Sử dụng phương pháp mô phỏng số nghiên cứu hiện tượng cánh vẫy và mất lực nâng động của động cơ gió trục đứng loại cánh thẳng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRẦN CHÍ TÂM

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG SỐ
NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG CÁNH VẪY VÀ
MẤT LỰC NÂNG ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ GIÓ
TRỤC ĐỨNG LOẠI CÁNH THẲNG

Chuyên ngành : KỸ THUẬT HÀNG KHƠNG
Mã số: 60 52 31

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH - 2016


II

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN CHÍ CƠNG,
Đồng hướng dẫn: TS. LÊ THỊ HỒNG HIẾU.

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. HUỲNH ĐÌNH BẢO PHƯƠNG.
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. LƯU VĂN THUẦN.
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ/ nhận xét tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 21
tháng 8 năm 2016.

Thành phần hội đồng đánh giá khóa luận thạc sĩ gồm:
1.

Chủ tịch : PGS.TS NGUYỄN THIỆN TỐNG.

2.

Thư ký: TS. TRẦN TIẾN ANH.

3.

Phản biện 1: TS. HUỲNH ĐÌNH BẢO PHƯƠNG.

4.

Phản biện 2: TS. LƯU VĂN THUẦN.

5.

Ủy viên: TS. NGÔ KHÁNH HIẾU.

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


III

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-------------------

---oOo--Tp. HCM, ngày 19 tháng 09 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I.

Họ tên học viên: TRẦN CHÍ TÂM

MSHV: 12 42 02 26

Ngày, tháng, năm sinh: 30/12/1986

Nơi sinh: Đăk Lăk

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG

Mã số : 60 52 31

TÊN ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ
NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG CÁNH VẪY VÀ MẤT LỰC NÂNG
ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG LOẠI CÁNH THẲNG.

II.

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
-

Tìm hiểu, áp dụng các phương pháp mơ phỏng rối phù hợp mô tả hiện
tượng cánh vẫy do mất lực nâng động trên cánh và mất lực nâng động
của động cơ gió trục đứng loại cánh thẳng.

-

Xây dựng mơ hình tính tốn tương ứng với các mơ hình thực nghiệm.

-

Đánh giá về mặt định lượng kết quả giữa mơ hình số và kết quả thực
nghiệm với từng đối tượng cụ thể: hệ số công suất, tỉ số vận tốc mũi, hệ
số dày đặc, góc tới.

-

Đánh giá định tính cấu trúc dịng của từng mơ hình rối tại các vùng
khác nhau của góc chỉ phương.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18/01/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/08/2016
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN CHÍ CƠNG,
đồng hướng dẫn TS. LÊ THỊ HỒNG HIẾU.

IV

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành
thông qua.
Tp. HCM, ngày 19 tháng 09 năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. Nguyễn Chí Cơng

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. Lê Thị Hồng Hiếu

TRƯỞNG KHOA


V

Lời cảm ơn
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này cũng như có được những kiến thức như
ngày hơm nay là công ơn của rất nhiều người.
Lời đầu tiên tôi muốn dành lời cảm ơn đến người hướng dẫn tôi là thầy Nguyễn
Chí Cơng và cơ Lê Thị Hồng Hiếu.
Thầy đã tận tình chỉ dẫn tơi từ những kiến thức sơ khai của lĩnh vực khí động
đến những bản chất vật lý sâu xa của vấn đề. Sự ân cần và nhẫn nại của Thầy
đã truyền cảm hứng và động lực cho tôi.
Đồng thời, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến cô Lê Thị Hồng Hiếu là người đồng
hướng dẫn tơi làm luận văn. Nếu khơng có sự giúp đỡ của cơ, tơi đã khơng thể

hồn thành luận văn này. Có những giai đoạn khó khăn, tưởng khơng thể tiếp
tục, nhờ sự động viên giúp đỡ của cô mà tôi có động lực để đi tiếp đến ngày
hơm nay.
Ngồi ra tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cơ bộ mơn Hàng khơng đã
tận tình truyền đạt kiến thức cho tôi trong thời gian vừa qua.
Cuối cùng xin chúc thầy, cô dồi dào sức khỏe và thành công trong cuộc sống.

