Nghiên cứu đặc tính khí động học của khí cụ bay khi có ảnh hưởng của mặt giới hạn

Bộ giáo dục v đo tạo Viện khoa học v công nghệ
việt nam

Viện cơ học



Phan xuân tăng






Nghiên cứu đặc tính khí động học của khí cụ
bay khi có ảnh hởng của mặt giới hạn


Chuyên ngnh: Cơ học chất lỏng
Mã số: 62 44 22 01




Tóm tắt luận án tiến sĩ cơ học

H Nội 2009

Công trình đợc hoàn thành tại: Viện Cơ học -Viện Khoa học
và Công nghệ Việt Nam


Ngời hớng dẫn khoa học:
1. GS.TSKH Dơng Ngọc Hải
2. PGS.TS Phạm Vũ Uy

Phản biện 1: GS.TSKH Vũ Duy Quang
Trờng Đại Học Bách khoa Hà Nội
Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Quế
Học viện Phòng không Không quân
Phản biện 3: GS.TS Phan Nguyên Di
Học viện Kỹ thuật Quân sự



Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc hội đồng chấm luận án cấp Nhà nớc,
họp tại Viện Cơ học,
vào hồi giờ ngày tháng năm 2009






Có thể đọc luận án tại:
1. Th viện Quốc gia

2. Th viện Viện Cơ học
Danh mục công trình của tác giả

1. Dơng Ngọc Hải, Ngô Trí Thăng, Phan Xuân Tăng (2002, "Xác định các
đặc tính khí động học của cánh khí cụ bay trong dòng khí dới âm", Tuyển tập
Công trình Khoa học Hội nghị Cơ học Toàn quốc lần thứ bảy năm 2002, tập IV,
Cơ học Thuỷ khí, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, Tr. 155-164.
2. Dơng Ngọc Hải, Phạm Vũ Uy, Phan Xuân Tăng (2004), "Khảo sát ảnh
hởng của bề mặt giới hạn tới đặc tính khí động học của khí cụ bay", Tuyển tập
các báo cáo Hội nghị Cơ học Toàn quốc kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Cơ học
4/2004, Tr. 90-95.
3. Phan Xuân Tăng, Phạm Vũ Uy, (2004), "Khảo sát ảnh hởng của bề mặt
giới hạn tới đặc tính khí động học của khí cụ bay bằng phơng pháp thực
nghiệm", Tuyển tập Công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thuỷ khí Toàn quốc
năm 2004, Tr. 148-158.
4. Phan Xuân Tăng, Ngô Trí Thăng, (2005), "Nghiên cứu thực nghiệm ảnh
hởng của bề mặt giới hạn đến đặc tính khí động học của cánh khí cụ bay", Kỷ
yếu Hội thảo Toàn quốc " Cơ học và khí cụ bay có điều khiển lần thứ nhất năm
2005, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, Tr. 68-74.
5. Phan Xuân Tăng, Phạm Vũ Uy, Dơng Ngọc Hải (2005), "ảnh hởng của
bề mặt giới hạn tới đặc tính khí động học của khí cụ bay trong bài toán không
dừng và phi tuyến", Kỷ yếu Hội thảo Toàn quốc "Cơ học và khí cụ bay có điều
khiển" lần thứ nhất năm 2005, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, Tr.75-
79.
6. Phan Xuân Tăng, Phạm Vũ Uy (2005), "Nghiên cứu đặc tính khí động học
của khí bay khi bay thấp trên mặt biển" Tuyển tập Công trình Hội nghị Khoa
học Cơ học Thuỷ khí Toàn quốc năm 2005, Tr. 499-510.
7. Ngô Trí Thăng, Phan Xuân Tăng, (2005), "Khảo sát chuyển động nhiễu dọc
thuỷ phi cơ khi bay gần mặt phẳng giới hạn",
T

uyển tập Công trình Hội nghị
Khoa học Cơ học Thuỷ khí Toàn quốc năm 2005, Tr. 489-498.
8. Duong Ngoc Hai, Phan Xuan Tang, Ngo Tri Thang, Pham Vu Uy (2006),
"Study of Wing-in-Surface Aerodynamic Characteristics by Experiment and
Discrete Vortex Method", The 3
rd
Asia-Pacific Workshop on Marine
Hydrodynamics, APHydro-2006, Shanghai, China, June 27-28, 2006, pp.39-44.
9. Phan Xuân Tăng, Ngô Trí Thăng (2006), "Nghiên cứu đặc tính khí động học
của cánh khí cụ bay khi bay gần mặt giới hạn bằng thực nghiệm", Tuyển tập
Công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thuỷ khí Toàn quốc năm 2006, Tr. 435-
442.
10. Phan Xuan Tang, Ngo Tri Thang, Pham Vu Uy, Duong Ngoc Hai
(2007), "Research on aerodynamics of a Wing-in-Surface-Effect Ship by theory
and experiment", Vietnam Journal of Mechanics, volume 29 number 4, pp 517-
528.

1
Mở đầu
1. Tính cấp thiết của luận án: Khi các khí cụ bay (KCB) bay ở độ cao thấp,
gần với mặt giới hạn (mặt đất, mặt nớc hồ, mặt nớc biển), do có sự ảnh
hởng tơng tác giữa mặt giới hạn và KCB đã làm thay đổi hình ảnh dòng chảy
bao quanh KCB và thay đổi các đặc tính khí động của chúng.
Nghiên cứu các đặc tính khí động của KCB khi bay thấp, gần với mặt đất,
mặt nớc hồ, mặt nớc biển có sóng, mặt giới hạn nếu đợc xem nh là phẳng
và cứng thì không còn phù hợp nữa, bề mặt giới hạn đã có sóng luôn chuyển
động và có thể bị biến dạng khi có những tác động từ bên ngoài. Không những
thế, khi khảo sát chuyển động của KCB bay gần với mặt nớc hồ, mặt nớc biển
có sóng trong hệ trục toạ độ mặt đất còn cho thấy ở đây tồn tại đồng thời ba
thành phần chuyển động tơng đối không dừng nh: chuyển động giữa KCB với

không khí, chuyển động giữa KCB với sóng và chuyển động giữa mặt sóng và
không khí.
Xuất phát từ nhu cầu của hớng nghiên cứu về khí động học các khí cụ
bay chuyển động gần với mặt giới hạn cũng nh từ nhu cầu phục vụ, thiết kế,
chế tạo các tàu đệm khí động và các khí cụ bay khác hoạt động ở gần mặt giới
hạn, tác giả chọn đề tài Nghiên cứu đặc tính khí động học của khí cụ bay
khi có ảnh hởng của mặt giới hạn" đảm bảo tính cấp thiết cho luận án.
2. Mục đích nghiên cứu: Mục đích của luận án là trên cơ sở mô hình vật lý-
toán xây dựng mô hình thực nghiệm và mô hình số để xác định đặc tính khí
động học của khí cụ bay, tàu đệm khí động, khi xét đến ảnh hởng hiệu ứng của
mặt giới hạn nói chung và mặt nớc có sóng nói riêng trong các trờng hợp
chuyển động của chúng dừng và không dừng trên mặt giới hạn với các tốc độ
nhỏ dới âm.
3. Đối tợng, phạm vi nghiên cứu: Xây dựng các nội dung nghiên cứu thực
nghiệm, thổi mô hình trong ống khí động, khảo sát ảnh hởng hiệu ứng của mặt
giới hạn và xác định đặc tính khí động học của khí cụ bay ở tốc độ dới âm.
Xây dựng mô hình số, thuật toán và phần mềm xác định đặc tính khí động học
phi tuyến dừng và không dừng của khí cụ bay khi chuyển động gần với mặt giới
hạn có biên dạng theo các qui luật khác nhau. áp dụng phơng pháp thực
nghiệm và mô hình số xác định đặc tính khí động học của tàu đệm khí động loại
nhỏ với hai chỗ ngồi.
4. Phơng pháp nghiên cứu: Lựa chọn các tiêu chuẩn đồng dạng cơ bản phù
hợp với mô hình vật lý của dòng chảy bao, mô hình KCB và mặt giới hạn, thực
nghiệm thổi các loại cánh và KCB hoàn chỉnh trong ống khí động. Nghiên cứu
phát triển xây dựng mô hình số, xác định đặc tính khí động học phi tuyến dừng
và không dừng có tính đến ảnh hởng hiệu ứng của mặt giới hạn.
5. ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm của luận án đã đóng góp phát triển các mô hình tính toán số, trên cơ sở
lý thuyết xoáy rời rạc cho các bài toán xác định các đặc tính khí động phi tuyến
của KCB, khi chuyển động dừng và không dừng với tốc độ nhỏ dới âm gần với

