Tài liệu Thiết kế và chế tạo mô hình dòng chảy qua cánh

-i- LỜI CẢM ƠN

 Thông qua thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đề tài, nhóm không những được củng cố mà còn hiểu biết nhiều hơn về lượng kiến thức mình đã được học tại trường. Đây là mảng đề tài còn khá mới lạ, chính vì vậy trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài đã gặp không ít những khó khăn. Sau đây nhóm xin gửi lời cảm ơn đến các thầy (cô) cùng tập thể đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện đề tài. Trước hết nhóm xin chân thành cảm ơn Thầy Th.S Lê Nguyễn Anh Vũ giáo viên giảng dạy môn học Cơ học chất lỏng thuộc Bộ môn Cơ học - Vật liệu, Khoa Kỹ thuật tàu thủy – trường Đại học Nha Trang đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để giúp đỡ nhóm trong quá trình nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành đề tài này. Tiếp theo nhóm xin chân thành cảm ơn cơ sở cơ khí Phúc Thành, số 1.01 đường 23/10 – Nha Trang đã giúp đỡ nhóm trong việc chế tạo mô hình. Nhóm cũng gửi lời cảm ơn đến các thầy (cô) khoa Kỹ thuật tàu thủy đặc biệt là các thầy thuộc bộ môn Cơ học - Vật liệu đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và trang thiết bị trong quá trình thực hiện đề tài. Cuối cùng nhóm xin chân thành cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ và giúp đỡ nhóm. Một lần nữa nhóm xin thành thật tri ân sự giúp đỡ, sự hỗ trợ động viên quý báu của tất cả mọi người. Xin trân trọng cảm ơn! Nha Trang, tháng 07 năm 2011 NHÓM TÁC GIẢ TRẦN HUỲNH ĐỆ & LƯU MINH KHÁNH - ii - LỜI NÓI ĐẦU Cơ học lưu chất tuy là môn học cơ sở nằm trong chương trình đào tạo của ngành đóng tàu xong lại có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với sinh viên Khoa Kỹ thuật tàu thủy nói riêng và đại học Nha Trang nói chung. Không những mang tính chất là môn học nền tảng cho các mộn học chuyên ngành; cơ chất lỏng còn cung cấp một lượng kiến thức không nhỏ đủ để giúp các sinh viên thực hiện những nghiên cứu khoa học có liên quan đến môn học này, từ đó nâng cao hơn nữa vai trò của môn học. Là môn học có vai trò hết sức quan trọng tuy nhiên, những kiến thức về thực nghiệm lại quá ít so với lượng lý thuyết được cung cấp. Giải pháp thích hợp nhất là phải tăng cường tìm hiểu, nghiên cứu, thực hiện những mô hình cũng như tiến hành thí nghiệm về cơ học lưu chất hay cụ thể hơn là những thí nghiệm về các hiện tượng của dòng chảy, về lớp biên và hiện tượng tách lớp biên, về các cơ chế chuyển tiếp của dòng chảy,... Chính vì vậy, để lấp những khoảng trống về kiến thức thực tế của môn học cũng như giúp các sinh viên hiểu rõ hơn những tính chất định tính về sự chuyển động của chất lỏng cộng với lượng kiến thức và kinh nghiệm có được qua 4 năm ngồi trên ghế nhà trường nhóm đi đến quyết định thực hiện đề tài tốt nghiệp với nội dung: “Thiết kế và chế tạo mô hình dòng chảy qua cánh”. Đề tài được thực hiện gồm 5 nội dung chính: Chương 1: Đặt vấn đề. Chương 2: Tổng quan về mô hình dòng chảy qua cánh. Chương 3: Cơ sở lý thuyết. Chương 4: Thiết kế và chế tạo mô hình. Chương 5: Thí nghiệm và hiệu chỉnh. Chương 6: Nhận xét và đề xuất ý kiến. Nha Trang, tháng 07 năm 2011 Nhóm tác giả Trần Huỳnh Đệ & Lưu Minh Khánh - iii - MỤC LỤC

 Trang LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... ii MỤC LỤC................................................................................................................ iii CÁC KÝ HIỆU ...................................................................................................... viii PHỤ LỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ ..................................................................................x PHỤ LỤC BẢNG VẼ................................................................................................x PHỤ LỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... xi CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................1 1.1. LÝ DO THƯC HIỆN ĐỀ TÀI .............................................................................1 1.2. MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................1 1.2.1. Mục đích và ý nghĩa đề tài ..........................................................................1 1.2.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................2 1.3. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ..........................................................................................2 1.4. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU VÀ BỐ CỤC NỘI DUNG ......................................3 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài .....................................................3 1.4.2. Bố cục nội dung đề tài .................................................................................3 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH DÒNG CHẢY QUA CÁNH ...............................................................................................................5 2.