Trân trọng,

TRẦN CHÍ TÂM


VI

Tóm tắt luận văn
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định mơ hình rối và giải thuật
phù hợp để tính tốn cho động cơ gió trục đứng loại cánh thẳng, từ đó làm cơ
sở nghiên cứu hiện tượng mất lực nâng động và cánh vẫy xảy ra trên động cơ
gió trục đứng sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT. Với mục tiêu trên luận văn
này được chia ra làm 6 chương:
Chương 1 là chương giới thiệu, lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu và
phương pháp nghiên cứu đề tài.
Chương 2 tóm tắt các nghiên cứu về hiện tượng mất lực nâng động xảy ra trên
cánh NACA và các nghiên cứu về hiện tượng mất lực nâng động xảy ra trên
động cơ gió trục đứng.
Chương 3 giới thiệu phương pháp mơ phỏng số, bài tốn ví dụ dịng qua tấm
phẳng để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển tiếp từ tầng qua rối.
Đánh giá khả năng tính tốn giai đoạn chuyển tiếp của các mơ hình rối.
Chương 4 sử dụng các mơ hình tính khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của các
yếu tố vật lý và các mơ hình rối lên kết quả nghiên cứu hiện tượng mất lực nâng

tĩnh và mất lực nâng động trên cánh. Thông số để tham chiếu là các hệ số lực
khí động.
Chương 5 kết quả thu được ở chương 4 làm cơ sở đưa ra mơ hình rối và giải
thuật để tính tốn cho bài động cơ gió trục đứng. Thông qua hệ số công suất để
đánh giá độ tin cậy của mơ hình rối khi mơ phỏng hiện tượng mất lực nâng động


VII

và cánh vẫy trên cánh. Từ đó đi sâu vào phân tích đặc tính vật lý và cấu trúc
dịng của động cơ gió.
Chương 6 tổng kết lại các thành quả đạt được, các hạn chế trong luận văn và
hướng phát triển.


VIII

Lời cam kết
Tôi cam kết:
-

Đây là luận văn tốt nghiệp do tôi thực hiện.

-

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

-

Các đoạn trích dẫn và số liệu kết quả sử dụng để so sánh trong luận văn
này đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu
biết của tôi.


IX

Mục lục
Lời cảm ơn ..................................................................................................... V
Tóm tắt luận văn .......................................................................................... VI
Lời cam kết ................................................................................................ VIII
Mục lục ........................................................................................................ IX
Chú giải ký hiệu .......................................................................................... XII
Ký hiệu ............................................................................................... XII
Danh sách ký hiệu ............................................................................. XIII
Danh sách viết tắt .............................................................................. XIII
Danh mục hình ảnh ..................................................................................... XV
Danh mục bảng biểu .................................................................................. XXI
....................................................................................................... 1
Giới thiệu luận văn .......................................................................................... 1
1.1

Lý do chọn đề tài.......................................................................... 1

1.2

Mục tiêu của luận văn .................................................................. 3

1.3

Phương pháp tiếp cận ................................................................... 4
....................................................................................................... 7

Cơ sở lý thuyết ................................................................................................ 7
2.1

Lịch sử nghiên cứu động cơ gió trục đứng.................................... 7
Các thơng số của động cơ gió trục đứng ....................................... 7
Các phương pháp nghiên cứu động cơ gió trục đứng ...................12

2.2

Lịch sử nghiên cứu hiện tượng mất lực nâng động ......................22


X

Các thông số của mất lực nâng động ...........................................23
Các phương pháp nghiên cứu mất lực nâng động ........................30
2.3

Kết luận.......................................................................................37
..................................................................................................... 38

PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ - CFD .................................................... 38
3.1

Giới thiệu ....................................................................................38

3.2

Các phương trình cơ bản .............................................................38
Phương pháp tuần tự ...................................................................39
Rời rạc hóa miền thời gian và khơng gian ...................................40

3.3

Các mơ hình rối ...........................................................................42
Mơ hình rối k-ε ...........................................................................42
Mơ hình rối k-ω SST ...................................................................46
Mơ hình rối Transition SST .........................................................48

3.4

Các điều kiện biên .......................................................................49
Điều kiện biên vận tốc đầu vào....................................................49
Điều kiện biên áp suất đầu ra.......................................................49
Điều kiện biên đối xứng ..............................................................50
Điều kiện biên thành rắn .............................................................50

3.5

Ví dụ kiểm chứng – bài tốn tấm phẳng ......................................50
Giới thiệu bài tốn tấm phẳng......................................................50
Thiết lập hình học và rời rạc hóa bài tốn ....................................51
Thiết lập điều kiện biên ...............................................................52
Phân tích kết quả tính tốn ..........................................................52
Kết luận.......................................................................................56
..................................................................................................... 57

Phân tích đặc tính khí động hiện tượng mất lực nâng tĩnh và hiện tượng mất lực
nâng động ..................................................................................................... 57
4.1

