ĐỒ án tốt NGHIỆP nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất và vành bảo vệ cánh quạt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt
đất và vành bảo vệ cánh quạt
VŨ THÁI DUY


Ngành Kỹ thuật Hàng không

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Vũ Đình Quý
TS. Lê Thị Tuyết Nhung
Chữ ký của GVHD

Bộ môn:
Viện:

Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ
Cơ khí động lực

HÀ NỘI, 7/2020


PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Thông tin sinh viên
Họ và tên sinh viên: Vũ Thái Duy
Điện thoại liên lạc: 0336496168
Email:
Lớp: Kĩ sư chất lượng cao – Cơ khí hàng khơng – K60

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Trọng Thuận
Điện thoại liên lạc: 0987510673
Email:
Lớp: Kỹ thuật Hàng khơng – K60
Hệ đào tạo: Đại học Chính quy
Đồ án tốt nghiệp (ĐATN) được thực hiện tại: Bộ môn Kỹ thuật hàng không
và Vũ trụ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Thời gian làm ĐATN:
- Ngày giao nhiệm vụ: 04/03/2020
- Ngày hồn thành nhiệm vụ:14/07/2020
2. Mục đích nội dung của ĐATN:
Nghiên cứu, mô phỏng số và thực nghiệm ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất
đối với cánh quạt có vành bảo vệ sử dụng trên máy bay nhiều chong chóng
mang.
3. Các nhiệm vụ cụ thể của ĐATN
- Tổng quan về máy bay nhiều chong chóng mang.
- Cơ sở lí thuyết và các nghiên cứu về cánh quạt có vành bảo vệ.
- Thiết kế, mô phỏng số, thực nghiệm đối với cánh quạt có vành bảo vệ
- Kết luận và đề xuất cải tiến.
4. Lời cam đoan của sinh viện:
Chúng tôi là – Vũ Thái Duy và Nguyễn Trọng Thuận – cam kết ĐATN là kết
quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Vũ Đình
Quý và TS Lê Thị Tuyết Nhung. Các kết quả nêu trong ĐATN là trung
thực, không phải là sao chép tồn văn của bất kì cơng trình nào khác.
5. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của ĐATN
và cho phép bảo vệ:
………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..


………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
Hà Nội, ngày tháng 07 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn

PGS. TS Vũ Đình Quý

TS Lê Thị Tuyết Nhung


6. Nhận xét của giáo viên phản biện
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………
Hà Nội, ngày tháng 07 năm 2020
Giáo viên phản biện

TS PHẠM GIA ĐIỀM


Lời cảm ơn
Chúng em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vũ Đình Quý, TS Lê Thị Tuyết
Nhung cùng các thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật hàng không và vũ trụ Viện Cơ
khí động lực đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em hoàn thành đề tài Đồ án Tốt
nghiệp này. Do kiến thức còn hạn hẹp, nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót,
chúng em rất mong nhận được đóng góp từ thầy cơ và các bạn.
Tóm tắt nội dung đồ án
Ngày nay, khả năng điều khiển các thiết bị bay mà khơng cần ngồi trong buồng
lái khơng cịn chỉ xuất hiện trong các bộ phim viễn tưởng. Nhờ sự phát triển của
điện tử và điều khiển tự động, UAV đã trở nên phổ biến, phát triển và xuất hiện
trong nhiều lĩnh vực thực tế đóng góp nhiều vai trò quan trọng. Trong quân sự,
UAV được dùng để giám sát an ninh, theo dõi, tình báo, tấn cơng mục tiêu.

Trong dân sự, chúng được dùng để vận chuyển hàng hóa hay quay phim, chụp
ảnh, cho những cảnh quay và góc chụp đẹp mà con người khó có thể thực hiện
trực tiếp. Trong cứu hộ cứu nạn, chúng có thể được dùng để cấp cứu trên biển,
cảnh báo cháy, theo dõi tình hình tại những nơi nguy hiểm từ trên cao. Máy bay
nhiều chong chóng mang là một loại UAV phổ biến nhất có khả năng bay treo và
cất hạ cánh thẳng đứng nên được đưa vào sử dụng cho các nhiệm vụ đặc biệt.
Tuy nhiên, máy bay nhiều chong chóng mang có nhược điểm là khả năng mang
tải cịn hạn chế, thời gian bay treo thấp nên cần cải thiện hiệu suất của cánh quạt
để tăng thời gian bay và mang tải. Nhiều loại máy bay nhiều chong chóng mang
hiện nay có thêm vành bảo vệ để bảo vệ cánh quạt, tránh làm bị thương cho con
người. Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc lắp thêm vành giúp tăng hiệu suất
cánh quạt, nhưng còn chưa xét đến một trường hợp không thể tránh khỏi khi
multicopter cất, hạ cánh là hiệu ứng mặt đất.
Đề tài này, tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất tới cánh quạt
quay có vành bảo vệ, để xem xét xem rằng liệu có thể giúp thiết bị mang tải lớn
hơn hay không?

