giả của luận văn, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Cô giáo hướng dẫn TS. Lê Thị Thái viện Cơ khí Động lực – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi tận tình và chu đáo trong suốt thời gian thực hiện luận văn, để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể Thầy, Cô giáo viện Cơ khí Động lực Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức, giúp đỡ tôi suốt thời gian học tập và đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, ủng hộ tôi hết lòng, động viên và chia sẻ trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn. Hà Nội, tháng 9 năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Thu Hằng 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. 1 LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 2 MỤC LỤC ............................................................................................................. 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................... 5 DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................... 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................... 8 MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 10 Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ......................................................... 15 1.1. Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước .............................................. 15 1.2. Khái niệm khí động lực học....................................................................... 17 1.3. Một số phương trình khí động học cơ bản ................................................... 18 1.4. Kết luận chương 1 ........................................................................................ 20 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU VÀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ CFD ............................................................................................................... 22 2.1. Giới thiệu chung về CFD ............................................................................. 22 2.1.1. Công cụ trong Ansys-Fluent .................................................................... 22 2.1.2. Nguyên lý tính toán trong phần mềm Ansys-Fluent ............................. 23 2.2. Trình tự giải quyết bài toán CFD ................................................................. 26 2.3. Phương pháp chia lưới trong bài toán mô phỏng ......................................... 27 2.4. Một số mô hình rối trong Ansys-Fluent ....................................................... 28 2.4.1. Mô hình rối một phương trình (one equation turbulence models).......... 28 2.4.2. Mô hình hai phương trình (two equations model) .................................. 30 2.5. Quy trình tính mô phỏng số đặc tính khí động lực học biên dạng cánh ...... 32 2.5.1. Mô hình cánh CLARK-YH khảo sát......................................................... 33 2.5.2. Miền không gian tính toán và chia lưới .................................................... 35 2.5.3. Kết quả tính toán mô phỏng số đặc tính khí động học cánh Clark-YH .... 36 2.5. Kết luận chương 2 ....................................................................................... 39 Chương 3. KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC BIÊN DẠNG CÁNH NACA64-212 VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ CFD ................... 40 3.1. Mô hình cánh sử dụng trong tính toán khảo sát ........................................... 40 3.2. Quá trình tính toán mô phỏng số CFD cánh nghiên cứu ............................. 41 3.3. Kết quả tính toán mô phỏng số đặc tính khí động học cánh ........................ 44 3.4. Đánh giá kết quả tính toán khảo sát CFD .................................................... 51 3 3.5. Kết luận chương 3 ........................................................................................ 54 Chương 4. NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC BIÊN DẠNG CÁNH ĐẶC BIỆT ........................................................................................................... 