Phân tích đặc tính khí động của hiện tượng mất lực nâng tĩnh .....58
Thơng số hình học .......................................................................58
Rời rạc hóa miền tính ..................................................................59


XI

Điều kiện biên .............................................................................60
Phân tích kết quả .........................................................................60
4.2

Phân tích đặc tính khí động của hiện tượng mất lực nâng động ...66
Thơng số mơ hình nghiên cứu .....................................................66
Rời rạc hóa miền tính ..................................................................67
Điều kiện biên .............................................................................68
Phân tích kết quả .........................................................................68

4.3

Kết luận.......................................................................................74
..................................................................................................... 76

Phân tích đặc tính khí động của hiện tượng mất lực nâng động trên động cơ gió
trục đứng loại cánh thẳng .............................................................................. 76
5.1

Mơ hình hóa bài tốn dịng qua động cơ gió trục đứng loại cánh

thẳng.. ...................................................................................................77
Thơng số hình học .......................................................................77
Rời rạc hóa miền tính ..................................................................79
Điều kiện biên tính tốn ..............................................................80
Giải thuật và mơ hình rối .............................................................81
5.2

Kết quả và nhận xét .....................................................................82
Đánh giá độ hội tụ .......................................................................82
Khảo sát moment và cơng suất trên tồn động cơ gió ..................84
Khảo sát moment trên một lá cánh ..............................................87

5.3

Kết luận.......................................................................................94
..................................................................................................... 95

Kết luận và hướng phát triển ......................................................................... 95
6.1

Các thành quả đạt được ...............................................................95

6.2

Những hạn chế ............................................................................97

6.3

Hướng nghiên cứu tiếp theo ........................................................97

Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 98


XII

Chú giải ký hiệu
Ký hiệu
swept

Diện tích quét của động cơ gió
Lưu lượng thực đi qua phần tử

-

Chiều dài dây cung cánh

-

p

Hệ số cơng suất

-

T

Hệ số moment

-

Đường kính động cơ gió
Đường kính trục
Năng lượng tồn phần cho một đơn vị khối lượng

-

Đường kính động cơ gió
⃗

Lực áp suất

⃗

Lực nhớt
Tensor đơn vị

-

Độ rối

%

Lưu lượng khối lượng qua bề mặt f

-

Đường kính thủy lực

m

Chiều dài đặc trưng

m

Năng lượng rối động học

m2/s2

Số cánh động cơ gió
Số March
Áp suất của lưu chất

Pa

Cơng suất
⃗

Lưu lượng nhiệt

/


XIII

Bán kính của động cơ gió

m

Hằng số khí
Số Reynolds
T
T

V
⃗
w

Vận tốc theo phương x

K
Nm
m/s

Vận tốc trung bình

m/s

Vận tốc của dịng tự do

m/s

Vận tốc gió
Vận tốc theo phương y

m/s
m/s

Vector vận tốc

m/s

Vận tốc theo phương z

m/s

Nhiệt độ
Moment

Danh sách ký hiệu
Góc tới
Độ phân tán rối

rad
m2/s3

Độ dày đặc
Đại lượng tensor bất kỳ
Góc phương vị

Rad

Vận tốc mũi
Hệ số nhớt động lực học chất lỏng

Ns/m2

Hệ số nhớt động học của khơng khí

m2/s
Kg/m3



Khối lượng riêng của khơng khí

∆

Bước thời gian

s

Tensor ứng suất

Pa

̇

Vận tốc góc

rad/s

Gia tốc góc

rad/s

Danh sách viết tắt
HAWT Horizontal Axis Wind Turbine
VAWT Vertical Axis Wind Turbine

CFD

Computatitional Fluid Dynamics


XIV

RAS

Reynolds Averaged Simulation

LES
RNG
SST

Large Eddy Simulation
Renormalziation Group
Shear Stress Transport

RSM
DES

Reynolds Stress
Detached Eddy Simulation

UDF
2D

User Decined Function
Two Dimension

3D
LE
TE
TSR

Three Dimension
Leading Edge
Trailing Edge
Tip Speed Ratio


XV

Danh mục hình ảnh
Hình 1-1 – Phân loại động cơ gió trục đứng theo trục quay. .......................... 1
Hình 2-1 – Mơ hình 3D và dạng mặt cắt của động cơ gió trục đứng. ............. 8
Hình 2-2 – Mối quan hệ giữa tỉ số vận tốc mũi và hệ số công suất. ............... 8
Hình 2-3 – Mối quan hệ giữa hệ số dày đặc và