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH ĐÃ THỰC HIỆN Ở NƯỚC TA................5 2.1.1. Mô hình dòng đường hầm khói (TN1) ........................................................5 2.1.1.1. Tổng quan về mô hình ........................................................................5 2.1.1.2. Kích thước mô hình dòng khí. ............................................................6 2.1.1.3. Các thiết bị và dụng cụ thí nghiệm .....................................................7 - iv - 2.1.1.4. Kết quả thí nghiệm............................................................................10 2.1.1.5. Nhận xét về mô hình TN1.................................................................12 2.1.2. Mô hình dòng chất lỏng qua cánh (TN2) ..................................................12 2.1.2.1. Tổng quan về mô hình. ....................................................................12 2.1.2.2. Nhận xét về mô hình TN2.................................................................14 2.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH ĐÃ THỰC HIỆN TRÊN THẾ GIỚI.......14 2.2.1. Mô hình dòng chảy trong kênh hở (TN3).................................................15 2.2.1.1. Tổng quan về mô hình ......................................................................15 2.2.1.2. Nhận xét về mô hình TN3.................................................................16 2.2.2. Mô hình đường hầm nước (TN4) ..............................................................18 2.2.2.1. Giới thiệu tổng quan .........................................................................18 2.2.2.2. Giới thiệu các mô hình nằm trong Seri mô hình TN4 ......................20 2.2.2.3. Nhận xét mô hình TN4 .....................................................................21 2.3. MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG(TN5) ..23 2.3.1. Tổng quan về thiết bị thí nghiệm thủy lực đại cương (TLĐC) .................23 2.3.2. Các kích thước và thông số của thiết bị thí nghiệm TLĐC.......................24 2.3.3. Nhận xét.....................................................................................................25 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................26 3.1. CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỎNG............................................................26 3.2. LÝ THUYẾT VỀ DÒNG CHẢY ......................................................................28 3.2.1. Các yếu tố mô tả dòng chất lỏng ...............................................................28 3.2.1.1. Quỹ đạo, đường dòng........................................................................28 3.2.1.2. Dòng nguyên tố, dòng chảy ..............................................................28 3.2.2. Chuẩn số Reynold và sự chuyển hóa từ chảy tầng sang chảy rối..............29 3.2.2.1. Hiện tượng chảy đều tầng .................................................................29 3.2.2.2. Hiện tượng chảy cuộn xoáy (chảy rối)..............................................30 3.2.3. Đặc trưng của dòng lưu chất qua vật thể ...................................................31 3.3. CÁC PHƯƠNG TRÌNH DÒNG CHẢY ...........................................................32 -v- 3.3.1. Phương trình liên tục đối với chất lỏng không nén ...................................32 3.3.2. Phương trình Bernoulli của dòng chảy......................................................33 3.3.2.1. Phương trình Bernoulli đối với chất lỏng lý tưởng...........................33 3.3.2.2. Phương trình Bernoulli đối với chất lỏng thực dòng chảy ổn định ..34 3.4. LÝ THUYẾT LỚP BIÊN ..................................................................................35 3.4.1. Khái niệm và phân loại..............................................................................35 3.4.1.1. Khái niệm..........................................................................................35 3.4.1.2. Phân loại lớp biên..............................................................................35 3.4.2. Sự phát triển của lớp biên ..........................................................................36 3.4.3. Phương trình chuyển động của chất lỏng thực bên trong lớp biên............37 3.5. LÝ THUYẾT CÁNH .........................................................................................39 3.5.1. Các đặc trưng hình học ..............................................................................39 3.5.2. Các đặc trưng thủy động lực học...............................................................40 3.5.3. Giới thiệu cánh NACA và chương trình vẽ cánh ......................................42 3.5.3.1. Khái niệm..........................................................................................42 3.5.3.2. Các thông số hình học và phương trình 4 chữ số của cánh NACA ..43 3.5.3.3. Phương trình cánh NACA với 4 chữ số............................................43 3.5.3.4. Giới thiệu về chương trình vẽ cánh NACA ......................................45 3.6. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG CHẤT LỎNG TRONG KÊNH HỞ ...........46 3.6.1. Định nghĩa dòng chảy ổn định trong kênh hở ...........................................46 3.6.2. Các yếu tố thủy lực của dòng chảy trong kênh hở ....................................47 3.6.3. Cơ sở tính toán, thiết kế kênh nước...........................................................49 3.6.3.1. Điều kiện để dòng chảy ổn định trong kênh .....................................49 3.6.3.2. Các công thức xác định vận tốc và lưu lượng dòng chảy trong kênh nước ........................................................................................................................49 3.6.3.3. Các yếu tố thủy lực của mặt cắt ướt trong kênh ...............................51 3.6.3.4. Mặt cắt ướt có lợi nhất về thủy lực của kênh....................................52 3.6.3.5. Thiết kế kênh.....................................................................................52 3.7. CÁC TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG (TƯƠNG TỰ) ........................................53 - vi - 3.7.1. Định nghĩa đồng dạng (tương tự) ..............................................................53 3.7.2. Xác định các tiêu chuẩn tương tự ..............................................................53 3.7.3. Các tiêu chuẩn tương tự thuỷ động lực .....................................................54 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MÔ HÌNH ..............................................55 4.1. Ý NGHĨA CỦA VIỆC CHỌN THIẾT KẾ VỚI DÒNG CHẤT LỎNG ...........55 4.2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ...........................................................55 4.2.1. Phương án lựa chọn mô hình áp dụng .......................................................55 4.2.2. Phương án thiết kế và chế tạo....................................................................56 4.3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KÊNH NƯỚC ........................................................57 4.3.1. Thiết kế kênh nước với dòng chảy ổn định đều tầng ................................57 4.3.1.1. Thiết kế kênh cho khu vực thí nghiệm..............................................57 4.3.1.2. Thiết kế kênh cho khu vực thượng lưu và vùng chuyển tiếp............60 4.3.1.3. Thiết kế kênh cho khu vực hạ lưu.....................................................61 4.3.1.4. Vị trí cánh trong kênh .......................................................................62 4.3.1.5.Kích thước tổng quát của kênh ..........................................................63 4.3.2. Chế tạo kênh nước .....................................................................................64 4.4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ PHỤC VỤ THÍ NGHIỆM ................66 4.4.1. Quy trình thiết kế - chế tạo cánh ...............................................................66 4.4.2. Thiết bị tạo tia màu....................................................................................71 4.4.3. Cơ cấu điều chỉnh góc cánh.......................................................................75 4.4.4. Thiết bị điều chỉnh lưu tốc và nguồn cấp ..................................................77 4.4.4.1. Thiết bị điều chính lưu tốc ................................................................77 4.4.4.2. Thiết bị xả và cấp nước cho dòng .....................................................77 4.4.5. Thiết bị lọc bẩn và làm giảm rối................................................................79 4.4.6. Bảng tổng hợp các thông số mô hình ........................................................80 CHƯƠNG 5: THÍ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH .................................................81 5.1. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM .............................................................................81 - vii - 5.1.1. Mục đích và yêu cầu thí nghiệm................................................................81 5.1.2. Công cụ và thiết bị thí nghiệm cần chuẩn bị .............................................81 5.1.3. Tiến hành thí nghiệm.................................................................................83 5.2. NHẬN XÉT KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ............................................................85 5.2.1. Nhận xét chung về đặc trưng dòng chảy khi gặp cánh..............................85 5.2.2. Ảnh hưởng của hình dạng vật thể đến đặc trưng dòng chảy .....................86 5.2.3. Ảnh hưởng của góc tới đến đặc trưng dòng chảy......................................88 5.3. HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH ..................................................................................90 5.3.1. Điều chỉnh cửa xả ......................................................................................90 5.3.2. Thay đổi vị trí cánh....................................................................................91 5.3.3. Tăng vận tốc dòng chảy.............................................................................92 5.4. BẢNG TỔNG HỢP CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH ..........................................93 CHƯƠNG 6: NHẬN XÉT VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN .............................................94 6.1. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI.................................................94 6.1.1. Thành công đạt được .................................................................................94 6.1.1.1. Thành công về phương pháp nghiên cứu..........................................94 6.1.1.2. Thành công về mặt thiết kế và chế tạo..............................................94 6.1.1.3. Thành công trong việc mô phỏng .....................................................96 6.1.2. Những tồn tại và hạn chế...........................................................................96 6.2. Ý KIẾN ĐỀ XUẤT............................................................................................97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................999 TÓM TẮT TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỂ TÀI ..............................................101 - viii - CÁC KÝ HIỆU A Diện tích mặt cắt ướt của kênh B Chiều rộng mặt thoáng kênh b,c Chiều dày và chiều dài cánh NACA C Hệ số Chezy Cf ,Cx Lực cản và hệ số lực cản của cánh đối với dòng chảy Cy Hệ số lực nâng của cánh Cm Hệ số mômen của cánh D Kích thước vật thể có dòng chảy đi qua i Độ dốc đáy kênh K Môđun lưu lượng k Hệ số phụ thuộc vào độ nhám thành kênh g Gia tốc trọng trường trong chất lỏng g = 9,81m/s2 h Chiều cao mặt thoáng chất lỏng trong kênh nước m Độ cong lớn nhất của cánh (chữ số thứ nhất trong 4 chữ số) n Hệ số nhám thành kênh Re Hệ số Reynolds P Chu vi mặt cắt ướt α Góc thể hiện độ dốc đáy kênh/ đối với cánh là góc tới λ l2 Độ dang tương đối của cánh: λ = S t Chiều dày tương đối biên dạng cánh t = V∞ Vận tốc dòng vào r 2 Bán kính vòng tròn cạnh trước cánh r = 1,1019t p Vị trí của độ cong lớn nhất(chữ số thứ hai trong 4 chữ số) R Bán kính thủy lực t Thời gian t max b - ix - u, V Vận tốc phân tố và vận tốc trung bình dòng lưu chất ytb Đường trung bình của cánh δ Bề dày lớp biên ρ Khối lượng riêng của lưu chất. ν Hệ số nhớt động học của lưu chất. µ Hệ số nhớt động lực học của lưu chất p Áp suất của lưu chất tại dòng chảy bên trong lớp biên. -x- PHỤ LỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ Bảng 2.1: Thông số chính của mô hình đường hầm nước. .......................................20 Sơ đồ 4.1: Sơ đồ thiết kế - chế tạo mô hình ..............................................................56 Sơ đồ 4.2: Sơ đồ quy trình thiết kế - chế tạo cánh NACA........................................66 Bảng 4.1: Bảng tổng hợp thông số sơ bộ mô hình....................................................80 Bảng 5.1: Ảnh hưởng của hình dạng vật thể đến đặc trưng dòng chảy ....................80 Bảng 5.2: Ảnh hưởng của góc tới đến đặc trưng dòng chảy.....................................90 Bảng 5.3: Bảng tổng hợp các thông số và tính năng mô hình ..................................93 PHỤ LỤC BẢN VẼ Bảng vẽ 1: Bảng vẽ 2D thể hiện các kích thước của mô hình ............... Kèm luận văn Bảng vẽ 2: Bảng vẽ 3D thể hiện hình dạng của mô hình....................... Kèm luận văn - xi - PHỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Mô hình dòng khói –Đại học Bách Khoa TP HCM ...................................6 Hình 2.2: Kích thước phần thí nghiệm mô hình dòng khí. ........................................6 Hình 2.3: Kích thước tổng thể mô hình dòng khí .......................................................7 Hình 2.4: Cánh NACA 2412.......................................................................................8 Hình 2.5: Tọa độ cánh NACA 2412 ...........................................................................8 Hình 2.6: Kích thước biên dạng profin cánh NACA 2412 .........................................9 