Thiết kế và chế tạo mô hình dòng chảy qua cánh

- i -



LỜI CẢM ƠN
    
Thông qua thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đề tài, nhóm không những được
củng cố mà còn hiểu biết nhiều hơn về lượng kiến thức mình đã được học tại
trường. Đây là mảng đề tài còn khá mới lạ, chính vì vậy trong quá trình nghiên cứu
và thực hiện đề tài đã gặp không ít những khó khăn. Sau đây nhóm xin gửi lời cảm
ơn đến các thầy (cô) cùng tập thể đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện đề tài.
Trước hết nhóm xin chân thành cảm ơn Thầy Th.S Lê Nguyễn Anh Vũ giáo
viên giảng dạy môn học Cơ học chất lỏng thuộc Bộ môn Cơ học - Vật liệu, Khoa
Kỹ thuật tàu thủy – trường Đại học Nha Trang đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để
giúp đỡ nhóm trong quá trình nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành đề tài này.
Tiếp theo nhóm xin chân thành cảm ơn cơ sở cơ khí Phúc Thành, số 1.01
đường 23/10 – Nha Trang đã giúp đỡ nhóm trong việc chế tạo mô hình.
Nhóm cũng gửi lời cảm ơn đến các thầy (cô) khoa Kỹ thuật tàu thủy đặc biệt là
các thầy thuộc bộ môn Cơ học - Vật liệu đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất
và trang thiết bị trong quá trình thực hiện đề tài.
Cuối cùng nhóm xin chân thành cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn bên
cạnh ủng hộ và giúp đỡ nhóm.
Một lần nữa nhóm xin thành thật tri ân sự giúp đỡ, sự hỗ trợ động viên quý
báu của tất cả mọi người. Xin trân trọng cảm ơn!
Nha Trang, tháng 07 năm 2011
NHÓM TÁC GIẢ
TRẦN HUỲNH ĐỆ & LƯU MINH KHÁNH

- ii -


LỜI NÓI ĐẦU
Cơ học lưu chất tuy là môn học cơ sở nằm trong chương trình đào tạo của
ngành đóng tàu xong lại có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với sinh viên Khoa Kỹ
thuật tàu thủy nói riêng và đại học Nha Trang nói chung. Không những mang tính
chất là môn học nền tảng cho các mộn học chuyên ngành; cơ chất lỏng còn cung
cấp một lượng kiến thức không nhỏ đủ để giúp các sinh viên thực hiện những
nghiên cứu khoa học có liên quan đến môn học này, từ đó nâng cao hơn nữa vai trò
của môn học. Là môn học có vai trò hết sức quan trọng tuy nhiên, những kiến thức
về thực nghiệm lại quá ít so với lượng lý thuyết được cung cấp. Giải pháp thích hợp
nhất là phải tăng cường tìm hiểu, nghiên cứu, thực hiện những mô hình cũng như
tiến hành thí nghiệm về cơ học lưu chất hay cụ thể hơn là những thí nghiệm về các
hiện tượng của dòng chảy, về lớp biên và hiện tượng tách lớp biên, về các cơ chế
chuyển tiếp của dòng chảy,
Chính vì vậy, để lấp những khoảng trống về kiến thức thực tế của môn học
cũng như giúp các sinh viên hiểu rõ hơn những tính chất định tính về sự chuyển
động của chất lỏng cộng với lượng kiến thức và kinh nghiệm có được qua 4 năm
ngồi trên ghế nhà trường nhóm đi đến quyết định thực hiện đề tài tốt nghiệp với nội
dung: “Thiết kế và chế tạo mô hình dòng chảy qua cánh”. Đề tài được thực hiện
gồm 5 nội dung chính:
Chương 1: Đặt vấn đề.
Chương 2: Tổng quan về mô hình dòng chảy qua cánh.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết.
Chương 4: Thiết kế và chế tạo mô hình.
Chương 5: Thí nghiệm và hiệu chỉnh.
Chương 6: Nhận xét và đề xuất ý kiến.

Nha Trang, tháng 07 năm 2011

Nhóm tác giả
Trần Huỳnh Đệ & Lưu Minh Khánh
- iii -


MỤC LỤC

    

Trang
LỜI CẢM ƠN i
LỜI NÓI ĐẦU ii
MỤC LỤC iii
CÁC KÝ HIỆU viii
PHỤ LỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ x
PHỤ LỤC BẢNG VẼ x
PHỤ LỤC HÌNH ẢNH xi

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1.1. LÝ DO THƯC HIỆN ĐỀ TÀI 1
1.2. MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1
1.2.1. Mục đích và ý nghĩa đề tài 1
1.2.2. Phương pháp nghiên cứu 2
1.3. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 2
1.4. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU VÀ BỐ CỤC NỘI DUNG 3
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài 3
1.4.2. Bố cục nội dung đề tài 3