2
mặt giới hạn cứng, không phẳng. Đồng thời đã làm sáng tỏ bản chất vật lý của
hiệu ứng mặt giới hạn khi KCB chuyển động gần với nó. Những kết quả tính
toán và thử nghiệm đã đáp ứng kịp thời nhu cầu của quá trình thiết kế, chế tạo
thử nghiệm tàu đệm khí động hai chỗ ngồi ở Việt Nam.
Chơng 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu
1.1. Sơ lợc về lịch sử phát triển của khí cụ bay sử dụng hiệu ứng mặt giới
hạn - Ekranoplan (EP)
Hiệu ứng mặt giới hạn là sự tác động tơng hỗ giữa mặt giới hạn với cánh
và khí cụ bay trong điều kiện bay ở gần mặt giới hạn làm thay đổi hình ảnh
dòng chảy bao và thay đổi đặc tính khí động học của chúng. Ekranoplan hoặc
tàu đệm khí động là phơng tiện vận tải bay thấp sử dụng hiệu ứng giữa cánh và
mặt giới hạn (mặt đất, mặt nớc). Nằm trong xu hớng tăng tốc độ đối với
các phơng tiện vận tải đờng thuỷ, tiếp theo sự xuất hiện của các loại xuồng
cao tốc, tàu cánh ngầm, tàu đệm khí tĩnh thì Ekranoplan đầu tiên đã đợc ngời
Phần Lan T.Kario chế tạo vào những năm giữa của thập niên 30 thế kỷ trớc.
Sau T.Kario, còn có hai nhà chế tạo ngời Thụy Điển I.Troeng và ngời Mỹ
D.Iorner. Các Ekranoplan đầu tiên đã khẳng định đợc ảnh hởng của mặt giới
hạn đối với lực nâng của cánh. Tuy nhiên ở chúng còn gặp trở ngại về tính ổn
định và điều khiển. Phải mất gần 30 năm sau, vấn đề này mới đợc giải quyết
hoàn chỉnh. Vào các thập niên 60, 70 và 80 các nớc nh Nga, Phần Lan, Thụy
Điển, Mỹ, Đức, Nhật Bản đã cho ra đời nhiều loại Ekranoplan với sơ đồ phối
trí khí động, kích thớc hình học, trọng lợng và các tính năng khác nhau. Hiện
nay trên thế giới vẫn còn nhiều quốc gia tiếp tục đầu t cho các dự án chế tạo
các loại Ekranoplan thế hệ mới nhằm hoàn thiện và phát triển để loại phơng
tiện này ngày càng khẳng định đợc tính u việt của mình so với với các phơng
tiện vận tải khác.
1.2. Các đặc điểm cơ bản về khí động của khí cụ bay khi chuyển động gần
mặt giới hạn

Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng khi
khoảng cách từ mép sau cánh đến mặt giới hạn
h =
b
h
< 1 thì hình ảnh dòng chảy
bao cánh thay đổi rất nhiều so với dòng chảy bao cánh trong trờng hợp cánh
chuyển động tự do (không có mặt giới hạn). Mô hình vật lý dòng chảy bao cánh
nói riêng cũng nh dòng chảy bao khí cụ bay nói chung với giả thiết chất lỏng
(chất khí) lý tởng không chịu nén, khi có mặt giới hạn thì sự phân bố về các
tham số của dòng chảy bao đã có sự thay đổi về định lợng và định tính. Ngoài
các yếu tố ảnh hởng đến các đặc tính khí động của cánh nh trong trờng hợp
không có mặt giới hạn (hình dạng cánh, góc tấn, số Re ) còn có khoảng cách
h , tính chất và trạng thái của mặt giới hạn nữa.
1.3. Tình hình và các phơng pháp nghiên cứu về ảnh hởng của mặt giới
hạn đến đặc tính khí động học của khí cụ bay
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nớc

3
Từ những thập niên 20 và 30 của thế kỷ trớc đã có nhiều công trình
nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm khảo sát, đánh giá về sự ảnh hởng của
mặt giới hạn (mặt đất) đến đặc tính khí động học của KCB, khi bay gần với mặt
đất thờng gặp ở các giai đoạn cất và hạ cánh của chúng. Từ sau chiến tranh thế
giới lần thứ II đến những thập niên 50 và 60 các công trình nghiên cứu tập trung
đi vào khảo sát ảnh hởng của mặt đất đến hiệu quả của các trang thiết bị bổ trợ
nh: tấm tăng nâng, cánh tà khe, các tấm chắn đầu mút nhằm nâng cao chất
lợng khí động và cải thiện các tính năng cất - hạ cánh của KCB [46], [49],
[53], [62], [65]. Những công trình nghiên cứu về ảnh hởng của mặt giới hạn
trong ba thập niên cuối của thế kỷ trớc và những năm gần đây chủ yếu đi vào
khảo sát ảnh hởng của nó đến các tính năng, các quá trình quá độ trong các

chế độ vận hành của EP. ở nớc ta, các công trình nghiên cứu về sự tơng tác
ảnh hởng giữa KCB và mặt giới hạn còn cha nhiều, chủ yếu mới chỉ khảo sát
trong các trờng hợp mặt giới hạn là phẳng, tĩnh và dòng chảy giữa KCB và mặt
giới hạn là dòng song phẳng [5],[6].
1.3.2. Các phơng pháp nghiên cứu
Chủ yếu sử dụng phơng pháp nghiên cứu thực nghiệm hoặc lý thuyết
thực nghiệm kết hợp.
1.3.2.1. Các phơng pháp nghiên cứu lý thuyết
Với phơng pháp nghiên cứu lý thuyết dựa trên phơng trình Navie-Stoks,
định luật bảo toàn khối lợng và các điều kiện trên mặt cánh và trên mặt giới
hạn, cùng với các điều kiện ban đầu (đối với các bài toán không dừng), để có
kết quả giải tích dới dạng tổng quát cho đến những năm gần đây vẫn cha nhận
đợc. Tuy nhiên, trên cơ sở đa ra một số luận chứng và giả thiết về mặt vật lý
và toán học, cũng đã nhận đợc những kết quả giải tích và thiết lập đợc các
phơng pháp số, phục vụ nghiên cứu về thuỷ khí động của cánh và KCB, khi di
chuyển gần mặt giới hạn.
Các phơng pháp giải tích trong các bài toán thuỷ khí động dừng và
không dừng của cánh và KCB, gần mặt giới hạn giữa các môi trờng khác nhau
với cách tiếp cận là thay thế việc giải phơng trình vi phân đạo hàm riêng
Laplace bằng giải các phơng trình tích phân đợc thiết lập thông qua hàm
Green. Các phơng pháp số với sự thay thế mặt cánh, mặt giới hạn bằng hệ xoáy
rời rạc có cờng độ không đổi với bài toán dừng và thay đổi theo thời gian với
bài toán không dừng và nếu thoả mãn các điều kiện biên thì việc giải phơng
trình Laplace đợc thay thế bằng cách giải hệ các phơng trình đại số mà
nghiệm của nó là cờng độ các xoáy đợc thay thế.
1.3.2.2. Các phơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Nghiên cứu thực nghiệm trong ống khí động theo sơ đồ cánh và mặt
giới hạn hoặc theo sơ đồ cánh thực và cánh ảo đối xứng gơng với nhau.
- Nghiên cứu thực nghiệm trong bể nớc. Mô hình cánh chuyển động
song song với đáy bể. Nớc trong bể ở trạng thái tĩnh lặng, đáy bể đợc mô

phỏng là mặt giới hạn.

4
- Nghiên cứu thực nghiệm bằng cách kéo mô hình trên mặt nớc hoặc
trên cạn.
- Nghiên cứu thực nghiệm bằng thử bay mô hình. Thử bay mô hình ngoài
việc khảo sát ảnh hởng của mặt giới hạn đến đặc tính khí động học của cánh và
KCB ra, còn phục vụ cho nghiên cứu về tính ổn định và điều khiển của chúng.
Khí cụ bay đợc mô phỏng bằng mô hình bay thu nhỏ đồng dạng về mặt hình
học, đợc điều khiển bằng vô tuyến. Trên mô hình bay có lắp các thiết bị đo và
ghi các tham số định vị ở từng thời điểm chuyển động và các tham số làm việc
của động cơ.