∗ [9]. .................................. 9

Hình 2-4 – Ảnh hưởng của hệ số dày đặc lên hệ số công suất của động cơ gió
[10]. ..............................................................................................................10
Hình 2-5 – Ảnh hưởng của số Reynolds lên hệ số công suất, σ=0.1829 [10]. 10
Hình 2-6 – Ảnh hưởng của góc tới lên tỉ số vận tốc mũi [10]. .......................11
Hình 2-7 – So sánh ảnh hưởng của góc đặt cánh cố định (fixed pitch) và góc
đặt cánh thay đổi (variable pitch) lên hệ số moment [12]. .............................11
Hình 2-8 – Đường đặc tính hệ số công suất theo tỉ số vận tốc mũi (Cp- λ) của
các loại biên dạng cánh tại số Reynolds 100 000 [13]. .................................12

Hình 2-9 – Phân tích vectơ lực tác động lên cánh động cơ gió trục đứng [14].
......................................................................................................................12
Hình 2-10 – Mơ hình đơn ống dịng [16]. ......................................................13
Hình 2-11 – Mơ hình đa ống dịng một lớp [17]. ...........................................14
Hình 2-12 – Vận tốc gió tương ứng tại trước và sau động cơ trong mơ hình đa
ống dịng hai lớp [18]. ..................................................................................15


XVI

Hình 2-13 – So sánh giữa mơ hình xốy của Strickland với thực nghiệm và mơ
hình đơn ống dịng cho động cơ gió trục đứng [20]. .....................................16
Hình 2-14 – Dữ liệu thực nghiệm từ kết quả đo lực áp suất tiếp tuyến FT cho
một cánh động cơ gió NACA 0015 (σ=0.12, λ = 5.1, Rec = 67.000) [21]. .....17
Hình 2-15 – Dữ liệu thực nghiệm PIV cho a. Một cánh; b. Bốn cánh. ...........17
Hình 2-16 – Đường đặc tính vận tốc trung bình của đường dịng λ = 2.14, N=2,
σ=0.33[30]. ..................................................................................................18
Hình 2-17 – So sánh cấu trúc xốy tại thượng nguồn (upwind) giữa CFD và
PIV với λ = 2 [37]. ........................................................................................20
Hình 2-18 – So sánh cấu trúc xốy tại hạ nguồn (downwind) giữa CFD và PIV
với λ = 2 [37]. ...............................................................................................21
Hình 2-19 – Hệ số cơng suất của mơ hình 2D, và 3D so với dữ liệu thực nghiệm
của các nghiên cứu [42] [48] [4] [37] [46] [51] ..........................................22
Hình 2-20 – Quá trình xuất hiện mất lực nâng tĩnh tại góc tới α = 20o [52] ..23
Hình 2-21 – Hệ số lực nâng và lực cản của NACA 0015 theo góc tới (Sheldahl
& Klimas, 1981) [53]. ...................................................................................23
Hình 2-22 – Mơ tả các sự kiện của mất lực nâng động [54] [56]. .................24
Hình 2-23 – Mất lực nâng nhẹ (light stall) và mất lực nâng sâu (deep stall) [53].
......................................................................................................................25
Hình 2-24 – Ảnh hướng của hệ số giảm tần số đến các chế độ mất lực nâng

[57]. ..............................................................................................................26
Hình 2-25 – Chế độ light stall cho các biên dạng cánh khác nhau (α = 10o ± 5o,
k=0.10) [58]. ................................................................................................27
Hình 2-26 – Phân tích các thành phần của vận tốc tại một vị trí góc chỉ phương
[23]. ..............................................................................................................28
Hình 2-27 – Mối quan hệ giữa góc ngóc cực đại và tỉ số vận tốc mũi [60]. ...28


