Tính toán mô phỏng số và thực nghiệm về hiệu ứng mặt đất lên lực đẩy chong chóng mang 15 inch có vành bảo vệ

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC

Cơ sở lý thuyết

Giới thiệu về UAVs và máy bay nhiều chong chóng mang

UAV (Máy bay không người lái) đang ngày càng phát triển với nhiều ứng dụng trong cuộc sống Các loại UAV bao gồm cánh cố định, cánh quay, cánh vẫy và hybrid Trong số đó, máy bay nhiều chong chóng thuộc lớp cánh quay, với nhiều motor gắn liền với cánh quạt, nổi bật nhờ khả năng bay treo và cất hạ cánh thẳng đứng Cánh quạt quay tạo ra lực nâng, giúp nâng thiết bị lên không trung.

Hình 2.1 Máy bay nhiều chong chóng mang

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 là yếu tố then chốt trong việc vận hành máy bay nhiều chong chóng, ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu quả hoạt động Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, động cơ cần phải có tính linh hoạt, độ tin cậy cao và khả năng kiểm soát dễ dàng.

 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 thành phần chính: một phần gắn trên máy bay và một phần đặt dưới mặt đất Bộ thu phát có nhiệm vụ truyền tải và nhận dữ liệu, trong khi các cảm biến giúp nhận diện tín hiệu radio, tín hiệu GPS, đồng thời thu thập thông tin về vị trí và cập nhật thời tiết.

Module GPS là công nghệ định vị tiên tiến, đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực máy bay không người lái, cung cấp thông tin chính xác về vĩ độ, kinh độ và độ cao.

 Pin: cung cấp năng lượng cho sự vận hành của máy bay nhiều chong chóng mang

Sự di chuyển của máy bay chong chóng phụ thuộc vào việc điều chỉnh tốc độ quay của từng động cơ và cách sắp xếp chiều cánh quạt Khi cánh quạt quay, sự chênh lệch áp suất giữa dòng khí ở mặt trên và mặt dưới tạo ra lực nâng, giúp máy bay hoạt động Đồng thời, cách sắp xếp chiều quay của cánh quạt cũng giúp triệt tiêu momen do chúng gây ra trong quá trình bay Các chuyển động của máy bay được điều khiển thông qua sóng radio bằng cách thay đổi tốc độ quay giữa các cánh quạt.

Quadrotors được thiết kế theo dạng dấu cộng, với các chuyển động như điều chỉnh độ cao, góc liệng, góc chúc và góc hướng thông qua việc thay đổi lực nâng của từng động cơ Khi bay treo, lực nâng từ 4 động cơ là tương đương nhau Để điều chỉnh góc hướng, hai động cơ cùng chiều quay sẽ hoạt động nhanh hơn hai động cơ còn lại Đối với góc liệng, các động cơ được chia thành hai nhóm, mỗi nhóm có lực nâng bằng nhau nhưng khác biệt giữa hai nhóm để tạo ra chuyển động bay liệng Nguyên lý điều khiển góc chúc cũng tương tự như góc liệng, chỉ khác ở trục xoay.

Để di chuyển về phía trước, động cơ phía trước sẽ giảm tốc độ so với động cơ phía sau, và ngược lại, khi di chuyển về phía sau, động cơ phía sau sẽ giảm tốc độ so với động cơ phía trước.

Để điều khiển phương tiện rẽ trái, động cơ bên trái cần giảm tốc độ so với động cơ bên phải, và ngược lại, khi rẽ phải, động cơ bên phải sẽ giảm tốc độ so với động cơ 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

Khi xoay theo chiều kim đồng hồ, cặp motor quay cùng chiều (như trước-sau) sẽ hoạt động chậm hơn so với cặp motor quay ngược chiều (như trái-phải) Ngược lại, khi xoay ngược chiều kim đồng hồ, tình huống sẽ diễn ra tương tự.

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của máy bay nhiều chong chóng mang

9 Ứng dụng điển hình của máy bay nhiều chong chóng mang

Máy bay nhiều chong chóng mang lại nhiều lợi thế vượt trội so với các UAV khác nhờ khả năng hạ cánh thẳng đứng và bay lơ lửng Trong quân sự, chúng hỗ trợ nhận biết tình huống và giảm thiểu rủi ro cho binh lính, với các ứng dụng tiềm năng như khảo sát sinh hóa, tấn công, giao tiếp, tìm kiếm cứu hộ, quan sát giao thông, cứu hỏa và kiểm tra mạng lưới điện Nghiên cứu gần đây cho thấy chúng có khả năng khảo sát địa hình đô thị rộng lớn và mở rộng đến những môi trường chưa được biết đến Để thực hiện nhiệm vụ, máy bay cần hoạt động hiệu quả trong không gian chật hẹp như ngõ hẻm, phòng kín và hang động Với khả năng phát hiện thấp, tiếng ồn nhỏ và điều khiển bay từ xa, chúng trở thành thiết bị lý tưởng cho các nhiệm vụ quân sự và dân sự Do đó, cần phát triển máy bay nhiều chong chóng với khả năng bay treo tốt và linh hoạt trong môi trường hẹp, đồng thời chịu đựng các ảnh hưởng khí động như gió và hiệu ứng bề mặt khi bay gần tường.

Tiềm năng giúp tăng hiệu suất của vành bảo vệ

Nghiên cứu cho thấy việc lắp thêm vành bảo vệ có hình dạng phù hợp có thể cải thiện hiệu suất của cánh quạt quay Khi sử dụng vành theo hình dạng đã chỉ định, nguyên lý tăng hiệu suất của vành được giải thích rõ ràng.

Hình 2.9 Mô hình vành bảo vệ

Khi không có vành, sự chênh lệch áp suất giữa trên và dưới cánh quạt gây ra dòng chảy từ dưới lên trên ở đầu mũi cánh, dẫn đến mất lực nâng và tổn thất công suất Tương tự như dòng xoáy ở cánh hữu hạn, việc lắp thêm vành bảo vệ vào đầu mũi cánh sẽ giảm dòng chảy này, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của cánh quạt quay.