Hình 1.7. Thử mô hình bay, điều khiển bằng vô tuyến.
1.4. Lựa chọn phơng pháp và phạm vi nghiên cứu của luận án
Phơng pháp và phạm vi nghiên cứu của luận án đợc chọn là: phơng
pháp nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết.
- Phơng pháp nghiên cứu thực nghiệm đợc tiến hành trong ống khí động
dới âm nhằm kiểm chứng một số kết quả đã công bố và làm sáng tỏ ảnh hởng
của biên dạng bề mặt giới hạn, vị trí tơng đối giữa các đỉnh của biên dạng so
với KCB đến các đặc tính khí động học của chúng ở các độ cao và vùng góc tấn
khác nhau. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trong điều kiện dòng chảy bao
dừng, tốc độ thấp từ 25 đến 40m/s.
- Phơng pháp nghiên cứu lý thuyết dựa trên cơ sở lý thuyết xoáy rời rạc
cho bài toán khí động phi tuyến dừng và không dừng của cánh chuyển động
trong môi trờng tự do, nghiên cứu phát triển mô hình tính toán số, xác định đặc

tính khí động học phi tuyến của cánh và khí cụ bay hoàn chỉnh khi chuyển động
dừng và không dừng gần mặt giới hạn có biên dạng không phẳng.
Mô hình nghiên cứu thực nghiệm và mô hình tính toán số đợc áp dụng
để nghiên cứu xác định đặc tính khí động học của một loại tàu đệm khí động hai
chỗ ngồi.
1.5. Kết luận chơng 1
Các nội dung nghiên cứu tổng quan đã khái quát đợc một cách hệ thống
về tình hình và các phơng pháp nghiên cứu về đặc tính thuỷ khí động của cánh,
KCB khi chuyển động gần mặt giới hạn. Trên cơ sở những kết quả phân tích,
đánh giá, trong quá trình nghiên cứu tổng quan đã định hớng cho sự lựa chọn
phơng pháp và các nội dung nghiên cứu của luận án đảm bảo khả thi, tin cậy
và sát với nhu cầu thực tế.
Chơng 2: Thực nghiệm xác định ảnh hởng của mặt giới
hạn đến đặc tính khí động học khí cụ bay
2.1. Các tiêu chuẩn đồng dạng

5
Trong các thí nghiệm khí động trên mô hình, độ tin cậy của các kết quả
nhận đợc rất phụ thuộc vào mức độ tơng thích giữa dòng chảy bao quanh mô
hình với dòng chảy bao quanh vật với kích thớc nguyên bản (vật thật), hay nói
cách khác là phụ thuộc vào sự bảo đảm các tiêu chuẩn đồng dạng trong quá
trình mô hình hoá hiện tợng xem xét. Khi tiến hành mô hình hoá các hiện
tợng, tiêu chuẩn đồng dạng bắt buộc giữa mô hình và vật thật là chúng phải
đồng dạng về hình học. Các tiêu chuẩn đồng dạng đợc chọn trong nghiên cứu
thực nghiệm đối với mô hình không nén là đồng dạng về hình học và số
Reynolds (Re).
2.2. Phơng pháp thử nghiệm
2.2.1. ống khí động dới
âm OT1
ống khí động dới

âm OT1 của Viện kỹ thuật
Phòng Không - Không
Quân đợc thiết kế chế tạo
theo sơ đồ nguyên lý tuần
hoàn kín có buồng công tác
hở [1]. Các thông số kỹ
thuật của ống khí động và
chỉ tiêu chất lợng của dòng khí trong buồng thử phù hợp và đáp ứng đợc các
yêu cầu của nghiên cứu thực nghiệm đặt ra.
2.2.2. Các thiết bị đo
Các thiết bị đo sử dụng trong các thí nghiệm bao gồm: thiết bị đo các lực
và mômen khí động. Sử dụng cân khí động 6 thành phần với giới hạn sai số
0,5%. Thiết bị đo tốc độ dòng
khí sử dụng tốc kế loại GP68
với dải đo từ 0, 03 đến 45m/s
và giới hạn sai số 0,5%. Bộ
khớp xoay hai chiều để định
vị mô hình và thay đổi góc
tấn (), góc trợt cạnh ()
trong hai mặt phẳng đứng và ngang.

2.2.3. Chuẩn bị các mô hình
Mô hình cánh gồm có 3 loại:
Cánh No
1: hình chữ nhật dạng profil SAGI B với
c
=1,
c
=5,33
Cánh No

2: hình chữ nhật dạng profil SAGI B với
c
=1,
c
=2,0
Cánh No 3: hình thang dạng profil SAGI B với
c
=1,54,
c
=2,4
Mô hình mặt giới hạn gồm có 4 loại với các tham số biên dạng bề mặt khác
nhau (xem bảng 2.2)

H
ình 2.2: Cân khí động 6 thành phần
Buồng công tác
4
1
2
3
5
6
1. Buồng công tác 4. Buồng điều khiển động cơ
2. Buồng điều khiển 5. Lá huớng dòng
3. Buồng động cơ quạt 6. Lá tổ ong

6
Bảng 2.2: Kích thớc mô hình mặt giới hạn

Biên dạng
Hình
dạng
a (mm) b (mm)
Độ cao h
đ

(mm)
Khoảng cách
g
iữa
hai đỉnh
đ
(mm)
mgh-1 Phẳng Elíp 1800 1200 0 0
mgh-2 Hình sin Elíp 1.800 1.200 50 80
mgh-3 Hình sin Elíp 1.800 1.200 50 160
mgh-4 Hình sin Elíp 1.800 1.200 50 80
2.2.4. Các nội dung thử nghiệm
- Bớc thứ nhất: Khảo sát đánh giá mức độ hoàn thiện của quá trình mô
hình hoá cũng nh độ chính xác của các phơng tiện đo cho hai trờng hợp
chảy bao mô hình cánh tự do và chảy bao mô hình cánh có mặt giới hạn.
- Bớc thứ hai: Nghiên cứu khảo sát ảnh hởng của mặt giới hạn đến đặc
tính khí động học của cánh KCB ở các khoảng cánh h và góc tấn khác nhau.
V
TN
=22m/s; ứng với số Reynolds (Re = 0,6.10
6
). Các nội dung thử
nghiệm trong bớc hai đợc thực hiện theo các phơng án:

+ Nghiên cứu ảnh hởng khoảng cách giữa cánh và mặt giới hạn
h
đến
đặc tính khí động học của các loại cánh có hình dạng trên mặt chiếu bằng khác
nhau. Các mô hình cánh sử dụng trong phơng án này là cánh No2 và cánh No
3, còn mặt giới hạn là mgh-1. Thí nghiệm đợc thực hiện ở mỗi góc tấn với các
khoảng cách h khác nhau.
+ Nghiên cứu ảnh hởng biên dạng các mặt giới hạn đến đặc tính khí
động học của cánh KCB. Sử dụng mô hình cánh No 2 và 4 mô hình mặt giới
hạn: mgh-1, mgh-2, mgh-3 và mgh-4. Thí nghiệm đợc thực hiện ở khoảng cách
h = 0,2 với các góc tấn khác nhau.
+ Nghiên cứu ảnh hởng vị trí tơng đối giữa đỉnh của biên dạng bề mặt
giới hạn với cánh đến đặc tính khí động học của cánh. Sử dụng hai mô hình
cánh No 2 và No 3. Mô hình nửa sóng đơn hình sin có độ cao h
S
=160mm và mô
hình mặt giới hạn mgh-1. Mô hình nửa sóng đơn có khả năng dịch chuyển tịnh
tiến trên mặt giới hạn mgh-1 từ phía trớc mũi cánh đến phía sau đuôi cánh và
đợc cố định ở các vị trí ứng với các thời điểm khảo sát.
2.3. Các kết quả thử nghiệm
2.3.1. Các kết quả thử nghiệm kiểm chứng

Hình 2.6: Hệ số c
y
so với thực nghiệm ở

h=0,075
H
ình 2.
5
: Hệ số c
y
so với thực nghiệm
STT
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
1,2
-20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20
TN
[54]
Hệ số lực nâng c
y

Góc tấn
0
0,1
0,2

0,3
0,4
0,5
0,6
0246810
TN
[48]
Góc tấn
Hệ số lực nâng c
y


7
Trên hình 2.5 biểu thị sự phụ thuộc hệ số lực năng c
y
của cánh No1 vào
góc tấn trong điều kiện chảy bao tự do xem, còn trên hình 2.6 của cánh No2
với khoảng cách h =0,075.
Các kết quả thử nghiệm, xác định hệ số lực nâng c
y
của cánh trong ống khí
động OT1 ở cả hai trờng hợp chảy bao tự do và chảy bao có mặt giới hạn cho
thấy, qui luật biến thiên của hệ số c
y
theo góc tấn phù hợp với qui luật chung,
còn sự sai lệch giữa các giá trị của hệ số c
y
so với các giá trị tơng ứng trong
[54] và [48] là không lớn (khoảng 5 ữ 7%).
2.3.2. Các kết quả thử nghiệm về sự ảnh hởng của mặt giới hạn đến đặc

tính khí động học của cánh KCB
- Kết quả khảo sát về sự ảnh hởng khoảng cách giữa cánh và mặt giới
hạn h đến hệ số lực nâng c
y
, hệ số lực cản c
x
, hệ số mômen chúc ngóc m
Z
và cực
tuyến của cánh hình chữ nhật với
C
=2 xem trên các hình 2.7, 2.8, 2.9.