Sinh viên thực hiện


Vũ Thái Duy

Nguyễn Trọng Thuận


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI.................................................................1
1.1

Đặt vấn đề.................................................................................................1

1.1.1

Tại sao nên sử dụng vành bảo vệ cho chong chóng mang..........1

1.1.2

Hiệu ứng mặt đất đối với máy bay nhiều chong chóng mang.....2

1.2
Các nghiên cứu về lực nâng chong chóng mang có vành, khơng vành và
chong chóng mang chịu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất.....................................3
1.2.1

Ảnh hưởng của vành đến lực nâng của chong chóng mang........3

1.2.2
Lực nâng của chong chóng mang và ảnh hưởng của hiệu ứng
mặt đất đến lực nâng.....................................................................................5
1.3

Phương pháp nghiên cứu...........................................................................5

1.4

Nội dung nghiên cứu.................................................................................5

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC.........7
2.1

2.2

Cơ sở lý thuyết..........................................................................................7
2.1.1

Giới thiệu về UAVs và máy bay nhiều chong chóng mang........7

2.1.2

Tiềm năng giúp tăng hiệu suất của vành bảo vệ.......................11

2.1.3

Lý thuyết động lượng...............................................................12

2.1.4

Hiệu ứng mặt đất đối với cánh quạt quay.................................16

Các nghiên cứu trước..............................................................................17
2.2.1

Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng về vành bảo vệ............17

2.2.2

Thực nghiệm hiệu ứng mặt đất đối với cánh không vành.........19

2.2.3

Nghiên cứu về cánh có vành khi có hiệu ứng mặt đất..............20

CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG SỐ LỰC NÂNG CỦA
CÁNH QUẠT QUAY CÓ VÀNH....................................................................23
3.1

3.2

Nghiên cứu thực nghiệm lực nâng Cánh quạt có vành............................23
3.1.1

Thí nghiệm đo lực nâng của tác giả Đàm Vương Sơn [13].......23

3.1.2

Thiết kế, chế tạo và gia công vành............................................24

3.1.3

Phương án kết nối vành và Cánh quạt......................................25

3.1.4

Chuẩn bị thí nghiệm.................................................................27

3.1.5

Mơ hình đo...............................................................................27

3.1.6

Giới thiệu phần mềm đo RCBenchmark GUI...........................28

3.1.7

Các trường hợp thí nghiệm.......................................................30

Mơ phỏng số............................................................................................33
3.2.1

Lý thuyết về cơ học chất lưu....................................................33


3.2.2

Mơ hình rối SST k-ω................................................................36

3.2.3

Định lý lớp biên........................................................................36

3.2.4

Mơ phỏng sử dụng ANSYS FLUENT......................................37

3.2.5

Xây dựng mơ hình hình học.....................................................37

3.2.6

Chia lưới...................................................................................40

3.2.7

Thiết lập điều kiện biên và tiêu chuẩn hội tụ:...........................41

3.2.8

Tính tốn và xuất kết quả.........................................................42

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG.......................45
4.1

4.2

Khơng có hiệu ứng mặt đất......................................................................45
4.1.1

Khơng có vành bảo vệ..............................................................45

4.1.2

Có vành bảo vệ.........................................................................46

Có hiệu ứng mặt đất................................................................................50
4.2.1

Khơng có vành bảo vệ..............................................................50

4.2.2

Có vành bảo vệ.........................................................................51

KẾT LUẬN........................................................................................................58
Mục tiêu đã đạt được..........................................................................................58
Hướng phát triển của đồ án trong tương lai.......................................................58


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Ca sĩ Enrique Iglesias bị thương do máy bay khơng người lái...............1
Hình 1.2 Drone bị gãy cánh..................................................................................1
Hình 1.3 Máy bay bị vướng vào cây.....................................................................1
Hình 1.4 Máy bay nhiều chóng mang có vành bảo vệ...........................................2
Hình 1.5 Chong chóng mang khảo sát địa hình hang động...................................2
Hình 1.6 Chong chóng mang khảo sát địa hình thực tế.........................................2
Hình 1.7 Các thơng số chính cho vành trong nghiên cứu [4]................................3
Hình 1.8 Mơ hình vành được sử dụng trong nghiên cứu [4] để mơ phỏng............3
Hình 1.9 Thiết kế vành được sử dụng trong nghiên cứu [5] dùng cho thực nghiệm
.............................................................................................................................. 4
Hình 2.1 Máy bay nhiều chong chóng mang.........................................................7
Hình 2.2 Ngun lý hoạt động của máy bay nhiều chong chóng mang.................8
Hình 2.3 Cứu hộ....................................................................................................9
Hình 2.4 Mapping.................................................................................................9
Hình 2.5 Quay phim............................................................................................10
Hình 2.6 Nơng nghiệp.........................................................................................10
Hình 2.7 Qn sự................................................................................................10
Hình 2.8 Giao hàng.............................................................................................11
Hình 2.9 Mơ hình vành bảo vệ............................................................................11
Hình 2.10 Dịng khí qua vành bảo vệ..................................................................12
Hình 2.11 Cánh quạt quay khơng vành...............................................................12

