Đặt vấn đề Một trong các máy bay không người lái được sử dụng phổ biến trên thị trường hiện nay để phun thuốc trừ sâu là quadcopter. Quadcopters hoạt động bằng cách sử dụng chong chóng, là thiết bị có thể biến chuyển động quay thành lực đẩy tuyến tính, theo thứ tự, tạo ra lực nâng theo hướng của trục quay. Chong chóng máy bay không người lái cung cấp lực nâng cho máy bay bằng cách quay và tạo ra luồng không khí thông qua sự chênh lệch áp suất giữa bề mặt trên và dưới của chong chóng [2]. Thiết kế hiện tại của chong chóng được sử dụng trong máy bay không người lái (UAV) sẽ được mô phỏng bằng công cụ Ansys Fluent và dữ liệu kết quả sẽ được sử dụng cho mục đích đánh giá đặc tính khí động.
Khi xét đến phần thân của máy bay, thông thường đối với máy bay UAV phun thuốc trừ sâu trên thị trường, bình thuốc sẽ được gắn dưới phần thân máy bay. Nhận thấy việc tích hợp bình thuốc vào thân của drone có thể mang lại ưu điểm về thiết kế hình học và lợi ích về đặc tính khí động, thiết kế drone với mô hình có bình thuốc trừ sâu tích hợp vào thân đã được đề xuất, từ đó xem xét, đánh giá đặc tính khí động của mô hình này. Cuối cùng, tác động của mô phỏng hình dạng của thiết kế mới này sẽ được kiểm tra kỹ lưỡng về mặt khí động và những thay đổi, thay thế (nếu có) sẽ được đề xuất để tối ưu hóa hiệu suất khí động học của máy bay, nhằm mang lại lợi ích cao cho việc ứng dụng vào công việc phun thuốc trừ sâu của nền nông nghiệp trên thực tế.Các nghiên cứu liên quan Đề tài nghiên cứu của Konstantinos Christodoulou cùng 5 cộng sự của ông tập trung vào việc phân tích khí động học của 1 chong chóng máy bay không người lái loại 4 cánh (Quadcopter) bằng phương pháp CFD. Cụ thể là, một thiết kế chong chóng được mô phỏng cho máy bay quadcopter để nghiên cứu hiệu suất của nó theo các phương pháp mô hình hóa và các mô hình dòng rối khác nhau.
Mô hình độ nhớt xoáy tuyến tính SST k-ω, mô hình BSL-RSM và mô hình dòng rối đại số tường minh đã được sử dụng cho thí nghiệm này. Nghiên cứu cho thấy không có sự khác biệt đáng kể nào giữa kết quả mà 3 các mô hình dòng rối cung cấp liên quan đến đặc tính khí động học của chong chóng và sự phân bố áp suất xung quanh chong chóng [3].2 Dòng chuyển động của lưu chất đối với hệ quy chiếu quay (bên trái) và phân bố dòng rối (bên phải) [3] Một bài nghiên cứu khác về Mô hình khí động học của các phương tiện quadcopter loại nhỏ, Seokkwanyoon cùng 4 nhà nghiên cứu đã thực hiện một mô phỏng tính toán có độ chính xác cao để quan sát các tương tác khí động học giữa các chong chóng và thân của quadcopter đó. Phương pháp mô phỏng được sử dụng thông qua các phương trình Navier-Stoke không ổn định bằng các sơ đồ bậc cao, số Mach thấp và mô hình dòng rối hỗn hợp. Nghiên cứu chỉ ra rằng các kết quả tính toán cho thấy sự gắn kết cao giữa mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm.