Phân tích các kết quả thử nghiệm cho thấy, đối với hệ số lực nâng của cả
hai cánh hình chữ nhật và hình thang đều phụ thuộc vào khoảng cách giữa mặt
giới hạn với cánh. ở cùng một góc tấn khoảng cách
h
càng nhỏ thì hệ số lực
nâng càng lớn. ở các khoảng cách h từ 0,15 đến 0,40 độ gia tăng của hệ số lực
nâng lớn. Điều này cũng phù hợp với qui luật biến thiên chung c
y
=f(h ) mà ở các

công trình nghiên cứu trớc đây đã nhận đợc. Hệ số lực nâng của cánh hình
thang ở cùng khoảng cách
h
so với cánh hình chữ nhật nhận đợc giá trị lớn
hơn là do ảnh hởng của độ giãn dài
C
lớn hơn so với ảnh hởng của góc mũi
tên . Đối với hệ số lực cản c
X
của hai cánh, khi thay đổi khoảng cách h , sự
Hình 2.7: ảnh hởng khoảng cách
h

đến hệ số c
y
của cánh

=2,

C
=1
Hình 2.8: ảnh hởng khoảng cách
h

đến hệ số c
x
của cánh

c
=2,

C
=1
-0,16
-0,12
-0,08
-0,04
0,00
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
anpha=0 độ anpha=4 độ
anpha=8 độ
m
z

h
Hình 2.9: ảnh hởng khoảng cách
h
đến hệ số m
z
của cánh

c
=2,

C
=1
0,000
0,010
0,020
0,030

0,040
0,050
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
anpha=0 độ
anpha=4 độ
an
p
ha=8 đ
ộ
c
x
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
anpha=0 độ
anpha=4 độ
anpha=8 độ
c
x


h

h

8

thay đổi theo chiều giảm xuống khi
h
giảm cha đợc thể hiện rõ rệt. ở đây có
sự khác biệt là khi bay gần mặt giới hạn hệ số lực cản đối với cánh hình thang
giảm rõ rệt hơn so với cánh hình chữ nhật. Hệ số lực cản của cánh hình thang ở
cùng một khoảng cách h và góc tấn , nhận đợc giá trị nhỏ hơn.
Còn đối với sự ảnh hởng của khoảng cách h đến hệ số mômen chúc ngóc
m
Z
tơng tự nh ảnh hởng đối với hệ số lực nâng c
y
. Giá trị tuyệt đối của hệ số
mômen m
Z
tăng khi khoảng cách h giảm, đặc biệt tăng rõ rệt ở các khoảng cách
h nhỏ (h =0,2 ữ 0,4) và ở các góc tấn lớn.
- Kết quả khảo sát về sự ảnh hởng của biên dạng các mặt giới hạn đến
các hệ số lực nâng c
y
, hệ số lực cản c
x
hệ số mômen chúc ngóc m
Z
và cực tuyến
của cánh hình chữ nhật với
c
= 2,
C
= 1, ở độ caoh=0,2. Xem trên các hình
2.14, 2.15, 2.16 và 2.17.

Các kết quả thử nghiệm cho thấy ở các điều kiện thử nghiệm tơng đơng
(cùng khoảng cách
h

, góc tấn và số Re). ở cùng một khoảng cách
h
và góc tấn
, mặt giới hạn có các đỉnh lồi lõm có giá trị của hệ số lực nâng c
y
và giá trị tuyệt đối
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0
mgh-1 mgh-2
mgh-3 mgh-4
c
x



Hình 2.14: ảnh hởng biên dạng mặt
giới hạn đến hệ số c
y
của cánh với

=2,0,

C
=1 ở khoảng cách h =0,20
Hình 2.15: ảnh hởng biên dạng mặt giới

hạn đến hệ số c
x
của cánh với

=2,0,

C
=1 ở khoản
g
cách
h
=0,20
-0,12
-0,10
-0,08
-0,06
-0,04
-0,02
0,00
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0
mgh-1 mgh-2
mgh-3 mgh-4
m
z

Hình 2.16: ảnh hởng biên dạng mặt
giới hạn đến hệ số m
z
của cánh với

=2,0,

C
=1 ở khoảng cách h =0,20
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0
mgh-1 mgh-2
m
g
h-3 m
g
h-4
c
y




Hình 2.17: Cực tuyến cánh với

=2,0,

C
=1 ở khoảng cách
h

=0,20

h
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Hệ số lực cản c
x
Hệ số lực nâng c
y
mgh-1 mgh-2
mgh-3 mgh-4

9
của hệ số mômen m
Z
sẽ lớn hơn so với mặt giới hạn có bề mặt phẳng. Độ dài giữa hai
đỉnh biên dạng liền kề ít ảnh hởng đến các giá trị của các hệ số c
y
và m
Z
, chỉ thể hiện
rõ rệt khi khoảng cách
h nhỏ với góc tấn lớn. Ngoài ra, đối với hai mặt giới hạn
có cùng độ cao đỉnh biên dạng và độ dài giữa hai đỉnh liền kề nhận thấy mức độ
ảnh hởng của mặt giới hạn có kết cấu cứng vững mgh-2 sẽ lớn hơn so với mặt

giới hạn có kết cấu không cứng vững mgh-4.
- Kết quả khảo sát ảnh hởng vị trí tơng đối giữa đỉnh biên dạng của mặt
giới hạn so với vị trí của cánh đến hệ số lực nâng c
y
của cánh hình chữ nhật và
cánh hình thang ở khoảng cách
h =0,40 và góc tấn =4
0
, xem trên hình 2.18






Hình 2.18: ảnh hởng vị trí tơng đối giữa đỉnh biên dạng với cánh đến
hệ số lực nâng c
y
.
Hệ số lực nâng c
y
của cánh hình chữ nhật và cánh hình thang đều đạt giá
trị lớn nhất không phải ở vị trí khi đỉnh biên dạng nằm trên đờng pháp tuyến
của mặt giới hạn đi qua điểm tâm áp của mỗi cánh, mà là ở những vị trí gần về
phía mép đuôi các cánh. Điều này, thực tế có nghĩa là khi khí cụ bay và đỉnh
biên dạng cùng chuyển động với các vận tốc khác nhau (giả thiết vận tốc của
KCB lớn hơn nhiều vận tốc của đỉnh biên dạng). Trờng hợp nếu KCB và đỉnh
biên dạng chuyển động theo cùng hớng, thời điểm mà hiệu ứng của mặt giới
hạn lớn đối với cánh là lúc mà đỉnh biên dạng cha kịp tới KCB, còn trờng hợp
đỉnh biên dạng chuyển động ngợc với hớng của KCB thì hiệu ứng tới mặt giới

hạn lớn ứng với thời điểm mà KCB đã vợt qua đỉnh biên dạng.
2.4. Kết luận chơng 2
Các nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hởng của mặt giới hạn đến đặc tính
khí động học của cánh và KCB khi chuyển động gần nó đã thu đợc những kết
quả không những có giá trị về kiểm chứng, mà còn có giá trị đóng góp mới về
mặt khoa học trong lĩnh vực thực nghiệm khí động KCB chuyển động gần mặt
giới hạn. Tuy nhiên, do hạn chế kích thớc buồng thử mô hình của ống khí động
OT1, không thể đảm bảo kích thớc của các mô hình mặt giới hạn lớn hơn nữa
so với các kích thớc đặc trng của các mô hình cánh. Ngoài ra, ở những
khoảng cách h rất nhỏ h < 0,1 do tác động của lớp biên đến dòng chảy bao
ngoài, độ tin cậy các kết quả thử nghiệm còn cha đợc đáp ứng thoả đáng. Do
vậy, nhiệm vụ của luận án cần phải nghiên cứu phát triển xây dựng phơng pháp
số, bổ trợ và mở rộng phạm vi nghiên cứu giải quyết các bài toán về đặc tính khí
động học phi tuyến khi cánh và KCB chuyển động dừng và không dừng gần mặt
giới hạn.

10
Chơng 3: xây dựng mô hình số xác định các đặc tính khí
động học của Khí cụ bay khi có ảnh hởng của mặt
giới hạn
3.1. Đặt bài toán
Xét cánh KCB có hình dạng bất kỳ trên mặt chiếu bằng, chuyển động
dừng hoặc không dừng trên môi trờng khí nhớt, không chịu nén với vận tốc
trung bình U
0
, gần với mặt giới hạn có biên dạng thay đổi (nh dạng sóng) xem
trên hình 3.1.

