Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí động của máy bay trong quá trình hạ cánh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

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

NGUYỄN ĐÌNH SƠN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ CẠNH

TỚI ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY

TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CÁNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

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

NGUYỄN ĐÌNH SƠN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ CẠNH

TỚI ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY

TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CÁNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 62 52 01 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS Phạm Vũ Uy

2. GS. TSKH Nguyễn Đức Cương

Hà Nội - 2014

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả

nghiên cứu và các số liệu sử dụng trong luận án là trung thực, chưa từng được

ai công bố ở trong bất kỳ công trình nào khác.

NGHIÊN CỨU SINH

Nguyễn Đình Sơn

ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn hai Thầy giáo:

- PGS. TS. Phạm Vũ Uy

- GS. TSKH. Nguyễn Đức Cương

đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn

thành được luận án này.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự; Viện

Tên lửa; Học viện Phòng không-Không quân; Viện Kỹ thuật Quân sự PK-KQ;

Học viện Kỹ thuật Quân sự; Phòng ĐCTBPL-Viện Tên lửa; Trung tâm DASI￾ĐH Bách khoa Hà Nội và Phòng MBĐC-Viện Kỹ thuật Quân sự PK-KQ đã tạo

mọi điều kiện giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy giáo Trong Viện Tên lửa, các

đồng chí trong các cơ quan quản lý của Viện Tên lửa, Phòng Đào tạo và Ban

sau đại học-Viện KH & CN Quân sự đã cho tôi những lời khuyên quý báu,

những điều kiện thực hiện các học phần và luận án tốt nhất.

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những người bạn và đồng nghiệp đã

nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này.

Nghiên cứu sinh

iii

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt vi

Danh mục các bảng xiv

Danh mục các hình vẽ, đồ thị xv

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1. Tổng quan về ảnh hưởng của gió cạnh đến đặc tính khí