Phần đầu vào của vành tạo ra dòng chảy bám vào mặt trong, dẫn đến giảm áp suất tại khu vực này Khi đó, không khí bên ngoài với áp suất cao hơn sẽ tác động lên vành, tạo ra lực nâng bổ sung cho vành.

Khi không có vành, dòng khí khi đi vào cánh quạt sẽ bị co hẹp lại, giảm khoảng 50% diện tích đĩa tròn do cánh quạt tạo ra Điều này dẫn đến việc vận tốc dòng khí ở phía đuôi (downtream) tăng cao, gây ra sự tiêu tốn một phần công suất của cánh quạt.

Việc bổ sung phần khuếch tán (diffuser) có thiết diện không đổi hoặc hình côn giúp dòng khí bám vào mặt trong, giảm sự co hẹp và vận tốc dòng đuôi, từ đó giảm công suất cánh quạt quay.

Hình 2.10 Dòng khí qua vành bảo vệ

Do vậy, theo giải thích trên, việc lắp thêm vành bảo vệ cánh quạt quay có nhiều lợi ích về mặt khí động ngoài việc bảo vệ cánh quạt:

Các nghiên cứu trước

Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng về vành bảo vệ

Dựa trên nghiên cứu [5], dạng vành cơ bản được dùng có cấu trúc sau:

Hình 2.14 Thông số hình học cuả vành Thông số hình học của vành:

D t Đường kính trong của vành δ tip Độ lớn khe hở giữa mặt trong của vành và đầu cánh θ d Góc ở đỉnh miệng khuếch tán

L d Chiều dài của miệng khuếch tán r lip Bán kính cong của miệng vào (inlet)

Cánh và vành được sử dụng trong nghiên cứu này có các thông số:

Bán kính cánh quạt quay 121 mm

Mép vào là đường thẳng Điểm cắt 60% chiều dài sải cánh

Biên dạng cánh cung 10% chiều dài dây cung 2% độ dày

Bảng 2.2 Thông số vành Đường kính mặt trong của vành 247 mm

Khe hở giữa cánh và vành 2.5 mm (0.01Dt)

Bán kính mép vào của vành 22.23 mm (0.09Dt)

Chiều dài miệng khuếch 37.05 mm (0.15Dt)

Hình 2.15 Lắp đặt thực nghiệm của nghiên cứu

Nghiên cứu mô phỏng số đối với cánh 9.5-inch đã được thực hiện và so sánh với kết quả thực nghiệm Sau đó, mô phỏng tiếp tục được sử dụng để thay đổi các thông số của vành nhằm xem xét sự thay đổi của hiệu suất Mô hình rối Spalart-Allmaras được áp dụng trong nghiên cứu này.

Hình 2.16 Kết quả lực nâng và công suất của nghiên cứu [9] và [5]

Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở cùng một tốc độ quay, cánh quạt có vành tạo ra lực nâng lớn hơn so với cánh quạt không có vành, tuy nhiên, lực nâng của cánh quạt có vành là tổng hợp từ cả cánh và vành Nếu chỉ xem xét lực nâng riêng trên cánh, cánh quạt không vành lại có lực nâng lớn hơn Điều này cho thấy hiệu suất của cánh quạt có vành cao hơn so với cánh quạt không vành.

Thực nghiệm hiệu ứng mặt đất đối với cánh không vành

Nghiên cứu [10], thực nghiệm hiệu ứng mặt đất đối với cánh đơn có thông số như sau:

Bán kính cánh quạt quay 152.4 mm Độ dài dây cung trung bình 20 mm

Hình 2.17 Lắp đặt thực nghiệm của nghiên cứu [10]

Kết quả thực nghiệm thu được như sau:

Hình 2.18 Kết quả so sánh thực nghiệm và tính tóan lý thuyết của nghiên cứu [10]

Kết quả trên cho thấy, khi càng giảm độ cao thì lực nâng càng tăng Và ở độ cao h sao cho h/R = 4 thì không còn ảnh hưởng hiệu ứng mặt đất

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

Nghiên cứu [11] về cánh 16-inch có 3 lá cánh quạt và có vành:

Hình 2.19 Mô hình cánh và vành nghiên cứu [11]

Kết quả của nghiên cứu [11]

Hình 2.20 Tỉ số giữa lực nâng khi có hiệu ứng mặt đất và lực nâng khi không có hiệu ứng mặt đất của nghiên cứu [11] Ở đây:

 h là độ cao cánh quạt so với mặt đất

 D là đường kính cánh quạt

 T là tổng lực nâng trên cánh quạt quay và cánh quạt

 T∞ là tổng lực nâng trên cánh quạt quay và cánh quạt khi không có hiệu ứng mặt đất

Kết quả nghiên cứu [11] chỉ ra rằng: tổng lực nâng trên cánh quạt quay và vành giảm khi càng gần mặt đất

Nghiên cứu [12] về cánh quạt có bán kính 165 mm 5 lá cánh quạt và có vành:

Hình 2.21 Mô hình cánh và vành nghiên cứu [12]

Hình 2.22 Thông số hình dạng vành nghiên cứu [12]

Hình 2.23 Tỉ số giữa lực nâng khi có hiệu ứng mặt đất và khi không có hiệu ứng mặt đất nghiên cứu [12] Ở đây:

 hg là độ cao cánh quạt so với mặt đất

 R là bán kính cánh quạt

 TIGE là tổng lực nâng cánh quạt quay và vành khi có hiệu ứng mặt đất

 TOGE là tổng lực nâng cánh quạt quay và vành khi không có hiệu ứng mặt đất

 OR là cánh quạt quay không vành

 SR là cánh quạt quay có vành

Nghiên cứu [12] chỉ ra rằng tổng lực nâng cánh quạt quay và vành tăng khi gần hiệu ứng mặt đất

Nghiên cứu cho thấy hai xu hướng khác nhau nhưng đều chỉ ra rằng khi ở gần mặt đất, lực nâng tính riêng trên cánh quạt quay tăng lên, trong khi lực nâng do vành tạo ra lại giảm Điều này cho thấy rằng tổng lực nâng gần mặt đất sẽ phụ thuộc vào mức độ giảm của lực nâng do vành, tức là phụ thuộc vào hình dạng của vành cánh quạt.