Hình 3.1: Cánh khí cụ bay chuyển động gần mặt giới hạn
1- Cánh khí cụ bay; 2- Mặt giới hạn có biên dạng thay đổi;
oxyz- Hệ trục toạ độ Descartes liên kết với cánh.
Trong dòng khí nhớt chảy bao cánh KCB và mặt giới hạn, lực tác dụng
tơng hỗ giữa chúng đợc phân bố theo phơng pháp tuyến và tiếp tuyến. Thành
phần theo phơng tiếp tuyến là do độ nhớt của chất khí tạo ra. Thực tế cho thấy,
trong nhiều bài toán với độ chính xác cần thiết, việc xác định các thành phần lực
này đợc thực hiện một cách độc lập với nhau. Điều này có nghĩa là khi xác
định áp suất hay là đặc tính khí động học cơ bản của cánh khí cụ bay nh: hệ số
lực nâng, hệ số mômen chúc ngóc có thể bỏ qua tính nhớt của môi trờng và
xem môi trờng mà trong đó KCB và mặt giới hạn chuyển động là môi trờng
khí lý tởng. Cờng độ của các xoáy tự do bất biến theo thời gian, nhng vị trí
của chúng trong không gian lại luôn thay đổi. áp suất trên bề mặt cánh trong
dòng nhiễu động không dừng đợc xác định dựa trên biểu thức tích phân
Cauchy-Lagrange. Trong trờng hợp bài toán phi tuyến dừng, tồn tại sự khác
biệt là định dạng của màn vết xoáy tự do đợc xác lập bằng các phơng trình vi
phân của các đờng dòng lại trùng với các sợi trong màn vết xoáy tự do. áp suất
ở các điểm trên bề mặt KCB trong dòng nhiễu động đợc xác định bằng biểu
thức tích phân Bernoulli hoặc theo định lý Giucôpxki trong "lân cận bé".
3.2. Phơng pháp xoáy rời rạc, xác định đặc tính khí động học phi tuyến
của KCB khi chuyển động dừng và không dừng
Phơng pháp xoáy rời rạc trong các bài toán khí động phi tuyến dừng và
không dừng của KCB khi chuyển động trong môi trờng không có mặt giới hạn

O
y
x
U
O


i
L
z

I
II
1

h
z

gh
2

11
đợc dựa trên cách tiếp cận là rời rạc hoá các quá trình và sự phân bố liên tục
của các tham số của dòng chảy bao. Điều này có nghĩa là các cánh của KCB khi
đợc thay thế bằng lớp xoáy liên tục, cũng nh màn vết xoáy tự do đợc tạo ra ở
ngoài mút và phía sau mép đuôi cánh sẽ đợc mô phỏng gần đúng bằng hệ các
xoáy rời rạc. Sự biến thiên liên tục của các điều kiện biên và cờng độ các xoáy
theo thời gian khi cánh KCB chuyển động không dừng đợc thay thế bằng qui
luật biến thiên bậc thang.
3.3. Phơng pháp XRR xác định đặc tính khí động học phi tuyến của KCB

khi chuyển động dừng gần mặt giới hạn không phẳng
3.3.1. Sơ đồ hoá khí cụ bay và mặt giới hạn
Các bộ phận của khí cụ bay nh: cánh, thân, đuôi ngang, đuôi đứng và các
ổ chứa động cơ đợc sơ đồ hoá thành mô hình các tấm phẳng, là các mặt
phẳng trung bình của chúng đợc liên kết với nhau theo đúng sơ đồ phối trí khí
động đã cho. Mặt giới hạn đợc xem xét thuộc loại mặt giới hạn có biên
dạng không phẳng có thể có các đỉnh lồi lõm khác nhau, có thể có dạng đồ thị
hình sin hoặc có thể có dạng sóng trên mặt nớc biển, sông, hồ. Giả thiết các
mặt giới hạn đều cứng. Kích thớc của các mặt giới hạn là vô hạn. Tuy nhiên, ở
đây các mặt giới hạn đợc đa về mặt giới hạn có kích thớc hữu hạn bằng
cách:
- áp dụng mô hình tính toán kinh điển (mô hình đối xứng gơng giữa
KCB cơ sở và KCB ảo) của phơng pháp XRR để xác định đặc tính khí động
học cơ bản của KCB nh hệ số lực nâng c
y
và hệ số mômen chúc ngóc m
z
.
Những kết quả tính toán này đợc chọn làm số liệu gốc.
- Thay thế mặt giới hạn cứng phẳng có kích thớc vô hạn bằng mặt giới
hạn có kích thớc hữu hạn. Chọn giới hạn sai số không quá 0,5% giữa các kết
quả, nhận đợc từ hai mô hình tính toán, xác định tỷ lệ kích thớc cần thiết của
mặt giới hạn với các kích thớc bao của KCB trong điều kiện KCB nằm ở vị trí
giữa mặt giới hạn trên mặt chiếu bằng của chúng. Kết quả khảo sát cho thấy đối
với cánh KCB, mặt giới hạn trong sơ đồ xoáy có kích thớc theo chiều dọc từ 3
đến 5 lần độ dài dây cung và theo chiều ngang từ 3 đến 5 lần sải cánh.
Về biên dạng của mặt giới hạn, các mặt cong đợc mô hình là các mặt
phẳng nghiêng nối các đỉnh lồi lõm trong các biên dạng đồ thị hình sin hoặc
sóng mặt nớc biển, sông, hồ xem trên hình 3.4, 3.5

s

h
s


s

h
s

Hình 3.4: Giản đồ mặt cắt biên dạng
m
ặ
t són
g
biển
Hình 3.5: Sơ đồ hoá biên dạng
m
ặ
t són

g
biển

12
3.3.2. Mô hình xoáy
Mô hình xoáy trong bài toán khí động phi tuyến dừng của cánh KCB,
chuyển động gần mặt giới hạn cứng có biên dạng không phẳng-dạng mặt sóng
biển. ở đây sử dụng hệ trục Descartes Oxyz liên kết với cánh KCB. Hình dạng
của cánh và mặt giới hạn trên mặt chiếu đứng và bằng nh trên hình 3.6.

Hình 3.6: Mô hình xoáy cánh KCB khi chuyển động gần mặt giới hạn
1- Cánh KCB; 2- Mặt giới hạn
Thay thế cánh KCB và mặt giới hạn bằng các hệ xoáy rời rạc, bao gồm
các sợi xoáy liên kết dọc và sợi xoáy liên kết ngang. Ngoài ra còn có các hệ
xoáy tự do I ở vùng sau mép đuôi cánh và sau cạnh dài mặt giới hạn, hệ xoáy tự
do II ở vùng ngoài mút cánh và cạnh rộng mặt giới hạn.
3.3.3. Lu số vận tốc và trờng vận tốc cảm ứng từ các hệ xoáy thay thế khí
cụ bay và mặt giới hạn
ở đây chọn hệ toạ độ liên kết với mặt giới hạn làm hệ toạ độ gốc. Ngoài
ra góc tấn trong mô hình tính toán đối với mặt giới hạn đợc chọn là
0
=0 (dòng
khí thổi tới song song với mặt giới hạn). Còn với cánh KCB góc tấn
c
(góc tấn

c

I
II


h
K=0
P
=0
I
Z
x
U
0
O
1
2
X
Y
K=N
m
P
=N
m

II

13
thực) đợc thực hiện bằng phép quay cánh với một góc
c
trong hệ toạ độ (xyz)
0

và tịnh tiến cánh cùng với hệ toạ độ (xyz)
c
theo công thức:











+

=










1
1
1
0
0

0
cossin0
sincos0
001
z
y
x
z
y
x
z
y
x
c
c
c


(3.8)
ở đây: x
1
,y
1
,z
1
là khoảng cách từ gốc toạ độ O
1
(xyz)
c
đến gốc toạ độ O(xyz)

0
.
Lu số vận tốc của các hệ xoáy rời rạc gồm: lu số vận tốc xoáy liên kết ngang
(
1

k
km


), lu số vận tốc xoáy liên kết dọc (
1+

k
km


), lu số vận tốc xoáy hệ tự do I
( )
)1(
km
, lu số vận tốc xoáy hệ tự do II (
)2(
m


). Còn vận tốc cảm ứng bởi các hệ
xoáy: w = w
-
+ w

+
+ w
I
+ w
II
(3.13)
Trong đó:
w
-
- vận tốc cảm ứng từ xoáy liên kết ngang trên cánh và mặt giới hạn.
w
+
- vận tốc cảm ứng từ các xoáy dọc trên cánh và mặt giới hạn.
w
I
- vận tốc cảm ứng từ xoáy tự do của hệ xoáy I trên cánh và mặt giới hạn.
w
II
- vận tốc cảm ứng từ xoáy tự do của hệ xoáy II trên cánh và mặt giới hạn.
3.3.4. Hệ phơng trình xác định cờng độ xoáy
Để xây dựng hệ phơng trình, giả sử lấy điểm tính toán trên panel đợc
giới hạn bởi các tiết diện p, p-1 từ panel chứa các sợi xoáy rời rạc đợc giới hạn
bởi các tiết diện k, k-1, xem trên hình 3.10.