Hình 2.7: Các dạng vật cản khác được sử dụng cho mô hình dòng khí......................9 Hình 2.8: Thiết bị thổi và tạo khí màu ......................................................................10 Hình 2.9: Đồ thị xác định vận tốc dòng chảy............................................................10 Hình 2.10: Hình ảnh dòng khí qua cánh NACA 2412 ..............................................11 Hình 2.11: Hình ảnh dòng khí qua khối trụ tròn.......................................................12 Hình 2.12: Mô hình dòng chất lỏng qua cánh 2D....................................................13 Hình 2.13: Thiết bị điều chỉnh lưu tốc ......................................................................14 Hình 2.14: Mô hình dòng chảy trong kênh hở ..........................................................16 Hình 2.15: Thí nghiệm của mô hình với cánh 2412. ................................................17 Hình 2.16: Thí nghiệm của mô hình với biên dạng trụ tròn ....................................17 Hình 2.17: Mô hình đường hầm nước thế hệ 0710 ...................................................18 Hình 2.18a: Cửa quan sát từ khu vực hạ lưu.............................................................19 Hình 2.18b: Thay đổi góc tới ....................................................................................19 Hình 2.19: Thiết bị thay đổi góc tới rất chính xác ....................................................19 Hình 2.20: Thiết bị điều chỉnh lưu tốc. .....................................................................20 Hình 2.21: Tổng thể mô hình đường hầm nước thế hệ 2436. ...................................21 Hình 2.22: Thử nghiệm dòng qua cánh của mô hình đường hầm nước ...................21 Hình 2.23: Thử nghiệm dòng qua xilanh. .................................................................22 Hình 2.24: Thử nghiệm dòng qua mô hình máy bay. ...............................................22 Hình 2.25: Cấu tạo của thiết bị thí nghiệm TLĐC....................................................24 Hình 3.1:Quỹ đạo của phần tử chất lỏng ..................................................................28 Hình 3.2: Đường dòng của chất lỏng. .......................................................................28 - xii - Hình 3.3: Dòng chảy trong ống.................................................................................29 Hình 3.4: Hiện tượng chảy đều tầng .........................................................................29 Hình 3.5: Hiện tượng chảy rối ..................................................................................30 Hình 3.6: Dòng lưu chất qua vật cản ........................................................................31 Hình 3.7: Dòng khí chuyển động qua cánh buồm và qua mũi của máy bay (mô phỏng bằng phần mềm FLUENT) .....................................................................32 Hình 3.8: Đặt trưng dòng chảy qua giàn khoan ........................................................32 Hình 3.9: Xét dòng chảy trong đoạn ống ..................................................................33 Hình 3.10: Nguyên tố chất lỏng chuyển động trên đoạn ∆s .....................................33 Hình 3.11: Biểu đồ đường năng đối với dòng chảy lý tưởng và thực.......................34 Hình 3.12: Lớp biên trên bề mặt rắn. ........................................................................35 Hình 3.13: Hình thành lớp biên đối với dòng chảy qua tấm phẳng. .........................36 Hình 3.14: Lớp biên được tách thành 2 phần khi tiếp xúc vật thể ............................37 Hình 3.15: Hình ảnh minh họa cho phương trình Navier – Stokes ..........................37 Hình 3.16: Kí hiệu các thông số của cánh.................................................................39 Hình 3.17: Lực nâng và mômen tác dụng lên cánh chuyển động trong lưu chất .....41 Hình 3.18: Đồ thị quan hệ giữa hệ số lực nâng và hệ số lực cản của cánh với góc tới và số Re .....................................................................................................................42 Hình 3.19: Thông số hình học của cánh NACA .......................................................43 Hình 3.20: Các thông số của phương trình 4 chữ số.................................................44 Hình 3.21: Profin cánh đối xứng 0020......................................................................44 Hình 3.22: Profin cánh cong NACA 2412................................................................45 Hình 3.23: Chương trình thiết kế cánh DESIGNFOIL_R6_DEMO ........................46 Hình 3.24:Dòng chảy trên sông và mặt cắt ướt của dòng chảy ................................47 Hình 3.25:Ký hiệu kích thước mặt cắt ướt hình thang cân và hình