Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nông nghiệp hiện đại, việc phun thuốc trừ sâu đóng vai trò quan trọng trong kiểm soát sâu bệnh, góp phần nâng cao năng suất cây trồng. Tuy nhiên, các phương pháp phun truyền thống như phun thủ công hoặc sử dụng máy phun áp lực vẫn tồn tại nhiều hạn chế, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường sinh thái. Tại Việt Nam, việc tiếp xúc trực tiếp với hóa chất trong quá trình phun thuốc trừ sâu đã làm gia tăng các rủi ro về sức khỏe, đồng thời hiệu quả phun chưa cao do lượng thuốc không đồng đều và phụ thuộc nhiều vào địa hình cũng như loại cây trồng.

Máy bay trực thăng không người lái (UAV) định hướng phun thuốc trừ sâu được xem là giải pháp công nghệ tiên tiến, giúp giảm thiểu tiếp xúc trực tiếp với hóa chất, nâng cao hiệu quả phun và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, hiệu suất bay treo của UAV trong quá trình phun thuốc còn nhiều hạn chế do ảnh hưởng của thiết kế thân máy bay và các thông số khí động học liên quan.

Luận văn tập trung nghiên cứu nâng cao hiệu suất bay treo của máy bay trực thăng UAV với các dạng thân khác nhau, thông qua việc khảo sát ảnh hưởng của kích thước thân máy bay (tỷ số Rf/R) và khoảng cách giữa thân máy bay và chong chóng mang (CCM) (tỷ số Hm/R), trong đó R là bán kính CCM. Mục tiêu cụ thể là xây dựng hàm tương quan giữa hệ số chất lượng khí động (FM) với các tham số đặc trưng nhằm dự báo hiệu suất bay treo một cách nhanh chóng và chính xác. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô phỏng số sử dụng phương pháp RANS kết hợp mô hình rối k-ε, với dữ liệu thu thập và kiểm chứng từ các kết quả thực nghiệm và tài liệu chuyên ngành.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu thiết kế UAV phục vụ phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng thuốc, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người, đồng thời mở rộng ứng dụng UAV trong các lĩnh vực khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu khí động học của máy bay trực thăng, đặc biệt tập trung vào:

  • Lý thuyết động lượng trong chế độ bay treo: Phân tích dòng chảy qua chong chóng mang (CCM) dựa trên các định luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng. Lý thuyết này cho phép mô hình hóa lực đẩy và công suất tiêu thụ của CCM trong trạng thái bay treo, với giả định dòng chảy gần như một chiều, không nén được và không nhớt.

  • Mô hình rối k-ε trong phương pháp RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes): Sử dụng để mô phỏng dòng chảy phức tạp quanh CCM và thân máy bay UAV, giúp đánh giá ảnh hưởng của các thông số hình học và vị trí thân máy bay đến hiệu suất bay treo.

  • Khái niệm hệ số chất lượng khí động (FM): Là tỷ số giữa công suất lý tưởng và công suất thực tế tiêu thụ trong bay treo, dùng để đánh giá hiệu suất bay treo của CCM và toàn bộ UAV.

Các khái niệm chính bao gồm: tải trọng đĩa (T/A), hệ số lực đẩy (CT), hệ số công suất (CP), tỷ số dòng vào cảm ứng (λi), và các đặc tính hình học của CCM như bán kính, góc đặt cánh, độ xoắn hình học, hệ số điền đầy (σ).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số kết hợp hồi quy để xây dựng hàm tương quan hiệu suất bay treo. Cụ thể:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được thu thập từ các mô hình hình học của UAV với các dạng thân khác nhau (hình cầu, lập phương, ellipsoid), thay đổi các thông số Rf/R và Hm/R. Các kết quả mô phỏng được so sánh và kiểm chứng với dữ liệu thực nghiệm và tài liệu chuyên ngành để đảm bảo độ tin cậy.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm CFD với mô hình RANS và mô hình rối k-ε để mô phỏng dòng chảy qua CCM và thân máy bay trong chế độ bay treo. Đánh giá hội tụ lưới, xác định điều kiện biên phù hợp, và phân tích trường vận tốc, áp suất, cũng như các chỉ số hiệu suất.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian khóa học thạc sĩ (2021-2023), bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích dữ liệu và xây dựng hàm tương quan.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng được xây dựng với các biến thể thân máy bay đại diện cho các hình dạng phổ biến, đảm bảo tính tổng quát và khả năng áp dụng rộng rãi. Các thông số mô phỏng được lựa chọn dựa trên các điều kiện thực tế và tiêu chuẩn kỹ thuật của UAV phun thuốc trừ sâu.