Nghiên cứu về gió ngang tác động lên cánh không vành

Nghiên cứu [13] mô phỏng cánh quạt 10-inch có 2 lá cánh tại các tốc độ quay từ

Nghiên cứu cho thấy rằng, khi tốc độ quay của cánh quạt nằm trong khoảng 1500 đến 7000 vòng/phút và tốc độ gió ngang từ 0 đến 8m/s, lực đẩy của cánh quạt ít bị ảnh hưởng bởi gió ngang khi tốc độ quay dưới 6000 vòng/phút Tuy nhiên, khi tốc độ quay đạt 6500 và 7000 vòng/phút, lực đẩy giảm đáng kể khi có sự xuất hiện của gió ngang.

Hình 2.24 Lực nâng của cánh quạt quay khi có gió ngang tác động của nghiên cứu [13]

MÔ PHỎNG SỐ LỰC NÂNG CỦA CÁNH QUẠT QUAY CÓ VÀNH

Phương pháp mô phỏng số lực nâng cánh quạt có vành

Lý thuyết về cơ học chất lưu

Phương trình bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục):

∂t + ∇(ρ𝑉⃗ ) = 0 PT 3.1 Phương trình bảo toàn động lượng:

Phương trình bảo toàn năng lượng:

 ρ: khối lượng riêng của chất lưu

 V⃗⃗ = 𝑢𝑖 + 𝑣𝑗 + 𝑤𝑘⃗ là vận tốc của chất lưu cùng ba thành phần

Trong nghiên cứu dòng chảy, các ứng suất được xác định dựa trên các gradient vận tốc, cho thấy rằng chúng không phải là biến độc lập Tổng cộng, chúng ta cần giải cho năm biến độc lập: áp suất (p), thể tích (V), mật độ (ρ), nhiệt độ (T), và năng lượng (e) Đã có ba phương trình cơ bản là phương trình liên tục, phương trình bảo toàn động lượng, và phương trình bảo toàn năng lượng Để hoàn thành hệ phương trình với năm ẩn số, cần thêm hai phương trình nữa, đó là phương trình khí lý tưởng 𝑝 = 𝜌𝑅𝑇 và 𝑒 = 𝑐𝑣𝑇 Do đó, về mặt toán học, dòng chảy với các biến liên quan hoàn toàn có thể giải quyết được.

Các phương trình trên chỉ áp dụng cho dòng chảy tầng, trong khi dòng chảy rối không thể giải trực tiếp Thay vào đó, chúng ta sử dụng phương trình RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) để xử lý dòng chảy rối Có hai phương pháp chính để giải quyết vấn đề này: (1) áp dụng lý thuyết thống kê cho hàm rối và (2) sử dụng mô hình bán thực nghiệm để tính toán các giá trị trung bình trong dòng rối Phương pháp đầu tiên tập trung vào việc nghiên cứu các tính chất thống kê, bao gồm dao động tần số, tương quan không-thời gian và sự tương tác giữa các yếu tố này.

Nội dung bài viết tập trung vào các tính chất thực tiễn quan trọng như giá trị vận tốc trung bình, profile nhiệt độ, ma sát bề mặt, truyền nhiệt và độ dày lớp biên Sự phát triển trong nghiên cứu mô hình rối đã làm cho hai phương pháp tiếp cận này ngày càng gần gũi Đồ án này sẽ áp dụng phương pháp thứ hai để khảo sát, vì chúng ta chỉ cần chú trọng đến các giá trị trung bình và ý nghĩa thực tế của chúng, nhằm đáp ứng nhanh chóng nhu cầu trong ngành công nghiệp hiện tại.

Tách các biến vô hướng hoặc các thành phần của vận tốc thành 2 thành phần là giá trị trung bình và giá trị dao động:

Hình 3.1 Giá trị vận tốc tức thời và trung bình

Giá trị trung bình của vận tốc u được định nghĩa khi thời gian T đủ lớn hơn bất kỳ khoảng thời gian dao động nào của u Giá trị dao động u’ được xác định bằng cách trừ giá trị trung bình 𝑢̅ từ u, tức là 𝑢 ′ = 𝑢 − 𝑢̅.

Giá trị trung bình của u’ được định nghĩa là 0, do đó để nghiên cứu cường độ dao động của u, chúng ta sử dụng giá trị trung bình bình phương (mean-square value) của nó.

Trong đồ án này, dòng chất được coi là nhớt không nén được, với giá trị M lớn nhất tại đầu cánh khoảng 0.3 Hằng số ρ được giữ cố định, do đó phương trình năng lượng không cần thiết phải áp dụng.

PT 3.8 vào phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình bảo toàn động lượng, ta được: Phương trình liên tục:

Bỏ qua lực khối, ta có phương trình bảo toàn động lượng:

Ứng suất Reynolds, được biểu diễn bằng công thức 𝑅 𝑖𝑗 = −𝜌𝑢̅̅̅̅̅̅ 𝑖 ′ 𝑢 𝑗 ′, là các biến mới phát sinh từ quá trình trung bình hóa Do đó, việc mô hình hóa là cần thiết để có đủ phương trình phục vụ cho việc giải quyết vấn đề.