XVII

Hình 2-28 – Ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc dịng đến tỉ số vận tốc mũi [40].
......................................................................................................................29
Hình 2-29 – Minh họa tương tác giữa các cấu trúc xoáy của mất lực nâng động
tại λ =1; λ =2 [25]. .......................................................................................29
Hình 2-30 – So sánh cấu trúc dịng giữa CFD và thực nghiệm a. NACA 0015,
α(t)=15+10osin(ωt), kred=0.1, Re=2×106; b. NACA 0015, α(t)=15+10osin(ωt),
kred=0.1, Re=1.35×105[67][68]. ...................................................................31
Hình 2-31 – So sánh xốy giữa các mơ hình rối: LES; Spalart-Allmaras; k-ε
[26]. ..............................................................................................................32
Hình 2-32 – So sánh hệ số lực cản Cd của mơ hình rối: RNG k-ε,S-A k-ω SST,
k-ε và k-ω SST và LRN với thực nghiệm [37]. ...............................................34
Hình 2-33 – So sánh hệ số lực nâng CL của mơ hình rối: RNG k-ε, S-A k-ω SST,
k-ε và k-ω SST và LRN với thực nghiệm [37]. ...............................................34
Hình 2-34 – So sánh hệ số cơng suất giữa CFD với thực nghiệm, tỉ số vận tốc
mũi từ 0.4 đến 1.2. Mơ hình rối k-ω SST [70]................................................35
Hình 2-35 – So sánh kết quả lực tiếp tuyến CT và lực pháp tuyến CN giữa CFD
và thực nghiệm cho λ=0.70. Mơ hình rối 2D URANS, 2.5D URANS và 2.5D
LES. ..............................................................................................................35
Hình 2-36 – So sánh cấu trúc xốy trên cánh của a. 2.5 URANS; b. 2.5 LES với
iso-surface Q = 1000; λ=1.96. ......................................................................36

Hình 3-1 – Kích thước miền tính và điều kiện biên bài tốn tấm phẳng .........51
Hình 3-2 – Cấu trúc lưới bài tốn tấm phẳng. ...............................................51
Hình 3-3 – Giản đồ hội tụ bài tốn tấm phẳng. .............................................52
Hình 3-4 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của y+ lên hệ số lực cản nhớt ...........53
Hình 3-5 – Biểu đồ phân bố hệ số lực cản ma sát theo mô hình k-ε. ..............54
Hình 3-6 – Biểu đồ phân bố hệ số lực cản ma sát theo mơ hình rối. ..............54


XVIII

Hình 3-7 – Biểu đồ phân bố hệ số lực cản ma sát của mơ hình Transition k-klω theo ...........................................................................................................55
Hình 3-8 – Biểu đồ phân bố hệ số lực cản ma sát nhớt trường hợp tối ưu giá trị
cường độ rối và tỉ số nhớt. ............................................................................56
Hình 4-1 – Mơ hình hóa bài tốn mất lực nâng tĩnh. .....................................59
Hình 4-2 – Lưới bài tốn mất lực nâng tĩnh. .................................................60
Hình 4-3 – Biểu đồ hội tụ tại góc tới 14º của mơ hình rối k-ω SST. ...............61
Hình 4-4 – Biểu đồ phân bố hệ số y+ theo x/c của các góc tới của mơ hình komega SST. ...................................................................................................61
Hình 4-5 – Biểu đồ phân bố lực nâng theo bước chạy của.............................62
Hình 4-6 – Phân bố áp suất tĩnh theo góc tới của mơ hình rối. ......................63
Hình 4-7 – Biểu đồ phân bố lực nâng qua theo góc tới của các mơ hình rối ..63
Hình 4-8 – Biểu đồ phân bố lực nâng qua theo góc tới của các mơ hình rối ..64
Hình 4-9 – Trường phân bố áp suất của bài toán 2D dịng đều và dịng khơng
đều. ...............................................................................................................65
Hình 4-10 – Mơ hình hóa bài tốn cánh vẫy..................................................67
Hình 4-11 – Giản đồ hội tụ của bài tốn cánh vẫy. .......................................68
Hình 4-12 – Đồ thị hệ số lực nâng theo góc tới trong một chu kỳ với các bước
thời gian khác nhau, mơ hình k-ω SST. .........................................................69
Hình 4-13 – Đồ thị hệ số lực nâng theo góc tới trong một chu kỳ với các bước
thời gian khác nhau, mơ hình transition SST. ................................................70
Hình 4-14 – Đồ thị biểu diễn hệ số lực nâng theo góc tới tại các vịng quay khác

nhau của cánh với mơ hình rối k-ω SST LRC. ...............................................71
Hình 4-15 – Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số lực nâng và góc tới của
mơ hình k-ω SST LRC. ..................................................................................71