55 4.1. Ảnh hưởng của hình dáng mép vào đến đặc tính khí động học cánh .......... 55 4.1.1. Mô hình cánh với mép vào thay đổi.......................................................... 55 4.1.2. Kết quả so sánh về phân bố áp suất bao quanh cánh ................................ 58 4.1.3. Kết quả tính toán lực khí động tác động lên cánh khảo sát ...................... 62 4.2. Khảo sát đặc tính khí động học biên dạng NACA64-212 với mép đuôi ..... 65 4.2.1. Mô hình cánh với mép đuôi khảo sát ........................................................ 65 4.2.2. Kết quả tính toán mô phỏng số CFD khảo sát cánh với mép đuôi khi thay đổi góc đặt mép đuôi trên cánh ........................................................................... 67 4.2.3. Kết quả tính toán khảo sát đặc tính khí động học biên dạng cánh có gắn thêm mép đuôi với ảnh hưởng của góc tấn ......................................................... 73 4.3. Kết luận chương 4 ........................................................................................ 79 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 83 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Tên gọi 1 CFD Chương trình tính toán động lực học chất lỏng (Computation Fluid Dynamic). 2 ANSYS Bộ chương trình tính toán, mô phỏng số ứng dụng trong nghiên cứu, khảo sát và thiết kế với nhiều lĩnh vực khác nhau. 3 Pw Công suất cv, hp 4 L, l Chiều dài m 5 B, b Chiều rộng m 6 H, h Chiều cao m 7 S Diện tích m2 8 RT Lực cản khí động tổng cộng N 9 Rp Lực cản khí động do áp suất gây ra N 10 Rf Lực cản khí động do ma sát gây ra N 11 M Mômen lực Nm 12 V Vận tốc m/s, km/h 13 ux, uy, uz Các thành phần vận tốc tức thời tương ứng theo các phương của hệ trục tọa độ m/s 14 Cp, Cf, CT(Cd) Hệ số lực cản khí động tương ứng do áp suất, ma sát gây ra và hệ số lực cản khí động tổng cộng 15 υ Độ nhớt động học 16 µ Độ nhớt động lực học 5 Đơn vị m2/s kg.s/m2 17 ρ Khối lượng riêng kg/m3 18 γ Trọng lượng riêng N/m3 19 p Áp suất N/m2, Pa, at 20 k-ε 21 k Hệ số đặc trưng cho động năng rối 22 ε Hệ số đặc trưng cho mức độ tiêu tán rối của dòng chảy 23 Rn Số Reynolds 24 Pr Số Prandtl 25 α Góc tấn độ 26 d Góc đặt mép đuôi độ Mô hình rối k-ε 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Thông số biên dạng cánh CLARK-YH .............................................. 34 Bảng 2.2: Các thông số đầu vào trong tính toán mô phỏng số CFD .................. 35 Bảng 2.3: Hệ số lực khí động tác động lên biên dạng cánh CLARK-YH .......... 36 Bảng 3.1: Bảng thông số tọa độ biên dạng cánh NACA64-212 ......................... 41 Bảng 3.2: Bảng tính toán các hệ số lực khí động tác động lên cánh khảo sát .... 51 Bảng 4.1: Bảng thông số kích thước hình học cánh khảo sát ............................. 57 Hình 4.12: Hệ số lực khí động tác động lên mô hình cánh khảo sát, Re=106 .... 63 Bảng 4.2: Hệ số lực khí động tác động lên các mô hình cánh khảo sát.............. 64 Bảng 4.3: So sánh hệ số lực khí động tác động lên các mô hình cánh khảo sát . 64 Bảng 4.4: Bảng thông số kích thước hình học cánh khảo sát ............................. 65 Bảng 4.5: Hệ số lực khí động tác động lên cánh khảo sát .................................. 71 Bảng 4.6 thể hiện giá trị tính toán hệ số lực khí động tác động lên cánh khảo sát với ảnh hưởng của góc tấn và góc đặt mép đuôi khác nhau. .............................. 77 Bảng 4.6: Hệ số lực khí động tác động lên cánh khảo sát .................................. 77 Bảng 4.7: So sánh các hệ số lực khí động tác động lên cánh khảo sát ............... 77 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cấu tạo tổng thể thân vỏ máy bay dân dụng Boeing .......................... 15 Hình 1.2: Mô hình cánh và hệ trục tọa độ sử dụng trong nghiên cứu ................ 17 Hình 2.1: Sơ đồ các bước thực hiện tính toán mô phỏng số CFD đặc tính khí động học biên dạng cánh ..................................................................................... 