tròn...................47 Hình 3.26: Phân bố vận tốc trong ống ......................................................................48 Hình 3.27: Kênh có mặt cắt ướt hình thang cân .......................................................51 Hình 4.1: Kích thước mặt cắt ngang của kênh..........................................................59 Hình 4.2: Sự kéo giãn các lớp chất lỏng khi MCN hẹp dần .....................................61 - xiii - Hình 4.3: Kích thước khu vực thượng lưu và vùng chuyển tiếp...............................61 Hình 4.4: Kích thước khu vực hạ lưu........................................................................62 Hình 4.5: Vị trí của cánh trong kênh.........................................................................63 Hình 4.6: Phát thảo kích thước tổng thể kênh nước..................................................63 Hình 4.7: Mô phỏng 3D kênh nước ..........................................................................64 Hình 4.8: Thép tấm dùng chế tạo kênh .....................................................................64 Hình 4.9: Uốn thép để chế tạo kênh..........................................................................65 Hình 4.10: Liên kết mica vào thép ............................................................................65 Hình 4.11: Làm kín nước ..........................................................................................65 Hình 4.12: Hoàn thiện kênh nước .............................................................................66 Hình 4.13: chương trình thiết kế cánh NACA ..........................................................66 Hình 4.14: Thiết kế biên dạng profin cánh bằng chương trình DESIGNFOIL_R6_DEMO.......................................................................................68 Hình 4.15: Biên dạng profin cánh NACA 6320........................................................68 Hình 4.16: Kích thước cánh NACA 6320.................................................................69 Hình 4.17: Mô phỏng 3D cánh NACA 6320 ............................................................69 Hình 4.18: Phôi nhựa – chế tạo cánh ........................................................................70 Hình 4.19: Gia công cánh..........................................................................................70 Hình 4.20: Dưỡng mẫu để kiểm tra độ chính xác .....................................................70 Hình 4.21: Hoàn thiện cánh NACA ..........................................................................71 Hình 4.22:Bình chứa mực .........................................................................................71 Hình 4.23:Ống dẫn và thiết bị điều chỉnh lưu lượng mực ........................................72 Hình 4.24: Kích thước kim mực ...............................................................................72 Hình 4.25: Chế tạo xong kim mực ............................................................................73 Hình 4.26a: Kích thước cơ cấu cố định và di chuyển kim mực................................73 Hình 4.26b: Kích thước cơ cấu cố định và di chuyển kim mực ...............................74 Hình 4.27: Mô phỏng kết cấu cố định và di chuyển kim mực..................................74 Hình 4.28: Chế tạo cơ cấu cố định và di chuyển kim mực .......................................75 Hình 4.29: Vòng chia độ thay đổi góc cánh..............................................................76 - xiv - Hình 4.30: Các thanh mica dùng để cố định và thay đổi góc cánh...........................76 Hình 4.31: Van điều chỉnh lưu tốc ............................................................................77 Hình 4.32: Cửa vào và cửa xả ...................................................................................77 Hình 4.33: Hệ thống ống dẫn ....................................................................................78 Hình 4.34: Bơm cấp ..................................................................................................78 Hình 4.35: Van xả nước khi kết thúc thí nghiệm......................................................79 Hình 4.36a: Lọc ở cửa vào ........................................................................................79 Hình 4.36b: Lọc và giảm rối .....................................................................................79 Hình 4.37: Hoàn thiện mô hình.................................................................................80 Hình 5.1: Tổng thể mô hình thiết kế .........................................................................81 Hình 5.2: Hệ thống tạo tia màu .................................................................................82 Hình 5.3: Các vật thể được sử