XIX

Hình 4-16 – Phân bố cường độ xốy của cánh tại các góc tới khác nhau mơ
hình k-ω SST LRC. ........................................................................................74
Hình 4-17 – Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của tỉ số vận tốc mũi đến góc của
động cơ gió tại các góc phương vị khác nhau [4]. .........................................75
Hình 4-18 – Biểu đồ phân bố moment của một là cánh theo góc phương vị,
λ=4.26 )[4]. ..................................................................................................75
Hình 5-1 – Mơ hình 3 chiều turine gió trục đứng. .........................................77
Hình 5-2 – Hệ tọa độ động cơ gió trục đứng. ................................................77
Hình 5-3 – Miền tính tốn bài tốn động cơ gió. ...........................................78
Hình 5-4 – Lưới miền tĩnh bài tốn động cơ gió. ...........................................79
Hình 5-5 – Cấu trúc lưới miền tĩnh và vùng gần cánh. ..................................80
Hình 5-6 – Đồ thị biểu diễn biến đổi của số Reynolds theo tỉ số vận tốc mũi. 82
Hình 5-7 – Đồ thị giản đồ hội tụ của bài tốn động cơ tại λ = 2.12. ..............83
Hình 5-8 – Đồ thị phân bố hệ số moment của động cơ theo thời gian với ......83
Hình 5-9 – Trường phân bố cường độ xốy động cơ gió, ..............................84
Hình 5-10 – Đồ thị biểu diễn hệ số moment theo góc phương vị cho ba cánh
động cơ trong một chu kỳ ứng với λ = 4.26 và λ = 2.12. ................................85
Hình 5-11 – Đồ thị biểu diễn hệ số moment theo góc phương vị cho ba cánh
động cơ trong một chu kỳ ứng với λ = 4.26. ..................................................85
Hình 5-12 – Đồ thị biểu diễn hệ số công suất tức thời của ba cánh động cơ trong
một chu kỳ quay với λ = 4.26.........................................................................86
Hình 5-13 – Biểu đồ phân bố hệ số cơng suất theo tỉ số vận tốc mũi. ............87
Hình 5-14 – Biểu đồ phân bố hệ số moment trên cánh trong một chu kỳ hoạt

động tại tỉ số vận tốc mũi λ = 2.12. ...............................................................88


XX

Hình 5-15 – Biểu đồ góc tới theo góc phương vị tại các tỉ số vận tốc mũi khác
nhau. .............................................................................................................88
Hình 5-16 –Trường phân bố cường độ xoáy động cơ của λ = 2.12 tại (a) θ =
30° và (b) θ = 70° và (c) θ = 90° và (d) θ = 110°. .........................................89
Hình 5-17 –Trường phân bố cường độ xốy của λ = 2.12 tại (a) θ = 140° và (b)
θ = 160° và (c) θ = 170° và (d) θ = 200°. .....................................................90
Hình 5-18 –Trường phân bố cường độ xoáy động cơ của λ = 2.12 tại (a) θ =
240° và (b) θ = 280° và (c) θ = 330° và (d) θ = 10°. .....................................91
Hình 5-19 – Biểu đồ phân bố moment đồ phân bố hệ số moment trên cánh theo
góc phương vị trong một chu kỳ hoạt động tại λ = 4.26.................................92
Hình 5-20 –Trường phân bố cường độ xoáy động cơ của λ = 4.26 tại (a) θ =
10° và (b) θ = 70° và (c) θ = 130° và (d) θ = 190° ........................................93
Hình 5-21 –Trường phân bố cường độ xoáy động cơ của λ=4.26 tại (a) θ =
220° và (b) θ = 280°. ....................................................................................93


XXI

Danh mục bảng biểu
Bảng 3.1 – Bảng thơng số hình học bài tốn tấm phẳng ................................51
Bảng 4.1 – Bảng thơng số bài toán mất lực nâng tĩnh ...................................59
Bảng 4.2 – Bảng thơng số bài tốn cánh vẫy .................................................66
Bảng 4.3 – Bảng thơng số lưới bài tốn cánh vẫy..........................................67
Bảng 4.4 – Bảng thơng số bước thời gian bài tốn cánh vẫy .........................69
Bảng 5.1 – Bảng thơng số bài tốn động cơ gió ............................................78

Bảng 5.2 – Bảng thơng số lưới bài tốn động cơ gió .....................................79
Bảng 5.3 – Bảng điều kiện biên bài tốn động cơ gió. ...................................80
Bảng 5.4 – Bảng giá trị tham chiếu cho bài tốn động cơ gió trục đứng .......81
Bảng 5.5 – Bảng thông số bước thời gian tính tốn cho bài tốn động cơ gió
trục đứng ......................................................................................................82


1

Giới thiệu luận văn
1.1 Lý do chọn đề tài
Thế giới cần những nguồn năng lượng thay thế để giảm bớt sự phụ thuộc
vào nguồn năng lượng hóa thạch, đó là vấn đề của thời đại ngày nay. Giải pháp
trực tiếp cho vấn đề này là sử dụng nguồn năng lượng tái tạo. Việc đưa vào sử
dụng nguồn năng lượng tái tạo nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan trọng trong
an ninh năng lượng, giảm thiểu biến đổi khí hậu, và có lợi ích về kinh tế.
Trong những năm gần đây, năng lượng gió nhận được nhiều sự quan tâm từ
các nhà nghiên cứu. Để lấy năng lượng từ gió, người ta sử dụng một thiết bị gọi
là động cơ gió. Có nhiều cách phân loại động cơ gió, trong đó cách phần loại
theo hướng đón gió cho phép phân biệt hai loại chính là động cơ gió trục ngang
và động cơ gió trục đứng.

