Nghiên cứu đặc tính khí động cánh delta ở tốc độ thấp khi thay đổi hình dạng cánh
- 69 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu đặc tính khí động cánh Delta ở
tốc độ thấp khi thay đổi hình dạng cánh
TẠ MINH TRỌNG
[email protected]
Ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Thị Kim Dung
Chữ ký của GVHD
Trường: Cơ khí
HÀ NỘI, 2022
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Tạ Minh Trọng
Đề tài luận văn: Nghiên cứu đặc tính khí động cánh Delta ở tốc độ
thấp khi thay đổi hình dạng cánh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hàng không
Mã số SV: 20202656M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
02/11/2022 với các nội dung sau:
- Sửa chữa lỗi chính tả;
- Điều chỉnh lại các hình ảnh chất lượng thấp và các đồ thị chưa rõ;
- Trình bày và trích dẫn tài liệu tham khảo theo mẫu luận văn thạc sĩ.
Ngày 11 tháng 11 năm 2022
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung Tạ Minh Trọng
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
PGS.TS. Vũ Đình Quý
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
1. Họ và tên học viên: Tạ Minh Trọng SHHV: 20202656M
2. Chuyên ngành: Kỹ thuật hàng không Lớp: CH2020B
3. Người hướng dẫn: PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung
4. Đơn vị: Trường Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
5. Tên đề tài (tiếng Việt): Nghiên cứu đặc tính khí động cánh Delta ở tốc độ thấp
khi thay đổi hình dạng cánh
6. Tên đề tài (tiếng Anh): Research on Aerodynamic Characteristics of Delta
Wing at Low Speed with Different Wing Shape
7. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
Ngày nay, các cuộc chiến trên không ngày càng trở nên quan trọng, việc
chiếm quyền kiểm soát không phận cũng vì thế mà được ưu tiên hàng đầu. Vì
vậy, việc nghiên cứu và phát triển các mẫu máy bay hoạt động ở tốc độ cao và
có khả năng linh hoạt tác chiến tốt luôn là được chú trọng và đặt lên hàng đầu.
Trong sự phát triển của các thế hệ máy bay gần đây, máy bay có dạng cánh
Delta luôn được tập trung nghiên cứu và chú trọng phát triển nhiều hơn cả.
Hiện nay các nhà nghiên cứu đang ngày đêm tìm mọi cách để nâng cao hiệu
suất, tầm hoạt động, các vần đề liên quan đến động cơ, khả năng tác chiến,
khả năng tàng hình của máy bay. Muốn làm những điều đó, chúng ta phải
hiểu các vẫn đề cốt lõi như phát triển về động cơ, sự hình thành các lực khí
động, hình dáng khí động để có thể kiểm soát và tối ưu những đặc tính đó. Dự
kiến kết quả của luận văn sẽ cho thấy sự ảnh hưởng của hình dạng đến đặc
tính khí động của cánh Delta để có thể đưa ra những đánh giá và kết luận về
việc thiết kế máy bay cánh Delta.
8. Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được):
Nghiên cứu đặc tính khí động của cánh Delta ở tốc độ thấp sử dụng phương
pháp mô phỏng số dùng mềm mô phỏng ANSYS/FLUENT. Phân tích đặc
tính khí động của cánh trực tiếp qua lực khí động và gián tiếp qua các trường
phân bố vận tốc, áp suất, vùng xoáy trên cánh ...
9. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:
- Tổng quan về cánh Delta;
- Nghiên cứu dòng qua cánh Delta;
- Đặc tính khí động cánh Delta.
10. Dự kiến kế hoạch thực hiện :
Luận văn dự kiến sẽ được hoàn thiện trong thời gian 6 tháng nghiên cứu với 3
giai đoạn cụ thể như sau:
- Giai đoạn 1 (1 tháng): Nghiên cứu tổng quan dòng Delta
- Giai đoạn 2 (3 tháng): Xây dựng mô hình mô phỏng số và đánh giá kết quả
tính toán mô phỏng.
- Giai đoạn 3 (2 tháng): Hoàn thiện luận văn.
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung
Lời cảm ơn
Trong thời gian làm luận văn thạc sĩ, tôi xin chân thành cảm ơn sự chỉ
bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong nhóm chuyên môn Kỹ thuật Hàng
không & Vũ trụ, đặc biệt là cô giáo hướng dẫn PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung.
Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian, tài liệu và kiến thức nên những thiếu sót là
không thể tránh khỏi. Kính mong nhận được sự đóng góp kiến của các thầy cô.
Tóm tắt nội dung luận văn
Đặc điểm nổi bật của cánh Delta là sự hình thành hai cuộn xoáy ở mặt trên
của cánh. Hai cuộn xoáy này ảnh hưởng rất lớn tới đặc tính khí động của cánh
Delta, góp phần quan trọng trong việc sinh ra lực nâng cho cánh. Trong thực tế,
máy bay cánh Delta luôn hoạt động ở dải tốc độ cao với độ linh hoạt cao. Tuy
nhiên, ở chế độ tốc độ thấp với góc tấn lớn (ở chế độ cất cánh và hạ cánh), cánh
Delta lại hoạt động trong điều kiện dòng chảy không ổn định. Do vậy, luận văn
này nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chảy đến đặc tính khí động của cánh, cụ thể
là nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng cánh. Luận văn kết hợp phương pháp
nghiên cứu mô phỏng số với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để kiểm
chứng kết quả. Từ mô phỏng, ta thu được trường phân bố vận tốc, áp suất xung
quanh và trên cánh. Từ thực nghiệm, ta thu được phân bố áp suất trên cánh. Từ
các phân bố vận tốc trên cánh ta tính được các đặc trưng khí động của cánh như:
hệ số lực nâng CL, hệ số lực cản CD ...
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
Tạ Minh Trọng
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................... 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... 2
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. 4
LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................... 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁNH DELTA .................................................... 6
1.1 Giới thiệu chung ......................................................................................... 6
1.2 Lịch sử phát triển cánh Delta ..................................................................... 7
1.3 Đặc điểm cánh Delta .................................................................................. 8
1.3.1 Đặc điểm hình học ...................................................................... 8
1.3.2 Đặc điểm khí động .................................................................... 11
1.3.3 Ưu nhược điểm và ứng dụng của cánh Delta ........................... 17
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU DÒNG QUA CÁNH DELTA .......................... 19
2.1 Cánh Delta nghiên cứu ............................................................................. 20
2.2 Phương pháp mô phỏng ........................................................................... 21
2.2.1 Xác định mô hình và thiết lập miền tính toán ........................... 21
2.2.2 Chia lưới ................................................................................... 22
2.2.3 Thiết lập điều kiện biên và điều kiện giải ................................. 24
2.3 Phương pháp thực nghiệm ....................................................................... 25
2.3.1 Thiết bị thử nghiệm ................................................................... 26
2.3.2 Cánh thử nghiệm ....................................................................... 28
2.3.3 Xử lý kết quả ............................................................................. 29
CHƯƠNG 3. ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG DÒNG DELTA ................................. 32
3.1 Kiểm chứng nghiên cứu ........................................................................... 32
3.1.1 Cánh Delta kiểm chứng............................................................. 32
3.1.2 Kiểm chứng kết quả .................................................................. 32
3.1.3 Sai số trong mô phỏng .............................................................. 35
3.1.4 Sai số trong thực nghiệm .......................................................... 36
3.1.5 Kết luận ..................................................................................... 38
3.2 Ảnh hưởng của hình dạng cánh Delta ...................................................... 38
3.2.1 Dòng Delta ................................................................................ 38
3.2.2 Ảnh hưởng của hình dạng cánh Delta ....................................... 41
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN .................................................................................. 50
4.1 Kết luận .................................................................................................... 50
4.2 Hướng phát triển ...................................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 51
PHỤ LỤC CÔNG BỐ KẾT QUẢ..................................................................... 54