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH DÒNG CHẢY
QUA CÁNH 5

2.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH ĐÃ THỰC HIỆN Ở NƯỚC TA 5
2.1.1. Mô hình dòng đường hầm khói (TN1) 5
2.1.1.1. Tổng quan về mô hình 5
2.1.1.2. Kích thước mô hình dòng khí. 6
2.1.1.3. Các thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 7
- iv -


2.1.1.4. Kết quả thí nghiệm 10
2.1.1.5. Nhận xét về mô hình TN1 12
2.1.2. Mô hình dòng chất lỏng qua cánh (TN2) 12
2.1.2.1. Tổng quan về mô hình. 12
2.1.2.2. Nhận xét về mô hình TN2 14
2.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH ĐÃ THỰC HIỆN TRÊN THẾ GIỚI 14
2.2.1. Mô hình dòng chảy trong kênh hở (TN3) 15
2.2.1.1. Tổng quan về mô hình 15
2.2.1.2. Nhận xét về mô hình TN3 16
2.2.2. Mô hình đường hầm nước (TN4) 18
2.2.2.1. Giới thiệu tổng quan 18
2.2.2.2. Giới thiệu các mô hình nằm trong Seri mô hình TN4 20
2.2.2.3. Nhận xét mô hình TN4 21
2.3. MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG(TN5) 23
2.3.1. Tổng quan về thiết bị thí nghiệm thủy lực đại cương (TLĐC) 23
2.3.2. Các kích thước và thông số của thiết bị thí nghiệm TLĐC 24
2.3.3. Nhận xét 25

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 26
3.1. CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỎNG 26
3.2. LÝ THUYẾT VỀ DÒNG CHẢY 28
3.2.1. Các yếu tố mô tả dòng chất lỏng 28

3.2.1.1. Quỹ đạo, đường dòng 28
3.2.1.2. Dòng nguyên tố, dòng chảy 28
3.2.2. Chuẩn số Reynold và sự chuyển hóa từ chảy tầng sang chảy rối 29
3.2.2.1. Hiện tượng chảy đều tầng 29
3.2.2.2. Hiện tượng chảy cuộn xoáy (chảy rối) 30
3.2.3. Đặc trưng của dòng lưu chất qua vật thể 31
3.3. CÁC PHƯƠNG TRÌNH DÒNG CHẢY 32
- v -


3.3.1. Phương trình liên tục đối với chất lỏng không nén 32
3.3.2. Phương trình Bernoulli của dòng chảy 33
3.3.2.1. Phương trình Bernoulli đối với chất lỏng lý tưởng 33
3.3.2.2. Phương trình Bernoulli đối với chất lỏng thực dòng chảy ổn định 34
3.4. LÝ THUYẾT LỚP BIÊN 35
3.4.1. Khái niệm và phân loại 35
3.4.1.1. Khái niệm 35
3.4.1.2. Phân loại lớp biên 35
3.4.2. Sự phát triển của lớp biên 36
3.4.3. Phương trình chuyển động của chất lỏng thực bên trong lớp biên 37
3.5. LÝ THUYẾT CÁNH 39
3.5.1. Các đặc trưng hình học 39
3.5.2. Các đặc trưng thủy động lực học 40
3.5.3. Giới thiệu cánh NACA và chương trình vẽ cánh 42
3.5.3.1. Khái niệm 42
3.5.3.2. Các thông số hình học và phương trình 4 chữ số của cánh NACA 43
3.5.3.3. Phương trình cánh NACA với 4 chữ số 43
3.5.3.4. Giới thiệu về chương trình vẽ cánh NACA 45
3.6. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG CHẤT LỎNG TRONG KÊNH HỞ 46
3.6.1. Định nghĩa dòng chảy ổn định trong kênh hở 46

3.6.2. Các yếu tố thủy lực của dòng chảy trong kênh hở 47
3.6.3. Cơ sở tính toán, thiết kế kênh nước 49
3.6.3.1. Điều kiện để dòng chảy ổn định trong kênh 49
3.6.3.2. Các công thức xác định vận tốc và lưu lượng dòng chảy trong kênh
nước 49
3.6.3.3. Các yếu tố thủy lực của mặt cắt ướt trong kênh 51
3.6.3.4. Mặt cắt ướt có lợi nhất về thủy lực của kênh 52
3.6.3.5. Thiết kế kênh 52
3.7. CÁC TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG (TƯƠNG TỰ) 53
- vi -


3.7.1. Định nghĩa đồng dạng (tương tự) 53
3.7.2. Xác định các tiêu chuẩn tương tự 53
3.7.3. Các tiêu chuẩn tương tự thuỷ động lực 54