Hình 1-1 – Phân loại động cơ gió trục đứng theo trục quay.


2
Đa số các thiết kế đều tập trung vào động cơ gió trục ngang, nhưng năng
lượng gió chỉ mới đóng góp 2.9% nguồn điện năng được sản xuất, rõ ràng nó
vẫn chưa phát triển tương ứng với tiềm năng lượng gió, đặc biệt trong điều kiện
mơi trường vận tốc gió thấp hoặc trong điều kiện vùng thành thị (gió thay đổi

cường độ liên tục và không cố định hướng). Điều này thúc đẩy các nhà nghiên
cứu tập trung sự quan tâm đối với động cơ gió trục đứng, như sự ra đời của
động cơ gió Darrieus, như là một giải pháp đặc trưng cho những vùng có điều
kiện như vậy.
Động cơ gió trục đứng với ưu điểm có khả năng thu năng lượng gió từ mọi
hướng, khơng cần thiết bị đều hướng, có thể vận hành an tồn trong điều kiện vận
tốc gió lớn, chi phí vận hành thấp. Do đó động cơ gió trục đứng có thể sử dụng
trong những ứng dụng như là nhà riêng, nông trại, giao lộ, đèn hiệu. Hệ thống kích
thước trung gian 100 KW đến 250 KW có thể cung cấp điện cho một ngơi làng
hay một cụm cơng trình nhỏ và có thể kết nối mạng lưới điện hoặc đứng độc lập.
Nó có thể sử dụng cùng máy phát động cơ diezen, pin hay những nguồn năng
lượng khác để điểu khiển, sử dụng cho những nơi khơng có lưới điện.
Bên cạnh những ưu điểm thì nhược điểm của động cơ gió trục đứng có thể kể
đến: vì đặc điểm xoay quanh trục cố định của động cơ gió trong mơi trường 3D
dẫn đến sự thay đổi góc tới liên tục, với biên độ thay đổi lớn, và một chu kỳ nhất
định. Những đặc điểm này gây ra hiện tượng cánh vẫy và mất lực nâng động trên
động cơ gió trục đứng, dẫn đến hiện tượng tách rời lớp biên, biến dạng vùng hậu
lưu… làm cho phân tích khí động và dự báo hiệu suất động cơ gió trục đứng vơ
cùng khó khăn. Kết quả là tối ưu lực khơng thể duy trì cho tất cả các góc chỉ
phương, kéo theo hiệu suất khí động thấp so với động cơ gió trục ngang.
Để nghiên cứu đặc tính khí động cho động cơ gió trục đứng đã có nhiều nghiên
cứu được thực hiện. Ngồi các phương pháp truyền thống như giải tích và thực
nghiệm thì phương pháp mô phỏng số đã chứng minh ưu điểm vượt trội của nó
trong việc ước lượng hiệu suất động cơ và mơ tả cấu trúc dịng chuyển động ở
mức độ chi tiết theo không gian và thời gian. Tuy vậy, với đặc điểm của vùng hoạt
động của động cơ gió trục đứng là hoạt động tại vùng có số Reynolds thấp, hệ số
dày đặc cao, tỉ số vận tốc mũi thấp đã làm cho đặc điểm cấu trúc dòng của động


3

cơ gió trục đứng vơ cùng phức tạp. Vì vậy đến thời điểm này vẫn chưa có một mơ
hình số nào thật sự thành công mô tả đúng ứng xử của hiện tượng cánh vẫy và mất
lực nâng động trên động cơ gió trục đứng.
Để mơ tả được đúng ứng xử của động cơ gió trục đứng thì phải mơ tả đúng
hiện tượng cánh vẫy gây mất lực nâng động xuất hiện trên cánh động cơ. Do đó
tìm hiểu phương pháp số nào đánh giá được đúng hiện tượng cánh vẫy và mất lực
nâng động đúng nhất có thể, để từ đó áp dụng vào mơ tả hoạt động của động cơ
gió trục đứng là mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