dụng..........................................................................82 Hình 5.4: Hệ thống van và ống dẫn ..........................................................................83 Hình 5.5: Thí nghiệm với cánh NACA 0020............................................................85 Hình 5.6: Thí nghiệm với cánh NACA 6320............................................................86 Hình 5.7: Thí nghiệm với cánh NACA 6720............................................................87 Hình 5.8: Thí nghiệm với cánh NACA 9816............................................................87 Hình 5.9: Thí nghiệm với vật thể có hình trụ tròn ....................................................87 Hình 5.10: Thí nghiệm với cánh NACA 0020 ở 200 ................................................89 Hình 5.11: Thí nghiệm với cánh NACA 0020 ở -200 ...............................................89 Hình 5.12: Hiệu chỉnh cửa xả ...................................................................................91 Hình 5.13: Hiệu chỉnh cơ cấu cố định và di chuyển cánh. .......................................92 Hình 5.14: Hiệu chỉnh chiều cao mặt thoáng............................................................92 Hình 6.1: Kết cấu thiết bị dẫn mực ...........................................................................95 Hình 6.2: Cơ cấu góc xoay........................................................................................95 -1- CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Cơ học chất lỏng là môn học quan trọng trong ngành vật lý học đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Vì vậy, cần phải có những mô hình thí nghiệm về các hiện tượng chuyển động của chất lỏng, về các tính chất của dòng chảy nhằm giúp mọi người có cái nhìn trực quan hơn về sự chuyển động của chất lỏng cũng như hiểu rõ hơn về vai trò quan trọng của môn học này. Mặt khác, khi nghiên cứu về các hiện của dòng chảy cũng như các đặc tính của chất lỏng nhóm có thêm những kiến thức cơ sở có ích không những đối với chuyên ngành đóng tàu mà đối với những chuyên ngành khác của Khoa Kỹ thuật tàu thủy. Vì vây, nhóm đã quyết định thực hiện đề tài về nghiên cứu sự chuyển động của dòng chất lỏng trong phạm vi một kênh nước. Đề tài có nội dung: “Thiết kế, chế tạo mô hình dòng chảy qua cánh”. 1.2. MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.2.1. Mục đích và ý nghĩa đề tài Thực hiện mô hình dòng chảy qua cánh giúp mọi người có một cái nhìn trực quan về sự chuyển động của chất lỏng, về tính chất lớp biên và hiện tượng tách lớp biên cũng như một số tính chất khác của chất lỏng. Về vấn đề nghiên cứu và chế tạo mô hình được thực hiện với kết cấu đơn giản nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho người thực hành thí nghiệm. Đối với bộ môn cơ học chất lưu mô hình thí nghiệm này sẽ lấp đi những khoảng trống trong vấn đề thực nghiệm, vấn đề đang rất cần sự quan tâm đối với các sinh viên trường đại học Nha Trang. Mô hình thí nghiệm về dòng chảy mang tính ứng dụng cao trong vấn đề học tập và giảng dạy của bộ môn, bên cạnh đó nó còn là nền tảng để các sinh viên khóa sau có thể nghiên cứu những đề tài có nội dung liên quan. -2- Hơn nữa sau khi thực hiện đề tài này, nhóm cũng tự bổ sung cho mình những kiến thức rất lớn về cơ học chất lỏng nói riêng và cơ học chất lưu nói chung để từ đó có thể ứng dụng những kiến thức đó vào chuyên ngành cũng như có ích cho công việc trong tương lai. 1.2.2. Phương pháp nghiên cứu Việc thực hiện đề tài là một quá trình nghiên cứu lâu dài và khó khăn bởi lượng kiến thức và nguồn tài liệu được cung cấp còn hạn chế. Tuy nhiên sau quá trình tìm hiểu và nghiên cứu nhóm đã tìm ra được phương pháp tiến hành đề tài theo hướng như sau: - Kết hợp lý thuyết và các mô hình mẫu để thiết kế kích thước và thiết bị cho mô hình (nguồn tài liệu có được từ sách, báo và internet) - Sau khi chế tạo mô hình tiến hành thử nghiệm để chọn lại các kích thước, lựa chọn các thiết bị cho phù hợp. 1.3. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Mô hình dòng chảy qua cánh là một phương tiện thực nghiệm kiểm tra các hiện tượng dòng chảy đi qua các vật cản rắn hoặc tiếp xúc với bề mặt của nó. Vật cản được sử dụng là cánh 3D có biên dạng profin của cánh NACA (ngoài ra còn sử dụng các vật cản khác như: hình cầu, trụ tròn hay tấm phẳng,…). Dòng chảy này được thực hiện bằng cách cho thuốc nhuộm hoặc khói (đối với khí) hoặc chất màu vào dòng chảy tại vị trí cần thí nghiệm. Ưu điểm chính của phương pháp này là khả năng mô tả hình ảnh của dòng chảy mà không cần tính toán các thông số phức tạp. Chính vì vậy số lượng công việc cũng đỡ phức tạp đi, việc tính toán các thông số cũng tương đối đơn giản, và khi thực hiện mô hình cái chính là đi chọn các kích thước sao cho phù hợp tính chất cũng như điều kiện của dòng chảy lỏng như: độ nhớt, hệ số cản, số Reynold, áp lực,… Trong mô hình này ta phải tạo được hai vùng của cùng một dòng chảy, vùng thứ nhất là vùng mà dòng chảy trong kênh chảy theo một trạng thái đều tầng, khoảng cách các lớp đều với nhau. -3- Vùng thứ 2 là vùng mà sau khi dòng chảy đi qua cánh, tại đây xảy ra hiện tượng tách lớp biên và tạo nên một vùng chảy hỗn loạn phía sau cánh (chảy rối). Bên cạnh đó thông qua mô hình dòng chảy này ta có thể đo được lưu lượng cũng như suy ra được vận tốc dòng chảy để từ đó so sánh với lý thuyết. 