Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ thiết bị bay không người lái (UAV), việc nghiên cứu và mô phỏng khí động học của các loại máy bay kết hợp cánh bằng và chong chóng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, UAV đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự, dân dụng, vận tải và nông nghiệp, với nhu cầu ngày càng tăng về khả năng cất hạ cánh linh hoạt trong không gian hạn chế. Luận văn tập trung vào mô phỏng khí động học của máy bay cánh bằng kết hợp ba chong chóng trong trường hợp cất hạ cánh thẳng đứng, nhằm đánh giá đặc trưng lực nâng và lực đẩy trong quá trình này.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là áp dụng mô hình lá cánh ảo (Virtual Blade Model - VBM) tích hợp trong phần mềm mã nguồn mở OpenFOAM để mô phỏng quá trình cất hạ cánh của máy bay UAV-HOPE, với vận tốc thiết kế bay bằng 15 m/s. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào giai đoạn cất hạ cánh thẳng đứng, khảo sát tương tác khí động học giữa cánh bằng và ba chong chóng nâng, trong điều kiện bay treo. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2017 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp công cụ mô phỏng chính xác, tiết kiệm tài nguyên tính toán cho thiết kế UAV có khả năng cất hạ cánh thẳng đứng, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và mở rộng ứng dụng trong thực tế. Kết quả mô phỏng giúp xác định tỷ lệ lực nâng do cánh bằng (khoảng 40%) và lực nâng do ba chong chóng (khoảng 60%), từ đó hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế và điều khiển máy bay.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết động lượng Froude và lý thuyết phần tử cánh (Blade Element Theory - BET). Lý thuyết động lượng Froude mô tả sự gia tăng động lượng của dòng khí qua đĩa rotor, từ đó tính toán lực đẩy tạo ra bởi chong chóng. BET phân tích lực nâng và lực cản trên từng phần tử nhỏ của lá cánh dựa trên góc tấn hiệu quả và vận tốc cục bộ của dòng khí, cho phép mô hình hóa chi tiết hơn các hiệu ứng khí động học.

Mô hình lá cánh ảo (Virtual Blade Model - VBM) được áp dụng để mô phỏng tác động trung bình theo thời gian của các lá cánh chong chóng lên dòng khí. VBM sử dụng các nguồn động lượng đặt trong miền đĩa chong chóng, giúp giảm đáng kể khối lượng tính toán so với mô hình chi tiết từng lá cánh. Mô hình này tích hợp các phép biến đổi hệ trục tọa độ từ hệ toàn cục sang hệ quy chiếu động của chong chóng và lá cánh, bao gồm các hệ quy chiếu Descartes, RSP (Rotor Shaft Plane) và LRF (Local Rotor Frame), để tính toán chính xác lực nâng và lực cản trên từng phần tử cánh.

Ba khái niệm chuyên ngành quan trọng được sử dụng gồm:

  • RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes): phương pháp mô phỏng dòng rối trung bình theo thời gian, sử dụng mô hình rối k-epsilon chuẩn kết hợp với hàm tường tiêu chuẩn để mô phỏng dòng khí quanh máy bay.
  • SIMPLE algorithm: giải thuật số dùng để giải hệ phương trình Navier-Stokes trong phần mềm OpenFOAM.
  • Downwash: dòng khí dìm xuống do tác động của chong chóng, ảnh hưởng đến phân bố áp suất và lực nâng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ mô phỏng số trên phần mềm OpenFOAM, sử dụng thư viện VBM để mô hình hóa chong chóng. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm mô hình máy bay UAV-HOPE với kích thước chiều dài 573 mm, chiều rộng 150 mm, khối lượng cất cánh 3.5 kg, kết hợp ba chong chóng đường kính 12 inches, bước 4. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng CFD với lưới cấu trúc dạng lục diện, tập trung vào miền đĩa chong chóng và thân máy bay.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình RANS với mô hình rối k-epsilon chuẩn, giải thuật SIMPLE để tính toán trường vận tốc và áp suất. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2017, bao gồm các bước:

  • Tìm hiểu và xây dựng mô hình lý thuyết VBM.
  • Kiểm chứng mô hình bằng mô phỏng máy bay trực thăng trong hầm gió tại Viện Công nghệ Georgia, Hoa Kỳ.
  • Xây dựng lưới và mô hình cho UAV-HOPE.
  • Thực hiện mô phỏng bay treo và cất hạ cánh thẳng đứng.
  • Phân tích kết quả và đề xuất hướng phát triển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác của mô hình VBM trong mô phỏng chong chóng: Kết quả mô phỏng máy bay trực thăng trong hầm gió cho thấy sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm dưới 5% đối với hệ số lực đẩy, chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của mô hình VBM tích hợp trong OpenFOAM.

  2. Phân bố lực nâng và lực đẩy trên UAV-HOPE: Mô phỏng cho thấy máy bay cánh bằng tạo ra khoảng 40% lực nâng cần thiết khi bay bằng ở vận tốc 15 m/s, trong khi ba chong chóng đóng góp 60% lực nâng trong giai đoạn cất hạ cánh thẳng đứng. Lực đẩy tổng hợp đạt giá trị ổn định khoảng 72 N trong điều kiện mô phỏng với lực đẩy cố định.

  3. Ảnh hưởng của downwash và xoáy mũi: Trường vận tốc và áp suất phân bố không đồng đều quanh thân máy bay và đĩa chong chóng, với vận tốc dìm xuống (downwash) đạt tỷ lệ khoảng 0.4-0.6 so với vận tốc gió tự do tại vị trí z/R=0.4. Hiện tượng xoáy mũi làm thay đổi phân bố áp suất, ảnh hưởng đến lực nâng và lực cản trên các phần tử cánh.

  4. Hiệu quả mô hình hóa bằng lưới cấu trúc: Việc sử dụng lưới cấu trúc dạng lục diện giúp giảm khối lượng tính toán, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong mô phỏng trường áp suất và vận tốc. So sánh với các phương pháp mô hình hóa chi tiết từng lá cánh, mô hình VBM tiết kiệm khoảng 30-40% tài nguyên tính toán.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do mô hình VBM tận dụng lý thuyết phần tử cánh kết hợp với lý thuyết động lượng Froude, cho phép mô phỏng chính xác lực tác động của chong chóng mà không cần mô hình hóa chi tiết từng lá cánh. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về mô hình đĩa ảo và mô hình VBM trong môi trường CFD thương mại như Ansys Fluent.

So sánh với các nghiên cứu khác, mô hình VBM trong OpenFOAM cho thấy ưu điểm vượt trội về chi phí tính toán và khả năng mở rộng ứng dụng cho các cấu hình máy bay phức tạp. Việc mô phỏng thành công trường áp suất và vận tốc dìm xuống giúp hiểu rõ hơn về tương tác khí động học giữa cánh bằng và chong chóng, từ đó hỗ trợ thiết kế UAV có khả năng cất hạ cánh thẳng đứng hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố áp suất dọc theo thân máy bay, bản đồ trường vận tốc và vector dòng khí quanh đĩa chong chóng, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các yếu tố khí động học trong quá trình cất hạ cánh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa góc chúc và góc liệng của chong chóng: Điều chỉnh các góc này nhằm cân bằng lực nâng và mô-men xoắn, giảm thiểu hiện tượng mất lực nâng và tăng hiệu quả khí động học. Chủ thể thực hiện: nhóm thiết kế UAV, thời gian: 6 tháng.

  2. Phát triển mô hình VBM tích hợp chuyển động vẫy (flapping): Nâng cao độ chính xác mô phỏng bằng cách bổ sung chuyển động vẫy của lá cánh trong mô hình, giúp dự đoán lực nâng phân bố đều hơn. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu CFD, thời gian: 12 tháng.

  3. Mở rộng mô phỏng cho các chế độ bay khác nhau: Bao gồm bay tiến, bay nghiêng và bay chuyển tiếp để đánh giá toàn diện hiệu suất khí động học của UAV. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm hàng không, thời gian: 9 tháng.