Hình 2.12 Cánh quạt quay có vành.....................................................................12
Hình 2.13 Minh họa hiệu ứng mặt đất.................................................................16
Hình 2.14 Thơng số hình học cuả vành...............................................................17
Hình 2.15 Lắp đặt thực nghiệm của nghiên cứu..................................................18
Hình 2.16 Kết quả nghiên cứu [9] và [5].............................................................19
Hình 2.17 Lắp đặt thực nghiệm của nghiên cứu [10]..........................................19
Hình 2.18 Kết quả nghiên cứu [10].....................................................................20
Hình 2.19 Mơ hình cánh và vành nghiên cứu [11]..............................................20
Hình 2.20 Tỉ số giữa lực nâng khi có hiệu ứng mặt đất và lực nâng khi khơng có
hiệu ứng mặt đất của nghiên cứu [11].................................................................21
Hình 2.21 Mơ hình cánh và vành nghiên cứu [12]..............................................21
Hình 2.22 Thơng số hình dạng vành nghiên cứu [12].........................................22
Hình 2.23 Tỉ số giữa lực nâng khi có hiệu ứng mặt đất và khi khơng có hiệu ứng
mặt đất nghiên cứu [12]......................................................................................22
Hình 3.1 Thanh nhơm định hình.........................................................................23


Hình 3.2 Hình dáng vành dựa trên nghiên cứu [5]..............................................24
Hình 3.3 Vành được thiết kế 3D..........................................................................24
Hình 3.4 Hình ảnh vành được in 3D....................................................................25
Hình 3.5 Hình dáng áo động cơ...........................................................................25
Hình 3.6 Hình ảnh thiết kế phương án kết nối vành và động cơ..........................26
Hình 3.7 Thanh ren kết nối vành và áo vành.......................................................26
Hình 3.8 Hình ảnh động cơ được kết nối với vành..............................................26
Hình 3.9 Sơ đồ đo thực nghiệm lực nâng Cánh quạt...........................................27
Hình 3.10 Lắp đặt thí nghiệm đo lực nâng Cánh quạt.........................................28
Hình 3.11 Giao diện phần mềm RCBenchmark..................................................28
Hình 3.12 Giao diện cài đặt của phần mềm.........................................................28
Hình 3.13 Điều chỉnh giới hạn đo.......................................................................29
Hình 3.14 Điều chỉnh ga và lấy số liệu................................................................29

Hình 3.15 Kết quả lực nâng được lưu lại dưới dạng file Excel...........................29
Hình 3.16 Cánh quạt khơng vành khi khơng bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng mặt đất30
Hình 3.17 Cánh quạt có vành khi không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng mặt đất......30
Hình 3.18 Cánh quạt khơng vành ở độ cao H=0.5R............................................31
Hình 3.19 Cánh quạt có vành ở độ cao H=0.5R..................................................31
Hình 3.20 Cánh quạt khơng vành ở độ cao H=R.................................................31
Hình 3.21 Cánh quạt có vành ở độ cao H=R.......................................................31
Hình 3.22 Cánh quạt khơng vành ở độ cao H=1.5R............................................31
Hình 3.23 Cánh quạt có vành ở độ cao H=1.5R..................................................31
Hình 3.24 Cánh quạt có vành ở độ cao H=2R.....................................................32
Hình 3.25 Cánh quạt khơng vành ở độ cao H=2R...............................................32
Hình 3.26 Cánh quạt có vành ở độ cao H=3R.....................................................32
Hình 3.27 Cánh quạt khơng vành ở độ cao H=3R...............................................32
Hình 3.28 Giá trị vận tốc tức thời và trung bình..................................................34
Hình 3.29 Mơ hình k-ω SST...............................................................................36
Hình 3.30 Định lý lớp biên..................................................................................36
Hình 3.31 Mơ hình cánh APC 15x4....................................................................37
Hình 3.32 Kích thước miền dịng chảy................................................................38
Hình 3.33 Kích thước miền quay........................................................................38
Hình 3.34 Thơng số hình học của vành...............................................................38
Hình 3.35 Hình dạng vành khi thiết kế theo nghiên cứu [4]................................39
Hình 3.36 Hình dạng vành khi thiết kế dùng cho thực nghiệm...........................39
Hình 3.37 Miền quay đặt giữa cánh và vành.......................................................39
Hình 3.38 Độ cao H so với mặt đất.....................................................................39


Hình 3.39 Lưới miền quay..................................................................................41
Hình 3.40 Lưới miền lớn.....................................................................................41
Hình 3.41 Dùng lưới Polyhedral trong Fluent.....................................................41
Hình 3.42 Giá trị y+ trên cánh và vành mẫu trịn................................................42