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MÔ HÌNH 55
4.1. Ý NGHĨA CỦA VIỆC CHỌN THIẾT KẾ VỚI DÒNG CHẤT LỎNG 55
4.2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 55
4.2.1. Phương án lựa chọn mô hình áp dụng 55
4.2.2. Phương án thiết kế và chế tạo 56
4.3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KÊNH NƯỚC 57
4.3.1. Thiết kế kênh nước với dòng chảy ổn định đều tầng 57
4.3.1.1. Thiết kế kênh cho khu vực thí nghiệm 57
4.3.1.2. Thiết kế kênh cho khu vực thượng lưu và vùng chuyển tiếp 60
4.3.1.3. Thiết kế kênh cho khu vực hạ lưu 61
4.3.1.4. Vị trí cánh trong kênh 62
4.3.1.5.Kích thước tổng quát của kênh 63
4.3.2. Chế tạo kênh nước 64
4.4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ PHỤC VỤ THÍ NGHIỆM 66

4.4.1. Quy trình thiết kế - chế tạo cánh 66
4.4.2. Thiết bị tạo tia màu 71
4.4.3. Cơ cấu điều chỉnh góc cánh 75
4.4.4. Thiết bị điều chỉnh lưu tốc và nguồn cấp 77
4.4.4.1. Thiết bị điều chính lưu tốc 77
4.4.4.2. Thiết bị xả và cấp nước cho dòng 77
4.4.5. Thiết bị lọc bẩn và làm giảm rối 79
4.4.6. Bảng tổng hợp các thông số mô hình 80

CHƯƠNG 5: THÍ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 81
5.1. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 81
- vii -


5.1.1. Mục đích và yêu cầu thí nghiệm 81
5.1.2. Công cụ và thiết bị thí nghiệm cần chuẩn bị 81
5.1.3. Tiến hành thí nghiệm 83
5.2. NHẬN XÉT KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 85
5.2.1. Nhận xét chung về đặc trưng dòng chảy khi gặp cánh 85
5.2.2. Ảnh hưởng của hình dạng vật thể đến đặc trưng dòng chảy 86
5.2.3. Ảnh hưởng của góc tới đến đặc trưng dòng chảy 88
5.3. HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH 90
5.3.1. Điều chỉnh cửa xả 90
5.3.2. Thay đổi vị trí cánh 91
5.3.3. Tăng vận tốc dòng chảy 92
5.4. BẢNG TỔNG HỢP CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH 93

CHƯƠNG 6: NHẬN XÉT VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 94
6.1. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 94
6.1.1. Thành công đạt được 94

6.1.1.1. Thành công về phương pháp nghiên cứu 94
6.1.1.2. Thành công về mặt thiết kế và chế tạo 94
6.1.1.3. Thành công trong việc mô phỏng 96
6.1.2. Những tồn tại và hạn chế 96
6.2. Ý KIẾN ĐỀ XUẤT 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 999
TÓM TẮT TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỂ TÀI 101




- viii -


CÁC KÝ HIỆU
A Diện tích mặt cắt ướt của kênh
B Chiều rộng mặt thoáng kênh
b,c Chiều dày và chiều dài cánh NACA
C Hệ số Chezy
C
f
,C
x
Lực cản và hệ số lực cản của cánh đối với dòng chảy
C
y
Hệ số lực nâng của cánh
C
m

Hệ số mômen của cánh
D Kích thước vật thể có dòng chảy đi qua
i Độ dốc đáy kênh
K Môđun lưu lượng
k Hệ số phụ thuộc vào độ nhám thành kênh
g Gia tốc trọng trường trong chất lỏng g = 9,81m/s
2

h Chiều cao mặt thoáng chất lỏng trong kênh nước
m Độ cong lớn nhất của cánh (chữ số thứ nhất trong 4 chữ số)
n Hệ số nhám thành kênh
Re Hệ số Reynolds
P Chu vi mặt cắt ướt
α Góc thể hiện độ dốc đáy kênh/ đối với cánh là góc tới
λ
Độ dang tương đối của cánh:
2
l
S
λ
=

t
Chiều dày tương đối biên dạng cánh
b
t
t
max
=

∞
V
Vận tốc dòng vào
r Bán kính vòng tròn cạnh trước cánh
2
1019,1 tr =

p Vị trí của độ cong lớn nhất(chữ số thứ hai trong 4 chữ số)
R Bán kính thủy lực
t Thời gian
- ix -


u, V Vận tốc phân tố và vận tốc trung bình dòng lưu chất
y
tb
Đường trung bình của cánh
δ Bề dày lớp biên
ρ Khối lượng riêng của lưu chất.
ν Hệ số nhớt động học của lưu chất.
µ Hệ số nhớt động lực học của lưu chất
p Áp suất của lưu chất tại dòng chảy bên trong lớp biên.
- x -