33 Hình 2.2: Cánh 2D biên dạng CLARK-YH sử dụng trong nghiên cứu.............. 34 Hình 2.3: Hình dạng cánh 3D sử dụng trong nghiên cứu ................................... 34 Hình 2.4: Chia lưới cấu trúc miền không gian tính toán.................................... 35 Hình 2.5: Phân bố áp suất tại mặt cắt dọc tâm miền không gian tính toán khảo sát đặc tính khí động học biên dạng cánh Clark-YH .......................................... 36 Hình 2.6: Phân bố áp suât xung quanh cánh 3D, V=0.5m/s ............................... 37 Hình 2.7: Hệ số lực nâng tác động lên cánh khảo sát theo vận tốc .................... 38 Hình 3.1: Mô hình cánh biên dạng NACA64-212 sử dụng trong nghiên cứu .... 40 Hình 3.2: Miền không gian tính toán và chia lưới cấu trúc kiểu lưới H ............. 42 Hình 3.3: Giới hạn miền không gian tính toán và chia lưới ............................... 43 Hình 3.12: So sánh kết quả tính toán với kết quả tra cứu từ tài liệu tham khảo . 52 Hình 3.13: So sánh kết quả tính toán với kết quả tra cứu từ tài liệu tham khảo . 53 Hình 4.1: Mô hình cánh với biên dạng mép vào thay đổi, M1 ........................... 55 Hình 4.2: Mô hình cánh với biên dạng mép vào thay đổi, M1 ........................... 56 Hình 4.3: Mô hình cánh với biên dạng mép vào thay đổi, M2 ........................... 56 Hình 4.4: Hình ảnh chia lưới cấu trúc mô hình khảo sát M1 .............................. 57 Hình 4.5: Phân bố áp suất bao quanh cánh khảo sát M1, M2 tại góc tấn α=00, Re=106 ở cùng vị trí mặt cắt tương đồng nhau. .................................................. 58 Hình 4.6: Phân bố áp suất bao quanh cánh khảo sát M1, M2 tại góc tấn α=00, Re=106 ở cùng vị trí mặt cắt tương đồng nhau. .................................................. 59 Hình 4.7: Phân bố áp suất bao quanh cánh khảo sát M1, M2 tại góc tấn α=00, Re=106 ở cùng vị trí mặt cắt tương đồng nhau. .................................................. 59 Hình 4.8: Phân bố áp suất trên bề mặt cánh khảo sát M1, M2 tại góc tấn α=00, Re=106 ở cùng vị trí mặt cắt tương đồng nhau. .................................................. 60 9 Hình 4.9: Phân bố áp suất bao quanh cánh khảo sát M1, M2 tại góc tấn α=00, Re=106 ở cùng vị trí mặt cắt tương đồng nhau. .................................................. 61 Hình 4.10: Phân bố áp suất bao quanh cánh khảo sát M1, M2 tại góc tấn α=00, Re=106 ở cùng vị trí mặt cắt tương đồng nhau. .................................................. 62 Hình 4.11: Hệ số lực khí động tác động lên mô hình cánh khảo sát, Re=106 .... 63 Hình 4.13: Mô hình cánh với mép đuôi gắn thêm sử dụng trong khảo sát ......... 65 Hình 4.14: Miền không gian tính toán và chia lưới cánh khảo sát ..................... 66 Hình 4.15: Phân bố áp suất bao quanh cánh khảo sát tại góc đặt mép đuôi 0 độ, 5 độ trong miền không gian khảo sát ..................................................................... 67 Hình 4.16: Phân bố áp suất bao quanh cánh khảo sát tại góc đặt mép đuôi 10 độ, 30 độ và 50 độ trong miền không gian khảo sát ................................................. 68 Hình 4.17: Phân bố áp suất trên bề mặt cánh khảo sát tại các góc đặt mép đuôi khác nhau 0; 5; 10 độ. ......................................................................................... 69 Hình 4.18: Phân bố áp suất trên bề mặt cánh khảo sát tại các góc đặt mép đuôi khác nhau 20; 30; 50 độ. ..................................................................................... 70 Hình 4.19: Các hệ số lực khí động tác động lên cánh khảo sát theo góc đặt mép đuôi, tại Re=106 ................................................................................................... 72 Hình 4.20: Phân bố áp suất bao quanh cánh khảo sát với trường hợp góc đặt mép đuôi 0 độ, góc tấn 4 độ tại vận tốc khảo sát Re=106 ........................................... 73 Hình 4.21: Phân bố áp suất bao quanh cánh khảo sát với trường hợp góc đặt mép đuôi 0 độ, góc tấn 8 độ tại vận tốc khảo sát Re=106 ........................................... 