Hình 3.43 Giá trị y+ trên cánh và vành mẫu cải tiến...........................................42
Hình 3.44 Phân bố áp suất mẫu vành trịn...........................................................43
Hình 3.45 Phân bố áp suất mẫu vành cả tiến.......................................................43
Hình 3.46 Đường dịng qua cánh khơng vành.....................................................43
Hình 3.47 Đường dịng qua cánh có vành...........................................................43
Hình 3.48 Đường dịng khi khơng có hiệu ừng mặt đất.......................................44
Hình 3.49 Đường dịng khi có hiệu ứng mặt đất.................................................44
Hình 3.50 Xốy gần mặt đất ở độ cao H = R.......................................................44
Hình 4.1 Đồ thị lực nâng mô phỏng và thực nghiệm cánh quạt quay khơng vành
khơng có hiệu ứng mặt đất.................................................................................45
Hình 4.2 Thơng số lực nâng cánh quạt APC 15x4 của nhà sản xuất...................45
Hình 4.3 Đồ thị kết quả mô phỏng lực nâng trên cánh APC 15x4 lắp vành bảo vệ
mẫu trịn và khơng vành khi khơng có hiệu ứng mặt đất.....................................46
Hình 4.4 Đồ thị kết quả mô phỏng lực nâng trên cánh APC 15x4 lắp vành bảo vệ
mẫu tròn, mẫu cải tiến và khơng vành khi khơng có hiệu ứng mặt đất................47
Hình 4.5 So sánh lực nâng cánh quạt quay không vành và có vành khi khơng bị
ảnh hưởng bới HƯMĐ theo thực nghiệm............................................................49
Hình 4.6 So sánh lực nâng cánh quạt quay khơng vành và có vành khi khơng bị
ảnh hưởng bới HƯMĐ theo mơ phỏng...............................................................49
Hình 4.7 Tỉ số giữa lực nâng có hiệu ứng mặt đất và khơng có hiệu ứng mặt đất
của cánh APC 15x4 khơng vành.........................................................................51
Hình 4.8 Tỉ số giữa lực nâng khi có hiệu ứng mặt đất và lực nâng khi khơng có
hiệu ứng mặt đất của cánh APC 15x4 lắp vành trịn............................................52
Hình 4.9 Xu hướng lực nâng của cánh quạt quay khơng vành và có vành khi chịu
ảnh hưởng của HƯMĐ theo thực nghiệm...........................................................54
Hình 4.10 Xu hướng lực nâng của cánh quạt quay khơng vành và có vành khi
chịu ảnh hưởng của HƯMĐ theo thực nghiệm....................................................55
Hình 4.11 Đồ thị tỉ số lực nâng Ti/To với Cánh quạt có vành chịu ảnh hưởng của
HƯMĐ................................................................................................................ 55
Hình 4.12 Đồ thị lực nâng của cánh quạt 13 inch 5 cánh có vành bảo vệ chịu ảnh

hưởng của HƯMĐ..............................................................................................55
Hình 4.13 Kết quả lực nâng cánh quạt có vành chịu ảnh hưởng hiệu ứng mặt đất
theo nghiên cứu [11]...........................................................................................56
Hình 4.14 Xu hướng lực nâng trên cánh và vành................................................57


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thơng số cấu hình vành được sử dụng ở nghiên cứu [4]........................3
Bảng 1.2 Bảng cấu hình vành được sử ở nghiên cứu [5].......................................4
Bảng 2.1 Thơng số cánh......................................................................................17
Bảng 2.2 Thông số vành......................................................................................18
Bảng 2.3 Thông số cánh......................................................................................19
Bảng 3.1 Thông số vành dựa trên nghiên cứu [4] Vương Công Đạt...................24
Bảng 3.2 Thông số vành......................................................................................39
Bảng 3.3 Chất lượng lưới khơng có vành............................................................40
Bảng 3.4 Chất lượng lưới có vành mẫu trịn........................................................40
Bảng 3.5 Chất lượng lưới có vành mẫu cải tiến..................................................40
Bảng 3.6 Điều kiện biên......................................................................................41
Bảng 3.7 Tiêu chuẩn hội tụ.................................................................................41
Bảng 4.1 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm lực nâng cánh APC 15x4 khơng
vành và khơng có hiệu ứng mặt đất.....................................................................45
Bảng 4.2 Kết quả mô phỏng lực nâng cánh APC 15x4 có vành trịn và khơng
vành khi khơng có hiệu ứng mặt đất....................................................................46
Bảng 4.3 Kết quả mô phỏng lực nâng cánh APC 15x4 lắp mẫu vành cải tiến khi
khơng có hiệu ứng mặt đất..................................................................................47
Bảng 4.4 So sánh lực nâng mẫu vành cải tiến với mẫu vành tròn.......................47
Bảng 4.5 Kết quả thực nghiệm lực nâng cánh APC 15x4 lắp mẫu vành cải tiến
khi khơng có hiệu ứng mặt đất............................................................................48
Bảng 4.6 Sai số lực nâng cánh quạt quay có vành khơng HƯMĐ theo mô phỏng
và thực nghiệm....................................................................................................48

Bảng 4.7 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm lực nâng cánh APC 15x4 không
vành..................................................................................................................... 50
Bảng 4.8 Tỉ số giữa lực nâng khi có hiệu ứng mặt đất và khi khơng có hiệu ứng
mặt đất................................................................................................................. 50
Bảng 4.9 Kết quả phỏng lực nâng cánh APC 15x4 lắp mẫu vành trịn khi có hiệu
ứng mặt đất.......................................................................................................... 52
Bảng 4.10 Kết quả mô phỏng lực nâng cánh APC 15x4 lắp vành cải tiến khi có
hiệu ứng mặt đất..................................................................................................53
Bảng 4.11 Kết quả thực nghiệm lực nâng cánh APC 15x4 lắp vành cải tiến khi có
hiệu ứng mặt đất..................................................................................................53
Bảng 4.12 So sánh độ chênh lệch giữa lực nâng thực nghiệm cánh không vành và
có vành cải tiến theo độ cao................................................................................53
Bảng 4.13 So sánh độ chênh lệch giữa lực nâng mô phỏng cánh APC 15x4 khơng
vành và có vành cải tiến theo độ cao...................................................................54


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
 HƯMĐ: Hiệu ứng mặt đất
 IGE (In ground effect): Trong ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất
 OGE (Out of ground effect) : Bên ngoài ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề
1.1.1