Phương pháp hồi quy được áp dụng để tìm ra mối quan hệ giữa hệ số chất lượng khí động FM và các tham số hình học, từ đó đề xuất phương trình tương quan tổng quát giúp dự báo hiệu suất bay treo nhanh chóng và chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của kích thước thân máy bay (Rf/R) đến hiệu suất bay treo: Kết quả mô phỏng cho thấy hệ số chất lượng khí động FM tăng lên khi tỷ số Rf/R tăng. Cụ thể, khi Rf/R tăng từ khoảng 0.4 đến 0.8, FM tăng trung bình khoảng 10-15%, cho thấy thân máy bay lớn hơn giúp cải thiện hiệu suất bay treo do giảm thiểu nhiễu động dòng chảy quanh CCM.

  2. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa thân máy bay và CCM (Hm/R): FM giảm khi khoảng cách Hm/R tăng. Khi Hm/R tăng từ 0.2 đến 0.6, FM giảm khoảng 12%, do sự tương tác khí động giữa thân và CCM giảm, làm tăng tổn thất năng lượng trong dòng chảy.

  3. So sánh hiệu suất giữa các dạng thân máy bay: Thân ellipsoid cho hiệu suất bay treo cao nhất với FM trung bình đạt khoảng 0.82, trong khi thân hình cầu và lập phương có FM thấp hơn lần lượt khoảng 0.78 và 0.75. Điều này phản ánh ảnh hưởng của hình dạng thân đến phân bố áp suất và dòng chảy quanh CCM.

  4. Hàm tương quan tổng quát giữa FM, Rf/R và Hm/R: Phương trình hồi quy được xây dựng có dạng:

$$ FM = a + b \times \frac{Rf}{R} - c \times \frac{Hm}{R} $$

với các hệ số a, b, c được xác định từ dữ liệu mô phỏng, cho phép dự báo FM với sai số dưới 5% trong phạm vi nghiên cứu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi FM theo Rf/R và Hm/R là do ảnh hưởng của thân máy bay đến dòng chảy qua CCM. Khi thân máy bay có kích thước lớn hơn (Rf/R tăng), nó tạo ra hiệu ứng làm giảm xoáy đầu mũi cánh và giảm tổn thất năng lượng, từ đó nâng cao hiệu suất bay treo. Ngược lại, khoảng cách lớn giữa thân và CCM (Hm/R tăng) làm giảm sự tương tác tích cực này, dẫn đến giảm FM.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về hiệu suất bay treo của CCM không có thân máy bay hoặc với thân máy bay đơn giản, kết quả luận văn cho thấy việc xem xét hình dạng và vị trí thân máy bay là cần thiết để đánh giá chính xác hiệu suất bay treo của UAV. Hàm tương quan tổng quát được đề xuất giúp rút ngắn thời gian tính toán và hỗ trợ thiết kế UAV hiệu quả hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường thể hiện mối quan hệ FM theo Rf/R và Hm/R, cũng như bảng tổng hợp giá trị FM cho từng dạng thân máy bay, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các tham số đến hiệu suất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu thiết kế thân máy bay UAV: Đề xuất tăng tỷ số Rf/R trong thiết kế thân máy bay để nâng cao hiệu suất bay treo, hướng tới giá trị Rf/R khoảng 0.8 trong phạm vi cho phép về trọng lượng và kích thước. Chủ thể thực hiện: các nhà thiết kế UAV; Thời gian: 1-2 năm.

  2. Điều chỉnh khoảng cách Hm/R giữa thân và CCM: Khuyến nghị giảm khoảng cách Hm/R xuống dưới 0.4 để tăng tương tác khí động tích cực, cải thiện FM. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và sản xuất UAV; Thời gian: 6-12 tháng.

  3. Áp dụng hàm tương quan FM trong quy trình thiết kế và vận hành UAV: Sử dụng phương trình hồi quy để dự báo hiệu suất bay treo nhanh chóng, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế và điều chỉnh tham số vận hành. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và phát triển UAV; Thời gian: liên tục trong quá trình phát triển sản phẩm.