động của máy bay, các phương pháp nghiên cứu 8

1.1. Một số đặc điểm dòng khí chảy bao ở vùng vận tốc nhỏ khi có ảnh

hưởng của gió cạnh 8

1.2. Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí

động của máy bay ở vùng vận tốc nhỏ 9

1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 9

1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước 13

1.3. Tổng quan các phương pháp xác định đặc tính khí động của máy

bay 14

1.3.1. Xác định đặc tính khí động của máy bay bằng phương pháp giải

tích 15

1.3.2. Phương pháp nghiên cứu thử nghiệm. 15

1.3.3. Xác định đặc tính khí động của máy bay bằng phương pháp số 17

1.4. Các nội dung đề tài cần nghiên cứu và phương pháp thực hiện 21

1.4.1. Các nội dung đề tài cần nghiên cứu 21

1.4.2. Lựa chọn phương pháp thực hiện đề tài nghiên cứu 22

Kết luận chương 1 28

CHƯƠNG 2. Mô hình bài toán xác định đặc tính khí động của máy

bay 29

iv

2.1. Mô hình toán xác định đặc tính khí động của máy bay bằng

phương pháp xoáy rời rạc, phi tuyến trong dòng chảy bao dừng 29

2.1.1. Mô hình tính toán theo sơ đồ cánh phẳng đơn 29

2.1.2. Mô hình toán xây dựng bằng phương pháp xoáy rời rạc cho

máy bay có cấu hình không gian phức tạp 31

2.1.3. Áp dụng mô hình toán xác định một số đặc tính khí động của

máy bay L-39 bằng phương pháp xoáy rời rạc 36

2.2. Phương pháp xác định đặc tính khí động của máy bay bằng Ansys 38

2.2.1. Phương pháp giải số ứng dụng trong Ansys 38

2.2.2. Phương pháp giải bài toán xác định một số đặc tính khí động

của máy bay bằng Ansys 40

2.3. Kết quả khảo sát đặc tính lực nâng của máy bay L-39 bằng

phương pháp xoáy rời rạc và bằng Ansys. Một số nhận xét, đánh

giá 45

Kết luận chương 2 49

CHƯƠNG 3. Xây dựng mô hình toán xác định đặc tính khí động của

máy bay với cấu hình cất, hạ cánh 50

3.1. Xây dựng mô hình không gian bài toán chảy bao cánh nâng cơ sở

có tính đến trượt cạnh bằng phương pháp xoáy rời rạc 50

3.2. Xây dựng mô hình toán xác định đặc tính khí động của máy bay

với cấu hình cất, hạ cánh bằng phương pháp xoáy rời rạc 64

3.2.1. Nguyên tắc ghép nối không đồng phẳng 64

3.2.2. Xây dựng mô hình cánh tà ở vị trí thả 66

3.2.3. Xây dựng mô hình càng ở vị trí thả 67

3.3. Khảo sát đặc tính lực nâng Cy máy bay L-39 khi hạ cánh với cấu

hình cất, hạ cánh bằng phương pháp xoáy rời rạc và bằng Ansys 69

Kết luận chương 3 72

v

CHƯƠNG 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh đến đặc tính khí

động của máy bay trong quá trình hạ cánh 73

4.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến một số đặc tính khí động

của máy bay L-39 khi hạ cánh. Xây dựng mối liên hệ cân bằng

giữa các góc điều khiển với góc trượt cạnh 73

4.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến một số đặc tính khí động

của máy bay L-39 khi hạ cánh 73

4.1.2. Xây dựng mối liên hệ cân bằng giữa các góc điều khiển cánh lái

hướng δH và cánh lái liệng δL với góc trượt cạnh β khi hạ cánh 78

4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh phụ thuộc vào vận tốc hạ

cánh. Xây dựng miền vận tốc an toàn cho máy bay L-39 khi hạ

cánh có trượt cạnh 83

4.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh phụ thuộc vào vận tốc hạ

cánh 83

4.2.2. Xây dựng miền vận tốc an toàn cho máy bay L-39 khi hạ cánh

có trượt cạnh 85

4.3. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến quĩ đạo hạ cánh của máy

bay. Một số giải pháp hạn chế ảnh hưởng của gió cạnh 87

4.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến quĩ đạo hạ cánh của máy

bay 87

4.3.2. Một số giải pháp hạn chế ảnh hưởng của gió cạnh đến quá trình

hạ cánh của máy bay 96

Kết luận chương 4 98

KẾT LUẬN 99

Danh mục các công trình khoa học đã công bố 101

Tài liệu tham khảo 102

Phụ lục 112

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

a Vận tốc âm thanh [m/s];

[Ae] Ma trận phần tử;

aij Các giá trị trong các ma trận hệ số;

k 1pp 1

k

a

  

  Các hệ số của phương trình đảm bảo không chảy thấu;

ax , ay Gia tốc tiếp đất theo chiều ngang và chiều thẳng đứng của

máy bay khi hạ cánh [m/s2

];

b Dây cung trung bình cánh;

bi Điều kiện ban đầu thay đổi có tính đến các yếu tố điều

chỉnh đối với nút i;

BT Chỉ số chỉ trường hợp bay thử nghiệm máy bay;

bk Dây cung cánh tại mặt cắt k [m];

( )

pp 1

b



 Dây cung trung bình của tứ giác khảo sát;

bm Dây cung mút cánh [m];

bo Dây cung gốc cánh [m];

bpp1m Chiều dài không thứ nguyên của phần tử mặt nâng m của

máy bay (theo trục 0x);

pp 1 B s





Tích vô hướng của véc tơ đơn vị dòng không nhiễu động và

véc tơ pháp tuyến với mặt nâng cơ sở tại các điểm kiểm tra;

Cx Hệ số lực cản;

Cy Hệ số lực nâng;

Cz Hệ số lực cạnh;

  

z x my C ,m , Đạo hàm của hệ số lực cạnh, mô men nghiêng cánh và mô

men hướng theo góc trượt cạnh [1/rad];

H H H

z x my C ,m ,

   Đạo hàm của hệ số lực cạnh, mô men nghiêng cánh và mô

men hướng theo góc nghiêng cánh lái hướng [1/rad];

C Hệ số tức thời và hệ số trung bình đối với biến  ;

vii

pp 1 C



 Tích vô hướng của véc tơ đơn vị của dòng không nhiễu động

với véc tơ pháp tuyến của mặt nâng tại các điểm kiểm tra;

F Ngoại lực tác động lên một đơn vị khối lượng [N];

Fs Lực ma sát [N];

g Gia tốc trọng trường [m/s2

];