74 Hình 4.22: Phân bố áp suất trên bề mặt cánh khảo sát với trường hợp góc đặt mép đuôi 0 độ, góc tấn 4 độ và 8 độ tại vận tốc khảo sát Re=106 ...................... 74 Hình 4.23: Phân bố áp suất bao quanh cánh khảo sát với trường hợp góc đặt mép đuôi và góc tấn khác nhau tại vận tốc khảo sát Re=106 ...................................... 75 Hình 4.24: Phân bố áp suất bao quanh cánh khảo sát với trường hợp góc đặt mép đuôi và góc tấn khác nhau tại vận tốc khảo sát Re=106 ...................................... 76 Hình 4.25: Hệ số lực khí động tác động lên cánh khảo sát với góc đặt mép đuôi và góc tấn khác nhau tại vận tốc khảo sát Re=106 .............................................. 78 9 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong quá trình tính toán thiết kế và khảo sát đặc tính khí động học cánh cũng như các phương tiện bay, phương tiện giao thông vận tải nói chung và các trang thiết bị sử dụng biên dạng cánh khí động học khác như bánh lái tàu thủy, hệ thống cánh ngầm, cánh dẫn trong hệ thống thủy lực... đặc tính khí động học của biên dạng vật thể có vai trò rất lớn trong các yếu tố tạo nên đặc tính khí động học chung cho hệ thống. Đối với các thiết bị lái, hướng dòng đặc tính khí động học này giúp điều khiển được các lực lái, lực nâng, lực cản tác động lên hệ thống. Các yếu tố lực khí động học tác động lên cánh, vật thể này là yếu tố rất quan trọng trong quá trình ứng dụng, khai thác thiết bị nói chung. Trong lĩnh vực hàng không, việc nghiên cứu thiết kế, sử dụng biên dạng cánh khí động đã được thực hiện rất kỹ càng và chi tiết. Đối với mỗi bộ phận khác nhau đều có sự phân tích đặc tính khí động học tương ứng để lựa chọn thiết kế. Hiện nay đối với các máy bay dân dụng hiện đại, nhiều biên dạng cánh khí động mới đã được nghiên cứu ứng dụng cho các hệ cánh máy bay, những biên dạng cánh mới này được thiết kế nhằm tạo ra các lực khí động tốt nhất có thể, tương ứng với vị trí ứng dụng cụ thể của nó. Nghiên cứu đặc tính khí động học cánh luôn là bài toán cần thiết trong cả quá trình thiết kế và khai thác máy bay cũng như xem xét mức độ ảnh hưởng của cánh đến hoạt động chung của máy bay trong quá trình khai thác. Trên cơ sở phân tích nghiên cứu vai trò quan trọng của đặc tính khí động học cánh nói chung. Đề tài này thực hiện các vấn đề nghiên cứu khảo sát các đặc tính khí động học của biên dạng cánh sử dụng trên máy bay dân dụng hiện đại. Trên cơ sở tính toán khảo sát đặc tính khí động học biên dạng cánh cụ thể, khảo sát sự ảnh hưởng của biên dạng cánh đến đặc tính khí động học cánh, các kết quả tính toán mô phỏng đặc tính khí động học biên dạng cánh sẽ được đưa ra và phân tích nhằm làm rõ ảnh hưởng của yếu tố hình dáng biên dạng cánh đến đặc tính khí động học cánh. Thông qua kết quả khảo sát này, có thể hữu ích trong các vấn đề thiết kế hình dáng khí động học vật thể chuyển động, cánh nói chung. Đồng thời giúp hiểu rõ hơn đặc tính khí động học biên dạng cánh sử dụng trên một số máy bay dân dụng hiện đại hiện nay. Trên cơ sở ứng dụng phần mềm tính toán mô phỏng số CFD, đề tài thực hiện các tính toán khảo sát đặc tính khí động học mô hình cánh với biên dạng cụ thể đã được sử dụng trên một số loại máy bay dân dụng đồng thời thực hiện một 11 số thay đổi biên dạng cánh này để tạo ra các biên dạng cánh khí động mới nhằm xem xét sự ảnh hưởng của yếu tố biên dạng đến đặc tính khí động học của cánh ban đầu. Kết quả khảo sát này có thể là cơ sở cần thiết trong vấn đề thiết kế hình dáng khí động học vật thể, cánh nói chung đồng thời nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng của biên dạng cánh đã có trong thực tế. 2. Lịch sử nghiên cứu Lĩnh vực nghiên cứu tính toán đặc tính khí động học biên dạng cánh đã được các nhà nghiên cứu thực hiện từ nhiều năm về trước. Đặc tính khí động học cánh được ứng dụng khá nhiều đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật hàng không, lĩnh vực thủy động lực học tàu thủy và các phương tiện vận chuyển trong môi trường chất lỏng nói chung. Cho đến nay việc tính toán đặc tính khí động học biên dạng cánh