Hình 3.10: Xác định vận tốc cảm ứng ở một điểm trong không gian
Trên cơ sở thoả mãn các điều kiện biên hệ phơng trình có dạng:

n
11ppk
km
M
1m
N
1k
n
1
1k
km
.a
mm
f=

===


(3.19)

m
n, ,2,1=

;
m
Np , ,2,1= ; Mm , ,2,1

=
; Số phơng trình là:

=
M
1m
mm
nN
Mặt giới hạn đối với dòng thổi tới U
0
có góc tấn (=0), còn góc tấn của
cánh KCB trớc khi đa vào tính toán thì đòi hỏi các mặt nâng của cánh phải
xoay quanh gốc toạ độ liên kết một góc
c
. Hệ số vế trái của phơng trình
(3.19) có dạng:
10
1
pp
m
a


=
10
0
pp
mn

-
111
0
+ ppn
mn
m



-

+=
+
Im
1
111
10
n
n
pp
mn
I




+

=
+
IIm
0
11
0
n
l
ppl
mln



1k;1,2 Mm =
=
(3.20)
z
x


p
p-1
k
k-1
*



u
0

w


n
w
x
y
w
y
w
n
Mặt chiếu bằng
Mặt chiếu cạnh

14
11 ppN
mN
m
m
a


=
11
0
ppN
mNn
m
m

+
111
10
+

ppNn
mNn
mm
m



+

+=
+

Im
1
111
10
n
n
ppN
mNn
I
m
m

,
m
NkMm == ; 2,1 (3.21)
11 ppk
mk
a


=
11
0
ppk
mkn



+
111
10
+

ppkn
mkn
m

-
11
0
+ kppn
mkn
m



-
)(
11
1
111
10
Im
1
+
+=
+



kpp
mkn
n
n
ppk
mkn

(3.22)

m
NkMm = 2; 2,1 -1
n
f - hàm tốc độ chuyển dịch không thứ nguyên ở các điểm tính toán trên
vùng thứ m của mặt nâng cánh và mặt giới hạn.

n
f =-2 . A
1pp
m

trên các mặt nâng của cánh. (3.23)
Còn trên các tấm phẳng của mặt giới hạn:
n
f =-2 .(
0
U
U
mghKK
).A
1pp
m

(3.24)
ở đây: ký hiệu A
1pp
m

là thành phần véc tơ pháp tuyến đơn vị tồn tại ở tất cả các
điểm tính toán trên các mặt nâng của cánh và trên các tấm phẳng của mặt giới
hạn.
U
KK-mgh
: tốc độ tơng đối giữa không khí và mặt giới hạn.
Sau khi tìm đợc nghiệm của hệ phơng trình (3.19) có thể xác định đợc tải áp
suất phân bố trên cánh rồi tính các hệ số lực nâng và hệ số mômen chúc ngóc
của KCB cần chú ý là ở đây chỉ quan tâm đến tải áp suất phân bố trên cánh
KCB [31].
Để giảm thời gian tính và vẫn đảm bảo độ chính xác có sự thay đổi đó là
trong mô hình xoáy mới, trên cánh vẫn giữ nguyên xoáy móng ngựa còn trên
mặt giới hạn thay bằng dạng hình khung tứ giác. Với sự thay thế hệ xoáy dạng
khung có thể bỏ qua ảnh hởng của hệ xoáy tự do I và II từ mặt giới hạn. Với
sự thay đổi nh vậy đa về giải hệ phơng trình đơn giản hơn:
ký hiệu lu số vận tốc chung là
pi


:
fnA
pij
N
j

pi
.2.
1



=

+
=
,
+
= Ni , ,2,1 ,
=
+
N N
s
+

=
M
m
mm
nN
1
(3.29)
Trong đó: N
s
- Số tứ giác trên mặt giới hạn;
n

f =-2 cho các điểm tính toán
trên cánh KCB. còn
n
f =-2 .(
0
U
U
mghKK
) cho các điểm tính toán trên mặt giới
hạn.






=
pk
ki
pij
pij
a
A
A
1

3.4. Phơng pháp XRR xác định đặc tính khí động học phi tuyến của KCB
khi chuyển động không dừng gần mặt giới hạn không phẳng
3.4.1. Mô hình xoáy
Chuyển động của KCB khi bay thấp gần với mặt biển là chuyển động
không dừng. Các thông số động học của chuyển động, các điều kiện biên thay
đổi theo thời gian dẫn đến cờng độ của các xoáy mô phỏng cánh và các mặt
nâng khác của KCB và các tấm phẳng của mặt giới hạn cũng nh đặc tính khí
- áp dụng cho phần tử
i
- hệ xoáy khung
- áp dụng cho phần tử i- hệ xoáy móng ngựa

15
động học của KCB cũng thay đổi theo thời gian. Mô hình xoáy của phơng pháp
XRR trong bài toán khí động phi tuyến không dừng của KCB khi bay thấp gần
mặt giới hạn không phẳng có biên dạng đợc xây dựng tơng tụ nh trong bài
toán dừng. Nhng ở đây có sự khác nhau mô hình xoáy trong bài toán phi tuyến
dừng các hệ xoáy tự do I và II chỉ có xoáy dọc hoặc xoáy ngang, nhng ở đây
các hệ xoáy tự do I và II đợc mô phỏng bằng cả các xoáy ngang và xoáy dọc.
Các xoáy ngang, dọc này xuất hiện là do có sự biến đổi cờng độ các xoáy
ngang và dọc trên cánh.
3.4.4. Tính toán cấu trúc xoáy- Phơng trình xác định cờng độ xoáy
Nếu vào thời điểm tính toán đang xét r điểm cuối của xoáy tự do nằm tại
điểm có toạ độ không thứ nguyên (
r
x
,
r
y ,
r

z ), ở thời điểm tính toán tiếp theo
r+1 điểm này chuyển động theo hớng véc tơ tốc độ tơng đối tới điểm có toạ
độ
1+r
x
=
r
x
+ .


r
x
w
0
;
1+r
y =
r
y + .


r
y
w
0
;
1+r
z =
r

z + .


r
z
w
0
; (3.35)
ở đây .

- là khoảng thời gian tính toán (bớc) không thứ nguyên.
Trong mỗi thời điểm tính toán r, cờng độ tổng các xoáy ngang trên mặt
cánh của KCB đều phải xác định lại, cũng nh đối với cờng độ của các xoáy tự
do trong hệ I ở sợi xoáy thứ =n
m
+1. Cờng độ của các xoáy khác còn lại hoặc
đã đợc xác định từ kết quả của các bớc tính trớc, hoặc có thể đợc xác định
qua các mối quan hệ giữa chúng với nhau. Thoả mãn điều kiện biên không chảy
thấu qua mặt cánh và mặt giới hạn và giả thuyết của Traplgin - Giucôpxki ở
mép sau và cạnh mút của cánh KCB và mặt giới hạn với thời điểm tính toán r, ở
tất cả các điểm tính toán, hệ phơng trình đại số để xác định cờng độ các xoáy
ngang trên cánh, mặt giới hạn
rk
km
1




và xoáy ngang trong hệ xoáy tự do I bên

ngoài cánh có dạng:

===
mm
n
M
m
N
k 111

kr
km
1+




.
11 ppk
km
a


+

==
m
N
k
M

m 11
r
mkk
)1(
1

.
11 ppk
Ikm
a

=
rpp
m
H
1
0


(3.36)
=1, 2, , n
m
; p =1, 2, , N
m
; 1mM
11 ppk
km
a

,
11 ppk
Ikm
a

- Các thành phần tốc độ pháp tuyến không thứ nguyên
cảm ứng bởi các đoạn xoáy có cờng độ đơn vị ở các điểm tính toán.
rpp
m
H
1
0


- Hàm của tốc độ pháp tuyến chuyển dịch không thứ nguyên f
n
tại thời
điểm tính r và các tốc độ pháp tuyến không thứ nguyên cảm ứng bởi hệ màn
xoáy tự do I và II ở thời điểm tính toán trớc (1,2, r-1) đã biết ở điểm tính
toán. Hệ phơng trình bổ trợ để đóng kín hệ, khi thoả mãn điều kiện bất biến
của lu số tốc độ theo chu tuyến kín đối với các xoáy tính toán:

=
m
n
1

kr
km
1+

+
r
mkk
)1(
1

=
mkk
C
1
-


=
1
1
r
s
s
mkk
)1(
1

k =1, 2 N
m
, 1mM (3.39)

mkk
C
1
- Hằng số đợc xác định từ các điều kiện ban đầu. Khi <0 dòng không bị
nhiều động thì
mkk
C
1
= 0.
3.4.5 Xác định đặc tính khí động học của KCB

16
Tại thời điểm tính toán r, sau khi giải hệ phơng trình (3.36) và (3.39) tìm
đợc cờng độ của xoáy liên kết ngang và xoáy tự do trên các phần tử của KCB,
từ đó xác định đợc cờng độ của các xoáy liên kết và xoáy tự do dọc trên và sau
cánh. Sử dụng tích phân Cauchy-Lagrange xác định đợc tải khí động tác dụng
lên các phần tử của KCB [38].
3.5. Kết quả tính toán
3.5.1 So sánh các kết quả giữa tính toán và thực nghiệm
Kết quả tính toán (TT) bằng phơng pháp XRR với mô hình phi tuyến
dừng và thổi thực nghiệm (TN) đối với 2 mô hình cánh (chữ nhật, hình thang)
trên mặt giới hạn mgh-2, mgh-3 xem trên các hình 3.15, 3.16, 3.17, 3.18. Các
kết quả này cho thấy phơng pháp tính toán so với các kết quả thực nghiệm có
độ sai lệch từ 10% đến 25%.