1.4. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU VÀ BỐ CỤC NỘI DUNG 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài - Đề tài được thực hiện trên phạm vi một nhánh của ngành nghiên cứu cơ lưu chất, đi sâu vào việc tạo ra thí nghiệm hình ảnh của dòng chất lỏng qua vật thể. Việc xây dựng cơ sở lý thuyết nhóm chỉ tìm hiểu tổng quan về cơ học chất lưu, như: tính chất của chất lỏng, lớp biên và sự tách lớp biên trên bề mặt vật thể, dòng chất lỏng trong kênh hở... - Đề tài nghiên cứu mô hình dòng chảy qua cánh trong kênh nước, thực hiện nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm dòng chảy với từng biên dạng ở nhiều góc độ khác nhau của cánh để kiểm tra các đặc trưng của dòng chảy ứng với từng góc tới khác nhau. Những biên dạng cánh được sử dụng trong mô hình bao gồm: NACA 0020; NACA 6520; NACA 6720; NACA 6320; NACA 9816. - Bên cạnh đó nhóm còn tiến hành thí nghiệm đối với các biên dạng vật thể khác: trụ tròn, hình cầu, tấm phẳng,… 1.4.2. Bố cục nội dung đề tài Nội dung đề tài được thực hiện gồm sáu chương: 1. Chương 1: đặt vấn đề. Chương này giới thiệu lý do thực hiện đề tài, mục đích và phương pháp nghiên cứu đề tài, giới thiệu đề tài, giới hạn nghiên cứu và bố cục đề tài. 2. Chương 2: nghiên cứu tổng quan mô hình dòng chảy qua cánh. Chương này sẽ tìm hiểu về những mô hình thí nghiệm trong nước cũng như ở nước ngoài đã thực hiện được có liên quan tới mô hình dòng chảy qua cánh. 3. Chương 3: cơ sở lý thuyết phục vụ nghiên cứu đề tài. Trình bày tổng quan về chất lỏng và cơ học chất lỏng; lý thuyết về dòng chảy; các phương trình dòng -4- chảy; trình bày lý thuyết về lớp biên; lý thuyết cánh; đặt trưng của dòng chất lỏng trong kênh hở và các tiêu chuẩn đồng dạng (tương tự). 4. Chương 4: thiết kế và chế tạo mô hình. Đây là chương quan trọng nhất trong nội dung đề tài. Chương này trình bày tiến trình thiết kế các kích thước mô hình, các thiết bị hỗ trợ thí nghiệm từ đó tiến hành chế tạo mô hình. 5. Chương 5: thí nghiệm và hiệu chỉnh. Với mô hình đã được chế tạo tiến hành thử nghiệm để kiểm tra các đặc trưng dòng chảy từ đó rút ra những kết luận và hiệu chỉnh mô hình 6. Cuối cùng, chương 6 là phần nhận xét và đề xuất ý kiến. -5- CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH DÒNG CHẢY QUA CÁNH Trước khi nghiên cứu về mô hình dòng chảy qua cánh cần phải giải quyết một số câu hỏi như sau: Đối với mô hình dòng chảy qua cánh thì trong nước cũng như thế giới đã thực hiện được những gì? Họ thực hiện như thế nào? Đối với trường đại học Nha Trang nhóm đã tìm hiểu được những gì cho việc thực hiện đề tài? 2.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH ĐÃ THỰC HIỆN Ở NƯỚC TA Thông qua quá trình đi thực tế tại đại học Bách Khoa TP HCM nhóm đã tìm hiểu một số mô hình về dòng lưu chất thuộc Bộ môn Cơ lưu chất – Khoa Kỹ thuật giao thông – đại học Bách Khoa TP HCM. Sau đây nhóm sẽ giới thiệu một số mô hình về dòng lưu chất mà nhóm đã tìm hiểu. 2.1.1. Mô hình dòng đường hầm khói (TN1) 2.1.1.1. Tổng quan về mô hình Đây là mô hình thí nghiệm về dòng khói chảy qua các vật thể có hình dạng chủ yếu là biên dạng cánh mỏng và các vật thể có dạng hình trụ tròn, hình cầu và tấm phẳng được các giảng viên và sinh viên khoa kỹ thuật giao thông trường ĐH Bách Khoa TP-HCM sử dụng để nghiên cứu về các hiện tượng của dòng chảy. Mô hình có tên khoa học là Smoke Flow Visualization Tunnel - hình ảnh dòng khói trong kênh. Đây là mô hình do Pháp tài trợ với kinh phí lên đến 1000USD. Để tiện cho quá trình áp dụng và lựa chọn mô hình mẫu, gọi mô hình này là TN1. Dòng chảy được thể hiện bằng cách cho dòng khí có màu vào khu vực thí nghiệm để quan sát các hiện tượng xảy ra của dòng khí khi gặp vật thể. Ưu điểm chính của mô hình này là khả năng mô tả một cách trực quan về tính chất dòng khí mà không cần tính toán hay lập trình gì nhiều, cấu tạo của mô hình tương đối đơn giản khi thực hiện các thí nghiệm học viên chỉ việc quan xác và vẽ lại hỉnh ảnh của từng thí nghiệm cụ thể[1]. -6- Hình 2.1: Mô hình dòng khói –Đại học Bách Khoa TP HCM 2.1.1.2. Kích thước mô hình dòng khí. Mô hình có kích thước phần thí nghiệm:[1] - Chiều dài: L = 25,4cm - Diện tích tiết diện: BxH = 17,8x10,2cm Hình 2.2: Kích thước phần thí nghiệm mô hình dòng khí.[1]