đã được thực hiện với nhiều công cụ tính toán mô phỏng hiện đại, việc tính toán khảo sát các đặc tính khí động học cánh đã trở lên khá thông dụng đối với các nhà nghiên cứu. Cùng với đó, các ứng dụng của đặc tính khí động học cánh trong các hệ thống kỹ thuật cũng đã được thực hiện rộng rãi. Việc tính toán, nghiên cứu khí động học cánh không chỉ dừng lại ở các nghiên cứu thực nghiệm mô hình hay tính toán mô phỏng cánh mà nghiên cứu liên quan này đã tiến đến các ứng dụng cụ thể, nghiên cứu phát triển hệ thống biên dạng cánh khí động mới, đặc biệt để thay đổi hay điều khiển được miền đặc tính khí động học của các loại biên dạng cánh khác nhau [1-27]. Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của các công cụ, phương tiện hỗ trợ tính toán số ra đời, tính toán động lực học chất lỏng CFD (Computation Fluid Dynamic) đã trở thành công cụ hữu dụng trong việc ước lượng, dự đoán đặc tính khí động học cánh cũng như phương tiện chuyển động nói chugn. CFD đã trở thành công cụ phổ biến được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng làm phương tiện hỗ trợ nghiên cứu đắc lực cho mình [6-20]. Úng dụng CFD trong nghiên cứu tính toán đặc tính khí động học biên dạng cánh đặc biệt, cũng như nhằm cải tiến các biên dạng cánh này để nâng cao miền ứng dụng đặc tính khí động học cho các biên dạng cánh khí động học trong thực tế lý thuyết cũng như ứng dụng trong thiết kế hệ thống hay cải tiến đặc tính khí động học cho các hệ thống hiện tại đang sử dụng là các vấn đề đặt ra trong đề tài nghiên cứu của luận văn này. 3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài là phân tích, đánh giá đặc tính khí động lực học tác động lên biên dạng cánh sử dụng trong lĩnh vực hàng không, thông qua sử dụng chương trình tính toán mô phỏng số CFD. Trên cơ sở tính toán phân 11 tích các đặc tính khí động học của biên dạng cánh này, đề tài nghiên cứu thực hiện một số nghiên cứu ảnh hưởng của biên dạng cánh đến đặc tính khí động học và khảo sát đặc tính một số biên dạng cánh đặc biệt so với biên dạng cánh ban đầu. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu khảo sát, đề tài thực hiện phân tích các kết quả đặc tính khí động học biên dạng cánh khác nhau để đưa ra những ưu nhược điểm và thay đổi trong đặc tính khí động học của biên dạng cánh này, nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng của các biện dạng cánh trong vấn đề ứng dụng nó trong thực tế cũng như các vấn đề liên quan đến đặc tính khí động học cánh khảo sát. Đối tượng nghiên cứu trong luận văn là biên dạng cánh khí động sử dụng trong hàng không, biên dạng cánh CLARK-YH, NACA64-212 là biên dạng cánh được lựa chọn làm biên dạng cánh ban đầu thực hiện nghiên cứu khảo sát. Đây là biên dạng cánh đã được đưa ra ứng dụng trong lĩnh vực hàng không, các kết quả nghiên cứu, tính toán đặc tính khí động học của biên dạng cánh này đã được khá nhiều tác giả và các tổ chức nghiên cứu trên thế giới đưa ra bao gồm cả lý thuyết tính toán và thực nghiệm. Tuy nhiên các kết quả đã công bố thường chỉ phù hợp với các trường hợp tính toán, khảo sát cụ thể với nghiên cứu đi kèm, các điều kiện khác, các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính khí động học cánh cũng như các điều kiện tính toán và thiết lập trong tính toán và thực nghiệm thường không được đề cập đến trong các công bố kết quả này. Trong luận văn này, với giới hạn về thời gian nghiên cứu cũng như các điều kiện nghiên cứu hiện có, vì vậy nội dung nghiên cứu của luận văn chỉ giới hạn việc nghiên cứu, khảo sát đặc tính khí động học cánh NACA64-212 tại một số điều kiện cụ thể, tương ứng với mục tiêu ứng dụng cụ thể đặt ra của nghiên cứu. Bài toán khảo sát được thực hiện dạng bài toán 2D trên cơ sở tính toán bài toán 3D cánh với chiều rộng cánh đồng nhất. Từ việc nghiên cứu khảo sát biên dạng cánh nguyên bản này, luận văn thực hiện nghiên cứu khảo sát một số biên dạng cánh đặc biệt, được xây dựng trên cơ sở biên dạng cánh ban đầu NACA64-212 nhằm đưa ra sự ảnh hưởng, thay đổi đặc tính khí động học của cánh so với ban đầu. Mục đích của nghiên cứu này nhằm thực hiện một số mục đích như: - Khảo sát cụ thể đặc tính khí động học biên dạng cánh NACA64-212 ở một số trường hợp tính toán cụ thể. - Nghiên cứu ảnh hưởng của biên dạng cánh đặc biệt đến đặc tính khí động học cánh. - Đánh giá sự thay đổi đặc tính khí động học của biên dạng cánh với biên dạng đặc biệt nhằm điều khiển đặc tính khí động học cho biên dạng cánh cũng như mở rộng dải đặc tính khí động học cho biên dạng cánh để ứng dụng trong thực tế kỹ thuật. 