Ngoài ra, bài nghiên cứu còn so sánh giữa các chong chóng được gắn ở mặt trên so với thân và mặt dưới so với thân, cho thấy kết quả là chong chóng được gắn ở mặt dưới thân không tốt hơn chóng chóng được lắp ở mặt trên như thường lệ [4]. Tại Trường Đại học Vigo, Tây Ban Nha, C. Paz và các đồng nghiệp của ông đã thực hiện một nghiên cứu về đánh giá phương pháp mô phỏng CFD đối với máy bay UAV 4 chong chóng DJI Phantom 3. Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá hiệu suất mô phỏng dòng chảy 3D thông qua 2 phương pháp: phương pháp Nhiều khung tham chiếu (MRF) và Lưới trượt.
Bên cạnh đó, tác giả cũng đánh giá ảnh hưởng của khoảng cásch drone đến mặt đất để xem xét độ cao bay của drone. Kết quả thu được cho thấy vị trí tương đối giữa cánh quạt và khung được chứng minh là yếu tố then chốt, bởi lẽ khi so sánh giữa 2 phương pháp trong trường hợp mô phỏng nguyên drone, tốc độ thay đổi lực 4 đẩy tương tự đã đạt được khi giảm thiểu sự chồng chất của chong chóng lên các cánh tay drone trong trường hợp mô phỏng bằng phương pháp MRF. Tuy nhiên, cường độ lực đẩy khác nhau ít nhất 11% giữa các vị trí mô phỏng bất kỳ. Mặc dù có độ lệch này, chi phí tính toán bằng MRF thấp hơn đáng kể, do đó phương pháp này trở thành một lựa chọn được ưa chuộng [5].
Quan tâm đến việc ứng dụng drone trong lĩnh vực nông nghiệp, một nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực máy bay UAV phun thuốc trừ sâu là nghiên cứu về động học và phân bố trường dòng chuyển động xuôi của máy bay không người lái sáu cánh quạt SLK-5, được thực hiện bởi Yang Fengbo và nhóm nghiên cứu. Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng trung bình RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) ở chế độ bay treo, với mô hình rối RNG k - ε và kỹ thuật lưới động. Một số kết luận thu được là: vận tốc hướng z chủ yếu nằm trong quy luật phân bố vận tốc của dòng khí xuôi dòng; giá trị vận tốc tối đa của dòng chuyển động xuôi gần 10 m/s; sai số tương đối nhỏ hơn 12% giữa kết quả vận tốc hướng z thu được từ thí nghiệm vận tốc gió và từ mô phỏng tại các điểm được đánh dấu; và chiều cao khuyến nghị cho UAV khi hoạt động là 0,6 m để tránh ảnh hưởng của cánh quạt khi phun thuốc [6].3 Phân bố trường vận tốc theo 3 hướng của mặt cắt YZ [6] 5 Để nghiên cứu ảnh hưởng của trường dòng chảy xuôi của UAV đến các hoạt động phun thực tế, Yongjun Zheng và các cộng sự đã xây dựng mô hình 3D của máy bay UAV nông nghiệp sáu chong chóng JF01-10. Qua quá trình mô phỏng và phân tích trường dòng xuôi ở các độ cao bay treo khác nhau, có thể kết luận rằng hiệu quả vận hành phụ thuộc rất nhiều vào độ cao bay treo và độ cao bay treo phù hợp cho máy bay không người lái JF01-10 được coi là 3 m trên thực tế [7].4 Kết quả tính trường dòng của UAV với các độ cao treo khác nhau: (a) 2 m, (b) 3 m, (c) 5 m, và (d) độ cao không giới hạn tương đối [7] Nghiên cứu của tác giả Haiyan Zhang và Yubin Lan cùng các nhà khoa học khác, mô phỏng trường dòng chuyển động xuôi của UAV bốn chong chóng P20 ở các tốc độ bay khác nhau, sử dụng Phương pháp Lattice Boltzmann (LBM) và mô hình độ nhớt xoáy cục bộ thích ứng với tường (WALE).