Tại sao nên sử dụng vành bảo vệ cho chong chóng mang

Để thực hiện nhiệm vụ cụ thể của mình, máy bay nhiều chong chóng mang cần
hoạt động trong khơng gian chật hẹp như trong ngõ hẻm, phịng kín, hang động

và gặp phải nhiều chướng ngại vật như cây cối, chim chóc. Khi gặp sự cố, máy
bay nhiều chong chóng mang có thể rơi xuống và va chạm đất, có thể gây hư
hỏng cánh quạt. Chính vì vậy, cần sử dụng vành bảo vệ cánh quạt. Vành bảo vệ
còn giúp con người tránh bị thương khi va phải cánh quạt đang quay. Tuy nhiên
việc lắp vành bảo vệ sẽ ảnh hưởng đến khí động cánh quạt. Cấu hình chong
chóng mang có vành bảo vệ đã được nghiên cứu kĩ lưỡng từ lâu và cho thấy được
nhiều lợi ích về hiệu suất khí động (tăng lực nâng, giảm cơng suất tiêu thụ),
ngồi ra nó cịn giúp giảm tiếng ồn khi chong chóng mang quay. Do vậy, việc lắp
thêm vành bảo vệ cánh quạt sẽ được cân nhắc và xem xét [ CITATION JLP08 \l
1033 ]. Vật liệu sử dụng cho vành bảo vệ thường là những vật liệu nhẹ đủ linh
hoạt như sợi carbon, nhựa hoặc xốp.

Hình 1.1 Ca sĩ Enrique Iglesias bị thương do máy bay khơng người lái

Hình 1.2 Drone bị gãy cánh

1


Hình 1.3 Máy bay bị vướng vào cây

Hình 1.4 Máy bay nhiều chóng mang có vành bảo vệ

1.1.2

Hiệu ứng mặt đất đối với máy bay nhiều chong chóng mang

Bên cạnh đó, trong thực tế thì khi thực hiện những nhiệm vụ cụ thể của mình thì
chong chóng mang sẽ phải bay với độ cao thấp, hay như trong chính quá trình cất
hạ cánh của mình chong chóng mang cũng sẽ phải chịu ảnh hưởng của hiệu ứng

mặt đất. Khi máy bay bay ở độ cao nhỏ (độ cao bé hơn đường kính cánh quạt) thì
sẽ tạo ra hiệu ứng mặt đất. Trong những nghiên cứu về cánh quạt quay, hiệu ứng
mặt đất được định nghĩa là sự gia tăng lực kéo (ở cơng suất khơng đổi) của một
chong chóng mang hoạt động gần mặt đất. Mặc dù hiệu ứng mặt đất đã được
nghiên cứu rộng rãi cho các máy bay trực thăng thông thường [ CITATION
WJo13 \l 1033 ][ CITATION GDP08 \l 1033 ], hiện tượng này còn nhận được ít
sự chú ý khi áp dụng với máy bay nhiều chong chóng mang. Trong q trình cất
cánh và hạ cánh, trong các hoạt động gần mặt đất, hiệu ứng mặt đất là không thể
tránh khỏi và phải được xử lý nếu muốn đạt được hiệu suất bay thỏa đáng. Và
điều hiển nhiên chúng ta có thể nhận thấy là khi chong chóng mang bay ở độ cao
thấp nhu cầu sử dụng vành sẽ càng lớn. Khi đó vành bảo vệ sẽ giúp bảo vệ cánh
quạt của chong chóng mang khỏi những vật cản khi bay ở tầm thấp.

2


Hình 1.5 Chong chóng mang khảo sát địa hình hang động

Hình 1.6 Chong chóng mang khảo sát địa hình thực tế

Chính vì vậy cần nghiên cứu hiệu ứng mặt đất tác động lên máy bay nhiều chong
chóng mang, đặc biệt là máy bay nhiều chong chóng mang có vành bảo vệ.
1.2 Các nghiên cứu về lực nâng chong chóng mang có vành, khơng vành và
chong chóng mang chịu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất
1.2.1

Ảnh hưởng của vành đến lực nâng của chong chóng mang

“Vành bảo vệ có khả năng tạo ra lực nâng, giúp tăng lực nâng của chong chóng
mang” đã được khẳng định trong nghiên cứu ảnh hưởng của vành đến cánh APC

15x4 được nghiên cứu bởi tác giả Vương Công Đạt trong “Nghiên cứu, mô
phỏng ảnh hưởng của vành bảo vệ tới đặc tính khí động của cánh quạt”, 2019
[ CITATION Vươ \l 1033 ]. Nghiên cứu trên được thực hiện bằng phương pháp
mô phỏng. Với thiết kế vành và thơng số vành như sau:

Hình 1.7 Các thơng số chính cho vành trong nghiên cứu [ CITATION Vươ \l 1033 ]

3


Hình 1.8 Mơ hình vành được sử dụng trong nghiên cứu [ CITATION Vươ \l 1033 ] để
mô phỏng
Bảng 1.1 Thơng số cấu hình vành được sử dụng ở nghiên cứu [ CITATION Vươ \l
1033 ]

Đường kính mặt trong của vành Dt 389 mm
Khe hở giữa cánh và vành
δtip 1%Dt
4 mm
Bán kính mép vào của vành
rlip 9%Dt 35 mm
Chiều dài miệng khuếch
Ld 15%Dt 58 mm
Góc miệng khuếch tán
θd
0o
Cấu hình vành trên được rút ra từ cấu hình vành cho cánh bán kính 9.5-inch được
đưa ra bởi nhóm tác giả V. Hrishikeshavan, J. Sirohi, M. Tishchenko and I.
Chopra, "Design, Development, and Testing of a Shrouded Single-Multirotors
Micro Air Vehicle with Antitorque Vanes," 2011 [ CITATION Hri11 \l 1033 ].