13 4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả Trong luận văn này, tác giả tiến hành nghiên cứu tổng quan về khí động học biên dạng cánh và bài toán tính toán, khảo sát đặc tính khí động học biên dạng cánh trong không gian 3D sử thông qua sử dụng công cụ phần mềm tính toán. Cụ thể là, khi thiết lập xong mô hình 3D tác giả đã sử dụng công cụ phần mềm thương mại để chia lưới và đưa vào phần mềm Ansys-Fluent để thiết lập các thông số đầu vào tính toán, điều kiện biên cho bài toán, từ đó thực hiện chạy mô phỏng số trên máy tính để xác định được các phân bố vận tốc, áp suất và các lực khí động tác động lên biên dạng cánh khảo sát. Trên cơ sở phân tích kết quả thu được từ việc tính mô phỏng các đặc tính khí động học tác động lên biên dạng cánh nguyên bản, tác giả đã đề xuất một số thay đổi hình dáng hình học cho biên dạng cánh ban đầu như thay đổi đầu vào cánh, thay đổi biên dạng trên thân cánh hay gắn thêm các mép phụ trên cánh, sử dụng phần mềm chuyên dụng thương mại CFD, Ansys-Fluent để mô phỏng đặc tính khí động học của biên dạng cánh mới và tiến hành đánh giá, so sánh với các kết quả đặc tính khí động học cánh ban đầu nhằm đánh giá biên dạng cánh mới theo đề xuất. Kết quả mô phỏng số đưa ra phân bố vận tốc, phân bố áp suất bao quanh biên dạng cánh khảo sát cũng như các thông số về lực khí động học tác động lên cánh. Đây là những kết quả quan trọng để sử dụng trong quá trình nghiên cứu ứng dụng, phân tích đặc tính khí động học và cải tiến biên dạng cánh khí động nói chung. Kết quả này nhằm sử dụng trong các tính toán thiết kế cánh khí động cũng như cải thiện đặc tính khí động học biên dạng cánh hay cải tiến đặc tính khí động học hệ thống cánh nói chung và hệ cánh sử dụng trong lĩnh vực hàng không nói riêng. 5. Phương pháp nghiên cứu Trong các nghiên cứu về đặc tính khí động lực học nói chung, các phương pháp nghiên cứu thường được sử dụng cho đến này gồm: phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mô hình trong các phòng thử nghiệm khí động học và phương pháp tính toán lý thuyết thuần túy. Bên cạnh đó, phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết với thực nghiệm mô hình cũng được các nhà nghiên cứu sử dụng. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học tính toán số và công cụ máy tính, phương pháp nghiên cứu sử dụng công cụ mô phỏng số đã được áp dụng phổ biến. Tuy nhiên việc sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số cần được thực hiện kết hợp chặt chẽ với lý thuyết tính toán và kinh nghiệm trong tính toán số để đảm bảo kết quả tính toán có độ tin cậy cao. 13 Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết truyền thống và tính toán mô phỏng số. Đây là phương pháp nghiên cứu phổ biến và hiện đại trên thế giới mà nhiều nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới hiện đang quan tâm, sử dụng làm công cụ nghiên cứu cho mình. Trên cơ sở nghiên cứu tài liệu, lý thuyết khí động học và tính toán mô phỏng số CFD, tác giả tiến hành mô hình hóa mô hình hình học biên dạng cánh khí động, thiết kế bài toán tính mô phỏng số khảo sát đặc tính khí động học cho biên dạng cánh 3D dạng bài toán 2D và sau đó thực hiện các công việc để mô phỏng số CFD trên máy tính. Kết quả thu được từ mô phỏng số được đánh giá và phân tích thông qua so sánh kết quả tính toán giữa các mô hình với nhau dựa trên kinh nghiệm tính toán và tài liệu nghiên cứu đã có trong phạm vi nghiên cứu liên quan của đề tài luận văn này. 15 Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của các ngành khoa học công nghệ trên thế