Kết quả thu được cho thấy vận tốc trung bình của dòng không khí dưới 1,6 m đủ cao để làm xáo trộn hầu hết tán cây và tăng cường tốc độ xâm nhập của thuốc trừ sâu vào cây trồng. Ngoài ra, trường dòng chuyển động xuôi bị ảnh hưởng đáng kể bởi tốc độ bay vì tốc độ máy bay càng tăng thì tốc độ xoáy càng tăng. Một mô phỏng khác về máy bay nông nghiệp cũng sử dụng phương pháp Lattice Boltzmann, liên quan đến việc điều khiển tốc độ quay của rotor nhằm điều chỉnh chế độ vận hành phun chính xác [8]. Nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm tác giả của Kun Chang, sử dụng mô hình máy bay 4 chong chóng 410S và phần mềm Xflow để mô 6 phỏng trường dòng vận tốc rotor ở các tốc độ quay khác nhau; đồng thời sử dụng máy đo vận tốc hình ảnh hạt tốc độ cao (PIV) để thu thập và xác minh trạng thái chuyển động của giọt phun.
Kết quả mô phỏng số cho thấy vận tốc và độ xoáy cực đại của trường dòng dưới chong chóng tăng khi tốc độ quay chong chóng tăng. Tuy nhiên, khi thời gian tăng lên, nhiễu loạn được tạo ra và các giá trị tối đa của vận tốc cùng độ xoáy giảm xuống. Trong khi đó, kết quả thử nghiệm PIV cho thấy khi tốc độ chong chóng tăng lên, tổng góc phun và diện tích vùng tốc độ cao của khu vực phun bị co lại và giảm dần dưới tác động của vùng gió xuôi dòng, còn vùng tốc độ thấp ở diện tích phun dần dần mở rộng. Bên cạnh đó, thí nghiệm cũng chỉ ra rằng kết quả thử nghiệm PIV xác minh một cách hiệu quả độ tin cậy của kết quả mô phỏng số [9].Mục tiêu nghiên cứu Luận văn sử dụng 1 mô hình máy bay không người lái 4 chong chóng với bình thuốc trừ sâu tích hợp vào thân máy bay, đã được thiết kế và hiệu chỉnh bởi 1 nhóm nghiên cứu [10].
Mục tiêu của luận văn là sử dụng phương pháp mô phỏng số CFD để phân tích các đặc tính khí động của mô hình drone này trong các chế độ bay: chế độ bay treo (hovering), chế độ bay lấy độ cao (climbing), và chế độ bay tiến (forward flight) thông qua việc phân tích lực và phân bố áp suất, vận tốc với các tốc độ quay của chong chóng khác nhau. Tuy nhiên, đề tài chỉ giới hạn ở 1 số trường hợp mô phỏng cơ bản (không xem xét được hết các trường hợp bay ở điều kiện thực) như: mô phỏng bay treo, bay lấy độ cao không gia tốc, bay tiến với sự thay đổi góc nghiêng, nhằm mục đích bước đầu đánh giá về sự phù hợp của thiết kế khí động trong các chế độ bay.Phương pháp nghiên cứu 1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu lý thuyết về khí động lực học, lý thuyết về động lực học lưu chất (CFD) và nguyên lý hoạt đông của máy bay không người lái; 7 - Tham khảo các báo cáo, bài báo nghiên cứu khoa học về máy bay không người lái nông nghiệp được sử dụng với mục đích phun thuốc trừ sâu đã được công bố trong các hội nghị khoa học, các tạp chí khoa học trong và ngoài nước. Phương pháp mô phỏng Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng số Động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics – CFD) với phương pháp Nhiều khung tham chiếu (Multiple Reference Frames – MRF), là một trong những phương pháp CFD phổ biến để mô hình hóa dòng lưu chất trong các hệ thống chuyển động quay.
Phần mềm được sử dụng là Ansys Fluent phiên bản 2022 R1, một gói phần mềm thương mại dựa trên Phương pháp Phần tử Hữu hạn (Finite Element Method - FEM) để phân tích các bài toán vật lý - cơ học, chuyển các phương trình vi phân và phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số.