) PT 3.11 Ứng suất Reynolds cần được giải được giải, ta có thêm 6 biến số chưa biết

RANS có thể được mô hình hóa thông qua hai phương pháp chính: Mô hình ứng suất Reynolds (RSM) và Mô hình độ nhớt xoáy Trong đó, mọi mô hình rối đều cần thực nghiệm để kiểm chứng Đồ án này lựa chọn mô hình độ nhớt xoáy vì tính đơn giản, yêu cầu tài nguyên máy ở mức vừa phải và khả năng hội tụ tốt hơn so với mô hình RSM, đồng thời vẫn đảm bảo độ tin cậy cho các miền dòng chảy đơn giản.

Giả thuyết Boussinesq: ứng suất Reynolds được mô hình sử dụng một độ nhớt rối, àT:

Luận văn này áp dụng mô hình SST (shear-stress transport) k-ω, thuộc nhóm mô hình hai phương trình, nổi bật với khả năng cung cấp kết quả chính xác và đáng tin cậy cho các dòng chảy đơn giản với số Reynolds thấp.

Mô hình SST k-ω, được phát triển bởi Menter, kết hợp hiệu quả giữa độ mạnh mẽ và chính xác của mô hình k-ω trong khu vực gần bề mặt và mô hình k-ε ở vùng freestream xa.

Hình 3.2 Mô hình k-ω SST Định lý lớp biên

Hình 3.3 Định lý lớp biên

 y là khoảng cách từ bề mặt tới điểm đang xét

 uT là vận tốc ma sát (friction velocity) = √ 𝜏 𝜌 𝜔

 υ là độ nhớt động học

Định lý lớp biên cho biết rằng vận tốc trung bình trong dòng chảy rối tại một điểm tỷ lệ thuận với log của khoảng cách từ điểm đó đến bề mặt vật thể Gần bề mặt, dòng chảy được chia thành ba khu vực: lớp nhớt (0 < y + < 5) và lớp đệm (buffer layer).

(5 < y + < 30), lớp “log-law” (30 < y + ) Mô hình SST sử dụng yêu cầu điểm lưới gần tường nhất nằm trong khu vực lớp nhớt nên y + phải thỏa mãn y + ≈ 1

Mô phỏng sử dụng ANSYS FLUENT

ANSYS là phần mềm cao cấp chuyên mô phỏng và khảo sát nhiều ứng dụng thực tế ANSYS FLUENT, một module của ANSYS, được sử dụng để giải quyết các bài toán về chất lưu thông qua phương pháp thể tích hữu hạn Trong đồ án này, ANSYS FLUENT sẽ được áp dụng để mô phỏng cánh APC 15x4, với các bước vẽ hình, chia lưới và thiết lập điều kiện cơ bản giống nhau trong các trường hợp.

Xây dựng mô hình hình học

Cánh APC 15x4 có đường kính 381 mm được quét 3D và chỉnh sửa trong Design Modeler trong Ansys

Hình 3.4 Mô hình cánh APC 15x4

Theo nghiên cứu [14], trong mô phỏng không có hiệu ứng mặt đất, cánh được đặt trong miền nhỏ hình trụ có đường kính 1.1D (419.1 mm) và chiều cao 0.4D (152.4 mm), với miền nhỏ này nằm trong miền lớn hình lập phương có độ dài cạnh 8D (3048 mm).

Hình 3.5 Kích thước miền dòng chảy

Hình 3.6 Kích thước miền quay

Chúng tôi đã xây dựng hai mẫu vành: mẫu vành tròn dựa trên nghiên cứu [4] và mẫu vành cải tiến theo [5], với thiết kế được cải tiến giúp giảm thể tích và khối lượng xuống một nửa.

Hình 3.7 Thông số hình học của vành

Hai mẫu vành có chung các thông số:

Bảng 3.1 Thông số vành Đường kính mặt trong của vành Dt 389 mm

Khe hở giữa cánh và vành δtip 4 mm (0.01Dt)

Bán kính mép vào của vành rtip 35 mm (0.09Dt)

Chiều dài miệng khuếch Ld 58 mm (0.15Dt)

Mô hình mẫu vành tròn:

Hình 3.8 Hình dạng vành khi thiết kế theo nghiên cứu [4]

Mô hình mẫu vành cải tiến từ mẫu vành tròn sau khi bỏ phần bo tròn:

Hình 3.9 Hình dạng vành khi thiết kế dùng cho thực nghiệm

Cánh và vành được bố trí trong các miền có kích thước tương tự như hình 3.5 và 3.6, tuy nhiên, đường kính của miền quay được điều chỉnh còn 384 mm để miền quay nằm chính giữa cánh và vành.

Hình 3.10 Miền quay đặt giữa cánh và vành

Khi mô phỏng với trường hợp có hiệu ứng mặt đất, thay đổi khoảng cánh từ mặt cánh đến đáy hình hộp và đặt mặt đáy là Wall

Hình 3.11 Độ cao H so với mặt đất

Khi mô phỏng với trường hợp có gió ngang, tham khảo kích thước miền hình học của các nghiên cứu [15], [16] để xây dựng miền hình học cho cánh 15-inch

Hình 3.12 Miền dòng chảy khi có gió ngang

Chất lượng lưới một số trường hợp:

 Trường hợp không có vành bảo vệ:

Bảng 3.2 Chất lượng lưới không có vành

Không có hiệu ứng mặt đất

Có hiệu ứng mặt đất

 Trường hợp có vành vảo vệ mẫu tròn:

Bảng 3.3 Chất lượng lưới có vành mẫu tròn

Không có hiệu ứng mặt đất Có hiệu ứng mặt đất

 Trường hợp có vành vảo vệ mẫu cải tiến:

Bảng 3.4 Chất lượng lưới có vành mẫu cải tiến

Không có hiệu ứng mặt đất

Có hiệu ứng mặt đất

Hình 3.13 Lưới miền quay Hình 3.14 Lưới miền lớn

Hình 3.15 Dùng lưới Polyhedral trong Fluent

Thiết lập điều kiện biên và tiêu chuẩn hội tụ:

Inlet Pressure Inlet (trường hợp không gió)

Velocity Inlet (trường hợp gió ngang)

Propeller Stationary relative to adjection cellzones

Shroud Stationary relative to adjection cellzones

Bảng 3.6 Tiêu chuẩn hội tụ

Continuity 10 -4 x-velocity 10 -4 y-velocity 10 -4 z-velocity 10 -4 k 10 -4 Điều kiện biên:

 Pressure inlet = 0 (trường hợp không gió)

Velocity inlet = 0, 5, 10, 15, 20 m/s (trường hợp có gió ngang)

Tính toán và xuất kết quả

Luận văn thực hiện mô phỏng các trường hợp:

 Mô phỏng lực nâng cánh APC 15x4 không vành và có vành ở các tốc độ quay 2500 rpm, 3000 rpm, 3500 rpm, 4000 rpm, 4500 rpm, 5000 rpm

 Mô phỏng lực nâng cánh APC 15x4 không vành và có vành ở tốc độ quay

4500 rpm tại các độ cao H = 0.75R, H = R, H = 1.5R, H = 2R, H = 3R, H 3.5R, H = 4R (H là độ cao từ cánh quạt đến mặt đất, R là bán kính cánh quạt)

 Mô phỏng lực nâng cánh APC 15x4 không vành và có vành ở tốc độ quay

4500 rpm tại các trường hợp tốc độ gió ngang 0 m/s, 5 m/s, 10 m/s 15 m/s,

20 m/s cùng chiều và ngược chiều quay

Sau khi chạy xong các vòng lặp ta kiểm tra lại giá trị y + :

Hình 3.16 Giá trị y+ trên cánh và vành mẫu tròn

Nhận xét: Giá trị y+ ở trên cánh và vành xấp xỉ 1, cao nhất là 1.96 Vậy kết quả mô phỏng là chấp nhận được

Hình 3.17 Giá trị y+ trên cánh và vành mẫu cải tiến

Nhận xét: Giá trị y+ ở trên cánh và vành xấp xỉ 1, cao nhất là 1.88 Vậy kết quả mô phỏng là chấp nhận được

Hình 3.18 Phân bố áp suất mẫu vành tròn

Hình 3.19 Phân bố áp suất mẫu vành cải tiến

Kết quả mô phỏng số khi không có hiệu ứng mặt đất

Không có vành bảo vệ

Không có vành bảo vê, không hiệu ứng mặt đất

Bảng 3.7 Kết quả mô phỏng lực nâng cánh APC 15x4 không vành và không có hiệu ứng mặt đất

Tốc độ quay (vòng/phút) Lực nâng mô phỏng (N) Sai số (%)

Hình 3.26 Đồ thị lực nâng mô phỏng cánh quạt quay không vành không có hiệu ứng mặt đất

Mô phỏng lực nâng với mẫu vành tròn theo nghiên cứu [4]:

Bảng 3.8 Kết quả mô phỏng lực nâng cánh APC 15x4 có vành tròn và không vành khi không có hiệu ứng mặt đất

Hình 3.27 Đồ thị kết quả mô phỏng lực nâng trên cánh APC 15x4 lắp vành bảo vệ mẫu tròn và không vành khi không có hiệu ứng mặt đất

Xu hướng lực nâng của cánh quạt 15 inch có vành cho thấy sự gia tăng đáng kể, đặc biệt ở tốc độ quay thấp, với mức tăng cao nhất đạt 14.42% tại 2500 rpm, theo nghiên cứu [4] Mặc dù lực nâng riêng của cánh quạt không có vành nhỏ hơn, nhưng sự hiện diện của vành tạo ra lực nâng lớn, dẫn đến tổng lực nâng của cánh quạt có vành cao hơn.

Kết quả mô phỏng cánh APC 15x4 lắp mẫu vành cải tiến với khối lượng giảm một nửa so với mẫu vành tròn:

Không vành Mẫu vành tròn

Lực nâng cánh quạt quay với mẫu vành cải tiến:

Bảng 3.9 Kết quả mô phỏng lực nâng cánh APC 15x4 lắp mẫu vành cải tiến khi không có hiệu ứng mặt đất

Bảng 3.10 So sánh lực nâng mẫu vành cải tiến với mẫu vành tròn

Lực nâng mô phỏng (N) Độ chênh lệch Mẫu vành tròn Mẫu vành cải tiến (%)

Hình 3.28 trình bày đồ thị kết quả mô phỏng lực nâng trên cánh APC 15x4, bao gồm các mẫu lắp vành bảo vệ hình tròn, mẫu cải tiến và mẫu không có vành, trong điều kiện không có hiệu ứng mặt đất.

Không vành Mẫu vành tròn Mẫu vành cải tiến

Việc sử dụng mẫu vành cải tiến mang lại xu hướng tăng lực nâng, đặc biệt là ở các tốc độ quay thấp, với mức tăng cao nhất đạt 11.43% tại tốc độ 2500 rpm Mặc dù lực nâng riêng trên cánh quạt có vành thấp hơn so với cánh quạt không vành, nhưng nhờ vào lực nâng lớn từ phần vành, tổng lực nâng của cánh quạt quay có vành vẫn cao hơn.

Mẫu vành cải tiến cho thấy xu hướng tăng lực nâng tương tự như mẫu vành tròn, theo nghiên cứu [4] Do đó, mẫu vành cải tiến có thể được áp dụng cho các nghiên cứu có hiệu ứng mặt đất trong tương lai.

Mẫu vành cải tiến có lực nâng thấp hơn mẫu vành tròn, với chênh lệch tối đa chỉ 3.09% ở tốc độ 4000 rpm Mặc dù vậy, mẫu vành tròn có thể tích lớn gấp đôi mẫu vành cải tiến, dẫn đến khối lượng của nó cũng gấp đôi Do đó, mẫu vành cải tiến tỏ ra có lợi hơn trong nhiều trường hợp.