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Đơn vị Đại lượng
cr [m] Chiều dài dây cung gốc cánh
ct [m] Chiều dài dây cung gốc đầu cánh
b [m] Chiều dài sải cánh
λ [-] Tỷ số thon
AR [-] Tỷ số dạng
Λ [ᴼ] Góc quét ngược
CL,p [-] Hệ số lực nâng thế
CL,v [-] Hệ số lực nâng sinh ra do cuộn xoáy
Kp [-] Hằng số xác định hệ số CL,p
Kv [-] Hằng số xác định hệ số CL,v
Re [-] Số Reynolds
ρ [kg/m3] Khối lượng riêng chất lưu
u [m/s] Vận tốc dòng chảy
l [m] Độ dài dặc trưng của dòng chảy
μ [kg/ms] Độ nhớt động lực học của môi trường
υ [m2/s] Độ nhớt động học của môi trường
I [%] Cường độ rối
σ [m/s] Cường độ mạch động
h [mm] Chiều dày cánh
k [-] Động năng rối
ω [-] Hệ số tiêu tán rối
Гk Гω [-] Đại lượng khuếch tán
Sk Sω [-] Đại lượng nguồn
y+ [-] Chỉ số không thứ nguyên y+
Ƚ [ᴼ] Góc tấn
1
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Máy bay sử dụng cánh Delta .................................................................. 6
Hình 1.2 Lịch sử phát triển cánh Delta .................................................................. 7
Hình 1.3 Hình học cánh Delta ................................................................................ 9
Hình 1.4 Cánh máy bay nằm trong góc sóng va .................................................... 9
Hình 1.5 Hiện tượng khí động bất đối xứng tự nhiên trên cánh Delta ................ 11
Hình 1.6 Xoáy hình thành trên cánh Delta .......................................................... 12
Hình 1.7 Phân bố hệ số áp suất cánh Delta tại một mặt cắt [13] ......................... 13
Hình 1.8 Sự tan vỡ của cuộn xoáy trên cánh Delta.............................................. 13
Hình 1.9 Phân vùng cuộn xoáy trên cánh Delta [20] ........................................... 13
Hình 1.10 Lực nâng cánh Delta [21].................................................................... 14
Hình 1.11 Kp và Kv ttheo tỷ số dạng A ................................................................ 15
Hình 1.12 Hệ số lực nâng theo góc tấn ................................................................ 15
Hình 1.13 Hiện tượng wing rock ......................................................................... 16
Hình 1.14 Ứng dụng ôtô đua và máy bay chiến đấu F102 .................................. 17
Hình 2.1 Hình dạng cánh Delta nghiên cứu ......................................................... 20
Hình 2.2 Cánh Delta và miền tính toán................................................................ 21
Hình 2.3 Một số loại lưới cơ bản ......................................................................... 22
Hình 2.4 Phân chia vùng lớp biên theo chỉ số y+ ................................................. 23
Hình 2.5 Chia lưới................................................................................................ 23
Hình 2.6 Chọn mô hình rối .................................................................................. 24
Hình 2.7 Phương pháp giải .................................................................................. 25
Hình 2.8 Ống khí động dưới âm .......................................................................... 26
Hình 2.9 Bộ gá ..................................................................................................... 26
Hình 2.10 Giá trị đo áp suất ................................................................................. 28
Hình 2.11 Cánh Delta thực nghiệm ..................................................................... 28
Hình 2.12 Đồ thị liên hệ vận tốc với tần số quạt ................................................. 29
Hình 3.1 Mô hình cánh Delta [32] ....................................................................... 32
Hình 3.2 Xoáy xuất hiện trên cánh ...................................................................... 32
Hình 3.3 Phân bố áp suất trên cánh...................................................................... 33
Hình 3.4 Hệ số lực nâng....................................................................................... 34
Hình 3.5 Đường nghiên cứu phân bố áp suất – x/c = 0,5 .................................... 34
Hình 3.6 So sánh phân bố áp suất tại vị trí x/c = 0,5 ........................................... 34
Hình 3.7 Ảnh hưởng miền tính toán .................................................................... 35
Hình 3.8 Phân bố áp suất tại x/c = 0,7 với các phần tử lưới khác nhau ............... 36
Hình 3.9 Mô hình thực nghiệm kiểm chứng ảnh hưởng của chùm dây .............. 37
2
Hình 3.10 Dòng Detla .......................................................................................... 39
Hình 3.11 Phân bố áp suất trên cánh Delta đơn tại vị trí x/c = 0,5 ...................... 39
Hình 3.12 Ảnh hưởng của vận tốc đến dòng Delta .............................................. 40
Hình 3.13 Ảnh hưởng của góc tấn đến dòng Delta .............................................. 41
Hình 3.14 Chia khối và chia lưới miền tính toán các cánh khác nhau ................. 43
Hình 3.15 Đường dòng và phân bố áp suất mặt trên các cánh khác nhau ........... 44
Hình 3.16 Phân bố áp suất tại mặt cắt x/c = 0,5 ở các cánh khác nhau ............... 45
Hình 3.17 Đặc tính khí động các cánh Delta khác nhau ...................................... 46
Hình 3.18 Đường dòng và phân bố áp suất mặt trên ở góc tấn 25o ..................... 47
Hình 3.19 Phân bố áp suất dọc theo cánh ở góc tấn 25o ...................................... 48
3
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các dạng cánh Delta phổ biến .............................................................. 10
Bảng 1.2 Ưu nhược điểm và ứng dụng của cánh Delta ....................................... 17
Bảng 3.1 Sai số thực nghiệm chùm dây ............................................................... 37
Bảng 3.2 Đặc tính khí động cánh Delta đơn ........................................................ 40
4
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật nói chung và
lĩnh vực Hàng không nói riêng, các thế hệ máy bay trên âm đặc biệt là các máy
bay chiến đấu đòi hỏi phải tăng hiệu quả, hiệu suất làm việc cũng như sự linh
hoạt khi hoạt động. Trong đó, máy bay có cánh dạng Delta được sử dụng rất
nhiều bởi khả năng cơ động và ưu điểm khi bay ở vận tốc cao. Với tính ứng dụng
như vậy, đặc tính khí động học cũng như sự hoạt động của cánh Delta trong các
điều kiện môi trường khác nhau cần được nghiên cứu và làm rõ.
Luận văn: “Nghiên cứu đặc tính khí động cánh Delta ở tốc độ thấp khi
thay đổi hình dạng cánh”, là một đề tài nghiên cứu cơ bản đặc tính khí động của
dòng chảy qua cánh Delta khi thay đổi hình dạng của cánh. Nghiên cứu được
thực hiện với sự kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu mô phỏng số sử dụng
phần mềm thương mại ANSYS và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm sử dụng
ống khí động dưới âm. Nội dung của luận văn gồm ba chương:
Chương I: Tổng quan về cánh Delta;
Chương II: Nghiên cứu dòng qua cánh Delta;
Chương III: Đặc tính khí động dòng Delta.
Với những kiến thức cũng như kinh nghiệm trong nghiên cứu còn hạn chế,
tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các Thầy Cô. Tôi xin gửi lời cảm ơn
chân thành đến toàn thể giảng viên thuộc Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung đã tận tình hướng
dẫn, truyền đạt kiến thức và động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian hoàn
thành luận văn này.
5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁNH DELTA
Phần này trình bày các đặc điểm chung của cánh Delta, lịch sử phát triển
cánh Delta và ứng dụng của cánh Delta.
1.1 Giới thiệu chung
Cánh Delta là cánh có hình dạng tam giác, được đặt theo tên của chữ cái
Delta hoa (Δ) trong bảng chữ cái Hy Lạp.
Cánh Delta đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng chỉ thực sự được ứng dụng
rộng rãi trong kỷ nguyên của động cơ phản lực bởi nó hoạt động hiệu quả nhất ở
vận tốc lớn. Khi hoạt động ở vận tốc thấp, cánh Delta bộc lộ nhiều nhược điểm
như khó điều khiển và xuất hiện rung lắc (hiện tượng khí động đàn hồi hay còn
gọi là hiện tượng wing rock). Mặc dù vậy, với sự phát triển hệ thống điều khiển
“fly-by-wire” và cánh con vịt (canard), cánh Delta đã trở nên dễ điều khiển hơn.
Đặc điểm đáng chú ý của cánh Delta là nó có góc quét ngược (sweep-back
angle) lớn, tỷ số dạng nhỏ, dây cung ở đuôi cánh lớn, bán kính của mép vào nhỏ
(mép vào thường sắc cạnh) và diện tích cánh lớn, trong khi bề dày lại nhỏ. Điều
này giúp nó có khả năng tạo ra lực nâng lớn, đồng thời giảm lực cản, nhất là lực
cản sóng trong quá trình bay siêu thanh ở vận tốc Mach lớn hơn 1.