Hình 3.15, 3.16: So sánh hệ số c
y
và độ cao

h của cánh

=2,0 và

=2,4 với
mgh-2 bằng thực nghiệm và tính toán












Hình 3.17, 3.18: Quan hệ giữa hệ số c
y

và độ cao

h của cánh

=2,0và

=2,4
với mgh-3 bằng thực nghiệm và tính toán
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Độ cao tơng đối h/b
Hệ số lực nâng c
y
TN (anpha=0 độ)
TT (anpha=0 độ)
TN (anpha=4 độ)
TT (anpha=4 độ)
TN (anpha=8 độ)
TT (anpha=8 độ)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Độ cao tơng đối h/b
Hệ số lực nâng c
y
TN (anpha=0 độ)
TT (anpha=0 độ)
TN (anpha=4 độ)
TT (anpha=4 độ)
TN (anpha=8 độ)
TT (anpha=8 độ)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Độ cao tơng đối h/b
Hệ số lực nâng c
y
TN (anpha=0 độ)
TT (anpha=0 độ)
TN (anpha=4 độ)
TT (anpha=4 độ)
TN (anpha=8 độ)
TT (anpha=8 độ)
0,0

0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,00,20,40,60,81,01,2
Độ cao tơng đối h/b
Hệ số lực nâng c
y
TN (anpha=0 độ)
TT (anpha=0 độ)
TN (anpha=4 độ)
TT (anpha=4 độ)
TN (anpha=8 độ)
TT (anpha=8 độ)

17
3.5.2. Đặc tính khí động học của cánh KCB khi chuyển động gần mặt giới
hạn cứng phẳng
áp dụng phơng pháp số XRR trong bài toán phi tuyến dừng xác định đặc
tính khí động học của một số loại cánh có hình dạng khác nhau trên bình đồ
(xem bảng 3.5) khi chuyển động gần mặt giới hạn cứng phẳng với các khoảng
cách h và các góc tấn khác nhau, đặc biệt là vùng góc tấn âm (<0). Kết quả
khảo sát về ảnh hởng của mặt giới hạn cứng phẳng đến hệ số lực nâng c
y
của
cánh N

1
xem trên hình 3.19, còn các loại cánh N
2
, N
3
, N
4
xem trên hình 3.20.


Cánh S [m
2
]

N
1
12 3.0 3.0
N
2
9 1.778 2.0
N
3
18 0.889 2.0
N
4
36 0.444 2.0

Các kết quả trên tính toán ở chế độ bay: 2,0
0
=
M ( )/68
0
smU
=
, Góc tấn:
0
5=

;
Từ các kết quả tính toán trên có thể rút ra các nhận xét sau:
Trong vùng góc tấn âm (<0) mặt giới hạn cứng vẫn tồn tại sự ảnh hởng
đối với các đặc tính khí động học, đờng dòng cũng nh cấu trúc màn xoáy của
KCB.
- ảnh hởng này là cùng chiều với góc tấn.
- Với mỗi cánh, mức độ ảnh hởng của mặt giới hạn trong vùng góc tấn
dơng và âm không nh nhau, tức là không thể áp dụng quy tắc đổi dấu lực
nâng theo dấu của góc tấn khi đánh giá ảnh hởng của mặt giới hạn.
- Mức độ ảnh hởng của mặt giới hạn trong vùng góc tấn dơng và âm
còn phụ thuộc hình dạng cánh, chủ yếu phụ thuộc vào độ giãn dài của cánh.
3.5.3. Đặc tính khí động học phi tuyến của cánh KCB khi chuyển động
dừng gần mặt giới hạn không phẳng
Xây dựng mô hình tính toán phơng pháp XRR và phần mềm tơng ứng
để khảo sát sự ảnh hởng của mặt giới hạn cứng có biên dạng không phẳng

(dạng sóng biển) đến đặc tính khí động học phi tuyến của KCB khi chuyển động
dừng ở gần với mặt giới hạn. Mô hình tính toán đã đợc áp dụng cho trờng hợp
xét ảnh hởng của mặt giới hạn cứng có kích thớc 45x24 (m), có biên dạng bề
Hình 3.20: Sự phụ thuộc của hệ số lực
nâng theo độ cao

h ở các góc tấn


đổi dấu (khi

<0 lấy - c
y
)
H
ình 3.19: Sự phụ thuộc hệ số lực
nâng theo độ cao

h cánh N
1

0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00,51,01,52,02,5 3,03,5 4,04,5
Độ cao h

Hệ số lực nâng c
y
4 =5 4 =5
3 =5 3 =5
2 =5 2 =5
0
0,2
0,4
0,6
0,8
0,17 0,33 0,7 1,0 1,2 1,5 2,0 2,2 2,5
=2 =5 =10
Độ cao h
Hệ số lực nâng c
y


18
mặt theo quy luật: y=0.5sin(x

/10) đến đặc tính khí động học của cánh mỏng
độ dài sải cánh: l
c
=4.0 m, độ giãn dài

=3 và độ thon cánh
c
=3, khi cánh
chuyển động dừng. Cánh đợc đặt vào giữa mặt giới hạn (theo chiều ngang z=0)
và theo chiều dọc x=10 đến 32m tức là khoảng cách từ đầu mút cánh tới mép

của mặt giới hạn luôn thoả mãn điều kiện không nhỏ hơn 2 lần sải cánh (không
dới 10 m). ở các khoảng cách so với mặt giới hạn: h=1.5, 2.0 và 2.5 (m), đặc
tính khí động học của cánh (hệ số lực nâng c
y
, hệ số mômen chúc ngóc m
z
) đợc
xác định ở các vị trí khác nhau theo trục dọc đối xứng của mặt giới hạn. Kết quả
cho thấy các hệ số c
y
và m
z
biến thiên không theo quy luật và không đồng pha
với biên dạng của bề mặt giới hạn. Chính vì thế, ảnh hởng của độ cao bay đến
đặc tính khí động học của cánh nhiều nhất, không phải ở vị trí ứng với các đỉnh
cục bộ của bề mặt biên dạng mà ở vị trí khi KCB đã vợt qua chúng.
3.5.4. Đặc tính khí động học phi tuyến cánh KCB khi chuyển động không
dừng gần mặt giới hạn không phẳng
áp dụng phơng pháp XRR và phần mềm tơng ứng để khảo sát sự
ảnh hởng của mặt giới hạn cứng có biên dạng không phẳng (dạng sóng biển)
đến đặc tính khí động học phi tuyến cánh KCB khi chuyển động không dừng ở
gần với mặt giới hạn. Bài toán đợc áp dụng cho trờng hợp mặt giới hạn có
kích thớc 50x40m có biên dạng dạng sóng biển có biên độ sóng h
s
=0,5m, độ
dài bớc sóng
s

=20m, tốc độ chuyển động của mặt sóng V
s

=12m/s (ngợc
chiều với chuyển động của cánh), còn cánh KCB thuộc loại cánh mỏng có độ
dài sải cánh l
c
=8m, độ giãn dài
c

=2,7 và độ thon
c
=2,0 ở các thời điểm tính
toán r=5, 10, 20, chuyển động với tốc độ tịnh tiến trung bình V=100m/s với góc
tấn bằng 7
0
. Trên hình 3.23 mô tả dạng màn xoáy phát triển theo thời gian,
hình 3.24 mô tả cấu trúc màn xoáy tự do lu sau mép cánh trong mô hình phi
tuyến dừng (a) và trong mô hình phi tuyến không dừng ở các thời điểm tính toán
khác nhau (b) và (c); Trên hình 3.25 mô tả dòng chảy và màn xoáy sau KCB
trong bài toán không dừng. Còn hình 3.26 trình bày kết quả khảo sát về ảnh
hởng của mặt giới hạn cứng có biên dạng sóng với độ cao h
s
=0,5m đến hệ số
lực nâng c
y
của cánh trong các bài toán phi tuyến dừng và phi tuyến không
dừng, ở thời điểm tính toán ban đầu khi KCB bắt đầu chuyển động và ở thời
điểm tính toán khi KCB đang chuyển động. Hình 3.28 là sự biến thiên mô men
m
z
ở các độ cao sóng khác nhau.