G Trọng lượng máy bay [kg];

h Độ cao của máy bay trong quĩ đạo khi hạ cánh [m];

i Chỉ số nút thứ i;

ix, iy, iz bán kính mô men quán tính;

Jx, Jy, Jz Mô men quán tính khối lượng;

(i , j, k ) Véc tơ đơn vị hệ trục tọa độ 0xyz;

k Chỉ số chỉ các mặt cắt dọc trên cánh;

k-ε, k-Ω Mô hình chảy rối k-ε, k-Ω;

L Sải cánh [m];

LMB Sải cánh máy bay thực [m];

LTN Sải cánh của mô hình trong phòng thí nghiệm [m];

L-39 Ký hiệu máy bay huấn luyện hai buồng lái;

Lth Chiều dài thân máy bay [m];

lo Độ dài dây xoáy [m];

k 1

0 k

l

 

 Độ dài dây xoáy ngang [m];

k 1

0 k

l

 

 Độ dài dây xoáy dọc [m];

( )

pp 1

l





Sải trung bình của tứ giác khảo sát [m];

k 1

k

cos(l, x)

 

 Cosin chỉ hướng đoạn xoáy ngang theo trục 0x;

1k

k

cos(l, x)



 Cosin chỉ hướng đoạn xoáy dọc theo trục 0x;

M Số Mach;

m Tứ giác nâng cơ sở thứ m;

viii

Mx Mô men nghiêng cánh [Nm];

My Mô men hướng [Nm];

Mz Mô men chúc ngóc [Nm] ;

mx Hệ số mô men nghiêng cánh;

my Hệ số mô men hướng ;

mz Hệ số mô men chúc ngóc;

M(xo,yo,zo) Tọa độ điểm M trong không gian lân cận cánh;

Mx(δ) Mô men nghiêng cánh do trượt cạnh gây ra [Nm];

My(δ) Mô men hướng do trượt cạnh gây ra [Nm];

My(δL) Mô men hướng do lệch cánh lái liệng gây ra [Nm];

mx(δ) Hệ số mô men nghiêng cánh do gió cạnh gây ra;

my(δ) Hệ số mô men hướng do gió cạnh gây ra;

N Số dải xoáy trên tấm nâng cơ sở;

n Số các sợi xoáy ngang trên mỗi dải xoáy;

Nm Số dải xoáy dọc trên tứ giác thứ m;

nm Số xoáy ngang trong từng dải xoáy trên tứ giác thứ m;

nI

, nII, n'II Lần lượt là số tiết diện dùng để mô hình hóa các dây xoáy

tự do trong hệ I, II và II';

n m véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng chứa tứ giác khảo sát;

Oxyz Hệ trục tọa độ liên kết không tiêu chuẩn (có trục Ox ngược

với trục Ox trong hệ trục tọa độ thuận);

p Chỉ số điểm được kiểm tra thuộc mặt cắt dọc p;

po Áp suất dòng không nhiễu động [Pa];

pH Áp suất môi trường [Pa];

pPQT, pQRT Nửa chu vi các tam giác PQT, QRT thuộc tứ giác khảo sát

PQRT [m];

r Các yếu tố điều chỉnh;

Re Số Rây-non;

ix

S Diện tích cánh nâng [m2

];

SS Sai số;

S, SMB, STN Tỷ số giữa vận tốc âm thanh a và độ nhớt động ν của

không khí, S=a/ν [1/m];



S Điều kiện ban đầu (nguồn) của biến  ;

1k

0 k 1

S



  Diện tích tứ giác khảo sát;

s Khoảng cách máy bay từ độ cao khảo sát ban đầu đến điểm

đang khảo sát [m];

sign() Hàm dấu của góc trượt cạnh ;

T Nhiệt độ tuyệt đối [K];

TN Chỉ số chỉ trường hợp thử nghiệm trên mô hình trong ống

khí động;

To Nhiệt độ tuyệt đối ở điều kiện tiêu chuẩn, To=273,15 [K];

t Nhiệt độ lưu chất [oC];

tH Nhiệt độ môi trường [oC];

td Chỉ số chỉ tỷ lệ tương đối;

U, Vận tốc của lưu chất [m/s];

Uo Vận tốc dòng không nhiễu động [m/s];

uo Vận tốc dòng chảy không nhiễu động dạng không thứ

nguyên;

uo Véc tơ đơn vị dòng không nhiễu động;

ud1,ud2 Véc tơ chỉ phương của các đường pháp tuyến d1, d2;

u PQ , u PT Véc tơ chỉ phương của đoạn xoáy PQ, PT;