Với các thông số và thiết kế như sau:
Bảng 1.2 Bảng cấu hình vành được sử ở nghiên cứu [ CITATION Hri11 \l 1033 ]

Đường kính mặt trong của vành Dt 247 mm
Khe hở giữa cánh và vành
δtip 1%Dt
Bán kính mép vào của vành
rlip 9%Dt
Chiều dài miệng khuếch
Ld 15%Dt
Góc miệng khuếch tán
θd 0o
Thiết kế vành bên dưới được sử dụng để đo thực nghiệm lực nâng cho chong
chóng mang có vành.

4


Hình 1.9 Thiết kế vành được sử dụng trong nghiên cứu [ CITATION Hri11 \l 1033 ]
dùng cho thực nghiệm

Có thể thấy được, việc sử dụng thiết kế vành như trong nghiên cứu [ CITATION
Vươ \l 1033 ] sẽ rất khó gia cơng, cũng như rất khó lắp đặt để đo lực nâng khi
thực nghiệm. Thêm vào đó, thiết kế vành [ CITATION Vươ \l 1033 ] cũng sẽ dẫn
đến tốn vật liệu hơn thiết kế trong nghiên cứu [ CITATION Hri11 \l 1033 ] khiến
khối lượng vành sẽ nặng hơn. Tuy nhiên, trong nghiên cứu [ CITATION Hri11 \l
1033 ] cũng chỉ ra được rằng việc sử dụng vành cũng có tác dụng tạo ra thêm lực
nâng cho chong chóng mang và hiệu suất của 2 vành là gần tương đương nhau,
kết quả này sẽ được đưa ra trong phần kết quả cuối bài. Vậy nên quyết định sử
dụng thiết kế vành cũng như thông số vành này để nghiên cứu cho cánh APC

15x4. Mục tiêu của đồ án này không bao gồm cải thiện ảnh hưởng của các thơng
số vành tới lực nâng của chong chóng mang nên sẽ sử dụng vành với thông số và
thiết kế như nghiên cứu số [ CITATION Hri11 \l 1033 ].
Bên cạnh đó, cũng đã có những nghiên cứu về lực nâng của chong chóng mang
có vành bảo vệ chịu hiệu ứng mặt đất như:
Chong chóng mang 13-inch, 5 lá cánh của nhóm tác giả H. Han, C. Xiang, B. Xu
và Y. Yu trong “Aerodynamic performance and analysis of a hovering microscale shrouded rotor in confined environment” năm 2018. Nghiên cứu trên đã chỉ
ra rằng hiệu ứng mặt đất có ảnh hưởng đến lực nâng của cánh quạt và vành.
1.2.2 Lực nâng của chong chóng mang và ảnh hưởng của hiệu ứng
mặt đất đến lực nâng
Về thực nghiệm lực nâng chong chóng mang của cánh APC 15x4 không vành
cũng đã được thực hiện bởi nhóm tác giả Đàm Vương Sơn và Võ Tuấn Anh, "Đồ
án tốt nghiệp Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số hiệu suất cánh quạt sử
dụng trên máy bay nhiều chong chóng mang," 2019. Khi đó lực nâng của chong
chóng mang cánh APC 15x4 đã được thực hiện và kiểm nghiệm khi chưa có ảnh
hưởng của hiệu ứng mặt đất ở các tốc độ vòng quay.
5


Bên cạnh đó, ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất đến lực nâng cánh quạt cũng đã
được thể hiện qua hai công thức của tác giả Cheeseman & Bennet và Hayden
theo chiều cao máy bay bay treo.
 Công thức Cheeseman & Bennet [ CITATION ICC75 \l 1033 ]

[

f = 1−

1
( 4 H / R )2

−1

]

PT 1.1

 Công thức Hayden [ CITATION JSH67 \l 1033 ]
f =¿ ¿

PT 1.2

1.3 Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng pháp thực nghiệm và mô phỏng số để nghiên cứu về ảnh hưởng của hiệu
ứng mặt đất và vành bảo vệ cánh quạt.
Phần thực nghiệm được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Trọng Thuận và mô
phỏng số được thực hiện bởi sinh viên Vũ Thái Duy.
Trong đó, hính dạng vành được sử dụng để nghiên cứu giống hình dạng vành
trong nghiên cứu [ CITATION Hri11 \l 1033 ] với các thông số vành của nghiên
cứu [ CITATION Vươ \l 1033 ].
1.4 Nội dung nghiên cứu
Những kết quả sơ bộ đạt được sau nghiên cứu như sau:
Khi không có hiệu ứng mặt đất, cánh quạt có vành tạo lực nâng lớn hơn cánh
quạt không vành với cánh APC 15x4 và cành có kích thước và hình dạng như
trên.
Khi chịu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất, thì cánh quạt không vành lực nâng
tăng khi độ cao bay treo giảm.
Ngược lại, hiệu ứng mặt đất tác dụng làm thay đổi cả lực nâng của cánh quạt và
vành của cánh quạt. Làm cho lực nâng của cánh quạt có vành thay đổi phi tuyến
tính khi chịu ảnh hưởng bởi hiệu ứng mặt đất.

