zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Cơ khí - Chế tạo máy

Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất với mô hình xoáy cánh quay - thân trực thăng

Chia sẻ: Cánh Cụt đen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Báo xấu

50
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mô hình tính toán của bài viết xét trong trường hợp trực thăng hạ cánh xuống các bề mặt không bằng phẳng và có diện tích khác nhau. Hình dạng và kích thước các bề mặt được mô phỏng bằng các phần tử xoáy dạng khung tứ giác. Các phần tử xoáy mô phỏng các bề mặt tương tác với các khung xoáy tứ giác trên cánh quay và trên thân trực thăng, tạo ra hiệu quả mô phỏng tương tác khí động và xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất đối với đặc trưng khí động của trực thăng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất với mô hình xoáy cánh quay - thân trực thăng

Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT VỚI MÔ HÌNH XOÁY CÁNH QUAY - THÂN TRỰC THĂNG Phạm Thành Đồng1*, Phạm Thị Phương Anh2, Vũ Quốc Trụ1 1 Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn; 2Viện KH&CNQS Tóm tắt Từ mô hình xoáy cánh quay - thân trực thăng được xây dựng bằng phương pháp xoáy rời rạc phi tuyến không dừng, tác giả xây dựng công cụ tính toán đặc trưng khí động cánh quay trực thăng trong điều kiện có hiệu ứng mặt đất. Mô hình tính toán của bài báo xét trong trường hợp trực thăng hạ cánh xuống các bề mặt không bằng phẳng và có diện tích khác nhau. Hình dạng và kích thước các bề mặt được mô phỏng bằng các phần tử xoáy dạng khung tứ giác. Các phần tử xoáy mô phỏng các bề mặt tương tác với các khung xoáy tứ giác trên cánh quay và trên thân trực thăng, tạo ra hiệu quả mô phỏng tương tác khí động và xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất đối với đặc trưng khí động của trực thăng. Các kết quả tính toán nhận được phản ánh đúng các hiện tượng thực tế, là cơ sở khoa học để đưa ra các khuyến cáo trong quá trình vận hành khai thác trực thăng. Từ khóa: Cánh quay; trực thăng; xoáy rời rạc; hiệu ứng mặt đất. 1. Đặt vấn đề Khi trực thăng (TT) hạ cánh, tùy theo kích thước và hình dạng địa hình nơi hạ cánh mà hiện tượng hiệu ứng mặt đất có những ảnh hưởng khác nhau tới đặc trưng khí động (ĐTKĐ) của TT. Diện tích khu vực hạ cánh to hay nhỏ, bề mặt địa hình khu vực hạ cánh phẳng hay lồi, lõm sẽ gây ra mức độ ảnh hưởng khác nhau lên đặc tính khí động của cánh quay (CQ). Sự ảnh hưởng khác nhau đó diễn ra như thế nào, được tính toán và định lượng ra sao, hiện nay trên thế giới chưa có nhiều nghiên cứu được công bố. Nhiều công trình chỉ dừng lại ở việc xem xét mô hình TT chỉ có CQ (mô hình CQ đơn lẻ) để khảo sát bài toán hiệu ứng mặt đất mà chưa xét được ảnh hưởng của thân TT (chưa mô tả thân TT trong mô hình toán) [1, 2, 7, 8]. Trên thực tế, hiệu ứng mặt đất trong mô hình TT có cả CQ và thân sẽ xuất hiện sự khác biệt trong sự chuyển động của dòng khí bên dưới CQ và ảnh hưởng tới ĐTKĐ của CQ. Với mô hình TT có đủ CQ và thân, khi TT bay gần mặt giới hạn (MGH), dòng khí phản xạ từ MGH ngoài việc tương tác với các lá cánh quay (LCQ), còn va đập với bề mặt thân TT, tạo ra hiệu ứng đệm khí có tính chất khác so với mô hình TT chỉ có CQ. Có thể nghiên cứu hiệu ứng mặt đất bằng nhiều phương pháp, tuy nhiên sử dụng phương pháp xoáy rời rạc (XRR) là một trong những cách tiếp cận khá phổ biến và hiệu quả. Trong công trình này, tác giả hướng tới sử dụng * Email: mrbook29@gmail.com 39