  4. Ứng dụng mô hình trong thiết kế UAV thương mại: Áp dụng kết quả mô phỏng để thiết kế UAV có khả năng cất hạ cánh thẳng đứng phù hợp với các yêu cầu thực tế như vận chuyển hàng hóa và giám sát. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghệ hàng không, thời gian: 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư hàng không: Nắm bắt phương pháp mô phỏng khí động học tiên tiến, áp dụng mô hình VBM trong thiết kế và phân tích UAV.

  2. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật hàng không: Học tập cơ sở lý thuyết và phương pháp mô phỏng CFD, phát triển kỹ năng nghiên cứu khoa học.

  3. Doanh nghiệp phát triển UAV và thiết bị bay không người lái: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa thiết kế, giảm chi phí phát triển và nâng cao hiệu suất sản phẩm.

  4. Cơ quan quản lý và đào tạo hàng không: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong đào tạo và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho UAV.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình lá cánh ảo (VBM) là gì và ưu điểm của nó?
    VBM là phương pháp mô phỏng tác động trung bình của lá cánh chong chóng bằng các nguồn động lượng trong miền đĩa rotor. Ưu điểm là giảm đáng kể khối lượng tính toán so với mô hình chi tiết từng lá cánh, đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác cao trong mô phỏng khí động học.

  2. Tại sao sử dụng mô hình RANS kết hợp k-epsilon trong nghiên cứu này?
    Mô hình RANS với k-epsilon chuẩn là phương pháp phổ biến trong công nghiệp, cân bằng giữa độ chính xác và chi phí tính toán. Nó phù hợp để mô phỏng dòng rối trung bình theo thời gian trong các bài toán khí động học phức tạp như mô phỏng UAV.

  3. Làm thế nào để kiểm chứng độ chính xác của mô hình mô phỏng?
    Luận văn đã kiểm chứng mô hình bằng cách mô phỏng máy bay trực thăng trong hầm gió tại Viện Công nghệ Georgia, so sánh kết quả với dữ liệu thực nghiệm và nghiên cứu trước đó, đạt sai số dưới 5% cho hệ số lực đẩy.

  4. Downwash ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất bay của UAV?
    Downwash tạo ra dòng khí dìm xuống phía dưới đĩa chong chóng, ảnh hưởng đến phân bố áp suất và lực nâng trên thân máy bay và cánh. Hiểu rõ hiện tượng này giúp tối ưu hóa thiết kế để giảm lực cản và tăng hiệu quả nâng.

  5. Phần mềm OpenFOAM có những ưu điểm gì trong mô phỏng CFD?
    OpenFOAM là phần mềm mã nguồn mở, miễn phí, có khả năng tùy biến cao và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Nó hỗ trợ tích hợp mô hình VBM, giúp tiết kiệm chi phí bản quyền và tài nguyên tính toán so với phần mềm thương mại.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc áp dụng mô hình lá cánh ảo VBM tích hợp trong OpenFOAM để mô phỏng khí động học máy bay cánh bằng kết hợp ba chong chóng trong trường hợp cất hạ cánh thẳng đứng.
  • Mô hình RANS với k-epsilon chuẩn và giải thuật SIMPLE được sử dụng hiệu quả, đảm bảo độ chính xác và tiết kiệm tài nguyên tính toán.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy máy bay cánh bằng đóng góp khoảng 40% lực nâng, ba chong chóng đóng góp 60%, phù hợp với thiết kế UAV-HOPE.
  • Nghiên cứu đã kiểm chứng mô hình bằng dữ liệu thực nghiệm, khẳng định tính khả thi và ứng dụng rộng rãi của phương pháp.
  • Hướng phát triển tiếp theo bao gồm mở rộng mô phỏng các chế độ bay khác và nâng cao mô hình bằng chuyển động vẫy của lá cánh.

Để tiếp tục phát triển nghiên cứu, các nhà khoa học và kỹ sư được khuyến khích áp dụng mô hình VBM trong các dự án thiết kế UAV, đồng thời mở rộng phạm vi mô phỏng nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các thiết bị bay không người lái.