Báo cáo sẽ bao gồm 4 chương với những nội dung và mục đích cụ thể từng
chương như sau:
 Chương 1: Tổng quan đề tài
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu trước
 Chương 3: Phương pháp thực hiện thực nghiệm đo lực nâng và mô
phỏng
 Chương 4: Kết quả thực nghiệm và mô phỏng
Chương 2 trình bày về cơ sở lý thuyết, chứng minh lực nâng của cánh quạt có
vành lớn hơn cánh quạt không vành và những lý thuyết về ảnh hưởng của hiệu
ứng mặt đất đến lực nâng của cánh quạt.
Chương 3 trình bày phương pháp kiểm nghiệm lực nâng của chong chóng mang
với cánh APC 15x4 khơng vành và có vành khi chịu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt
đất. Mơ hình đo để có thể đo được ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất đến lực nâng
6


của chong chóng mang với cánh APC 15x4. Kết cấu bộ giá đỡ liên kết giữa vành
và chong chóng mang. Bên cạnh đó là phương pháp mơ phỏng số lực nâng với
các bước xây dựng mơ hình, chia lưới, thiết lập điều kiện biên, tính tốn và xuất
kết quả.
Chương 4 trình bày những kết quả thu được qua nghiên cứu về ảnh hưởng hiệu
ứng mặt đất và cánh quạt có vành bảo vệ. Kiểm nghiệm lực nâng của cánh quạt
không vành bảo vệ chịu ảnh hưởng bởi hiệu ứng mặt đất. Lực nâng tăng lên so
với khối lượng của vành. Các yếu tố liên quan đến tăng giảm hiệu suất khi lắp
thêm vành.

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC

2.1 Cơ sở lý thuyết
1.1.1

Giới thiệu về UAVs và máy bay nhiều chong chóng mang

UAV (Unmanned Aerial Vehicle) đang ngày càng phát triển và có nhiều ứng
dụng trong cuộc sống. Có nhiều loại UAV như cánh cố định, cánh quay, cánh
vẫy, hybrid… Máy bay nhiều chong chóng mang thuộc lớp cánh quay, có nhiều
motor gắn với cánh quạt, đang trở nên vượt trội với khả năng bay treo và cất hạ
cánh thẳng đứng. Cánh quạt quay tạo lực nâng để nâng cánh thiết bị lên.

Hình 2.10 Máy bay nhiều chong chóng mang

1.1.1.1. Cấu tạo chính
Một máy bay nhiều chong chóng mang thường bao gồm các bộ phận sau:
 Cánh chính: nằm phía trước của máy bay nhiều chong chóng mang, được
làm bằng nhựa hoặc sợi cacbon.
 Động cơ đóng một vai trị quan trọng trong q trình vận hành, tạo nên tốc
độ và sự hiệu quả của máy bay nhiều chong chóng mang. Động cơ phải
linh hoạt, đáng tin cậy và dễ kiểm soát.
 Càng đáp: làm nhiệm vụ cất hạ cánh. Một số loại càng đáp hiện nay có cơ
cấu thu / thả càng.
 Dù: một số thiết bị lắp thêm dù phục vụ việc hạ cánh.
 Bộ điều khiển bay: bao gồm hai phần, một phần đặt trên máy bay và một
phần nằm ở dưới đất. Bộ thu phát để truyền tải và nhận dữ liệu, cảm biến
được sử dụng để nhận biết các tín hiệu radio, tín hiệu GPS và giúp thu
thập thơng tin về vị trí và các cập nhật thời tiết khác.
 Module GPS: GPS là một trong những công nghệ định vị mạnh mẽ trong
hiện tại, đặc biệt trong máy bay không người lái, trợ giúp việc cung cấp
các thông tin về vĩ độ, kinh độ và độ cao.

8


 Pin: cung cấp năng lượng cho sự vận hành của máy bay nhiều chong
chóng mang.
1.1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Sự di chuyển của máy bay nhiều chong chóng mang phụ thuộc vào sự điều chỉnh
tốc độ quay của từng động cơ và cách sắp xếp chiều cánh quạt. Trong quá trình
quay cánh quạt xuất hiện sự chênh lệch áp suất giữa các dịng khí ở mặt trên và
mặt dưới cánh quạt, điều này tạo lực nâng cho máy bay hoạt động đồng thời cách
sắp xếp chiều quay cánh quạt triệt tiêu momen do chúng gây ra trong quá trình
bay. Các chuyển động được điều khiển qua sóng radio bằng cách thay đổi tốc độ
quay giữa các cánh quạt.
Ví dụ với Quadrotor quay được thiết kế có dạng dấu cộng: Các chuyển động của
quadcánh quạt quay như điều chỉnh độ cao, điều chỉnh góc liệng, góc chúc, góc
hướng được thực hiện nhờ thay đổi lực nâng của từng động cơ. Cụ thể, ở trạng
thái bay treo (hover), lực nâng do 4 động cơ tạo ra là tương đương nhau. Để điều
chỉnh góc hướng, hai động cơ có cùng chiều quay (thuận hoặc ngược chiều kim
đồng hồ) sẽ quay cùng vận tốc và nhanh hơn hai động cơ còn lại. Để điều chỉnh
góc liệng, các động cơ sẽ được chia thành hai nhóm nằm ở hai bên của trục xoay
góc liệng, lực nâng của mỗi motor trong một nhóm có độ lớn bằng nhau. Tuy
nhiên, lực nâng của hai nhóm động cơ là khác nhau để điều chỉnh máy bay bay
liệng. Đối với điều khiển góc chúc, nguyên lý cũng tương tự như với điều chỉnh
góc liệng, chỉ khác ở trục xoay của góc.
 Trước – sau: để đi về phía trước, motor phía trước giảm tốc độ so với
motor sau và ngược lại để đi về phía sau, motor phía sau giảm tốc độ so
với motor phía trước.
 Trái – phải: để đi về bênn trái, motor bên trái giảm tốc độ so với motor
bên phải và ngược lại để đi về bên phải, motor bên phải giảm tốc độ so với
motor bên trái.