1.2 Mục tiêu của luận văn
Nhược điểm chính của động cơ gió trục đứng là khả năng tự khởi động thấp
(vận tốc tự khởi động cao), do cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ gió trục
đứng loại cách thẳng thường gặp vấn đề về cánh vẫy (flapping wing) trong quá
trình hoạt động và mất lực nâng động (dynamic stall) khi vận hành ở tỷ số vận tốc
mũi thấp, λ < 5. Khi hoạt động, góc tới của gió tương đối với cánh động cơ gió sẽ
thay đổi liên tục trong một chu kỳ quay, điều này làm cho lực khí động của gió
lên cánh sẽ thay đổi theo - hiện tượng cánh vẫy. Ở tỷ số vận tốc mũi thấp, góc tới
của dịng gió tương đối với cánh động cơ gió sẽ lớn hơn góc tới hạn xảy ra hiện
tượng mất lực nâng tĩnh (static stall) và đồng thời góc tới sẽ thay đổi liên tục làm
cho cánh của động cơ gió sẽ hoạt động ở trạng thái mất lực nâng động. Mất lực
nâng động trên cánh được biết đến với hiện tượng: tăng lực nâng khi góc tới thay
đổi tăng và giảm lực nâng khi góc tới thay đổi giảm so với giá trị lực nâng ở cùng
góc tới ở trạng thái mất lực nâng tĩnh [5], [6]. Ở số Reynolds vừa và thấp (Re ~
105) , hiện tượng mất lực nâng động trên cánh còn gắn liền với q trình hình
thành và tách xốy ở mũi cánh LEV (Leading Edge Vortex), sự hình thành và phát
triển các bọt tầng ở trên cánh LSB (Laminar Separation Bubble). [7]
Vì vậy mục tiêu nghiên cứu của luận văn là sử dụng phương pháp mô
phỏng số nghiên cứu hiện tượng cánh vẫy và mất lực nâng động của động cơ
gió trục đứng loại cánh thẳng.

4
Các nhiệm vụ chính trong đề tài này là:
-

Tìm hiểu lịch sử nghiên cứu cho động cơ gió trục đứng và hiện tượng mất lực
nâng động.

-

Tìm hiểu, áp dụng các phương pháp mô phỏng rối phù hợp mô tả được hiện
tượng cánh vẫy do mất lực nâng động trên cánh.

-

Xác định mơ hình thực nghiệm để đánh giá kết quả của mơ phỏng số.

-

Xây dựng mơ hình tính tốn tương ứng với các mơ hình thực nghiệm.

-

Đánh giá về mặt định lượng kết quả giữa mơ hình số và kết quả thực nghiệm
với từng đối tượng cụ thể: hệ số công suất, tỉ số vận tốc mũi, hệ số dày đặc,
góc tới.

-

Đánh giá định tính cấu trúc dịng của từng mơ hình rối tại các vùng khác nhau

của góc chỉ phương.

1.3 Phương pháp tiếp cận
Xuất phát từ mục tiêu trên, hướng nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu ảnh
hưởng của mơ hình rối đến các bài tốn có vận tốc dòng chuyển động với số
Reynolds vừa và nhỏ (Re~105) trong vùng hoạt động của động cơ gió trục đứng.
Do phải kiểm nghiệm lại với thực nghiệm kết quả tính của mô phỏng số, nên trong
luận văn sử dụng nhiều biên dạng cánh NACA đối xứng có số liệu thực nghiệm
phù hợp với vấn đề nghiên cứu của luận văn.
Khi sử dụng phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu động cơ gió trục đứng.
Do mức độ phức tạp của vấn đề, vùng hoạt động là Reynolds vừa và nhỏ (Re ~
105), góc tới thay đổi liên tục theo chu kỳ cố định đã dẫn đến có rất nhiều vấn đề
được đặt ra cùng một lúc. Có thể kể đến như kích thước lưới, mơ hình giải thuật,
mơ hình rối, bước thời gian… Chính vì vậy hướng nghiên cứu sau được đưa ra
nhằm làm sáng tỏ ảnh hưởng của từng yếu tố trên đến bài tốn cần nghiên cứu.
 Dịng chuyển động qua tấm phẳng
Nghiên cứu đầu tiên tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các mơ hình rối
lên dịng qua tấm phẳng tại số Reynolds vừa và nhỏ (Re ~ 105). Kết quả được đối
chiếu với kết quả thực nghiệm của tác giả Robin Blair Langtry [1]. Trong giai