Báo cáo thí nghiệm hàng không 2 tên bài thí nghiệm Đo lực cản qua cố thể phi lưu tuyến

PHỤ LỤC BẢNG Bảng 1: Kết quả đo lực cản qua các cố thể hình cầu, hình đĩa phẳng, hình giọt nước theo tần số.. 13 Bảng 4: Bảng so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm hệ số lực cản qu

SĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM HÀNG KHÔNG 2

Tên bài thí nghiệm: ĐO LỰC CẢN QUA CỐ THỂ PHI LƯU TUYẾN

Lớp: P02 – Nhóm 1

Lê Nguyễn Thanh Duy 2010181

GVHD: ThS Đặng Trung Duẩn

MỤC LỤC

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH 3

PHỤ LỤC BẢNG 4

1 Mục tiêu 5

2 Thiết bị thí nghiệm 5

3 Cơ sở lý thuyết 8

4 Tiến hành thí nghiệm 10

5 Kết quả thí nghiệm: 11

5.1 Kết quả thí nghiệm: 11

5.2 Xử lý số liệu: 12

6 Nhận xét : 18

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Hình ảnh ống khí động (hầm gió) 5

Hình 2: Cân khí động 6

Hình 3: Bảng điều khiển hầm gió 7

Hình 4: Giản đồ lực cản qua cố thể hình trụ theo hệ số Reynolds 9

Hình 5: Giản đồ lực cản qua cố thể đối xứng theo hệ số Reynolds 10

Hình 6: Đồ thị hệ số lực cản qua cố thể hình cầu theo hệ số Reynolds 14

Hình 7: Đồ thị hệ số lực cản qua cố thể hình đĩa phẳng theo hệ số Reynolds 16

Hình 8: Đồ thị hệ số lực cản qua cố thể hình giọt nước theo hệ số Reynolds 18

PHỤ LỤC BẢNG

Bảng 1: Kết quả đo lực cản qua các cố thể (hình cầu, hình đĩa phẳng, hình giọt nước) theo tần số 11 Bảng 2: Kết quả lực cản của 2 phần hình trụ của cố thể hình cầu 12 Bảng 3: Tính toán giá trị hệ số lực cản qua cố thể hình cầu 13 Bảng 4: Bảng so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm hệ số lực cản qua hình cầu theo hệ số Reynolds 13 Bảng 5: Bảng so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm hệ số lực cản qua hình đĩa phẳng theo hệ số Reynolds 16 Bảng 6: Kết quả lực cản của phần hình trụ của cố thể hình giọt nước 17 Bảng 7: Tính toán giá trị hệ số lực cản qua cố thể hình giọt nước 17 Bảng 8: Bảng so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm hệ số lực cản qua hình giọt nước theo hệ số Reynolds 18

1 Mục tiêu

- Hiểu cách tính lực cản và làm chủ các thiết bị đo lực khí động

- Đo đạc và xác định đặc tính lực cản của cố thể phi lưu tuyến dạng hình cầu, giọt nước, tấm phẳng

- Vận dụng các kiến thức liên quan đến lớp biên, sự tách rời lớp biên, sự hình thành các xoáy do tách rời lớp biên để giải thích các hiện tượng

- Đánh giá được các yếu tố ảnh đến lực cản: hình dạng vật thể, tính chất của dòng và đưa

ra các đề xuất để tối ưu lực cản

2 Thiết bị thí nghiệm

Bộ thiết bị thí nghiệm bao gồm:

Ống khí động (hầm gió) có các đặc trưng tiêu biểu: loại hở, vận tốc tối đa của không khí trong tiết diện khảo sát là 23 m/s, số Mach là 0.1, tiết diện khảo sát kín có kích thước 400 mm x 500 mm x 1000 mm

Hình 1: Hình ảnh ống khí động (hầm gió)

- Cân khí động là thiết bị phổ biến trong thực nghiệm khí động lực học Cân khí động FM101 cung cấp một hệ thống hỗ trợ dễ sử dụng cho các mô hình hầm gió

để đo ba thành phần lực và moment khí động tác động lên mô hình: lực nâng, lực cản và moment ngóc chúc Cân khí động có cấu tạo như hình dưới:

Hình 2: Cân khí động

Cân khí động bao gồm:

+ Hệ thống có đường kính trung tâm khoảng 12mm, được lắp vào khoan của đĩa hỗ trợ mô hình và được bảo đảm bằng một ống kẹp chặt bởi các mô hình kẹp Đĩa hỗ trợ chế độ có thể tự do xoay 360 độ trong tấm lực điều chỉnh góc tới của mô hình, trong khi vị trí của nó có thể bị khóa bằng một kẹp tỷ lệ

+ Tấm lực được khóa ở vị trí của hai kẹp tâm, và những nên luôn luôn được thắt chặt khi không sử dụng, hoặc khi thay đổi mô hình, để tránh thiệt hại cho các thành phần tải

+ Hai kẹp định tâm: dùng để khóa các tấm lực khi thay đổi vật thể ở kẹp mô hình + Dây cáp: Các lực tác dụng lên các tấm lực được truyền bằng cách cáp linh hoạt

để căng các thành phần tải đo tương ứng các lực Force lift, Aft lift và Drag Dây

cáp cho lực cản, nằm theo chiều ngang, hoạt động trên một đường thẳng đi qua trung

tâm của mô hình hỗ trợ, trong khi hai loại cáp dọc của Aft lift và Force lift hoạt

động theo chiều dọc thông qua các điểm xử lý với khoảng cách bằng nhau từ đường trung tâm của mô hình Các dây cáp từ ba thành phần tải lực được kết nối bằng dây cắm 5 chân, nó có đưa vào các ổ cắm 5 chân vào tấm chắn sau của màn hình hiển thị và bảng điều khiển

+ Ở mặt sau của thiết bị hiển thị và bảng vận hành cũng có 3 ổ cắm 2 chân: 0-10V tín hiệu đầu ra tương tự bằng cách này người dùng có thể sử dụng tín hiệu này để tham gia với giao diện khác

- Bảng điều khiển: dùng để điều chỉnh tần số để thay đổi vận tốc gió cũng như tắt

và mở hầm gió

Hình 3: Bảng điều khiển hầm gió

- Hình ảnh các cố thể:

+ Cố thể hình cầu: đường kính 10cm

+ Cố thể hình đĩa phẳng: đường kính 15cm

+ Cố thể hình giọt nước: đường kính 64.54cm

3 Cơ sở lý thuyết

Hệ số Reynolds:

𝑅𝑒 = 𝑉 𝑑

𝑣

Lực cản tác động lên cố thể 3D trong chế độ dưới âm thanh bao gồm 3 thành phần: lực cản ma sát Df, lực cản áp suất Dp và lực cản cảm ứng Di

𝐷 = 𝐷𝑓 + 𝐷𝑝 + 𝐷𝑖

Hệ số lực cản được tính bởi công thức: 𝐷 = 1

2𝜌𝑉2𝐴 𝐶𝐷 Suy ra :

𝐷 1

2𝜌𝑉2𝐴

1

2𝜌𝑉2𝐴

+ 𝐷𝑝 1

2𝜌𝑉2𝐴

+ 𝐷𝑖 1

2𝜌𝑉2𝐴

⇒ 𝐶𝐷 = 𝐶𝐷𝑓 + 𝐶𝐷𝑝+ 𝐶𝐷𝑖 Giản đồ lực cản của các cố thể theo hệ số Reynolds:

+ Cố thể hình trụ:

Hình 4: Giản đồ lực cản qua cố thể hình trụ theo hệ số Reynolds

+ Một vài cố thể khác (hình cầu, hình elip, hình đĩa tròn, …)

Hình 5: Giản đồ lực cản qua cố thể đối xứng theo hệ số Reynolds

4 Tiến hành thí nghiệm

- Nhiệm vụ thí nghiệm:

+ Đo lực cản qua các cố thể phi lưu tuyến gồm hình cầu, giọt nước, bán cầu và tấm phẳng

+ Vẽ biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa số Reynolds và hệ số lực cản của cố thể + Đối chiếu hệ số lực cản đo đạt được với các lý thuyết đã được học

+ Nhận biết xu hướng hình học tối ưu về hệ số lực cản

- Các bước tiến hành:

+ Bước 1: Bật nguồn hộp điều khiển quạt, bật công tắc quạt, vặn tần số trên bảng điều

khiển về 0 Hz Bật công tắc bộ hiển thị

+ Bước 2: Khóa chặt Two centring clamps: Khóa định tâm

+ Bước 3: Nới lỏng Model clamp: khóa vật thể Đưa cố thể vào testsection thông qua nắp

chắn test section Từ bên trong testsection, thanh trụ của vật thể xuyên qua Model clamp của cân khí động

+ Bước 4: Vặn chặt Model clamp để kết nối vật thể với cân Nới lỏng kẹp góc, điều

chỉnh góc đặt của vật thể

+ Bước 5: Nới lỏng hai centering clamps

+ Bước 6: Bấm nút Run trên màn hình hiển thị, đợi 15s để lấy các giá trị ở tần số 0hz sau

đó bấm nút Run trên bảng điều khiển và đợi 15s để thu kết quả Sau 15s, bấm Stop trên màn hình hiển thị trước và bấm stop trên bảng điều khiể

+ Bước 6: Xuất file và vặn nút chỉnh tần số lên giá trị mong muốn tiếp tục quay lại bước

6 cho đến khi đến tần số 40 Hz

Lưu ý: Mỗi cố thể đo ở 10 tần số, mỗi tần số đo 3 lần

5 Kết quả thí nghiệm:

5.1 Kết quả thí nghiệm:

Tiến hành đo lực cản theo từng mức tần số (từ 0 Hz đến 40 Hz, bước nhảy 5 Hz) ta thu được kết quả cho ở bảng như sau:

Hình cầu Hình đĩa phẳng Hình giọt nước

Bảng 1: Kết quả đo lực cản qua các cố thể (hình cầu, hình đĩa phẳng, hình giọt nước) theo tần số

5.2 Xử lý số liệu:

a Cố thể hình cầu:

- Cố thể hình cầu có phần hình trụ dư ra gồm 2 phần: hình trụ đường kính 10cm dài 19,5

cm và hình trụ đường kính 5cm dài 9cm Ta tính được lực cản trên 2 phần hình trụ theo cách sau:

+ 𝑅𝑒 = 𝜌𝑉𝐷

𝜇

+ Từ hệ số Reynolds tra đồ thị tìm ra được hệ số lực cản theo tương ứng

+ Lực cản của hình trụ: 1 2

.

Từ đó ta có bảng số liệu sau:

Tần số

(Hz)

Vận tốc

(m/s)

Hình trụ có D = 10cm Hình trụ có D = 5cm

Reynolds Hệ số lực

cản

Chiều dài (m)

Lực cản (N) Reynolds

Hệ số lực cản

Chiều dài (m)

Lực cản (N)

5 5 3436,90409 0,91341 0,195 0,02729 1718,45205 0,94030 0,09 0,00648

10 7 4811,66573 0,99076 0,195 0,05801 2405,83287 0,91311 0,09 0,01234

15 9 6186,42737 1,04015 0,195 0,10068 3093,21368 0,92119 0,09 0,02058

20 11 7561,18901 1,09065 0,195 0,15770 3780,59450 0,94737 0,09 0,03161

25 13 8935,95064 1,13241 0,195 0,22869 4467,97532 0,95603 0,09 0,04455

30 15 10310,71228 1,14281 0,195 0,30726 5155,35614 0,98332 0,09 0,06101

35 17 11685,47392 1,16436 0,195 0,40210 5842,73696 1,01140 0,09 0,08060

40 19 13060,23556 1,18637 0,195 0,51178 6530,11778 1,03052 0,09 0,10259

Bảng 2: Kết quả lực cản của 2 phần hình trụ của cố thể hình cầu

- Từ đó suy ra, lực cản tác dụng lên hình cầu được tính bởi công thức:

cau tong tru

- Lực cản tác dụng lên hình cầu tính bởi công thức:

2

. . .

d

C

d

- Từ đó, hệ số lực cản qua hình cầu được cho ở bảng sau:

Lực cản trung bình

Tần số

(Hz)

Vận tốc

(m/s)

Lực cản hình trụ

D = 10cm (N)

Lực cản hình trụ

D = 5cm (N) Đơn vị (g) Đơn vị (N)