Cánh Delta có nhiều biến thể khác nhau. Nó được sử dụng chủ yếu trong
lĩnh vực quân sự, chủ yếu là các dòng máy bay chiến đấu tốc độ siêu thanh (Hình
1.1.a). Ngoài ra, cánh Delta cũng từng được sử dụng trong lĩnh vực dân sự, nổi
bật là máy bay vận tải hành khách tốc độ cao Concorde của Pháp (Hình 1.1.b) và
trong lĩnh vực hàng không vũ trụ với tàu con thoi của NASA (Hình 1.1.c). Ngày
nay, cánh Delta còn được nghiên cứu và ứng dụng cho các loại UAV (Hình
1.1.d).
a. Saab 35 Draken [1] b. Concorde, Pháp [2]
c. Launch Pad 39A, NASA [3] d. SkyEye Delta UAV [4]
Hình 1.1 Máy bay sử dụng cánh Delta
6
1.2 Lịch sử phát triển cánh Delta
Bằng sáng chế đầu tiên về cánh Delta được cấp cho 2 kỹ sư người Anh là
J.W. Butler và E. Edwards vào năm 1867. Tuy vậy, cũng giống như các ý tưởng
cấp tiến khác, phải đến thế chiến II cánh Delta mới được nghiên cứu và thử
nghiệm một cách nghiêm túc trong các ống khí động. Trong các cuộc chiến tranh,
sức mạnh của lực lượng không quân là tiêu chí hàng đầu để đánh giá sức mạnh
quốc phòng của một quốc gia. Các nhà khoa học luôn luôn tìm cách để nâng cao
tốc độ, tầm hoạt động, khả năng tác chiến của các chiến cơ. Từ những năm 1950,
các thiết kế về hình dạng cánh đã dần thay đổi để nâng cao được tốc độ hoạt động
của các loại máy bay.
Sau thế chiến thứ I, kỹ sư Alexander Lippisch là người tiên phong trong
các nghiên cứu, cải tiến máy bay cánh Delta và máy bay cánh Delta đầu tiên của
ông đã bay vào năm 1931. Sau đó loại máy bay này được sử dụng rộng rãi và
được cải tiến hơn, điển hình Convair F-102 Delta Dagger (Hình 1.2.a), là một
kiểu máy bay tiêm kích đánh chặn cánh Delta, được chế tạo như là một phần cốt
lõi của lực lượng phòng không không quân Hoa Kỳ vào cuối những năm 1950.
Máy bay này được đưa vào hoạt động từ năm 1956 với mục đích chính là ngăn
chặn sự xâm nhập của đội máy bay ném bom Xô Viết.
a. Convair F-102 Delta Dagger, Hoa Kỳ [5] b. Sukhoi PAK FA, Nga [6]
c. Thành Đô J-20, Trung Quốc [7] d. Lockheed Martin F-22 Raptor, Hoa Kỳ [8]
Hình 1.2 Lịch sử phát triển cánh Delta
Từ đó đến nay, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu và tìm kiếm
các giải pháp để nâng cao tính năng, tốc độ, tầm hoạt động và khả năng tác chiến
của máy bay cánh Delta với sự ra đời của các loại máy bay chiên đấu thế hệ thứ
tư và thứ năm. Hiện nay, các chiến cơ thế hệ thứ năm đang khẳng định được sức
mạnh vô địch của mình trên vùng trời với một số loại máy bay điển hình dạng
cánh Delta đó là: Sukhoi PAK FA do hãng Sukhoi của Nga sản xuất (Hình 1.2.b),
Thành Đô J-20 do Trung Quốc sản xuất (Hình 1.2.c) và Lockheed Martin F-22
7
Raptor do Mỹ sản xuất (Hình 1.2.d). Trong thời gian tới, máy bay tiêm kích phản
lực thế hệ thứ sáu là một loại máy bay được dự đoán sẽ được đưa vào phục vụ
trong Không lực Hoa Kỳ và Hải quân Hoa Kỳ trong khoảng năm 2025–2030.
Cánh Delta không những được phát triển cho máy bay quân sự mà còn
cho máy bay dân sự và ngành vũ trụ, với 2 đại diện nổi bật nhất là máy bay
Concorde (Hình 1.1.b) và tàu con thoi của NASA (Hình 1.1.c). Máy bay
Concorde có thể đạt đến tốc độ Mach 2, trong khi tàu con thoi có thể dùng cho
nhiều mục đích khác nhau. Tuy nhiên, hiện nay cả hai đều đã ngừng phục vụ.
Cánh Delta có khả năng tạo ra lực nâng lớn. Tuy nhiên, nó lại có nhiều
nhược điểm như tốc độ máy bay lớn khi cất hạ cánh, đòi hỏi đường băng dài, khó
ổn định ở góc tấn lớn đi cùng với lực cản lớn. Trong đó, nguy hiểm nhất là việc
cất hạ cánh bởi cánh Delta rất khó điều khiển ổn định. Do đó, đến khoảng những
năm 1980, ngoại trừ máy bay Concorde và tàu con thoi, cánh Delta đã dần trở
nên lạc hậu. Các nhược điểm trên khiến nó trở nên kém hấp dẫn, cùng với việc
máy bay tốc độ cao không còn có vị trí chiến lược trong quân đội các nước nữa
bởi chúng tiêu thụ nhiều nhiên liệu.
Tuy nhiên, sự phát triển của máy tính và cánh con vịt đã cứu cánh Delta
khỏi sự lạc hậu. Hệ thống điều khiển “fly-by-wire” giúp việc điều khiển ổn định
cánh Delta. Trong khi đó, cánh con vịt gắn ở đầu máy bay cũng góp phần giúp
cánh Delta dễ điều khiển hơn nhất là ở góc tấn lớn. Kể từ khi sử dụng hệ thống
hỗ trợ điều khiển và cánh con vịt, cánh Delta từ chỗ không còn được ưu tiên sử
dụng đã có chỗ đứng trong ngành công nghiệp hành không và vẫn đang tiếp tục
được phát triển hiện nay. Hiện nay, vẫn còn rất nhiều máy bay sử dụng cánh
Delta, đặc biệt, một số mẫu UAV đã bắt đầu được thử nghiệm với cánh Delta
(Hình 1.1.d).
1.3 Đặc điểm cánh Delta
1.3.1 Đặc điểm hình học
Cánh Delta có dạng hình tam giác (Hình 1.3). Cánh có dây cung gốc cánh
lớn, dây cung mút cánh nhỏ hoặc không có. Đầu cánh quét ngược về đuôi với
một diện tích lớn. Cánh có độ dày mỏng hơn so với các dạng cánh thông thường
khác. Mép vào của cánh kéo dài về phía sau, có thể liền hoặc cách một đoạn nhỏ
so với mép ra.
Các đặc điểm này khiến cánh Delta có tỷ số thon xấp xỉ bằng không, tỷ số
dạng thấp, diện tích cánh lớn, góc mũi tên lớn. Nhờ vậy, cánh có thể tạo ra lực
nâng lớn. Kết cấu cánh vững chắc, bền, khỏe, nhờ gốc cánh lớn, cánh mỏng và
thon giúp giảm thiểu được lực cản sóng khi bay trên âm.
Cánh có tỷ số dạng thấp nên có tính linh hoạt và khả năng cơ động cao.
Cánh Delta bản thân nó đã có khả năng cân bằng theo phương chúc ngóc (pitch),
do đó máy bay sử dụng cánh Delta không đòi hỏi phải có bề mặt điều khiển ổn
định, tức là không cần đuôi (tailless).
8
˄
cr
ct
b
Hình 1.3 Hình học cánh Delta
Trong đó: cr là chiều dài dây cung gốc cánh, ct là chiều dài dây cung mút
cánh, b là chiều dài sải cánh và ˄ là góc quét ngược.
Cánh Delta thường được sử dụng trong rất nhiều các loại máy bay quân sự
hiện nay do các đặc trưng khí động học có lợi như giới hạn thất tốc lớn, độ linh
động cao và khả năng điều khiển ở tốc độ thấp. Thêm vào đó, thiết kế của cánh
Delta cho phép hoạt động ở số Mach lớn, do hình dáng cánh quét ngược về phía
sau, từ đó tránh được các sóng va sinh ra từ mũi máy bay trong quá trình hoạt
động trên âm. Nhờ đó, cánh máy bay sẽ luôn nằm ở bên trong góc sóng va (Hình
1.4) và vận tốc dòng khí qua cánh sẽ luôn nhỏ hơn 1 Mach.
Hình 1.4 Cánh máy bay nằm trong góc sóng va
Một ưu điểm khác của cánh Delta là có kết cấu chắc chắn hơn hẳn so với
cánh bình thường và diện tích khoang chứa bên trong rộng rãi giúp có thể để
được một lượng lớn tải cũng như nhiên liệu. Hơn nữa việc chế tạo cánh Delta
cũng không quá phức tạp vì vậy tiết kiệm được chi phí sản xuất.