  4. Nâng cao công nghệ mô phỏng CFD và thử nghiệm thực tế: Đầu tư phát triển mô hình mô phỏng chính xác hơn, kết hợp thử nghiệm thực tế để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình, đảm bảo tính ứng dụng cao. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp UAV; Thời gian: 2-3 năm.

Các giải pháp trên nhằm mục tiêu nâng cao hiệu suất bay treo, giảm tiêu hao năng lượng và tăng độ ổn định trong quá trình phun thuốc trừ sâu, góp phần phát triển nông nghiệp thông minh và bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà thiết kế và phát triển UAV: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô phỏng giúp tối ưu thiết kế thân máy bay và CCM, nâng cao hiệu suất bay treo, giảm chi phí phát triển và tăng tính cạnh tranh sản phẩm.

  2. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và hàng không: Tài liệu chi tiết về lý thuyết động lượng, mô hình CFD và phân tích khí động học cung cấp nền tảng nghiên cứu sâu rộng, hỗ trợ phát triển các công trình khoa học liên quan.

  3. Doanh nghiệp sản xuất UAV phục vụ nông nghiệp: Thông tin về ảnh hưởng của thiết kế thân máy bay đến hiệu suất bay treo giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu quả phun thuốc trừ sâu, đáp ứng yêu cầu thị trường và bảo vệ môi trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp công nghệ cao: Luận văn cung cấp dữ liệu và phân tích giúp đánh giá hiệu quả công nghệ UAV trong nông nghiệp, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững và an toàn sinh thái.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hiệu suất bay treo của UAV ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả phun thuốc trừ sâu?
    Hiệu suất bay treo cao giúp UAV duy trì vị trí ổn định, phân phối thuốc đều hơn và tiết kiệm năng lượng. Ví dụ, FM cao hơn 10% có thể giảm tiêu hao nhiên liệu và tăng độ chính xác phun.

  2. Tại sao cần nghiên cứu ảnh hưởng của thân máy bay đến hiệu suất bay treo?
    Thân máy bay tạo ra các nhiễu động khí động học ảnh hưởng đến dòng chảy qua CCM, từ đó ảnh hưởng đến lực đẩy và công suất tiêu thụ. Nghiên cứu này giúp tối ưu thiết kế để nâng cao hiệu suất.

  3. Phương pháp mô phỏng CFD có độ chính xác như thế nào so với thực nghiệm?
    Phương pháp RANS kết hợp mô hình rối k-ε được kiểm chứng với dữ liệu thực nghiệm cho độ sai số dưới 5%, đủ tin cậy để ứng dụng trong thiết kế và phân tích.

  4. Hàm tương quan FM có thể áp dụng cho các loại UAV khác nhau không?
    Hàm tương quan được xây dựng dựa trên các dạng thân phổ biến và điều kiện bay treo tiêu chuẩn, có thể áp dụng cho UAV trực thăng một chong chóng mang với các thông số tương tự.

  5. Làm thế nào để cải thiện hiệu suất bay treo trong thực tế?
    Ngoài tối ưu thiết kế thân và khoảng cách CCM, việc bảo trì định kỳ, điều chỉnh góc đặt cánh và sử dụng vật liệu nhẹ cũng góp phần nâng cao hiệu suất bay treo.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và xác định ảnh hưởng rõ rệt của kích thước thân máy bay (Rf/R) và khoảng cách thân-CCM (Hm/R) đến hiệu suất bay treo của UAV phun thuốc trừ sâu.
  • Phương pháp mô phỏng CFD kết hợp mô hình rối k-ε được đánh giá có độ tin cậy cao, phù hợp với điều kiện thực tế.
  • Hàm tương quan tổng quát giữa hệ số chất lượng khí động FM và các tham số hình học được xây dựng, giúp dự báo hiệu suất nhanh chóng và chính xác.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc tối ưu thiết kế UAV, nâng cao hiệu quả phun thuốc, bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế và vận hành UAV nhằm nâng cao hiệu suất bay treo, đồng thời khuyến nghị áp dụng nghiên cứu trong phát triển công nghệ UAV nông nghiệp.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm thực tế để kiểm chứng mô hình và mở rộng nghiên cứu sang các điều kiện bay khác nhằm hoàn thiện giải pháp ứng dụng UAV trong nông nghiệp thông minh. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả luận văn để phát triển các sản phẩm UAV hiệu quả và bền vững.