Hệ số lực cản vật thể

10 7 0,05801 0,01234 19,50365 0,19133 0,51299

15 9 0,10068 0,02058 32,26790 0,31655 0,50095

20 11 0,15770 0,03161 48,95387 0,48024 0,49957

25 13 0,22869 0,04455 67,81343 0,66525 0,48195

30 15 0,30726 0,06101 89,78402 0,88078 0,47327

35 17 0,40210 0,08060 121,64956 1,19338 0,51093

40 19 0,51178 0,10259 153,31024 1,50397 0,51202

Bảng 3: Tính toán giá trị hệ số lực cản qua cố thể hình cầu

- Ta có thể tính được hệ số Reynolds của hình cầu dựa vào vận tốc và đường kính hình cầu, dùng hệ số Reynolds tra hệ số lực cản theo lý thuyết theo đồ thị hình 5ta có bảng số liệu so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm như sau:

Reynolds hình cầu Thí nghiệm Lý thuyết 34369,04094 0,45473 0,47969 48116,65732 0,51299 0,50309 61864,27370 0,49340 0,51933 75611,89007 0,49957 0,51136 89359,50645 0,42044 0,48029 103107,12283 0,47327 0,47288 116854,73920 0,51093 0,47296 130602,35558 0,51202 0,49588

Bảng 4: Bảng so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm hệ số lực cản qua hình cầu theo hệ số Reynolds

Hình 6: Đồ thị hệ số lực cản qua cố thể hình cầu theo hệ số Reynolds

b Cố thể hình đĩa phẳng:

- Cố thể hình cầu có phần hình trụ dư ra đường kính 12,2cm dài 16,7 cm ta tính được lực cản trên hình trụ theo cách sau:

+ 𝑅𝑒 = 𝜌𝑉𝐷

𝜇

+ Từ hệ số Reynolds tra đồ thị tìm ra được hệ số lực cản theo tương ứng

+ Lực cản của hình trụ: 1 2

L= V AC

Từ đó ta có bảng số liệu sau:

Tần số

(Hz)

Vận tốc (m/s) Reynolds

Hệ số lực cản hình

trụ

Chiều dài hình trụ (m) Lực cản hình trụ (N)

0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5 0.51 0.52 0.53

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Re

Đồ thị hệ số lực cản qua cố thể hình cầu

theo hệ số Reynolds

Thí nghiệm Lý thuyết

40 19 13060,23556 1,18637 0,167 0,52595

Bảng: Kết quả lực cản của phần hình trụ của cố thể hình đĩa phẳng

- Từ đó suy ra, lực cản tác dụng lên hình đĩa phẳng được tính bởi công thức:

dia tong tru

- Lực cản tác dụng lên hình đĩa phẳng tính bởi công thức:

2

. . .

d

C

d

Từ đó, hệ số lực cản qua hình đĩa phẳng được cho ở bảng sau:

Tần số

(Hz)

Vận tốc (m/s) Lực cản hình trụ (N) Lực cản trung bình Hệ số lực cản vật thể

Đơn vị (g) Đơn vị (N)

40 19 0,52595 190.97264 1.87344 0.34469

Bảng: Tính toán giá trị hệ số lực cản qua cố thể hình đĩa phẳng

- Ta có thể tính được hệ số Reynolds của hình cầu dựa vào vận tốc và đường kính hình cầu, dùng hệ số Reynolds tra hệ số lực cản theo lý thuyết theo đồ thị hình 5 ta có bảng số liệu so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm như sau:

Reynolds hình đĩa phẳng Thí nghiệm Lý thuyết 51553.56141 0.34950 0.39907 72174.98598 0.40385 0.41725 92796.41054 0.40554 0.39934 113417.8351 0.39978 0.39243 134039.2597 0.39321 0.38563 154660.6842 0.38726 0.37893

175282.1088 0.37491 0.36582 195903.5334 0.34469 0.35456

Bảng 5: Bảng so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm hệ số lực cản qua hình đĩa phẳng theo hệ số

Reynolds

Hình 7: Đồ thị hệ số lực cản qua cố thể hình đĩa phẳng theo hệ số Reynolds

c Cố thể hình giọt nước:

- Cố thể hình cầu có phần hình trụ dư ra đường kính 12,2cm dài 18 cm ta tính được lực cản trên hình trụ theo cách sau:

+ 𝑅𝑒 = 𝜌𝑉𝐷

𝜇

+ Từ hệ số Reynolds tra đồ thị tìm ra được hệ số lực cản theo tương ứng

+ Lực cản của hình trụ: 1 2

.