Tuy nhiên, cánh Delta có nhược điểm lớn đó là dễ bị mất thăng bằng
ngang khi hoạt động ở vận tốc thấp và lực cản lớn khi hoạt động ở độ cao thấp
nơi có mật độ không khí cao điều này ảnh hưởng rất lớn đến khả năng ổn định và
điều khiển của máy bay.
Cánh Delta có rất nhiều kiểu khác nhau dựa trên hình dạng của nó. Kiểu
cánh Delta đơn giản nhất là dạng hình tam giác, với cạnh góc tới quét đều về phía
9
sau. Loại cánh này được dùng chủ yếu cho các máy bay tốc độ cao, những máy
bay chiến đấu trên cao ví dụ: Mig 21, Convair F-102A hay B-58 Hustler. Nhưng
ở nhiều máy bay hiện đại, người ta sử dụng một cách hỗn hợp các hình dạng khác
nhau của cánh Delta để làm tăng thêm những lợi ích trong đặc tính khí động của
cánh. Các dạng phổ biến của cánh Delta được tổng hợp trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Các dạng cánh Delta phổ biến
Dạng cánh Minh họa Đặc điểm
Cánh delta có Cánh delta dạng cổ điển được gắn thêm đuôi
đuôi đứng và đuôi ngang ở thân với mục đích tăng
Tailed Delta độ ổn định điều khiển.
Cánh delta không có bề mặt ổn định theo
Cánh delta không
đuôi phương ngang. Thiết kế này dựa trên một
trong những ưu điểm của cánh delta là khả
Tailess Delta
năng tự ổn định theo phương chúc ngóc.
Đầu mút cánh bị cắt đi, tạo ra một đoạn đầu
mút cánh mới có độ dài nhất định. Nhờ đó
Cánh delta cắt
cánh delta có tỷ số thon khác không. Thiết kế
Cropped Delta
này giúp cánh giảm sự tách dòng ở đầu mút
cánh (stalling) khi bay ở góc tấn lớn.
Cánh delta có mép vào hoặc mép ra không
phải là một đường thẳng. Thông thường, phần
Cánh gấp khúc, phía trên của cánh sẽ có góc quét nhọn, diện
cánh hỗn hợp. tích nhỏ, trong khi phần phía dưới thì ngược
Cranked, lại. Thiết kế như vậy giúp phi công có thể
Compound delta điều chỉnh lực nâng, lực cản tốt hơn, tức là
điều khiển dễ dàng hơn, việc cất hạ cánh cũng
diễn ra dễ dàng hơn.
Cánh canard được kết hợp với cánh delta
nhằm tăng tính ổn điều khiển cho máy bay.
Cánh con vịt
Cánh canard có tác dụng giảm lực nâng trên
(Canard delta)
cánh chính, đồng thời điều chỉnh dòng chảy
qua cánh chính.
Cánh có mép vào là một đường lượn sóng.
Cánh cung nhọn Thường phần đầu cánh sẽ thu hẹp lại, phần
đuôi cánh phình to ra. Cánh được thiết kế tối
Ogival delta
ưu hóa nhằm tăng hiệu quả điều khiển cánh
delta khi cất hạ cánh.
10
1.3.2 Đặc điểm khí động
Cánh Delta thường được sử dụng cho các loại máy bay hoạt động ở tốc độ
siêu âm. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động của mình, thực tế hầu hết các loại
máy bay cánh Delta hoạt động ở vận tốc dưới âm, đặc biệt trong quá trình cất hạ
cánh. Ở chế độ cất/hạ cánh, máy bay hoạt động với tốc độ rất thấp, tương đương
với dòng không nén được (M < 0,3). Bởi vậy, các đặc điểm khí động khi bay ở
tốc độ thấp đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc nghiên cứu cánh Delta.
Cánh Delta có những đặc điểm, hiện tượng khí động đặc trưng và riêng biệt của
loại cánh có góc mũi tên lớn khi hoạt động ở tốc độ thấp.
a. Hiện tượng không đối xứng tự nhiên
Dòng qua cánh Delta có tính không đối xứng tự nhiên. Nguyên nhân chính
là do sự tách dòng không đối xứng hoặc sự bám lại của dòng chảy không đối
xứng [9].
Hình 1.5 Hiện tượng khí động bất đối xứng tự nhiên trên cánh Delta
b. Hiện tượng xuất hiện cuộn xoáy trên cánh
Trên cánh hữu hạn thường hình thành xoáy đầu mút cánh do sự chênh lệch
áp suất giữa mặt trên và mặt dưới (Hình 1.6.a). Xoáy đầu mút cánh chuyển động
theo 3 chiều dọc cánh máy bay gây ra lực cản cảm ứng [10]. Cánh Delta cũng
không phải là ngoại lệ. Khi bay với vận tốc dưới âm ở một góc tấn nhất định,
xoáy cũng được hình thành. Tuy nhiên, cuộn xoáy hình thành lại có kích thước
lớn vào kéo dài theo mép vào của cánh (Hình 1.6.b & c). Hai cuộn xoáy lớn hình
thành phía trên cánh tại khu vực lân cận mép vào của cánh [11-17].
Cơ chế hình thành cuộn xoáy:
¾ Áp suất mặt dưới cánh tại một góc tấn nhất định có giá trị cao hơn
áp suất mặt trên của cánh;
¾ Dòng chảy từ mặt dưới cánh tại lân cận mép vào sẽ có xu hướng
cuộn tròn xung quanh và đi từ dưới lên trên, tách ra khỏi bề mặt
cánh. Nếu mép vào đủ nhọn, dòng chảy sẽ tách ra dọc theo toàn bộ
mép vào;
¾ Dòng chảy tách khỏi bề mặt này sẽ cuộn lại vào phía trong tạo
thành cuộn xoáy sơ cấp ở bề mặt phía trên và nằm về phía trong
mép vào của cánh.
Cấu tạo của cuộn xoáy (Hình 1.6.b):
11
¾ Dòng chảy tách khỏi mép vào S1 cuộn tròn trên cánh, tạo thành lớp
cuộn xoáy đầu tiên. Sau đó, nó sẽ bám lại vào bề mặt cánh tại
đường tiếp xúc A1 rồi tiếp tục cuộn vào trong tạo thành các lớp tiếp
theo. Cuộn xoáy sơ cấp sẽ nằm trọn trong lớp cuộn xoáy đầu tiên
này;
¾ Cuộn xoáy thứ hai, gọi là cuộn xoáy thứ cấp được hình thành ngay
bên dưới cuộn xoáy sơ cấp. Cuộn xoáy này cũng có riêng lớp xoáy
đầu tiên S2 và đường tiếp xúc bề mặt A2. Chiều cuộn của hai cuộn
xoáy là ngược nhau;
¾ Các đường dòng chảy trên bề mặt có xu hướng chảy ra xa hai
đường A1 và A2, đồng nghĩa với xu hướng chảy về phía hai đường
S1 và S2 trước khi tách khỏi bề mặt cánh.
Mặt phẳng cắt
z
y Xoáy sơ cấp
α Xoáy thứ cấp
V∞ Đường bám thứ cấp A2
Dòng bám dọc
Đường dòng bám x
Đường tách dòng sơ cấp S1 Đường bám sơ cấp A1
Đường tách dòng thứ cấp S2
a. Xoáy đầu mút cánh b. Cuộn xoáy trên cánh [11]
c. Cuộn xoáy trên cánh [12]
Hình 1.6 Xoáy hình thành trên cánh Delta
Cuộn xoáy hình thành đã làm thay đổi sâu sắc phân bố áp suất tĩnh trên bề
mặt cánh. Áp suất tĩnh tại mặt dưới cánh về bản chất là đồng nhất và cao hơn so
với áp suất của dòng chảy tự do (hệ số áp suất dương). Trong khi đó, áp suất tại
mặt trên của cánh áp suất lại biến đổi theo chiều dài sải cánh, nhưng luôn nhỏ
hơn áp suất của dòng chảy tự do (hệ số áp suất âm). Điều này tạo ra một sự chênh
áp giữa mặt trên và mặt dưới của cánh.
Cụ thể, khi tiến dần vào trong từ mép ngoài, áp suất tại mặt trên của cánh
sẽ giảm mạnh tại mép vào và đạt cực tiểu tại vị trí tiếp xúc với cánh (hệ số áp
suất âm hơn), sau đó nó sẽ tăng dần lên và gần như ổn định tại khu vực giữa
cánh. Như vậy, trên cũng một mặt cắt bề mặt cánh theo sải cánh, vị trí tiếp xúc
giữa cuộn xoáy và bề mặt cánh là vị trí áp suất thấp nhất.