= 5

=10

= 20
Hình 3.23: Dạng màn xoáy phát
triển theo thời gian
Hình 3.24: Cấu trúc màn xoáy tự do lu lại
ở vùng sau mép đuôi cánh. a) Chuyển động
dừng ; b) và c) Chuyển động không dừng.
a
b
c

19

Sự ảnh hởng của mặt giới hạn đến hệ số lực nâng ở hai mô hình tính
toán cơ bản nh nhau. Tuy nhiên, ở đây tồn tại một sự khác nhau là độ lệch
pha của chúng so với quy luật biến thiên biên dạng sóng trên mặt giới hạn.
Điểm khác biệt này rất có ý nghĩa khi sử dụng đặc tính khí động học không
dừng đề khảo sát các bài toán về động lực học bay của KCB khi bay thấp
gần mặt biển nói riêng và mặt giới hạn có sóng nói chung. Từ các đồ thị
cho thấy, sự khác biệt về giá trị hệ số c
y
chỉ trong giai đoạn ban đầu, khi đã
bay ổn định thì giá trị c
y
của cả hai trờng hợp này trùng nhau.
3.6. Kết luận chơng 3
Trên đây là những kết quả nghiên cứu phát triển từ những cơ sở đã
nêu với các giả thiết và bằng cách tiếp cận hợp lý đã xây dựng đợc các mô
hình tính toán, mô phỏng bằng các hệ xoáy rời rạc và đợc thể hiện bằng
các thuật toán và các phần mềm tơng ứng để giải các bài toán khí động
phi tuyến dừng và không dừng đối với cánh và KCB khi chuyển động gần
mặt giới hạn cứng không phẳng (có biên dạng bất kỳ). Các kết quả tính
toán của phơng pháp số áp dụng cho các bài toán xác định đặc tính khí
động học dừng và không dừng của một số loại cánh và mặt giới hạn có
dạng trên bình đồ và biên dạng khác nhau không những có giá trị về mặt
định lợng mà còn có giá trị về mặt định tính nh về qui luật biến thiên của
hệ số lực nâng c
y
, mômen chúc ngóc m
z

theo biên dạng của mặt giới hạn
trong trờng hợp chuyển động dừng và không dừng.

a
a
b
Hình 3.25: Màn xoáy và
dòng chảy sau KCB trong
bài toán không dừng.
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 5 10 15 20 25
Dạng sóng
XRR dừng
XRR không dừng bắt đầu bay
XRR không dừng đang bay
-4,0
-3,0
-2,0
-1,0
0,0
1,0
0 5 10 15 20 25
Hs=1.0m D

ạ
n
g
són
g
Hs=0.5 m
Hình 3.26
Hình 3.28

20
Chơng 4: Xác định đặc tính khí động học của tu
đệm khí động có hai chỗ ngồi
4.1. Kết quả tính toán bằng phơng pháp XRR
4.1.1. Mô hình tính toán: xoáy rời rạc phi tuyến dừng, không tách dòng
4.1.2. Kết quả tính toán








Hình 4.3; 4.4: Quan hệ giữa hệ số c
y
với độ cao

h ở góc tấn

=0 và

=4
T ơng tự có đợc kết quả tính toán hệ số lực nâng cho trờng hợp
=8 và =12 độ và hệ số mômen m
z
cho các góc =0, 4, 8, 12 độ.
Qua các kết quả tính toán cho thấy qui luật biến thiên đối với các hệ
số lực nâng c
y
, và mô men m
z
tính theo phơng pháp XRR phi tuyến, dừng,
phù hợp với qui luật biến thiên của chúng trong một số công trình đã công
bố [26], [31] của các tàu đệm khí động có hình dạng tơng tự. Khi lệch
cánh lái trong tất cả các trờng hợp
<0 đều làm tăng lực nâng. Hiệu ứng
của cánh lái có đợc nh vậy tạo điều kiện thuận lợi để điều khiển cân
bằng tàu trong giai đoạn cất hạ cánh.





Hình 4.11: Hệ xoáy tự do sau cánh Hình 4.12: Đờng dòng sau cánh

Hình 4.13: Trờng tốc độ tại một số vị trí mặt cắt ngang của tàu đệm khí
động
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
Độ cao tơng đối h/b
Hệ số lực nâng c
y
Góc lệch cánh lái 0 độ
Góc lệch cánh lái -20 độ
Góc lệch cánh lái -30 độ
Góc lệch cánh lái -40 độ
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
Độ cao tơng đối h/b
Hệ số lực nâng c

y
Góc lệch cánh lái 0 độ
Góc lệch cánh lái -20 độ
Góc lệch cánh lái -30 độ
Góc lệch cánh lái -40 độ

21
4.2. Kết quả thực nghiệm
4.2.1. Thiết kế, gia công chế tạo mô hình
Mô hình tàu đệm khí động đợc thiết kế dựa trên sơ đồ phối trí thuỷ
khí động của tàu, các tiêu chuẩn đồng dạng về hình học và động học đối
với vật thực và dòng chảy bao đợc đảm bảo nh trong [54], [57]. Ngoài
ra, ở đây còn đợc xem xét đến điều kiện bảo đảm "không nghẽn dòng"
trong buồng thử và khả năng của các thiết bị đo [1]. Mô hình tàu đệm khí
động đợc thiết kế đồng dạng với tàu nguyên bản theo tỉ lệ 1:6,20. Kích
thớc các bộ phận nh: thân, cánh chính, đuôi ngang phía trớc (canard),
phao mút cánh và kích thớc giữa các bộ phận của tàu đệm khí động đợc
thể hiện trong các bản vẽ thiết kế mô hình của nó.
4.2.2. Tổ chức thử nghiệm trong ống khí động
Các thiết bị thử nghiệm và thiết bị đo đợc sử dụng nh đã trình bày
trong chơng 2 của luận án còn hình ảnh thử nghiệm xem trên hình 4.16.
4.2.2.1. Các phơng án thổi thử nghiệm
- Thổi mô hình tàu đệm khí động trong trờng hợp chảy bao tự do
h
=, và gần mặt giới hạn ở các góc và khác nhau

4.2.2.2. Các điều kiện thử nghiệm
Diện tích cánh S
c
: 0,296m
2
; Chiều dài dây cung b
c
: 0,37m; Sải cánh l
c
:
0,800m; Khoảng cách từ điểm cố định mô hình đến mép trớc cánh X
T
:
0,021m
Điều kiện thử nghiệm: áp suất P
mt
=760(mmHg), nhiệt độ T
mt
=28
o
C. Độ ẩm
của không khí 80%; Vận tốc thổi V=22(m/s), Re=5.6 x10
5
.
4.2.3. Kết quả thử nghiệm
4.2.3.1. Đặc tính khí động học của mô hình tàu đệm khí động trong

trờng hợp chuyển động tự do
+ Khi
0 và =0; V=22m/s, thay đổi từ 0ữ14 độ.
4.2.3.2. Đặc tính khí động học của mô hình tàu đệm khí động trong
trờng hợp chuyển động gần mặt giới hạn phẳng
H
ình 4.16: Các phơng án thực nghiệm thổi mô hình trong ống khí động

22
+ Khi 0 và =0; V=22m/s với góc tấn =0
0
, 2
0
, 4
0
, 6
0
, 8
0
, h = h/b
c
: 0,4;
0,6 và 0,8.

Qua các kết quả thử nghiệm nhận thấy toạ độ tâm áp của tàu ở vào
khoảng 20% đến 25% dây cung cánh tính từ mép trớc của cánh, điều này
đảm bảo cho tàu ổn định tĩnh. Chất lợng khí động của tàu đạt lớn nhất

trong khoảng góc tấn
từ 2
0
đến 8
0
và K bằng khoảng 15, điều này phù
Hình 4.25: Hệ số c
y
theo góc tấn

ở
các độ cao

h khác nhau khi

=0 độ
Hình 4.26: Hệ số c
x
theo góc tấn

ở
các độ cao

h khác nhau khi

=0 độ
Hình 4.27: Cực tuyến ở các độ
cao

h khác nhau khi

=0 độ
Hình 4.30: Chất lợng khí động ở
các độ cao

h khác nhau khi

=0 độ
0,0
0,3
0,6
0,9
1,2
0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0,21
Hệ số lực cản c
x
Hệ số lực nâng c
y
h/b=0,25 h/b=0,4
h/b=0,6 h/b=0,8
Hình 4.28: Hệ số m
z
theo góc tấn


khi góc trợt

=0 độ
Hình 4.29: Tâm áp

x
a
theo độ cao

h
khi góc trợt

=0 độ