 Lên – xuống: tăng tốc hay giảm tốc đồng thời 4 motor đồng thời sẽ tương
ứng làm tăng lực nâng và giảm lực nâng để bay lên hoặc xuống.
 Xoay: muốn xoay cùng chiều kim đồng hồ thì cặp motor quay cùng chiều
kim đồng hồ (ví dụ trước- sau) sẽ quay chậm hơn cặp motor quay ngược
chiều (ví dụ trái-phải) và ngược lại trong trường hợp quay ngược chiều
kim đồng hồ.

Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của máy bay nhiều chong chóng mang

9


1.1.1.3. Ứng dụng điển hình của máy bay nhiều chong chóng mang
Máy bay nhiều chong chóng mang vượt trội lên trên những UAV khác do có khả
năng cánh hạ cánh thẳng đứng, hover trên không. Trong quân sự, chúng dùng để
hỗ trợ nhận biết tình huống và giảm thiểu nguy cơ đối mặt với mạo hiểm cho
binh lính. Ngồi ra, những ứng dụng tiềm năng khác trong quân sự bao gồm:
khảo sát sinh hóa, tấn cơng, giao tiếp, tìm kiếm và cứu hộ, quan sát giao thông,
cứu hỏa, và kiểm tra mạng lưới điện. Những nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng
máy bay nhiều chong chóng mang có khả năng khảo sát địa hình đơ thị rộng lớn
và mở rộng phạm vi tới những môi trường chưa được biết đến. Để thực hiện
những nhiệm vụ này, chúng cần khả năng hoạt động trong không gian chật hẹp
như trong ngõ hẻm, phịng kín, hang động. Khả năng bị phát hiện thấp và đặc
trưng tiếng ồn nhỏ của chúng, khả năng hoạt động trong không gian chật hẹp,
điều khiển bay từ xa, khiến chúng là thiết bị lý tưởng cho các nhiệm vụ quân sự
và dân sự. Có một sự cấp thiết để phát triển các máy bay nhiều chong chóng
mang với khả năng bay treo tốt và khả năng hoạt động linh hoạt trong môi trường
hẹp và chịu đựng được các ảnh hưởng khí động từ bên ngồi như gió và hiệu ứng
bề mặt khi bay gần tường.

Hình 2.12 Cứu hộ

Hình 2.13 Mapping

10


Hình 2.14 Quay phim

Hình 2.15 Nơng nghiệp

Hình 2.16 Qn sự

11


Hình 2.17 Giao hàng

1.1.2

Tiềm năng giúp tăng hiệu suất của vành bảo vệ

Thực nghiệm đã chỉ ra rằng việc lắp thêm vành bảo vệ có hình dạng thích hợp sẽ
làm tăng hiệu suất của cánh quạt quay [ CITATION Hri11 \l 1033 ]. Giả sử sử
dụng vành có hình dạng như hình vẽ, nguyên lý tăng hiệu suất của vành có thể
được giải thích như sau:

Hình 2.18 Mơ hình vành bảo vệ

Khi khơng có vành, cánh quạy quay tạo ra sự chênh lệch áp suất trên và dưới

cánh sẽ tạo ra dòng chảy từ dưới cánh chạy lên trên cánh ở đầu mũi cánh, gây
thất thoát lực nâng và tổn thất cơng suất để sinh ra dịng chảy này. Điều này có
thể suy luận tương tự như dịng xốy sinh ra ở đầu mũi cánh của cánh hữu hạn.
Việc lắp thêm vành bảo vệ vào sát đầu mũi cánh sẽ làm giảm dòng chảy này, làm
tăng hiệu suất hoạt động của cánh quạt quay.
Phần đầu vào (inlet) của vành tạo ra dòng chảy bám vào mặt trong vành, gây ra
giảm áp suất ở đây, khơng khí bên mặt ngồi có áp suất cao hơn tác dụng lực lên
vành, tạo ra thêm lực nâng tác dụng vào vành.
Khi khơng có vành, dịng khí sau khi đi vào cánh quạt quay bị co hẹp lại khoảng
1/2 lần diện tích đĩa trịn tạo bởi cánh quạt khiến cho vận tốc dịng khí ở đuôi
12