12
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu đặc tính khí động cánh Delta ở
tốc độ thấp khi thay đổi hình dạng cánh
TẠ MINH TRỌNG
[email protected]
Ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Thị Kim Dung
Chữ ký của GVHD
Trường: Cơ khí
HÀ NỘI, 2022
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Tạ Minh Trọng
Đề tài luận văn: Nghiên cứu đặc tính khí động cánh Delta ở tốc độ
thấp khi thay đổi hình dạng cánh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hàng không
Mã số SV: 20202656M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
02/11/2022 với các nội dung sau:
- Sửa chữa lỗi chính tả;
- Điều chỉnh lại các hình ảnh chất lượng thấp và các đồ thị chưa rõ;
- Trình bày và trích dẫn tài liệu tham khảo theo mẫu luận văn thạc sĩ.
Ngày 11 tháng 11 năm 2022
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung Tạ Minh Trọng
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
PGS.TS. Vũ Đình Quý
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
1. Họ và tên học viên: Tạ Minh Trọng SHHV: 20202656M
2. Chuyên ngành: Kỹ thuật hàng không Lớp: CH2020B
3. Người hướng dẫn: PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung
4. Đơn vị: Trường Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
5. Tên đề tài (tiếng Việt): Nghiên cứu đặc tính khí động cánh Delta ở tốc độ thấp
khi thay đổi hình dạng cánh
6. Tên đề tài (tiếng Anh): Research on Aerodynamic Characteristics of Delta
Wing at Low Speed with Different Wing Shape
7. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
Ngày nay, các cuộc chiến trên không ngày càng trở nên quan trọng, việc
chiếm quyền kiểm soát không phận cũng vì thế mà được ưu tiên hàng đầu. Vì
vậy, việc nghiên cứu và phát triển các mẫu máy bay hoạt động ở tốc độ cao và
có khả năng linh hoạt tác chiến tốt luôn là được chú trọng và đặt lên hàng đầu.
Trong sự phát triển của các thế hệ máy bay gần đây, máy bay có dạng cánh
Delta luôn được tập trung nghiên cứu và chú trọng phát triển nhiều hơn cả.
Hiện nay các nhà nghiên cứu đang ngày đêm tìm mọi cách để nâng cao hiệu
suất, tầm hoạt động, các vần đề liên quan đến động cơ, khả năng tác chiến,
khả năng tàng hình của máy bay. Muốn làm những điều đó, chúng ta phải
hiểu các vẫn đề cốt lõi như phát triển về động cơ, sự hình thành các lực khí
động, hình dáng khí động để có thể kiểm soát và tối ưu những đặc tính đó. Dự
kiến kết quả của luận văn sẽ cho thấy sự ảnh hưởng của hình dạng đến đặc
tính khí động của cánh Delta để có thể đưa ra những đánh giá và kết luận về
việc thiết kế máy bay cánh Delta.
8. Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được):
Nghiên cứu đặc tính khí động của cánh Delta ở tốc độ thấp sử dụng phương
pháp mô phỏng số dùng mềm mô phỏng ANSYS/FLUENT. Phân tích đặc
tính khí động của cánh trực tiếp qua lực khí động và gián tiếp qua các trường
phân bố vận tốc, áp suất, vùng xoáy trên cánh ...
9. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:
- Tổng quan về cánh Delta;
- Nghiên cứu dòng qua cánh Delta;
- Đặc tính khí động cánh Delta.
10. Dự kiến kế hoạch thực hiện :
Luận văn dự kiến sẽ được hoàn thiện trong thời gian 6 tháng nghiên cứu với 3
giai đoạn cụ thể như sau:
- Giai đoạn 1 (1 tháng): Nghiên cứu tổng quan dòng Delta
- Giai đoạn 2 (3 tháng): Xây dựng mô hình mô phỏng số và đánh giá kết quả
tính toán mô phỏng.
- Giai đoạn 3 (2 tháng): Hoàn thiện luận văn.
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung
Lời cảm ơn
Trong thời gian làm luận văn thạc sĩ, tôi xin chân thành cảm ơn sự chỉ
bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong nhóm chuyên môn Kỹ thuật Hàng
không & Vũ trụ, đặc biệt là cô giáo hướng dẫn PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung.
Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian, tài liệu và kiến thức nên những thiếu sót là
không thể tránh khỏi. Kính mong nhận được sự đóng góp kiến của các thầy cô.
Tóm tắt nội dung luận văn
Đặc điểm nổi bật của cánh Delta là sự hình thành hai cuộn xoáy ở mặt trên
của cánh. Hai cuộn xoáy này ảnh hưởng rất lớn tới đặc tính khí động của cánh
Delta, góp phần quan trọng trong việc sinh ra lực nâng cho cánh. Trong thực tế,
máy bay cánh Delta luôn hoạt động ở dải tốc độ cao với độ linh hoạt cao. Tuy
nhiên, ở chế độ tốc độ thấp với góc tấn lớn (ở chế độ cất cánh và hạ cánh), cánh
Delta lại hoạt động trong điều kiện dòng chảy không ổn định. Do vậy, luận văn
này nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chảy đến đặc tính khí động của cánh, cụ thể
là nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng cánh. Luận văn kết hợp phương pháp
nghiên cứu mô phỏng số với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để kiểm
chứng kết quả. Từ mô phỏng, ta thu được trường phân bố vận tốc, áp suất xung
quanh và trên cánh. Từ thực nghiệm, ta thu được phân bố áp suất trên cánh. Từ
các phân bố vận tốc trên cánh ta tính được các đặc trưng khí động của cánh như:
hệ số lực nâng CL, hệ số lực cản CD ...
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
Tạ Minh Trọng
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................... 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... 2
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. 4
LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................... 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁNH DELTA .................................................... 6
1.1 Giới thiệu chung ......................................................................................... 6
1.2 Lịch sử phát triển cánh Delta ..................................................................... 7
1.3 Đặc điểm cánh Delta .................................................................................. 8
1.3.1 Đặc điểm hình học ...................................................................... 8
1.3.2 Đặc điểm khí động .................................................................... 11
1.3.3 Ưu nhược điểm và ứng dụng của cánh Delta ........................... 17
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU DÒNG QUA CÁNH DELTA .......................... 19
2.1 Cánh Delta nghiên cứu ............................................................................. 20
2.2 Phương pháp mô phỏng ........................................................................... 21
2.2.1 Xác định mô hình và thiết lập miền tính toán ........................... 21
2.2.2 Chia lưới ................................................................................... 22
2.2.3 Thiết lập điều kiện biên và điều kiện giải ................................. 24
2.3 Phương pháp thực nghiệm ....................................................................... 25
2.3.1 Thiết bị thử nghiệm ................................................................... 26
2.3.2 Cánh thử nghiệm ....................................................................... 28
2.3.3 Xử lý kết quả ............................................................................. 29
CHƯƠNG 3. ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG DÒNG DELTA ................................. 32
3.1 Kiểm chứng nghiên cứu ........................................................................... 32
3.1.1 Cánh Delta kiểm chứng............................................................. 32
3.1.2 Kiểm chứng kết quả .................................................................. 32
3.1.3 Sai số trong mô phỏng .............................................................. 35
3.1.4 Sai số trong thực nghiệm .......................................................... 36
3.1.5 Kết luận ..................................................................................... 38
3.2 Ảnh hưởng của hình dạng cánh Delta ...................................................... 38
3.2.1 Dòng Delta ................................................................................ 38
3.2.2 Ảnh hưởng của hình dạng cánh Delta ....................................... 41
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN .................................................................................. 50
4.1 Kết luận .................................................................................................... 50
4.2 Hướng phát triển ...................................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 51
PHỤ LỤC CÔNG BỐ KẾT QUẢ..................................................................... 54
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Đơn vị Đại lượng