Kết quả mô phỏng số khi có hiệu ứng mặt đất

Các nghiên cứu ở phần có hiệu ứng mặt đất sẽ thực hiện mô phỏng ở tốc độ 4500 rpm

Không có vành bảo vệ

Lực nâng khi không có hiệu ứng mặt đất đã thực hiện ở phần 4.2 là TOGE = 7.03 N đối với mô phỏng

Kết quả lực nâng cánh APC 15x4 không vành khi có hiệu ứng mặt đất:

Bảng 3.11 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm lực nâng cánh APC 15x4 không vành

 H: Khoảng cách từ mặt đất đến cánh quạt

 𝑇 𝐼𝐺𝐸 : Lực nâng khi có hiệu ứng mặt đất

 𝑇 𝑂𝐺𝐸 : Lực nâng khi không hiệu ứng mặt đất

⁎ T ỉ s ố gi ữ a l ự c nâng khi có hi ệ u ứ ng m ặt đấ t và khi không có hi ệ u ứ ng m ặt đấ t

Bảng 3.12 Tỉ số giữa lực nâng khi có hiệu ứng mặt đất và khi không có hiệu ứng mặt đất theo mô phỏng

Hình 3.29 Tỉ số giữa lực nâng mô phỏng có hiệu ứng mặt đất và không có hiệu ứng mặt đất của cánh APC 15x4 không vành

*Ti: Lực nâng cánh quạt quay bị ảnh hưởng bới hiệu ứng mặt đất

*To: Lực nâng cánh quạt quay không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng mặt đất

 Ta có thể thấy lực nâng của của cánh APC 15x4 hoàn toàn phù hợp với tính toán lý thuyết

Lực nâng rotor không vành có ảnh hưởng HƯMĐ

 Lực nâng tăng khi giảm khoảng cách từ cánh quạt đến mặt đất Ở độ cao H

= 0.75R thì lực nâng tăng 10.9% đối với mô phỏng Từ giá trị H = 4R trở đi thì lực nâng không đổi, chỉ tăng không quá 0.5%

Kết quả mô phỏng cho thấy tỉ số lực nâng có xu hướng tương đồng với hai công thức của Hayden và Cheeseman-Bennet Cụ thể, tại H = 0.75R, tỉ số lực nâng thấp hơn khoảng 7.56% Sai số giảm dần khi độ cao tăng, và tỉ số này tiến gần đến 1.

Kết quả mô phỏng mẫu vành tròn:

Lực nâng mô phỏng đối với cánh APC 15x4 lắp mẫu vành tròn khi không có hiệu ứng mặt đất đã thực hiện ở phần 3.2 là TOGE = 7.73 N

Bảng 3.13 Kết quả phỏng lực nâng cánh APC 15x4 lắp mẫu vành tròn khi có hiệu ứng mặt đất

Hình 3.30 minh họa tỉ số giữa lực nâng mô phỏng với hiệu ứng mặt đất và lực nâng không có hiệu ứng mặt đất của cánh APC 15x4 lắp vành tròn.

Ở độ cao H = 0.75R, lực nâng giảm 2.1% Khi tăng độ cao từ H = 0.75R đến H = 1.5R, lực nâng tiếp tục giảm, với mức giảm tối đa 8.8% ở H = 1.5R Từ H = 4R trở lên, lực nâng duy trì ổn định, với sai lệch không quá 0.6%.

Kết quả mô phỏng mẫu vành cải tiến khi có hiệu ứng mặt đất

Lực nâng đối với cánh APC 15x4 lắp mẫu vành cải tiến khi không có hiệu ứng mặt đất là TOGE = 7.55 N đối với mô phỏng

Bảng 3.14 Kết quả mô phỏng lực nâng cánh APC 15x4 lắp vành cải tiến khi có hiệu ứng mặt đất

H (mm) Lực nâng mô phỏng (N) 𝑇 𝐼𝐺𝐸 /𝑇 𝑂𝐺𝐸 mô phỏng

So sánh độ chênh lệch giữa lực nâng mô phỏng cánh APC 15x4 không vành và có vành cải tiến theo độ cao:

Bảng 3.15 So sánh độ chênh lệch giữa lực nâng mô phỏng cánh APC 15x4 không vành và có vành cải tiến theo độ cao

H (mm) Lực nâng mô phỏng (N)

Không vành Có vành Sai số (%)

Hình 3.31 Xu hướng lực nâng của cánh quạt quay không vành và có vành khi chịu ảnh hưởng của HƯMĐ theo mô phỏng

Lực nâng của cánh quạt quay có vành bắt đầu nhỏ hơn cánh quạt quay không vành khi ở độ cao 2R

Cánh quạt quay có vành cho lực nâng thấp nhất tại vị trí 1.5R

⁎ Xét riêng l ự c nâng trên cánh qu ạ t quay và vành:

Hình 3.32 Xu hướng lực nâng trên cánh và vành theo mô phỏng

Nhận xét cho thấy rằng, ở cả hai mẫu vành gần mặt đất, lực nâng trên cánh tăng lên trong khi lực nâng trên vành lại giảm, điều này phù hợp với kết luận của các nghiên cứu trước đây [11] [12].

Cánh mẫu vành tròn Vành mẫu vành tròn Cánh mẫu vành cải tiến Vành mẫu vành cải tiến

Kết quả mô phỏng số khi có gió ngang

Kết quả mô phỏng tại tốc độ quay 4500 rpm với các trường hợp gió ngược chiều quay cánh quạt -5 m/s, -10 m/s, -15 m/s, -20 m/s và các trường hợp gió cùng chiều quay cánh quạt 0 m/s, 5 m/s, 10 m/s, 15 m/s, 20 m/s

Không có vành bảo vệ

Bảng 3.16 Kết quả lực nâng cánh APC 15x4 không vành khi có gió ngang

Hình 3.33 Đồ thị lực nâng cánh APC 15x4 không vành khi có gió ngang

Nhận xét cho thấy rằng trong cả hai tình huống gió thuận và gió nghịch, khi vận tốc đạt 5 m/s, lực nâng giảm nhẹ so với trường hợp không có gió, với sai lệch không đáng kể dưới 4%, tương tự như kết quả trong nghiên cứu [13].