PHỤ LỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ
Bảng 2.1: Thông số chính của mô hình đường hầm nước. 20

Sơ đồ 4.1: Sơ đồ thiết kế - chế tạo mô hình 56

Sơ đồ 4.2: Sơ đồ quy trình thiết kế - chế tạo cánh NACA 66

Bảng 4.1: Bảng tổng hợp thông số sơ bộ mô hình 80
Bảng 5.1: Ảnh hưởng của hình dạng vật thể đến đặc trưng dòng chảy 80
Bảng 5.2: Ảnh hưởng của góc tới đến đặc trưng dòng chảy 90
Bảng 5.3: Bảng tổng hợp các thông số và tính năng mô hình 93


PHỤ LỤC BẢN VẼ

Bảng vẽ 1: Bảng vẽ 2D thể hiện các kích thước của mô hình Kèm luận văn
Bảng vẽ 2: Bảng vẽ 3D thể hiện hình dạng của mô hình Kèm luận văn

- xi -


PHỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Mô hình dòng khói –Đại học Bách Khoa TP HCM 6
Hình 2.2: Kích thước phần thí nghiệm mô hình dòng khí. 6
Hình 2.3: Kích thước tổng thể mô hình dòng khí 7
Hình 2.4: Cánh NACA 2412 8
Hình 2.5: Tọa độ cánh NACA 2412 8
Hình 2.6: Kích thước biên dạng profin cánh NACA 2412 9
Hình 2.7: Các dạng vật cản khác được sử dụng cho mô hình dòng khí 9
Hình 2.8: Thiết bị thổi và tạo khí màu 10
Hình 2.9: Đồ thị xác định vận tốc dòng chảy 10
Hình 2.10: Hình ảnh dòng khí qua cánh NACA 2412 11
Hình 2.11: Hình ảnh dòng khí qua khối trụ tròn 12
Hình 2.12: Mô hình dòng chất lỏng qua cánh 2D 13
Hình 2.13: Thiết bị điều chỉnh lưu tốc 14

Hình 2.14: Mô hình dòng chảy trong kênh hở 16
Hình 2.15: Thí nghiệm của mô hình với cánh 2412. 17
Hình 2.16: Thí nghiệm của mô hình với biên dạng trụ tròn 17
Hình 2.17: Mô hình đường hầm nước thế hệ 0710 18
Hình 2.18a: Cửa quan sát từ khu vực hạ lưu 19
Hình 2.18b: Thay đổi góc tới 19
Hình 2.19: Thiết bị thay đổi góc tới rất chính xác 19
Hình 2.20: Thiết bị điều chỉnh lưu tốc. 20
Hình 2.21: Tổng thể mô hình đường hầm nước thế hệ 2436. 21
Hình 2.22: Thử nghiệm dòng qua cánh của mô hình đường hầm nước 21
Hình 2.23: Thử nghiệm dòng qua xilanh. 22
Hình 2.24: Thử nghiệm dòng qua mô hình máy bay. 22
Hình 2.25: Cấu tạo của thiết bị thí nghiệm TLĐC 24
Hình 3.1:Quỹ đạo của phần tử chất lỏng 28
Hình 3.2: Đường dòng của chất lỏng. 28
- xii -


Hình 3.3: Dòng chảy trong ống 29
Hình 3.4: Hiện tượng chảy đều tầng 29
Hình 3.5: Hiện tượng chảy rối 30
Hình 3.6: Dòng lưu chất qua vật cản 31
Hình 3.7: Dòng khí chuyển động qua cánh buồm và qua mũi của máy bay
(mô phỏng bằng phần mềm FLUENT) 32
Hình 3.8: Đặt trưng dòng chảy qua giàn khoan 32
Hình 3.9: Xét dòng chảy trong đoạn ống 33
Hình 3.10: Nguyên tố chất lỏng chuyển động trên đoạn ∆s 33
Hình 3.11: Biểu đồ đường năng đối với dòng chảy lý tưởng và thực 34
Hình 3.12: Lớp biên trên bề mặt rắn. 35
Hình 3.13: Hình thành lớp biên đối với dòng chảy qua tấm phẳng. 36