cr [m] Chiều dài dây cung gốc cánh
ct [m] Chiều dài dây cung gốc đầu cánh
b [m] Chiều dài sải cánh
λ [-] Tỷ số thon
AR [-] Tỷ số dạng
Λ [ᴼ] Góc quét ngược
CL,p [-] Hệ số lực nâng thế
CL,v [-] Hệ số lực nâng sinh ra do cuộn xoáy
Kp [-] Hằng số xác định hệ số CL,p
Kv [-] Hằng số xác định hệ số CL,v
Re [-] Số Reynolds
ρ [kg/m3] Khối lượng riêng chất lưu
u [m/s] Vận tốc dòng chảy
l [m] Độ dài dặc trưng của dòng chảy
μ [kg/ms] Độ nhớt động lực học của môi trường
υ [m2/s] Độ nhớt động học của môi trường
I [%] Cường độ rối
σ [m/s] Cường độ mạch động
h [mm] Chiều dày cánh
k [-] Động năng rối
ω [-] Hệ số tiêu tán rối
Гk Гω [-] Đại lượng khuếch tán
Sk Sω [-] Đại lượng nguồn
y+ [-] Chỉ số không thứ nguyên y+
Ƚ [ᴼ] Góc tấn
1
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Máy bay sử dụng cánh Delta .................................................................. 6
Hình 1.2 Lịch sử phát triển cánh Delta .................................................................. 7
Hình 1.3 Hình học cánh Delta ................................................................................ 9
Hình 1.4 Cánh máy bay nằm trong góc sóng va .................................................... 9
Hình 1.5 Hiện tượng khí động bất đối xứng tự nhiên trên cánh Delta ................ 11
Hình 1.6 Xoáy hình thành trên cánh Delta .......................................................... 12
Hình 1.7 Phân bố hệ số áp suất cánh Delta tại một mặt cắt [13] ......................... 13
Hình 1.8 Sự tan vỡ của cuộn xoáy trên cánh Delta.............................................. 13
Hình 1.9 Phân vùng cuộn xoáy trên cánh Delta [20] ........................................... 13
Hình 1.10 Lực nâng cánh Delta [21].................................................................... 14
Hình 1.11 Kp và Kv ttheo tỷ số dạng A ................................................................ 15
Hình 1.12 Hệ số lực nâng theo góc tấn ................................................................ 15
Hình 1.13 Hiện tượng wing rock ......................................................................... 16
Hình 1.14 Ứng dụng ôtô đua và máy bay chiến đấu F102 .................................. 17
Hình 2.1 Hình dạng cánh Delta nghiên cứu ......................................................... 20
Hình 2.2 Cánh Delta và miền tính toán................................................................ 21
Hình 2.3 Một số loại lưới cơ bản ......................................................................... 22
Hình 2.4 Phân chia vùng lớp biên theo chỉ số y+ ................................................. 23
Hình 2.5 Chia lưới................................................................................................ 23
Hình 2.6 Chọn mô hình rối .................................................................................. 24
Hình 2.7 Phương pháp giải .................................................................................. 25
Hình 2.8 Ống khí động dưới âm .......................................................................... 26
Hình 2.9 Bộ gá ..................................................................................................... 26
Hình 2.10 Giá trị đo áp suất ................................................................................. 28
Hình 2.11 Cánh Delta thực nghiệm ..................................................................... 28
Hình 2.12 Đồ thị liên hệ vận tốc với tần số quạt ................................................. 29
Hình 3.1 Mô hình cánh Delta [32] ....................................................................... 32
Hình 3.2 Xoáy xuất hiện trên cánh ...................................................................... 32
Hình 3.3 Phân bố áp suất trên cánh...................................................................... 33
Hình 3.4 Hệ số lực nâng....................................................................................... 34
Hình 3.5 Đường nghiên cứu phân bố áp suất – x/c = 0,5 .................................... 34
Hình 3.6 So sánh phân bố áp suất tại vị trí x/c = 0,5 ........................................... 34
Hình 3.7 Ảnh hưởng miền tính toán .................................................................... 35
Hình 3.8 Phân bố áp suất tại x/c = 0,7 với các phần tử lưới khác nhau ............... 36
Hình 3.9 Mô hình thực nghiệm kiểm chứng ảnh hưởng của chùm dây .............. 37
2
Hình 3.10 Dòng Detla .......................................................................................... 39
Hình 3.11 Phân bố áp suất trên cánh Delta đơn tại vị trí x/c = 0,5 ...................... 39
Hình 3.12 Ảnh hưởng của vận tốc đến dòng Delta .............................................. 40
Hình 3.13 Ảnh hưởng của góc tấn đến dòng Delta .............................................. 41
Hình 3.14 Chia khối và chia lưới miền tính toán các cánh khác nhau ................. 43
Hình 3.15 Đường dòng và phân bố áp suất mặt trên các cánh khác nhau ........... 44
Hình 3.16 Phân bố áp suất tại mặt cắt x/c = 0,5 ở các cánh khác nhau ............... 45
Hình 3.17 Đặc tính khí động các cánh Delta khác nhau ...................................... 46
Hình 3.18 Đường dòng và phân bố áp suất mặt trên ở góc tấn 25o ..................... 47
Hình 3.19 Phân bố áp suất dọc theo cánh ở góc tấn 25o ...................................... 48
3
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các dạng cánh Delta phổ biến .............................................................. 10
Bảng 1.2 Ưu nhược điểm và ứng dụng của cánh Delta ....................................... 17
Bảng 3.1 Sai số thực nghiệm chùm dây ............................................................... 37
Bảng 3.2 Đặc tính khí động cánh Delta đơn ........................................................ 40
4
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật nói chung và
lĩnh vực Hàng không nói riêng, các thế hệ máy bay trên âm đặc biệt là các máy
bay chiến đấu đòi hỏi phải tăng hiệu quả, hiệu suất làm việc cũng như sự linh
hoạt khi hoạt động. Trong đó, máy bay có cánh dạng Delta được sử dụng rất
nhiều bởi khả năng cơ động và ưu điểm khi bay ở vận tốc cao. Với tính ứng dụng
như vậy, đặc tính khí động học cũng như sự hoạt động của cánh Delta trong các
điều kiện môi trường khác nhau cần được nghiên cứu và làm rõ.
Luận văn: “Nghiên cứu đặc tính khí động cánh Delta ở tốc độ thấp khi
thay đổi hình dạng cánh”, là một đề tài nghiên cứu cơ bản đặc tính khí động của
dòng chảy qua cánh Delta khi thay đổi hình dạng của cánh. Nghiên cứu được
thực hiện với sự kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu mô phỏng số sử dụng
phần mềm thương mại ANSYS và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm sử dụng
ống khí động dưới âm. Nội dung của luận văn gồm ba chương:
Chương I: Tổng quan về cánh Delta;
Chương II: Nghiên cứu dòng qua cánh Delta;
Chương III: Đặc tính khí động dòng Delta.
Với những kiến thức cũng như kinh nghiệm trong nghiên cứu còn hạn chế,
tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các Thầy Cô. Tôi xin gửi lời cảm ơn
chân thành đến toàn thể giảng viên thuộc Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung đã tận tình hướng
dẫn, truyền đạt kiến thức và động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian hoàn
thành luận văn này.
5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁNH DELTA
Phần này trình bày các đặc điểm chung của cánh Delta, lịch sử phát triển
cánh Delta và ứng dụng của cánh Delta.
1.1 Giới thiệu chung
Cánh Delta là cánh có hình dạng tam giác, được đặt theo tên của chữ cái
Delta hoa (Δ) trong bảng chữ cái Hy Lạp.
Cánh Delta đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng chỉ thực sự được ứng dụng
rộng rãi trong kỷ nguyên của động cơ phản lực bởi nó hoạt động hiệu quả nhất ở
vận tốc lớn. Khi hoạt động ở vận tốc thấp, cánh Delta bộc lộ nhiều nhược điểm
như khó điều khiển và xuất hiện rung lắc (hiện tượng khí động đàn hồi hay còn
gọi là hiện tượng wing rock). Mặc dù vậy, với sự phát triển hệ thống điều khiển
“fly-by-wire” và cánh con vịt (canard), cánh Delta đã trở nên dễ điều khiển hơn.
Đặc điểm đáng chú ý của cánh Delta là nó có góc quét ngược (sweep-back
angle) lớn, tỷ số dạng nhỏ, dây cung ở đuôi cánh lớn, bán kính của mép vào nhỏ
(mép vào thường sắc cạnh) và diện tích cánh lớn, trong khi bề dày lại nhỏ. Điều
này giúp nó có khả năng tạo ra lực nâng lớn, đồng thời giảm lực cản, nhất là lực
cản sóng trong quá trình bay siêu thanh ở vận tốc Mach lớn hơn 1.