Khi vận tốc gió đạt từ 10 m/s đến 20 m/s, lực nâng tăng đáng kể so với trường hợp không có gió, với mức tăng khoảng 17% ở 10 m/s và lên đến 60% ở 20 m/s Sự gia tăng vận tốc gió tỉ lệ thuận với sự gia tăng của lực nâng.

Nhìn chung, ở cùng vận tốc gió, lực nâng khi gió thuận lớn hơn lực nâng khi có nghịch nhưng sai lệch không đáng kể

Bảng 3.17 Kết quả lực nâng cánh APC có vành khi có gió ngang

Vận tốc gió (m/s) Lực nâng (N) Sai số (%)

Hình 3.34 Đồ thị lực nâng cánh APC 15x4 không vành và có vành khi có gió ngang

Nhận xét cho thấy rằng, trong cả hai trường hợp gió thuận và gió nghịch, khi vận tốc gió nhỏ (5 m/s), lực nâng giảm so với trường hợp không có gió, với sai lệch không đáng kể dưới 4%.

Khi vận tốc gió đạt từ 10 m/s đến 20 m/s, lực nâng tăng đáng kể so với trường hợp không có gió, với mức tăng từ khoảng 17% tại 15 m/s đến 90% tại 20 m/s Điều này cho thấy rằng lực nâng sẽ tiếp tục gia tăng theo tỷ lệ thuận với vận tốc gió.

Ở cùng một tốc độ gió, lực nâng khi gió thuận luôn lớn hơn so với lực nâng khi gió ngược, mặc dù sự chênh lệch không đáng kể Bên cạnh đó, cánh có vành tạo ra lực nâng lớn hơn so với cánh không vành khi ở cùng vận tốc gió.

THỰC NGHIỆM LỰC NÂNG CỦA CÁNH QUẠT QUAY CÓ VÀNH

Phương pháp thực nghiệm lực nâng cánh quạt có vành

Thí nghiệm đo lực nâng của tác giả Đàm Vương Sơn trong nghiên cứu [17]

Tác giả Đàm Vương Sơn đã thực hiện thí nghiệm đo lực nâng của cánh quạt trong "Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số hiệu suất cánh quạt sử dụng trên multirotors" Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích và mô phỏng hiệu suất của cánh quạt, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng trong các thiết bị bay đa rotor.

Với cách thực hiện thí nghiệm như sau:

 Sử dụng thanh nhôm định hình làm thanh chính để gá loadcell động cơ thiết bị đo lên thanh Cố định 2 đầu thanh nhôm vào 2 chiếc bàn

Hình 4.1 Thanh nhôm định hình

Động cơ được gắn với giá đỡ và kết nối với loadcell Loadcell có khả năng đo tối đa 5kg, với sai số lớn nhất là 1%, nghĩa là khi lực nâng đạt 5kg, sai số có thể lên đến 50g.

Cảm biến vận tốc được lắp đặt giữa dây nối động cơ và ESC, hoạt động dựa trên nguyên tắc phản sức điện động để đo thời gian giữa hai lần lệch pha của dòng điện khi động cơ hoạt động Từ thông tin này, cảm biến có khả năng tính toán vận tốc vòng quay của động cơ với sai số tối đa chỉ 1%.

 Loadcell, ESC, Cảm biến vận tốc, Pin sẽ được nối với mạch đo RCBenchmark và được kết nối với máy tính qua cổng USB

 Máy tính sẽ là điểu chỉnh ga cho động cơ đồng thơi cũng là nơi nhận và xử lý dữ liệu

Thiết kế, chế tạo và gia công vành

 Thiết kế hình dáng vành

Hình 4.2 Hình dáng vành dựa trên nghiên cứu [5]

Bảng 4.1 trình bày các thông số của vành dựa trên nghiên cứu của Vương Công Đạt Đường kính mặt trong của vành được xác định là 389 mm, trong khi khe hở giữa cánh và vành là 4 mm Bán kính mép vào của vành là 35 mm, tương ứng với 0.09 lần đường kính mặt trong Cuối cùng, chiều dài miệng khuếch là 58 mm, tương đương với 0.15 lần đường kính mặt trong.

 Thiết kế vành bằng phần mềm SolidWork

Hình 4.3 Vành được thiết kế 3D Độ dày vành: 2mm

Vành được gia công bằng phương pháp in 3D sử dụng vật liệu là nhựa PLA với khối lượng riêng là 1.24 g/cm 3

Hình 4.4 Hình ảnh vành được in 3D

Với khối lượng vành là: M = 350g

Phương án kết nối vành và cánh quạt

Với yêu cầu để đo lực nâng của cánh quạt có vành, yêu cầu phải kết nối được Cánh quạt và vành

Thiết kế áo động cơ bao gồm việc đặt động cơ và cánh quạt vào bên trong áo, sau đó lắp lên giá đỡ và tiến hành đo đạc Động cơ cùng áo động cơ sẽ được cố định chắc chắn lên giá đỡ Áo động cơ được thiết kế riêng biệt, phù hợp với các thông số kích thước của động cơ khảo sát, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình sử dụng.