Hình 3.14: Lớp biên được tách thành 2 phần khi tiếp xúc vật thể 37
Hình 3.15: Hình ảnh minh họa cho phương trình Navier – Stokes 37
Hình 3.16: Kí hiệu các thông số của cánh 39
Hình 3.17: Lực nâng và mômen tác dụng lên cánh chuyển động trong lưu chất 41
Hình 3.18: Đồ thị quan hệ giữa hệ số lực nâng và hệ số lực cản của cánh với góc tới
và số Re 42
Hình 3.19: Thông số hình học của cánh NACA 43
Hình 3.20: Các thông số của phương trình 4 chữ số 44
Hình 3.21: Profin cánh đối xứng 0020 44
Hình 3.22: Profin cánh cong NACA 2412 45
Hình 3.23: Chương trình thiết kế cánh DESIGNFOIL_R6_DEMO 46
Hình 3.24:Dòng chảy trên sông và mặt cắt ướt của dòng chảy 47
Hình 3.25:Ký hiệu kích thước mặt cắt ướt hình thang cân và hình tròn 47
Hình 3.26: Phân bố vận tốc trong ống 48
Hình 3.27: Kênh có mặt cắt ướt hình thang cân 51
Hình 4.1: Kích thước mặt cắt ngang của kênh 59
Hình 4.2: Sự kéo giãn các lớp chất lỏng khi MCN hẹp dần 61
- xiii -


Hình 4.3: Kích thước khu vực thượng lưu và vùng chuyển tiếp 61
Hình 4.4: Kích thước khu vực hạ lưu 62
Hình 4.5: Vị trí của cánh trong kênh 63
Hình 4.6: Phát thảo kích thước tổng thể kênh nước 63
Hình 4.7: Mô phỏng 3D kênh nước 64
Hình 4.8: Thép tấm dùng chế tạo kênh 64
Hình 4.9: Uốn thép để chế tạo kênh 65
Hình 4.10: Liên kết mica vào thép 65
Hình 4.11: Làm kín nước 65
Hình 4.12: Hoàn thiện kênh nước 66

Hình 4.13: chương trình thiết kế cánh NACA 66
Hình 4.14: Thiết kế biên dạng profin cánh bằng chương trình
DESIGNFOIL_R6_DEMO 68
Hình 4.15: Biên dạng profin cánh NACA 6320 68
Hình 4.16: Kích thước cánh NACA 6320 69
Hình 4.17: Mô phỏng 3D cánh NACA 6320 69
Hình 4.18: Phôi nhựa – chế tạo cánh 70
Hình 4.19: Gia công cánh 70
Hình 4.20: Dưỡng mẫu để kiểm tra độ chính xác 70
Hình 4.21: Hoàn thiện cánh NACA 71
Hình 4.22:Bình chứa mực 71
Hình 4.23:Ống dẫn và thiết bị điều chỉnh lưu lượng mực 72
Hình 4.24: Kích thước kim mực 72
Hình 4.25: Chế tạo xong kim mực 73
Hình 4.26a: Kích thước cơ cấu cố định và di chuyển kim mực 73
Hình 4.26b: Kích thước cơ cấu cố định và di chuyển kim mực 74
Hình 4.27: Mô phỏng kết cấu cố định và di chuyển kim mực 74
Hình 4.28: Chế tạo cơ cấu cố định và di chuyển kim mực 75
Hình 4.29: Vòng chia độ thay đổi góc cánh 76
- xiv -


Hình 4.30: Các thanh mica dùng để cố định và thay đổi góc cánh 76
Hình 4.31: Van điều chỉnh lưu tốc 77
Hình 4.32: Cửa vào và cửa xả 77
Hình 4.33: Hệ thống ống dẫn 78
Hình 4.34: Bơm cấp 78
Hình 4.35: Van xả nước khi kết thúc thí nghiệm 79
Hình 4.36a: Lọc ở cửa vào 79
Hình 4.36b: Lọc và giảm rối 79

Hình 4.37: Hoàn thiện mô hình 80
Hình 5.1: Tổng thể mô hình thiết kế 81
Hình 5.2: Hệ thống tạo tia màu 82
Hình 5.3: Các vật thể được sử dụng 82
Hình 5.4: Hệ thống van và ống dẫn 83
Hình 5.5: Thí nghiệm với cánh NACA 0020 85
Hình 5.6: Thí nghiệm với cánh NACA 6320 86
Hình 5.7: Thí nghiệm với cánh NACA 6720 87
Hình 5.8: Thí nghiệm với cánh NACA 9816 87
Hình 5.9: Thí nghiệm với vật thể có hình trụ tròn 87
Hình 5.10: Thí nghiệm với cánh NACA 0020 ở 20
0
89
Hình 5.11: Thí nghiệm với cánh NACA 0020 ở -20
0
89
Hình 5.12: Hiệu chỉnh cửa xả 91
Hình 5.13: Hiệu chỉnh cơ cấu cố định và di chuyển cánh. 92
Hình 5.14: Hiệu chỉnh chiều cao mặt thoáng 92
Hình 6.1: Kết cấu thiết bị dẫn mực 95
Hình 6.2: Cơ cấu góc xoay 95
- 1 -