Cánh Delta có nhiều biến thể khác nhau. Nó được sử dụng chủ yếu trong
lĩnh vực quân sự, chủ yếu là các dòng máy bay chiến đấu tốc độ siêu thanh (Hình
1.1.a). Ngoài ra, cánh Delta cũng từng được sử dụng trong lĩnh vực dân sự, nổi
bật là máy bay vận tải hành khách tốc độ cao Concorde của Pháp (Hình 1.1.b) và
trong lĩnh vực hàng không vũ trụ với tàu con thoi của NASA (Hình 1.1.c). Ngày
nay, cánh Delta còn được nghiên cứu và ứng dụng cho các loại UAV (Hình
1.1.d).
a. Saab 35 Draken [1] b. Concorde, Pháp [2]
c. Launch Pad 39A, NASA [3] d. SkyEye Delta UAV [4]
Hình 1.1 Máy bay sử dụng cánh Delta
6
1.2 Lịch sử phát triển cánh Delta
Bằng sáng chế đầu tiên về cánh Delta được cấp cho 2 kỹ sư người Anh là
J.W. Butler và E. Edwards vào năm 1867. Tuy vậy, cũng giống như các ý tưởng
cấp tiến khác, phải đến thế chiến II cánh Delta mới được nghiên cứu và thử
nghiệm một cách nghiêm túc trong các ống khí động. Trong các cuộc chiến tranh,
sức mạnh của lực lượng không quân là tiêu chí hàng đầu để đánh giá sức mạnh
quốc phòng của một quốc gia. Các nhà khoa học luôn luôn tìm cách để nâng cao
tốc độ, tầm hoạt động, khả năng tác chiến của các chiến cơ. Từ những năm 1950,
các thiết kế về hình dạng cánh đã dần thay đổi để nâng cao được tốc độ hoạt động
của các loại máy bay.
Sau thế chiến thứ I, kỹ sư Alexander Lippisch là người tiên phong trong
các nghiên cứu, cải tiến máy bay cánh Delta và máy bay cánh Delta đầu tiên của
ông đã bay vào năm 1931. Sau đó loại máy bay này được sử dụng rộng rãi và
được cải tiến hơn, điển hình Convair F-102 Delta Dagger (Hình 1.2.a), là một
kiểu máy bay tiêm kích đánh chặn cánh Delta, được chế tạo như là một phần cốt
lõi của lực lượng phòng không không quân Hoa Kỳ vào cuối những năm 1950.
Máy bay này được đưa vào hoạt động từ năm 1956 với mục đích chính là ngăn
chặn sự xâm nhập của đội máy bay ném bom Xô Viết.
a. Convair F-102 Delta Dagger, Hoa Kỳ [5] b. Sukhoi PAK FA, Nga [6]
c. Thành Đô J-20, Trung Quốc [7] d. Lockheed Martin F-22 Raptor, Hoa Kỳ [8]
Hình 1.2 Lịch sử phát triển cánh Delta
Từ đó đến nay, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu và tìm kiếm
các giải pháp để nâng cao tính năng, tốc độ, tầm hoạt động và khả năng tác chiến
của máy bay cánh Delta với sự ra đời của các loại máy bay chiên đấu thế hệ thứ
tư và thứ năm. Hiện nay, các chiến cơ thế hệ thứ năm đang khẳng định được sức
mạnh vô địch của mình trên vùng trời với một số loại máy bay điển hình dạng
cánh Delta đó là: Sukhoi PAK FA do hãng Sukhoi của Nga sản xuất (Hình 1.2.b),
Thành Đô J-20 do Trung Quốc sản xuất (Hình 1.2.c) và Lockheed Martin F-22
7
Raptor do Mỹ sản xuất (Hình 1.2.d). Trong thời gian tới, máy bay tiêm kích phản
lực thế hệ thứ sáu là một loại máy bay được dự đoán sẽ được đưa vào phục vụ
trong Không lực Hoa Kỳ và Hải quân Hoa Kỳ trong khoảng năm 2025–2030.
Cánh Delta không những được phát triển cho máy bay quân sự mà còn
cho máy bay dân sự và ngành vũ trụ, với 2 đại diện nổi bật nhất là máy bay
Concorde (Hình 1.1.b) và tàu con thoi của NASA (Hình 1.1.c). Máy bay
Concorde có thể đạt đến tốc độ Mach 2, trong khi tàu con thoi có thể dùng cho
nhiều mục đích khác nhau. Tuy nhiên, hiện nay cả hai đều đã ngừng phục vụ.
Cánh Delta có khả năng tạo ra lực nâng lớn. Tuy nhiên, nó lại có nhiều
nhược điểm như tốc độ máy bay lớn khi cất hạ cánh, đòi hỏi đường băng dài, khó
ổn định ở góc tấn lớn đi cùng với lực cản lớn. Trong đó, nguy hiểm nhất là việc
cất hạ cánh bởi cánh Delta rất khó điều khiển ổn định. Do đó, đến khoảng những
năm 1980, ngoại trừ máy bay Concorde và tàu con thoi, cánh Delta đã dần trở
nên lạc hậu. Các nhược điểm trên khiến nó trở nên kém hấp dẫn, cùng với việc
máy bay tốc độ cao không còn có vị trí chiến lược trong quân đội các nước nữa
bởi chúng tiêu thụ nhiều nhiên liệu.
Tuy nhiên, sự phát triển của máy tính và cánh con vịt đã cứu cánh Delta
khỏi sự lạc hậu. Hệ thống điều khiển “fly-by-wire” giúp việc điều khiển ổn định
cánh Delta. Trong khi đó, cánh con vịt gắn ở đầu máy bay cũng góp phần giúp
cánh Delta dễ điều khiển hơn nhất là ở góc tấn lớn. Kể từ khi sử dụng hệ thống
hỗ trợ điều khiển và cánh con vịt, cánh Delta từ chỗ không còn được ưu tiên sử
dụng đã có chỗ đứng trong ngành công nghiệp hành không và vẫn đang tiếp tục
được phát triển hiện nay. Hiện nay, vẫn còn rất nhiều máy bay sử dụng cánh
Delta, đặc biệt, một số mẫu UAV đã bắt đầu được thử nghiệm với cánh Delta
(Hình 1.1.d).
1.3 Đặc điểm cánh Delta
1.3.1 Đặc điểm hình học
Cánh Delta có dạng hình tam giác (Hình 1.3). Cánh có dây cung gốc cánh
lớn, dây cung mút cánh nhỏ hoặc không có. Đầu cánh quét ngược về đuôi với
một diện tích lớn. Cánh có độ dày mỏng hơn so với các dạng cánh thông thường
khác. Mép vào của cánh kéo dài về phía sau, có thể liền hoặc cách một đoạn nhỏ
so với mép ra.
Các đặc điểm này khiến cánh Delta có tỷ số thon xấp xỉ bằng không, tỷ số
dạng thấp, diện tích cánh lớn, góc mũi tên lớn. Nhờ vậy, cánh có thể tạo ra lực
nâng lớn. Kết cấu cánh vững chắc, bền, khỏe, nhờ gốc cánh lớn, cánh mỏng và
thon giúp giảm thiểu được lực cản sóng khi bay trên âm.
Cánh có tỷ số dạng thấp nên có tính linh hoạt và khả năng cơ động cao.
Cánh Delta bản thân nó đã có khả năng cân bằng theo phương chúc ngóc (pitch),
do đó máy bay sử dụng cánh Delta không đòi hỏi phải có bề mặt điều khiển ổn
định, tức là không cần đuôi (tailless).
8
˄
cr
ct
b
Hình 1.3 Hình học cánh Delta
Trong đó: cr là chiều dài dây cung gốc cánh, ct là chiều dài dây cung mút
cánh, b là chiều dài sải cánh và ˄ là góc quét ngược.
Cánh Delta thường được sử dụng trong rất nhiều các loại máy bay quân sự
hiện nay do các đặc trưng khí động học có lợi như giới hạn thất tốc lớn, độ linh
động cao và khả năng điều khiển ở tốc độ thấp. Thêm vào đó, thiết kế của cánh
Delta cho phép hoạt động ở số Mach lớn, do hình dáng cánh quét ngược về phía
sau, từ đó tránh được các sóng va sinh ra từ mũi máy bay trong quá trình hoạt
động trên âm. Nhờ đó, cánh máy bay sẽ luôn nằm ở bên trong góc sóng va (Hình
1.4) và vận tốc dòng khí qua cánh sẽ luôn nhỏ hơn 1 Mach.
Hình 1.4 Cánh máy bay nằm trong góc sóng va
Một ưu điểm khác của cánh Delta là có kết cấu chắc chắn hơn hẳn so với
cánh bình thường và diện tích khoang chứa bên trong rộng rãi giúp có thể để
được một lượng lớn tải cũng như nhiên liệu. Hơn nữa việc chế tạo cánh Delta
cũng không quá phức tạp vì vậy tiết kiệm được chi phí sản xuất.