Hình 4.5 Hình dáng áo động cơ Áo động cơ cũng sẽ được gia công bằng phương pháp in 3D

Kết nối vành và động cơ

Tiếp theo, để có thể kết nối với vành, sử dụng các thanh ren có đường kính 6 mm và cố định bằng các bu-lông M6

Hình 4.6 Hình ảnh thiết kế phương án kết nối vành và động cơ

Hình 4.7 Thanh ren kết nối vành và áo vành

Hình 4.8 Hình ảnh động cơ được kết nối với vành

Nhận thấy, phương án lắp thêm vành này có thể là một phương án khả thi nếu như muốn lắp thêm vành bảo vệ cho Cánh quạt

 Giá lắp motor với loadcell

Hình 4.9 Sơ đồ đo thực nghiệm lực nâng cánh quạt

Sơ đồ thí nghiệm dựa trên nghiên cứu [17], lắp đặt thêm vành cho cánh quạt và tiến hành đo lực nâng

Mạch đo RCBenchmark GUI sử dụng để nhận thông tin lực nâng của cánh quạt thông qua cảm biến tải trọng "loadcell" và cảm biến vận tốc Thông tin này được mạch đo xử lý và gửi về máy tính dưới dạng tệp Excel Tốc độ vòng quay được điều khiển bằng phần mềm, thông qua mạch đo và ESC.

 Hình ảnh bộ thí nghiệm đơn cánh sau khi lắp đặt:

Hình 4.10 Lắp đặt thí nghiệm đo lực nâng cánh quạt

Giới thiệu phần mềm đo RCBenchmark GUI

Phần mềm RCBenchmark, được phát triển bởi nhà sản xuất mạch RCBenchmark, chuyên thiết kế và sản xuất thiết bị đo lực nâng, vận tốc và mô men xoắn của động cơ cánh quạt Giao diện của phần mềm này thân thiện và dễ sử dụng, giúp người dùng dễ dàng thực hiện các phép đo và phân tích dữ liệu hiệu quả.

Hình 4.11 Giao diện phần mềm RCBenchmark

Cột đen bên trái hiển thị các tab tùy chọn của phần mềm, bao gồm thông số về hiệu điện thế, cường độ dòng điện, công suất động cơ, lực nâng và tốc độ vòng quay động cơ Trong tab setup, người dùng có thể điều chỉnh đơn vị đo cho lực nâng và vận tốc, cũng như chọn số cực của động cơ, tùy thuộc vào từng loại động cơ cụ thể.

Trong tab Safety Cutoff của phần mềm, người dùng có thể điều chỉnh giới hạn đo của thiết bị để phù hợp với loại pin, động cơ, ESC và loadcell.

Trong tab Điều khiển Thủ công, chúng ta sẽ điều chỉnh ga để khởi động động cơ Kết quả về lực nâng, vận tốc, và dòng điện sẽ được hiển thị ngay lập tức ở cột bên trái Bên cạnh đó, vận tốc, lực nâng và công suất cũng được thể hiện dưới dạng đồ thị ở phần dưới.

Hình 4.14 Điều chỉnh ga và lấy số liệu

Phần Record to CVS File: giúp ta lưu lại kết quả đo dưới dạng file excel

Hình 4.15 Kết quả lực nâng được lưu lại dưới dạng file Excel

Các trường hợp thí nghiệm

Các trường hợp tiến hành đo thực nghiệm dựa:

 Trường hợp 1: Khi không có hiệu ứng mặt đất, có vành và không vành

 Trường hợp 2: Khi có hiệu ứng mặt đất: o Cánh quạt không vành: giảm dần chiều cao từ 4R o Cánh quạt có vành: giảm dần chiều cao từ 4R

Không có hiệu ứng mặt đất (H=4.5R)

Hình 4.16 Cánh quạt không vành khi không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng mặt đất

Hình 4.17 Cánh quạt có vành khi không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng mặt đất

Có hiệu ứng mặt đất

Hình 4.18 Cánh quạt không vành ở độ cao H=0.5R

Hình 4.19 Cánh quạt có vành ở độ cao

Hình 4.20 Cánh quạt không vành ở độ cao H=R

Hình 4.21 Cánh quạt có vành ở độ cao

Hình 4.22 Cánh quạt không vành ở độ cao H=1.5R

Hình 4.23 Cánh quạt có vành ở độ cao

Hình 4.24 Cánh quạt có vành ở độ cao

H=2R Hình 4.25 Cánh quạt không vành ở độ cao H=2R

Hình 4.26 Cánh quạt có vành ở độ cao

Hình 4.27 Cánh quạt không vành ở độ cao H=3R

Kết quả thực nghiệm khi không có hiệu ứng mặt đất

Không có vành bảo vệ

Không có vành bảo vệ, không hiệu ứng mặt đất

Bảng 4.2 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm lực nâng cánh APC 15x4 không vành và không có hiệu ứng mặt đất

Hình 4.28 Đồ thị lực nâng mô phỏng và thực nghiệm cánh quạt quay không vành không có hiệu ứng mặt đất

Nhận xét: Mô phỏng và thực nghiệm sai số không đến 8%, sai số lớn nhất là 7.6% ở tốc độ 2500 rpm

Hình 4.29 Thông số lực nâng cánh quạt APC 15x4 của nhà sản xuất

Sai số với thực nghiệm ở tốc độ 4500 RPM là 3.3%

Kết quả thực nghiệm lực nâng của cánh APC 15x4 với mẫu vành cải tiến khi không có hiệu ứng mặt đất được trình bày trong Bảng 4.3.

Bảng 4.4 Sai số lực nâng cánh quạt quay có vành không HƯMĐ theo mô phỏng và thực nghiệm

Hình 4.30 So sánh lực nâng cánh quạt quay không vành và có vành khi không bị ảnh hưởng bới HƯMĐ theo thực nghiệm

 Kết quả thực nghiệm cho thấy khi dùng mẫu vành cải tiến vẫn có xu hướng lực nâng cao hơn, cao nhất là 9.67% ở tốc độ 3500 rpm

 So với thực nghiệm thì kết quả mô phỏng sai lệch không quá 10%, cao nhất là 9.42% ở tốc độ 2500 rpm

 Cả mô phỏng và thực nghiệm đều cho thấy dùng mẫu vành cải tiến có xu hướng tăng lực nâng.