CHƯƠNG 1
ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Cơ học chất lỏng là môn học quan trọng trong ngành vật lý học đòi hỏi sự kết
hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Vì vậy, cần phải có những

mô hình thí nghiệm về các hiện tượng chuyển động của chất lỏng, về các tính chất
của dòng chảy nhằm giúp mọi người có cái nhìn trực quan hơn về sự chuyển động
của chất lỏng cũng như hiểu rõ hơn về vai trò quan trọng của môn học này.
Mặt khác, khi nghiên cứu về các hiện của dòng chảy cũng như các đặc tính của
chất lỏng nhóm có thêm những kiến thức cơ sở có ích không những đối với chuyên
ngành đóng tàu mà đối với những chuyên ngành khác của Khoa Kỹ thuật tàu thủy.
Vì vây, nhóm đã quyết định thực hiện đề tài về nghiên cứu sự chuyển động
của dòng chất lỏng trong phạm vi một kênh nước. Đề tài có nội dung: “Thiết kế, chế
tạo mô hình dòng chảy qua cánh”.
1.2. MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.2.1. Mục đích và ý nghĩa đề tài
Thực hiện mô hình dòng chảy qua cánh giúp mọi người có một cái nhìn trực
quan về sự chuyển động của chất lỏng, về tính chất lớp biên và hiện tượng tách lớp
biên cũng như một số tính chất khác của chất lỏng. Về vấn đề nghiên cứu và chế tạo
mô hình được thực hiện với kết cấu đơn giản nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho
người thực hành thí nghiệm.
Đối với bộ môn cơ học chất lưu mô hình thí nghiệm này sẽ lấp đi những
khoảng trống trong vấn đề thực nghiệm, vấn đề đang rất cần sự quan tâm đối với
các sinh viên trường đại học Nha Trang.
Mô hình thí nghiệm về dòng chảy mang tính ứng dụng cao trong vấn đề học
tập và giảng dạy của bộ môn, bên cạnh đó nó còn là nền tảng để các sinh viên khóa
sau có thể nghiên cứu những đề tài có nội dung liên quan.
- 2 -


Hơn nữa sau khi thực hiện đề tài này, nhóm cũng tự bổ sung cho mình những
kiến thức rất lớn về cơ học chất lỏng nói riêng và cơ học chất lưu nói chung để từ
đó có thể ứng dụng những kiến thức đó vào chuyên ngành cũng như có ích cho
công việc trong tương lai.
1.2.2. Phương pháp nghiên cứu

Việc thực hiện đề tài là một quá trình nghiên cứu lâu dài và khó khăn bởi
lượng kiến thức và nguồn tài liệu được cung cấp còn hạn chế. Tuy nhiên sau quá
trình tìm hiểu và nghiên cứu nhóm đã tìm ra được phương pháp tiến hành đề tài
theo hướng như sau:
- Kết hợp lý thuyết và các mô hình mẫu để thiết kế kích thước và thiết bị cho
mô hình (nguồn tài liệu có được từ sách, báo và internet)
- Sau khi chế tạo mô hình tiến hành thử nghiệm để chọn lại các kích thước,
lựa chọn các thiết bị cho phù hợp.
1.3. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Mô hình dòng chảy qua cánh là một phương tiện thực nghiệm kiểm tra các
hiện tượng dòng chảy đi qua các vật cản rắn hoặc tiếp xúc với bề mặt của nó. Vật
cản được sử dụng là cánh 3D có biên dạng profin của cánh NACA (ngoài ra còn sử
dụng các vật cản khác như: hình cầu, trụ tròn hay tấm phẳng,…). Dòng chảy này
được thực hiện bằng cách cho thuốc nhuộm hoặc khói (đối với khí) hoặc chất màu
vào dòng chảy tại vị trí cần thí nghiệm. Ưu điểm chính của phương pháp này là khả
năng mô tả hình ảnh của dòng chảy mà không cần tính toán các thông số phức tạp.
Chính vì vậy số lượng công việc cũng đỡ phức tạp đi, việc tính toán các thông số
cũng tương đối đơn giản, và khi thực hiện mô hình cái chính là đi chọn các kích
thước sao cho phù hợp tính chất cũng như điều kiện của dòng chảy lỏng như: độ
nhớt, hệ số cản, số Reynold, áp lực,…
Trong mô hình này ta phải tạo được hai vùng của cùng một dòng chảy, vùng
thứ nhất là vùng mà dòng chảy trong kênh chảy theo một trạng thái đều tầng,
khoảng cách các lớp đều với nhau.
- 3 -


Vùng thứ 2 là vùng mà sau khi dòng chảy đi qua cánh, tại đây xảy ra hiện
tượng tách lớp biên và tạo nên một vùng chảy hỗn loạn phía sau cánh (chảy rối).
Bên cạnh đó thông qua mô hình dòng chảy này ta có thể đo được lưu lượng
cũng như suy ra được vận tốc dòng chảy để từ đó so sánh với lý thuyết.