giới, nhiều loại máy bay dân dụng hiện đại đã được sản xuất. Trong những năm gần đây, các thế hệ máy bay dân dụng hiện đại Boeing như B777, B787 đã được đưa vào khai thác sử dụng trên thế giới cũng như ở nước ta. Đối với các thế hệ máy bay hiện đại này, các thiết kế trang thiết bị khí tài sử dụng đã có những bước phát triển đáng kể nhằm tối ưu hóa chất lượng cho máy bay. Một trong những vấn đề có thể thấy đối với các thế hệ máy bay dân dụng hiện đại là hình dáng khí động học đã được thiết kế đặc biệt tối ưu so với các thế hệ máy bay trước đây. Trên máy bay các thiết kế khí động học được thể hiện qua hình dáng thân tổng thể, các biên dạng cánh khác nhau. Trong luận văn này, tác giả đề cập nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động học của biên dạng cánh đặc biệt trên máy bay trên cơ sở khảo sát bài toán cánh 2D. Hình 1.1: Cấu tạo tổng thể thân vỏ máy bay dân dụng Boeing 15 Nghiên cứu về đặc tính khí động học cánh đã được thực hiện từ nhiều năm trước, đến nay đã có khá nhiều thành tựu liên quan [1-27]. Hệ thống tra cứu thông số đặc tính khí động học cánh đã phát triển khá rộng, có nhiều công cụ và tài liệu tra cứu thông số biên dạng cánh liên quan công khai trên [22, 25, 27]. Vấn đề nghiên cứu ứng dụng trong các hệ thống khí động học và chuyển động của phương tiện nói chung đã và đang được thực hiện. Việc nghiên cứu đặc tính khí động học cánh nói cung và ứng dụng trong các điều kiện thực tế khai thác, sử dụng đến nay vẫn còn là vấn đề cần thiết phải nghiên cứu. Đặc tính khí động học cánh trong mỗi trường hợp cụ thể là thay đổi khác nhau và có điều kiện ứng dụng cụ thể riêng. Chính vì vậy với mỗi trường hợp riêng cần thiết phải có nghiên cứu tính toán riêng cho truờng hợp ứng dụng đó [6-20]. Đặc tính khí động của biên dạng cánh được đặc trưng với nhiều yếu tố khác nhau như phân bố áp suất, vận tốc trên biên dạng cánh khảo sát, các lực khí động tác động lên cánh, nhiễu loạn dòng, xoáy, vùng rối bao quanh cánh. Trong mỗi nghiên cứu việc khảo sát nghiên cứu các đặc tính khí động cụ thể được thực hiện khác nhau. Ứng dụng các đặc tính này trong nghiên cứu tìm ra những tác dụng để mang lại lợi ích về đặc tính khí động học cánh cũng khác nhau. Một số nghiên cứu liên quan về đặc tính khí động học cánh và ứng dụng trong các hệ thống kỹ thuật có thể kể đến như: Chang. C cùng cộng sự, (2015) nghiên cứu đặc tính khí động học biên dạng cánh với đuôi cánh thay đổi thông qua sử dụng phương pháp số. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã ứng dụng công cụ tính toán mô phỏng số để khảo sát đặc tính khí động học của biên dạng cánh với phần gắn thêm mép cánh nhằm tạo ra biên dạng cánh mới có đặc tính khí động học tốt hơn. Biên dạng cánh Naca634-021 được ứng dụng trong nghiên cứu, từ đây bằng việc thay đổi mép vào và ra của biên dạng cánh nhóm nghiên cứu thực hiện tính toán mô phỏng để đưa ra những thay đổi do ảnh hưởng của hình dạng cánh đặc biệt này đến đặc tính thủy động học cánh. Nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hưởng của mép cánh và sự thay đổi đặc tính khí động của biên dạng cánh đặc biệt theo hướng phát triển này. Frank E. Fish cùng cộng sự, (2008) nghiên cứu khả năng điều chỉnh dòng chảy bao quanh thân các động vật dưới nước di chuyển tốc độ cao trong môi trường biển. Trong nghiên cứu này nhóm nghiên cứu thực hiện một số tính toán mô phỏng thủy sinh vật tương đương với các biên dạng cánh khí động tương ứng dựa trên nguyên tắc phỏng sinh vật tương ứng với hình dáng thân, vây của động vật. Từ các nghiên cứu mô phỏng đưa ra sự thay đổi về cấu trúc dòng chảy cũg như các đặc tính thủy khí động lực học tác động lên mô hình. Kết quả nghiên cứu cho thấy mức độ ảnh hưởng khác nhau của hình dáng, cấu trúc hình học vật thể như thân, vây đến quá trình điều khiển dòng để nâng cao hiệu suất đi chuyển trong môi trường hoạt động của cánh nói chung. Nghiên cứu đã chỉ ra 17 mức độ phù hợp cũng như những khả năng đặc biệt đối với các hình dạng vây, cánh khác nhau của sinh vật đến đặc tính thủy động lực học của cánh tạo