Selected Papers of Young Researchers - 2020 phương pháp XRR để nghiên cứu mô phỏng hiệu ứng mặt đất của kết cấu TT gồm cả CQ và thân. XRR là một phương pháp số đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới sử dụng do sự ưu việt trong việc giải quyết các bài toán tương tác cảm ứng và tính toán khí động cho các khí cụ bay dưới âm [1-3]. Bằng phương pháp XRR với phần tử xoáy khung tứ giác, tác giả bài báo đã xây dựng các mô hình xoáy phi tuyến không dừng của CQ đơn lẻ [3], mô hình xoáy phi tuyến không dừng CQ - Thân TT [4, 5]. Các mô hình trên đều đã được kiểm chứng tính chính xác và độ tin cậy bằng cách so sánh với số liệu trong các công trình công bố quốc tế uy tín [3-5]. Với cách tiếp cận xây dựng mô hình trình bày trong [4, 5], tác giả có thể xây dựng được nhiều mô hình nghiên cứu bài toán tương tác đa vật khác nhau, như mô hình xoáy CQ - Thân - Tòa nhà, mô hình xoáy CQ - Thân - Khí cụ bay,... Mô hình xoáy phi tuyến không dừng CQ - Thân - MGH được xây dựng trong công trình [6] là một trong các mô hình như vậy. Trên cơ sở mô hình xoáy CQ - Thân TT - MGH, tác giả tập trung tính toán khảo sát bài toán khi TT hạ cánh xuống địa hình có kích thước và hình dạng lồi lõm khác nhau. 2. Xây dựng các mô hình xoáy khảo sát bài toán hiệu ứng mặt đất 2.1. Mô hình xoáy CQ - MGH Mô hình CQ xét tới ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất sẽ có sự tham gia của hệ thống xoáy mô phỏng hình dạng của MGH (Hình 1). MGH trong mô hình khảo sát sẽ được thay thế bởi hệ thống các khung xoáy liên kết. Vị trí tương đối giữa CQ và MGH xác định thông qua tham số khoảng cách h2, tính từ mặt phẳng CQ đến MGH và có diện tích Smgh. Hình 1. Mô hình CQ - MGH Bằng cách tiếp cận và xây dựng các ma trận hệ số một cách tương tự mô hình xoáy CQ - Thân TT [4, 5], hệ phương trình tuyến tính xác định cường độ của các xoáy trong hệ khí động đa vật CQ - MGH như sau:  C2mL      m1    B1m1  CQ   A1mm     (1)  C3Lm   C4LL     Mgh L1   B3L1  Trong biểu thức (1) các ma trận hệ số Ci (i = 2÷4),  M gh , B3 được tính toán từ các phần tử xoáy mô phỏng MGH. Chỉ số L thể hiện số lượng các phần tử xoáy thay thế 40
Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University cho kích thước của MGH. Cách xác định các ma trận hệ số được trình bày cụ thể trong [3-5]. 2.2. Mô hình xoáy CQ - Thân - MGH Mô hình tính toán được xây dựng trong điều kiện TT hạ cánh trên bề mặt bãi đỗ (MGH) (Hình 2). Trong mô hình này, khoảng cách h giữa thân TT và CQ được giữ cố định, được lấy giá trị h = 0,035R, với R là bán kính CQ. Hình 2. Mô hình CQ - Thân TT - MGH Hệ phương trình tuyến tính xác định cường độ của các xoáy trong mô hình xoáy phi tuyến không dừng CQ - Thân TT - MGH đã xây dựng trong [6] như sau:   A m m   A2mM   C1mL      m1    RHSm1    A3Mm   A4MM   C2ML    Th M1      B2M1   (2)     C3Lm   C4LM   C5LL     Mgh L1    B3L1     Th Các ma trận hệ số A2, A3, A4,  , B2 trong công thức (2) được xác định theo các xoáy trên thân TT. Cụ thể A2 là ma trận hệ số tạo ra bởi các khung xoáy trên thân TT tính tại các điểm kiểm tra trên CQ. A3 là ma trận hệ số của các khung xoáy trên CQ tính tại các điểm kiểm tra trên thân TT. A4 là ma trận hệ số của các khung xoáy trên thân TT tại chính các điểm kiểm tra của nó.  Th là ma trận cường độ các khung xoáy trên thân, và B2 là ma trận hệ số xác định bởi các thành phần pháp tuyến của tổng vận tốc không nhiễu với vận tốc cảm ứng từ các xoáy tự do tại các điểm kiểm tra trên thân TT. M là tổng số khung xoáy tạo ra mô hình 3D của thân TT. Thân TT trong mô hình có hình dạng giọt nước, tiêu biểu cho kiểu thân của nhiều loại TT phổ thông. Các ma trận Ci (i=1÷5),  Mgh và B3 tính toán từ các phần tử xoáy thay thế MGH. Chỉ số L thể hiện số lượng phần tử xoáy thay thế cho kích thước của MGH. Sau khi giải hệ phương trình (1), (2), xác định được các lưu số tốc độ của các khung xoáy liên kết trên CQ, trên thân TT và trên MGH. Để xác định các đặc trưng khí động của CQ như chênh áp, các lực khí động và hệ số khí động, vị trí các màn xoáy tự do sau LCQ,... sử dụng các biểu thức tính toán được trình bày trong [6]. 41