1.4. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU VÀ BỐ CỤC NỘI DUNG
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài
- Đề tài được thực hiện trên phạm vi một nhánh của ngành nghiên cứu cơ lưu
chất, đi sâu vào việc tạo ra thí nghiệm hình ảnh của dòng chất lỏng qua vật thể. Việc
xây dựng cơ sở lý thuyết nhóm chỉ tìm hiểu tổng quan về cơ học chất lưu, như: tính
chất của chất lỏng, lớp biên và sự tách lớp biên trên bề mặt vật thể, dòng chất lỏng
trong kênh hở
- Đề tài nghiên cứu mô hình dòng chảy qua cánh trong kênh nước, thực hiện
nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm dòng chảy với từng biên dạng ở nhiều góc độ
khác nhau của cánh để kiểm tra các đặc trưng của dòng chảy ứng với từng góc tới
khác nhau. Những biên dạng cánh được sử dụng trong mô hình bao gồm: NACA
0020; NACA 6520; NACA 6720; NACA 6320; NACA 9816.
- Bên cạnh đó nhóm còn tiến hành thí nghiệm đối với các biên dạng vật thể
khác: trụ tròn, hình cầu, tấm phẳng,…
1.4.2. Bố cục nội dung đề tài
Nội dung đề tài được thực hiện gồm sáu chương:
1. Chương 1: đặt vấn đề. Chương này giới thiệu lý do thực hiện đề tài, mục
đích và phương pháp nghiên cứu đề tài, giới thiệu đề tài, giới hạn nghiên cứu và bố
cục đề tài.
2. Chương 2: nghiên cứu tổng quan mô hình dòng chảy qua cánh. Chương
này sẽ tìm hiểu về những mô hình thí nghiệm trong nước cũng như ở nước ngoài đã
thực hiện được có liên quan tới mô hình dòng chảy qua cánh.
3. Chương 3: cơ sở lý thuyết phục vụ nghiên cứu đề tài. Trình bày tổng quan
về chất lỏng và cơ học chất lỏng; lý thuyết về dòng chảy; các phương trình dòng
- 4 -


chảy; trình bày lý thuyết về lớp biên; lý thuyết cánh; đặt trưng của dòng chất lỏng
trong kênh hở và các tiêu chuẩn đồng dạng (tương tự).
4. Chương 4: thiết kế và chế tạo mô hình. Đây là chương quan trọng nhất

trong nội dung đề tài. Chương này trình bày tiến trình thiết kế các kích thước mô
hình, các thiết bị hỗ trợ thí nghiệm từ đó tiến hành chế tạo mô hình.
5. Chương 5: thí nghiệm và hiệu chỉnh. Với mô hình đã được chế tạo tiến
hành thử nghiệm để kiểm tra các đặc trưng dòng chảy từ đó rút ra những kết luận và
hiệu chỉnh mô hình
6. Cuối cùng, chương 6 là phần nhận xét và đề xuất ý kiến.
- 5 -


CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
VỀ MÔ HÌNH DÒNG CHẢY QUA CÁNH

Trước khi nghiên cứu về mô hình dòng chảy qua cánh cần phải giải quyết một
số câu hỏi như sau: Đối với mô hình dòng chảy qua cánh thì trong nước cũng như
thế giới đã thực hiện được những gì? Họ thực hiện như thế nào? Đối với trường đại
học Nha Trang nhóm đã tìm hiểu được những gì cho việc thực hiện đề tài?
2.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH ĐÃ THỰC HIỆN Ở NƯỚC TA
Thông qua quá trình đi thực tế tại đại học Bách Khoa TP HCM nhóm đã tìm
hiểu một số mô hình về dòng lưu chất thuộc Bộ môn Cơ lưu chất – Khoa Kỹ thuật
giao thông – đại học Bách Khoa TP HCM. Sau đây nhóm sẽ giới thiệu một số mô
hình về dòng lưu chất mà nhóm đã tìm hiểu.
2.1.1. Mô hình dòng đường hầm khói (TN1)
2.1.1.1. Tổng quan về mô hình
Đây là mô hình thí nghiệm về dòng khói chảy qua các vật thể có hình dạng chủ
yếu là biên dạng cánh mỏng và các vật thể có dạng hình trụ tròn, hình cầu và tấm
phẳng được các giảng viên và sinh viên khoa kỹ thuật giao thông trường ĐH Bách
Khoa TP-HCM sử dụng để nghiên cứu về các hiện tượng của dòng chảy. Mô hình
có tên khoa học là Smoke Flow Visualization Tunnel - hình ảnh dòng khói trong
kênh. Đây là mô hình do Pháp tài trợ với kinh phí lên đến 1000USD. Để tiện cho