ra. Ngo.VH cùng cộng sự, (2015), Chainani. A cùng cộng sự, (2008), Ch. Hakansson cùng cộng sự, (2010), K. Salari cùng cộng sự, (2013), K. Miztani cùng cộng sự, (2014) nghiên cứu đặc tính khí động học của phương tiện chuyển động, các tác giả này tập trung nghiên cứu, phân tích đặc tính khí động học của xe ô tô, tàu thủy và ảnh hưởng của hình dáng thân vỏ đến đặc tính khí động học xe. Các nghiên cứu cho thấy rõ sự ảnh hưởng của hình dáng hình học đến các đặc tính khí động học xe ô tô. Đây có thể là một trong những nghiên cứu cụ thể ứng dụng đặc tính khí động học biên dạng cánh trong thực tế kỹ thuật. Trong nghiên cứu khác như Lan E.CT cùng cộng sự, (2003), nghiên cứu các đặc tính khí động học máy bay và cải tiến đặc tính khí động học máy bay nhằm nâng cao hiệu khả năng tạo lực nâng cho máy bay trong điều kiện khảo sát. Tác giả, GMR. Gandert cùng cộng sư, (2008), nghiên cứu ảnh hưởng của biên dạng hình học đến đặc tính khí động học và phát triển mép cánh khí động dưới cánh nhằm tạo ra đặc tính khí động học cánh tốt hơn. Hình 1.2: Mô hình cánh và hệ trục tọa độ sử dụng trong nghiên cứu 1.2. Khái niệm khí động lực học Khí động lực học là môn học nghiên cứu về dòng chảy của chất khí, được nghiên cứu đầu tiên bởi George Cayley vào thập niên 1800. "Khí động học" là một nhánh của động lực học chất lưu nghiên cứu chuyển động của không khí, đặc biệt là khi nó tương tác với một đối tượng di chuyển. Khí động học đã thường được sử dụng đồng nghĩa với khí động lực, với sự khác biệt là khí động 17 lực áp dụng đối với dòng chảy nén. Tìm hiểu về sự chuyển động của không khí (thường được gọi là một trường dòng chảy) xung quanh một đối tượng cho phép tính toán các lực, mô men lực tác động lên đối tượng. Giải pháp cho các vấn đề khí động lực học dẫn đến các tính toán về tính chất khác nhau của dòng chảy, như vận tốc, áp suất, mật độ và nhiệt độ, như là các hàm của không gian và thời gian. Khi hiểu được các tính chất này của chất khí, người ta có thể tính toán chính xác hay xấp xỉ các lực và các mômen lực lên hệ thống dòng chảy. Việc sử dụng khí động học thông qua phân tích toán học, xấp xỉ thực nghiệm và gió đường hầm thử nghiệm là cơ sở khoa học. Khí động học có thể được chia thành hai loại như khí động học bên ngoại biên và khí động học nội biên. Khí động học ngoại biên về cơ bản là nghiên cứu về dòng chảy xung quanh các vật thể rắn hình dạng khác nhau. Đánh giá thang máy, máy bay, dòng chảy của không khí qua một lưỡi tuabin gió hay sóng xung kích hình thành ở phía trước mũi của một tên lửa là ví dụ về khí động học ngoại biên. Khí động học nội biên bao gồm việc nghiên cứu các luồng không khí thông qua một động cơ phản lực hoặc thông qua một đường ống điều hòa không khí [1-5, 22-25]. Khí động lực học cũng có thể được phân loại theo tỉ số vận tốc của dòng chảy so với vận tốc âm thanh. Môn học được xem là dưới vận tốc âm thanh nếu các vận tốc đều nhỏ hơn vận tốc âm thanh là siêu thanh, và cực siêu thanh nếu vận tốc nhanh hơn vận tốc âm thanh nhiều lần. Các vấn đề này được nghiên cứu sâu hơn đối với các lĩnh vực hàng không vũ trụ. 1.3. Một số phương trình khí động học cơ bản Trong tính toán động lực học chất lỏng CFD, các phương trình cơ bản được sử dụng và giải theo các phương pháp cụ thể khác nhau. Trong công cụ mô phỏng số Ansys-Fluent phương pháp phần tử thể tích được sử dụng để thực hiện giải bài toán. Trong phần này, một số phương trình cơ bản sử dụng trong tính toán động lực học chất lỏng CFD được giới thiệu [1-4, 22-25]. - Phương trình liên tục: Phương trình liên tục của dòng chảy được viết trên cơ sở các định luật bảo toàn khối lượng, phương trình liên tục là một dạng của định luật bảo toàn khối lượng. Phương trình liên tục đạng tổng quát thu gọn được viết như sau [1, 2, 3]: Trong đó: 1 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝜌𝜌 𝑑𝑑𝑑𝑑 + 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑢𝑢 �⃗ = 0 ρ là khối lượng riêng của chất lỏng đang xét u là vận tốc của dòng chảy Dạng khác của phương trình liên tục có thể viết dưới dạng sau: (1.1)