V Vận tốc bay [m/s];

Vx Vận tốc theo chiều ngang khi máy bay hạ cánh [m/s];

Vy Vận tốc theo chiều thẳng đứng khi máy bay hạ cánh [m/s];

Vxi; Vyi; Vzi Các thành phần vận tốc tại nút i;

x

Vxi Vyi Vzi , ,

  

Các giá trị vận tốc xấp xỉ tại nút i theo phương x, y, z;

W Vận tốc nhiễu động; cường độ gió cạnh [m/s];

Wx, Wy, Wz Các thành phần của vận tốc nhiễu động [m/s];

W

e Hàm bổ sung đặc biệt cho các phần tử e;

X Lực cản [N];

xF, zF Tọa độ tiêu điểm khí động theo trục 0x và 0z [m];

xµk, yµk, zµk Tọa độ đầu mút các xoáy [m];

k 1

0

k 1

0

k 1

0

x , y , z

 



 



 



Tọa độ điểm giữa xoáy ngang [m];

1k

k

1k

k

1k

k

x , y , z













Tọa độ điểm giữa các đoạn xoáy dọc trên cánh [m];

pp 1

0

pp 1

0

pp 1

0

x , y , z











 Tọa độ các điểm kiểm tra [m];

x1 ; y1 ; z1 Ký hiệu tọa độ véc tơ chỉ phương của đoạn xoáy PQ;

x2 ; y2 ; z2 Ký hiệu tọa độ véc tơ chỉ phương của đoạn xoáy PT;

xm ; ym ; zm Ký hiệu tọa độ của véc tơ pháp tuyến mặt phẳng chứa tứ

giác khảo sát;

1

1

x1, y , z Tọa độ đầu mút dây xoáy dạng không thứ nguyên;

2

2

x2 , y , z Tọa độ cuối dây xoáy dạng không thứ nguyên;

Y Lực nâng [N];

Z Lực cạnh [N];

Zβ Lực cạnh do trượt cạnh gây ra [N];

Γ Lưu số vận tốc dạng không thứ nguyên;

+ Lưu số vận tốc [m2

/s];

k 1

k

 

 Lưu số vận tốc xoáy ngang liên kết [m2

/s];

p 1

pm

 

 Lưu số vận tốc xoáy ngang liên kết mặt nâng thứ m [m2

/s];

1k

k



 Lưu số vận tốc xoáy dọc liên kết [m2

/s];

xi

1p

pm



 Lưu số vận tốc xoáy dọc liên kết mặt nâng thứ m [m2

/s];



 Hệ số khuyếch tán;

ΔCy_td Sai số tương đối hệ số lực nâng Cy giữa hai bước tính;

(p)

m  l Bề rộng không thứ nguyên của phần tử mặt nâng thứ m của

máy bay (theo trục Oz);

Δs Độ lệch tính toán giữa hai bước tính;

Δα Lượng thay đổi góc tấn giữa hai bước tính [rad];

Δ Lượng thay đổi góc trượt cạnh giữa hai bước tính [rad];

(1) k Lưu số vận tốc của xoáy dọc tự do vùng I;

,( )' (2) (2)

 

  Lưu số vận tốc của các xoáy ngang tự do vùng II và II';

p Tải khí động dạng không thứ nguyên;

p 1

p p

 

  Tải khí động ngang dạng không thứ nguyên;

1p

p p



  Tải khí động dọc dạng không thứ nguyên;

 Biến trong các ma trận;

Ψ Góc hướng quĩ đạo [rad];

Ωx1, Ωy1, Ωz1 Góc giữa véc tơ chỉ phương i , j và k của các trục tọa độ

0x, 0y và 0z với véc tơ chỉ phương của đường pháp tuyến

với xoáy ngang;

Ωx2, Ωy2, Ωz2 Góc giữa véc tơ chỉ phương i , j và k của các trục tọa độ

0x, 0y, 0z với VTCP của đường pháp tuyến với xoáy dọc;

α Góc tấn [rad];

αs Góc tấn tại bước tính s [rad];

 Góc trượt cạnh [rad];

βi Góc trượt cạnh tại bước tính i [rad];