quá trình áp dụng và lựa chọn mô hình mẫu, gọi mô hình này là TN1.
Dòng chảy được thể hiện bằng cách cho dòng khí có màu vào khu vực thí
nghiệm để quan sát các hiện tượng xảy ra của dòng khí khi gặp vật thể. Ưu điểm
chính của mô hình này là khả năng mô tả một cách trực quan về tính chất dòng khí
mà không cần tính toán hay lập trình gì nhiều, cấu tạo của mô hình tương đối đơn
giản khi thực hiện các thí nghiệm học viên chỉ việc quan xác và vẽ lại hỉnh ảnh của
từng thí nghiệm cụ thể[1].
- 6 -



Hình 2.1: Mô hình dòng khói –Đại học Bách Khoa TP HCM
2.1.1.2. Kích thước mô hình dòng khí.
Mô hình có kích thước phần thí nghiệm:[1]
- Chiều dài: L = 25,4cm
- Diện tích tiết diện: BxH = 17,8x10,2cm

Hình 2.2: Kích thước phần thí nghiệm mô hình dòng khí.[1]

- 7 -


Kích thước tổng thể mô hình:

Hình 2.3: Kích thước tổng thể mô hình dòng khí[1]
2.1.1.3. Các thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
a. Thiết bị làm vật cản
Vật cản dòng được sử dụng chủ yếu là cánh NACA do cơ quan NASA nghiên
cứu và phát triển. Biên dạng và kích thước cánh được thể hiện ở hình dưới:
- 8 -

Hình 2.4: Cánh NACA 2412.[1]
Profin của cánh NACA đã được tiêu chuẩn hóa với các tọa độ như sau:

Hình 2.5: Tọa độ cánh NACA 2412.[1]
Kích thước biên dạng profin:
- 9 -



Hình 2.6: Kích thước biên dạng profin cánh NACA 2412.[1]

Ngoài cánh NACA ra mô hình này còn sử dụng thí nghiệm với các dạng vật
cản khác như: khối hình trụ tròn, hình cầu, tấm phẳng,…

Hình 2.7: Các dạng vật cản khác được sử dụng cho mô hình dòng khí.[1]
b. Thiết bị tạo khói màu
Đối với mô hình này khói được tạo ra bằng cách đốt dầu hỏa, khí được sinh ra
có màu trắng đục. Động cơ điện gắng cánh quạt sẽ thổi khí có màu vào khu vực thí
nghiệm. Đây là động cơ vô cấp có thể thay đổi được tốc độ dòng chảy.
- 10 -



Hình 2.8: Thiết bị thổi và tạo khí màu
2.1.1.4. Kết quả thí nghiệm
Với mô hình này có thể thí nghiệm dòng chảy có tỷ lệ rối là 10%.
Hiện tượng tách lớp biên và vùng cuộn xoáy sau vật cản phụ thuộc vào tốc độ

dòng chảy, tốc độ dòng chảy ở phần thí nghiệm điều chỉnh bằng cách thay đổi điện
áp đưa vào động cơ.

Hình 2.9: Đồ thị xác định vận tốc dòng chảy.[1]
- 11 -


Khi sử dụng cánh NACA làm vật cản góc tới của cánh thay đổi từ (-15
o
) – 15
o

theo tài liệu hướng dẫn thực hành.
Trong quá trình thí nghiệm có thể dùng nhiệt kế để đo nhiệt độ của dòng khí
bên trong phần thí nghệm, từ nhiệt độ có thể suy ra độ nhớt động lực học của không
khí bằng cách sử dụng mối quan hệ của Sutherland. Đối với đơn vị SI[1]:

4,110
10.4578,1
5,16
+
=
−
T
T
µ
(kgs/m) (2-1)
Trong đó: - T: nhiệt độ đo được trong thí nghiệm (đơn vị Kelvin).
-
µ

: hệ số nhớt động lực học.
Hệ số Reynold cũng có được từ vận tốc của dòng chảy.
Kết quả thí nghiệm về dòng khí qua vật cản cho thấy:
- Hình ảnh dòng trước khi gặp vật cản: là dòng chảy đều tầng, các phần tử khí
được xếp thành từng lớp không xáo trộn vào nhau.
- Khi gặp vật cản, dòng có xu hướng tách rời ra 2 hướng của vật thể sau ở đó
xảy ra hiện tượng tách lớp biên và tạo nên vùng cuộn xoáy sau vật thể.

Hình 2.10: Hình ảnh dòng khí qua cánh NACA 2412.[1]