Tuy nhiên, cánh Delta có nhược điểm lớn đó là dễ bị mất thăng bằng
ngang khi hoạt động ở vận tốc thấp và lực cản lớn khi hoạt động ở độ cao thấp
nơi có mật độ không khí cao điều này ảnh hưởng rất lớn đến khả năng ổn định và
điều khiển của máy bay.
Cánh Delta có rất nhiều kiểu khác nhau dựa trên hình dạng của nó. Kiểu
cánh Delta đơn giản nhất là dạng hình tam giác, với cạnh góc tới quét đều về phía
9
sau. Loại cánh này được dùng chủ yếu cho các máy bay tốc độ cao, những máy
bay chiến đấu trên cao ví dụ: Mig 21, Convair F-102A hay B-58 Hustler. Nhưng
ở nhiều máy bay hiện đại, người ta sử dụng một cách hỗn hợp các hình dạng khác
nhau của cánh Delta để làm tăng thêm những lợi ích trong đặc tính khí động của
cánh. Các dạng phổ biến của cánh Delta được tổng hợp trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Các dạng cánh Delta phổ biến
Dạng cánh Minh họa Đặc điểm
Cánh delta có Cánh delta dạng cổ điển được gắn thêm đuôi
đuôi đứng và đuôi ngang ở thân với mục đích tăng
Tailed Delta độ ổn định điều khiển.
Cánh delta không có bề mặt ổn định theo
Cánh delta không
đuôi phương ngang. Thiết kế này dựa trên một
trong những ưu điểm của cánh delta là khả
Tailess Delta
năng tự ổn định theo phương chúc ngóc.
Đầu mút cánh bị cắt đi, tạo ra một đoạn đầu
mút cánh mới có độ dài nhất định. Nhờ đó
Cánh delta cắt
cánh delta có tỷ số thon khác không. Thiết kế
Cropped Delta
này giúp cánh giảm sự tách dòng ở đầu mút
cánh (stalling) khi bay ở góc tấn lớn.
Cánh delta có mép vào hoặc mép ra không
phải là một đường thẳng. Thông thường, phần
Cánh gấp khúc, phía trên của cánh sẽ có góc quét nhọn, diện
cánh hỗn hợp. tích nhỏ, trong khi phần phía dưới thì ngược
Cranked, lại. Thiết kế như vậy giúp phi công có thể
Compound delta điều chỉnh lực nâng, lực cản tốt hơn, tức là
điều khiển dễ dàng hơn, việc cất hạ cánh cũng
diễn ra dễ dàng hơn.
Cánh canard được kết hợp với cánh delta
nhằm tăng tính ổn điều khiển cho máy bay.
Cánh con vịt
Cánh canard có tác dụng giảm lực nâng trên
(Canard delta)
cánh chính, đồng thời điều chỉnh dòng chảy
qua cánh chính.
Cánh có mép vào là một đường lượn sóng.
Cánh cung nhọn Thường phần đầu cánh sẽ thu hẹp lại, phần
đuôi cánh phình to ra. Cánh được thiết kế tối
Ogival delta
ưu hóa nhằm tăng hiệu quả điều khiển cánh
delta khi cất hạ cánh.
10
1.3.2 Đặc điểm khí động
Cánh Delta thường được sử dụng cho các loại máy bay hoạt động ở tốc độ
siêu âm. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động của mình, thực tế hầu hết các loại
máy bay cánh Delta hoạt động ở vận tốc dưới âm, đặc biệt trong quá trình cất hạ
cánh. Ở chế độ cất/hạ cánh, máy bay hoạt động với tốc độ rất thấp, tương đương
với dòng không nén được (M < 0,3). Bởi vậy, các đặc điểm khí động khi bay ở
tốc độ thấp đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc nghiên cứu cánh Delta.
Cánh Delta có những đặc điểm, hiện tượng khí động đặc trưng và riêng biệt của
loại cánh có góc mũi tên lớn khi hoạt động ở tốc độ thấp.
a. Hiện tượng không đối xứng tự nhiên
Dòng qua cánh Delta có tính không đối xứng tự nhiên. Nguyên nhân chính
là do sự tách dòng không đối xứng hoặc sự bám lại của dòng chảy không đối
xứng [9].
Hình 1.5 Hiện tượng khí động bất đối xứng tự nhiên trên cánh Delta
b. Hiện tượng xuất hiện cuộn xoáy trên cánh
Trên cánh hữu hạn thường hình thành xoáy đầu mút cánh do sự chênh lệch
áp suất giữa mặt trên và mặt dưới (Hình 1.6.a). Xoáy đầu mút cánh chuyển động
theo 3 chiều dọc cánh máy bay gây ra lực cản cảm ứng [10]. Cánh Delta cũng
không phải là ngoại lệ. Khi bay với vận tốc dưới âm ở một góc tấn nhất định,
xoáy cũng được hình thành. Tuy nhiên, cuộn xoáy hình thành lại có kích thước
lớn vào kéo dài theo mép vào của cánh (Hình 1.6.b & c). Hai cuộn xoáy lớn hình
thành phía trên cánh tại khu vực lân cận mép vào của cánh [11-17].
Cơ chế hình thành cuộn xoáy:
¾ Áp suất mặt dưới cánh tại một góc tấn nhất định có giá trị cao hơn
áp suất mặt trên của cánh;
¾ Dòng chảy từ mặt dưới cánh tại lân cận mép vào sẽ có xu hướng
cuộn tròn xung quanh và đi từ dưới lên trên, tách ra khỏi bề mặt
cánh. Nếu mép vào đủ nhọn, dòng chảy sẽ tách ra dọc theo toàn bộ
mép vào;
¾ Dòng chảy tách khỏi bề mặt này sẽ cuộn lại vào phía trong tạo
thành cuộn xoáy sơ cấp ở bề mặt phía trên và nằm về phía trong
mép vào của cánh.
Cấu tạo của cuộn xoáy (Hình 1.6.b):
11
¾ Dòng chảy tách khỏi mép vào S1 cuộn tròn trên cánh, tạo thành lớp
cuộn xoáy đầu tiên. Sau đó, nó sẽ bám lại vào bề mặt cánh tại
đường tiếp xúc A1 rồi tiếp tục cuộn vào trong tạo thành các lớp tiếp
theo. Cuộn xoáy sơ cấp sẽ nằm trọn trong lớp cuộn xoáy đầu tiên
này;
¾ Cuộn xoáy thứ hai, gọi là cuộn xoáy thứ cấp được hình thành ngay
bên dưới cuộn xoáy sơ cấp. Cuộn xoáy này cũng có riêng lớp xoáy
đầu tiên S2 và đường tiếp xúc bề mặt A2. Chiều cuộn của hai cuộn
xoáy là ngược nhau;
¾ Các đường dòng chảy trên bề mặt có xu hướng chảy ra xa hai
đường A1 và A2, đồng nghĩa với xu hướng chảy về phía hai đường
S1 và S2 trước khi tách khỏi bề mặt cánh.
Mặt phẳng cắt
z
y Xoáy sơ cấp
α Xoáy thứ cấp
V∞ Đường bám thứ cấp A2
Dòng bám dọc
Đường dòng bám x
Đường tách dòng sơ cấp S1 Đường bám sơ cấp A1
Đường tách dòng thứ cấp S2
a. Xoáy đầu mút cánh b. Cuộn xoáy trên cánh [11]
c. Cuộn xoáy trên cánh [12]
Hình 1.6 Xoáy hình thành trên cánh Delta
Cuộn xoáy hình thành đã làm thay đổi sâu sắc phân bố áp suất tĩnh trên bề
mặt cánh. Áp suất tĩnh tại mặt dưới cánh về bản chất là đồng nhất và cao hơn so
với áp suất của dòng chảy tự do (hệ số áp suất dương). Trong khi đó, áp suất tại
mặt trên của cánh áp suất lại biến đổi theo chiều dài sải cánh, nhưng luôn nhỏ
hơn áp suất của dòng chảy tự do (hệ số áp suất âm). Điều này tạo ra một sự chênh
áp giữa mặt trên và mặt dưới của cánh.
Cụ thể, khi tiến dần vào trong từ mép ngoài, áp suất tại mặt trên của cánh
sẽ giảm mạnh tại mép vào và đạt cực tiểu tại vị trí tiếp xúc với cánh (hệ số áp
suất âm hơn), sau đó nó sẽ tăng dần lên và gần như ổn định tại khu vực giữa
cánh. Như vậy, trên cũng một mặt cắt bề mặt cánh theo sải cánh, vị trí tiếp xúc
giữa cuộn xoáy và bề mặt cánh là vị trí áp suất thấp nhất.
12