Selected Papers of Young Researchers - 2020 3. Kết quả tính toán 3.1. Kiểm chứng mô hình xoáy CQ - MGH Chương trình tính toán được viết trên cơ sở các mô hình toán đã xây dựng ở trên. Các tham số đầu vào cho mô hình tính toán và điều kiện hoạt động của TT thể hiện trong bảng 1. Bảng 1. Các tham số động hình học của CQ Kích thước hình học Điều kiện hoạt động Bán kính cánh quay, [m] R = 10,6 Vận tốc góc quay, [rad/s] ω = 20,1 Dây cung LCQ, [m] b = 0,5 Chế độ bay Bay treo Góc lắp LCQ φ = 12º Bước thời gian Δt = 0,01s Bán kính trục quay Rtr = 0,25R Số LCQ k=2 Gọi GE là tỉ số tăng hệ số lực kéo giữa trường hợp TT bay trong vùng có hiệu ứng mặt đất CTIGE và không có hiệu ứng mặt đất CTOGE, GE = CTIGE/CTOGE. Các kết quả tính toán cho thấy khi TT hạ cánh từ độ cao h2 = 2R tới mặt đất, càng xuống thấp thì hiệu ứng mặt đất càng tác động mạnh, nghĩa là mức bù thêm lực kéo của CQ TT do ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất càng tăng (Hình 3). Hình 3. Tỉ số tăng hệ số lực kéo khi có hiệu ứng mặt đất theo khoảng cách h2/R So sánh kết quả tính toán của mô hình xoáy CQ - MGH với kết quả từ mô hình toán trong công trình của Zorana Trivković [7] nhận được sự tương đồng giữa hai mô hình. Điều này cho thấy mô hình xoáy CQ - MGH có độ tin cậy và độ chính xác cao. Đây chính là cơ sở khoa học kết luận về tính đúng đắn của cách tiếp cận xây dựng mô hình xoáy CQ - Thân - MGH, và có thể sử dụng mô hình xoáy CQ - Thân - MGH để nghiên cứu các bài toán cụ thể dưới đây: 42
Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University 3.2. Xác định ảnh hưởng của diện tích MGH Khi TT thực hành hạ cánh, diện tích bãi đỗ (MGH) có ảnh hưởng nhất định đối với ĐTKĐ của TT. Bãi đỗ có diện tích nhỏ hẹp (giàn khoan, boong tàu, nóc nhà cao tầng...) sẽ có tác động khác với bãi đỗ có bề mặt rộng, không hạn chế. Trong mục này sẽ trình bày các kết quả tính toán làm rõ các tác động khác biệt giữa các MGH có diện tích khác nhau đó. Mô hình MGH trong bài toán này có dạng mặt phẳng và có khoảng cách h2 từ MGH đến mặt phẳng quay được lấy cố định, h2 = R. Các MGH dùng trong khảo sát có kích thước khác nhau, và có diện tích lần lượt là Smgh = R × R, Smgh = 6R × 6R, Smgh = 12R × 12R và Smgh = 18R × 18R (Hình 4). Các tính toán trong mục này đều được thực hiện khi TT hoạt động ở chế độ bay treo và TT nằm ở vị trí trung tâm phía trên MGH. a) Smgh = R × R b) Smgh = 6R × 6R c) Smgh = 12R × 12R d) Smgh = 18R × 18R Hình 4. Mô hình khảo sát tham số diện tích MGH Gọi ε (%) là mức tăng hệ số lực kéo của CQ khi có hiệu ứng mặt đất. Tương quan tỉ lệ Smgh/F và mức tăng hệ số lực kéo ε được thể hiện như trên hình 5. 43