Từ đó ta có bảng số liệu sau:

Tần số

(Hz)

Vận tốc (m/s) Reynolds

Hệ số lực cản hình

trụ

Chiều dài hình trụ (m)

Lực cản hình trụ (N)

0.30000

0.32000

0.34000

0.36000

0.38000

0.40000

0.42000

0.44000

Re

Đồ thị hệ số lực cản qua cố thể hình đĩa phẳng

theo hệ số Reynolds

20 11 7561,18901 1,09065 0,18 0,17468

Bảng 6: Kết quả lực cản của phần hình trụ của cố thể hình giọt nước

- Từ đó suy ra, lực cản tác dụng lên hình giọt nước được tính bởi công thức:

giotnuoc tong tru

- Lực cản tác dụng lên hình giọt nước tính bởi công thức:

2

. . .

giotnuoc giotnuoc

d

C

d

- Từ đó, hệ số lực cản qua hình giọt nước được cho ở bảng sau:

Tần số

(Hz)

Vận tốc (m/s) Lực cản hình trụ (N) Lực cản trung bình Hệ số lực cản vật

thể Đơn vị (g) Đơn vị (N)

Bảng 7: Tính toán giá trị hệ số lực cản qua cố thể hình giọt nước

- Ta có thể tính được hệ số Reynolds của hình cầu dựa vào vận tốc và đường kính hình giọt nước, dùng hệ số Reynolds tra hệ số lực cản theo lý thuyết theo đồ thị hình 5 ta có bảng số liệu so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm như sau:

Reynolds hình giọt nước Thí nghiệm Lý thuyết 22181.77902 0.05308 0.05256 31054.49063 0.05506 0.04591 39927.20224 0.04801 0.04215 48799.91385 0.04190 0.03953

57672.62546 0.03495 0.03631 66545.33707 0.03257 0.03442 75418.04868 0.03186 0.03264 84290.76029 0.03227 0.03127

Bảng 8: Bảng so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm hệ số lực cản qua hình giọt nước theo hệ số

Reynolds

Hình 8: Đồ thị hệ số lực cản qua cố thể hình giọt nước theo hệ số Reynolds

6 Nhận xét :

- Đối với cố thể hình cầu: Hệ số lực cản thay đổi không ổn đinh khi số Reynolds khi tăng khi giảm Các số liệu thí nghiệm tuy không khác biệt nhưng chưa thực sự bám sát với kết quả lý thuyết

- Đối với cố thể hình đĩa phẳng: Hệ số lực cản có xu hướng giảm khi số Reynolds tăng từ khoảng 5.104 đến khoảng 20.104, bắt đầu từ khoảng Re = 104 thì kết quả thí nghiệm khá bám sát với kết quả lý thuyết đọc được từ đồ thị

- Đối với cố thể hình giọt nước: Hệ số lực cản giảm nhẹ khi Reynolds tăng từ 20.104 đến 80.104, các kết quả thí nghiệm cũng khá bám sát so với các số liệu từ lý thuyết,

Nguyên nhân dẫn đến sai số:

0.03 0.04 0.04 0.05 0.05 0.06 0.06

Re

Đồ thị hệ số lực cản qua cố thể hình giọt

nước theo hệ số Reynolds

- Thiếu sót trong quá trình thực hiện thí nghiệm (quá trình đợi kết quả ổn định chưa đủ dài)

- Sai sót trong quá trình xử lý số liệu và sai số khi đo các kích thước vật thể

- Việc lấy số liệu lý thuyết từ đồ thị mang tính tương đối nên có thể xảy ra sai lệch

Biện pháp cải tiến thí nghiệm :

- Có thể giảm thiểu sai số hơn nữa bằng cách: lặp lại thí nghiệm nhiều lần hơn nữa, với thời gian đo mỗi lần dài hơn, bảo trì dụng cụ thiết bị đo thường xuyên, che đậy khi hoàn thành bài thí nghiệm

- Kéo dài thời gian đo để đảm bảo tính ổn định