Selected Papers of Young Researchers - 2020 Đồ thị trên hình 5 cho thấy khi diện tích MGH càng lớn thì mức tăng hệ số lực kéo CQ do tác động của hiệu ứng mặt đất càng lớn. Tuy nhiên, thực tế để xây dựng bãi đỗ có diện tích lớn cho TT trong nhiều trường hợp không thể đáp ứng được (trên giàn khoan, trên tàu chiến, hay trên nóc các nhà cao tầng). Khi đó, trên cơ sở các tính toán khảo sát khí động CQ có ảnh hưởng của thân và của MGH như ở trên, có thể đưa ra các khuyến cáo bay và xây dựng các qui định sử dụng bãi đỗ cho từng loại TT, trong từng trường hợp cụ thể. Hình 5. Mức tăng hệ số lực kéo CQ theo diện tích MGH 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của hình dạng MGH Trong thực tiễn hoạt động chấp hành nhiệm vụ, ở rất nhiều trường hợp TT không có điều kiện để hạ cánh xuống địa hình có bề mặt bằng phẳng. Khi thực hiện nhiệm vụ cứu nạn trong vùng đồi núi, địa hình gồ ghề, lồi lõm hay các mặt nghiêng của sườn núi sẽ tác động mạnh tới khả năng tạo lực nâng của CQTT, qua đó ảnh hưởng trực tiếp tới tính điều khiển của TT. Độ nghiêng, độ dốc của sườn núi hay của địa hình khác nhau sẽ có các tác động khác nhau tới TT. Bài toán trong mục này sẽ tập trung tính toán và làm rõ mức độ ảnh hưởng của góc nghiêng địa hình tới sự hình thành lực kéo của CQTT. Trong mô hình tính toán, ngoài các tham số mô tả CQ và thân TT, MGH có hình dạng như một bề mặt trải, có phần lồi (hoặc lõm) ở khu vực giữa và đặc trưng bởi góc nghiêng θ. Hình 6 mô phỏng các hình dạng khác nhau của MGH, MGH có hình dạng lồi hay lõm phụ thuộc vào giá trị của góc θ lớn hơn hay nhỏ hơn 0. Khoảng cách h2 từ mặt phẳng cánh quay đến MGH sẽ nhận các giá trị khảo sát là 0,5R, R và 1,5R. Góc θ trong cả hai trường hợp trên hình 6a và 6b sẽ được khảo sát nằm trong dải giá trị 10º, 20º, 30º, 40º và -10º, -20º, -30º, -40º. 44
Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University a) MGH lồi b) MGH lõm Hình 6. Các hình dạng khác nhau của MGH Các kết quả tính toán được trích xuất ở thời điểm CQTT quay được 4,8 vòng quay, MGH có kích thước Smgh = 12R × 2R. Đồ thị biến thiên hệ số lực kéo (Hình 7) cho thấy khi bay gần MGH lồi (θ > 0º), hiệu ứng mặt đất giảm so với trường hợp MGH dạng mặt phẳng (θ = 0º). Ngược lại, khi MGH có dạng lõm (θ < 0º), tùy thuộc vào giá trị góc nghiêng, hiệu ứng mặt đất tác động lên CQTT hoặc tăng lên hoặc giảm đi so với trường hợp MGH là mặt phẳng. Bảng 2 thể hiện hệ số lực kéo trung bình của CQ ứng với các giá trị khác nhau của góc nghiêng θ và khoảng cách h2. Bảng 2. Hệ số lực kéo của CQTT theo góc nghiêng θ và khoảng cách h2 θ -40º -30º -20º -10º 0º h2 MGH h2 = 0,5R 0,0096 0,0099 0,0101 0,0108 0,0105 lõm h2 = R 0,0084 0,0087 0,0092 0,0096 0,0093 h2 = 1,5R 0,0071 0,0078 0,0084 0,0089 0,0089 θ 0º 10º 20º 30º 40º h2 MGH h2 = 0,5R 0,0105 0,0097 0,0094 0,0091 0,009 lồi h2 = R 0,0093 0,0091 0,0089 0,0088 0,0087 h2 = 1,5R 0,0089 0,0088 0,0087 0,0087 0,0086 Từ bảng 2, xây dựng đồ thị phụ thuộc của tỉ số GE và góc nghiêng MGH θ ứng với các giá trị khoảng cách h2 khác nhau (Hình 7a, 7b). 45
Selected Papers of Young Researchers - 2020 Các đồ thị trên hình 7 cho thấy, đối với trường hợp MGH lồi, mặc dù hiệu ứng mặt đất giảm dần (GE giảm) khi tăng góc nghiêng MGH θ, tuy nhiên luôn tồn tại hiệu ứng mặt đất (GE luôn lớn hơn 1) kể cả khi góc θ có giá trị tương đối lớn. Điều này đúng với các khoảng cách h2 < 2R khác nhau (Hình 6a, 7a). a) MGH lồi b) MGH lõm Hình 7. Đồ thị tỉ số tăng hệ số lực kéo GE theo góc nghiêng θ của MGH Trong trường hợp MGH có hình dạng lõm, khi độ nghiêng MGH nhỏ (0º > θ > -10º), hiệu ứng mặt đất có xu hướng tăng lên. Tuy nhiên, khi tăng dần độ nghiêng MGH (-10º > θ > -40º), hiệu ứng mặt đất giảm dần. Đặc biệt khi góc nghiêng MGH có giá trị lớn (θ = -30º, -40º) và TT bay ở khoảng cách h2 = R÷2R, hệ số lực kéo giảm mạnh, khoảng 10%. Kết quả này phù hợp với hiện tượng trong thực tế, khi TT hoạt động gần thung lũng, có hai bên sườn dốc có góc nghiêng lớn, hoặc khi TT bay giữa các tòa nhà cao tầng, sẽ hình thành các cuộn xoáy cảm ứng, có xu hướng hút TT xuống dưới, làm giảm lực kéo tạo ra từ CQ. 4. Kết luận Các nghiên cứu về ảnh hưởng của tính chất MGH trong bài báo là cơ sở khoa học tin cậy để đưa ra các khuyến cáo bay khi TT hoạt trong vùng đồi núi, thung lũng, đặc biệt khi TT bay qua các khe núi sâu, có độ nghiêng bề mặt lớn. Mô hình xoáy CQ - Thân TT và công cụ tính toán thành lập trên cơ sở mô hình có khả năng thay đổi linh hoạt để nghiên cứu các bài toán tương tác khí động với nhiều đối tượng khác nhau. MGH (bao gồm các thay đổi về tính chất, hình dạng, kích thước…) được lấy làm ví dụ đối tượng tính toán đã chứng minh nhận xét trên. 46
Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University Tài liệu tham khảo 1. Белоцерковский С. М, Локтев Б. Е, Ништ М. И. (1992). Исследование на ЭВМ аэродинамических и аэроупругих характеристик винтов вертолётов, М., Машиностроение. 2. J. Katz, A. Plotkin (2001). Low-speed aerodynamics, Cambridge University Press. 3. Phạm Thành Đồng, Nguyễn Anh Tuấn, Đặng Ngọc Thanh, Phạm Vũ Uy (2017). Xây dựng mô hình tính toán các đặc trưng khí động của cánh quay trực thăng. Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, 185 (8-2017), Học viện KTQS, tr. 70-80. 4. Phạm Thành Đồng, Đặng Ngọc Thanh, Phạm Vũ Uy (2018). Mô phỏng tương tác khí động của cánh quay và thân trực thăng. Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, 192 (8-2018), Học viện KTQS, tr. 80-88. 5. Pham ThanhDong, Nguyen AnhTuan, Dang NgocThanh, Pham VuUy (2018). Numerical Method to Study Helicopter Main Rotor-fuselage Aerodynamic Interaction. International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems 2018 (ICFMAS2018), Ta Quang Buu Library - Hanoi University of Science and Technology (HUST) - 10/2018, pp. 172-179. 6. Phạm Thành Đồng, Nguyễn Anh Tuấn, Đặng Ngọc Thanh, Phạm Vũ Uy (2019). Nghiên cứu ảnh hưởng của địa hình đến đặc trưng khí động của trực thăng khi hạ cánh. Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, 197 (4-2019), Học viện KTQS, tr. 71-79. 7. Zorana Trivković, Jelena Svorcan, Marija Baltić, Dragan Komarov, Vasko Fotev (2016). Computational Analysis of Helicopter Main Rotor Blades in Ground Effect. Scientific Technical Review, 66(4), pp. 52-58. 8. Balakrishnan Ganesh, Narayanan Komerath (June 2004). Unsteady Aerodynamics of Rotorcraft in Ground Effect. Fluid Dynamics Meeting, Portland, OR, AIAA Paper 2004-2431. A STUDY OF GROUND EFFECT USING ROTOR-FUSELAGE VORTEX MODEL Abstract: Based on the rotor - helicopter fuselage model built by discrete vortex method with quadrilateral swirl element, the authors created a tool to calculate the aerodynamic characteristics of the helicopter rotor in ground effect. The calculation model of the paper considered a helicopter landing on uneven surfaces and had different areas. The shape and dimensions of the surfaces are modeled by vortex quadrangular frame. These vortex frames interact with bound vortex frames on the rotor blades and the fuselage, creating simulation efficiency of the ground effect on the helicopter. The calculation results reflect the actual phenomena which is the scientific basis for making recommendations during the operation of helicopter. Keywords: Main rotor; helicopter; vortex-lattice method; ground effect. Ngày nhận bài: 20/3/2020; Ngày nhận bản sửa lần cuối: 26/6/2020; Ngày duyệt đăng: 01/7/2020  47

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2412 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.