Tổng quan nghiên cứu

Cánh Delta là một trong những thiết kế cánh máy bay đặc biệt, có hình tam giác với góc quét ngược lớn, được ứng dụng rộng rãi trong các loại máy bay chiến đấu và vận tải tốc độ cao. Theo ước tính, các máy bay sử dụng cánh Delta chiếm tỷ lệ lớn trong các lực lượng không quân hiện đại do khả năng cơ động và hiệu suất bay ở tốc độ siêu thanh. Tuy nhiên, khi hoạt động ở tốc độ thấp, đặc biệt trong giai đoạn cất và hạ cánh, cánh Delta gặp nhiều thách thức về khí động học như hiện tượng rung lắc (wing rock) và dòng chảy không ổn định.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích đặc tính khí động của cánh Delta ở tốc độ thấp khi thay đổi hình dạng cánh, nhằm hiểu rõ ảnh hưởng của hình dạng đến lực nâng, lực cản và các hiện tượng xoáy trên cánh. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian 6 tháng, sử dụng kết hợp phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm ANSYS/FLUENT và phương pháp thực nghiệm trong ống khí động dưới âm tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và tối ưu hóa cánh Delta cho các loại máy bay chiến đấu và UAV, giúp nâng cao hiệu suất bay, tăng tính ổn định và giảm thiểu các hiện tượng khí động bất lợi ở tốc độ thấp. Qua đó, góp phần phát triển công nghệ hàng không hiện đại, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về khả năng tác chiến và vận hành an toàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình khí động học cơ bản sau:

  • Phương trình Navier-Stokes: Hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả chuyển động của chất lưu, bao gồm phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng, là cơ sở để mô phỏng dòng chảy quanh cánh Delta.
  • Lý thuyết lực nâng thế và lực nâng do xoáy (Polhamus): Phân tích lực nâng tổng hợp gồm lực nâng thế (CL,p) và lực nâng cảm ứng do cuộn xoáy (CL,v), trong đó lực nâng do xoáy đóng vai trò quan trọng ở góc tấn lớn.
  • Khái niệm cuộn xoáy trên cánh Delta: Hai cuộn xoáy lớn hình thành ở mặt trên cánh, ảnh hưởng đến phân bố áp suất và lực nâng, đồng thời gây ra các hiện tượng không ổn định như rung lắc.
  • Mô hình rối Spalart-Allmaras: Mô hình rối một phương trình được sử dụng trong mô phỏng CFD, phù hợp với các ứng dụng hàng không, giúp mô phỏng chính xác lớp biên và hiện tượng xoáy ở số Reynolds thấp.

Các khái niệm chính bao gồm: góc quét ngược, tỷ số dạng (AR), góc tấn (α), hệ số lực nâng (CL), hệ số lực cản (CD), và hiện tượng wing rock.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp hai phương pháp chính:

  • Mô phỏng số (CFD): Sử dụng phần mềm ANSYS/FLUENT để giải hệ phương trình Navier-Stokes với mô hình rối Spalart-Allmaras. Mô hình cánh Delta được thiết kế bằng Design Modeler, chia lưới bằng ICEM với hơn 146,000 phần tử lưới cấu trúc, đảm bảo chất lượng lưới tốt (chỉ số skewness gần 0, y+ < 30). Miền tính toán được thiết lập tương ứng với kích thước buồng thử ống khí động dưới âm (400x500x1000 mm). Phương pháp giải sử dụng kỹ thuật Pressure-Velocity Coupling và các phương pháp số bậc một tiến cho các biến số.
  • Thực nghiệm ống khí động dưới âm: Thực hiện tại ống khí động AF 6116 với số Mach 0.1, buồng thử kín kích thước tương ứng mô phỏng. Mô hình cánh Delta làm từ nhựa cứng dày 5 mm, có 87 điểm đo áp suất trên nửa cánh. Hệ thống đo áp suất sử dụng ống Pitot và máy đo áp suất Cosmo DM-3501 với độ chính xác cao, dữ liệu được ghi lại qua phần mềm Wave Logger. Góc tấn thay đổi từ 0° đến 40°, vận tốc dòng vào từ 10 đến 30 m/s.

Cỡ mẫu mô hình cánh Delta gồm 5 hình dạng điển hình: cánh đơn, cánh kép, cánh cắt, cánh vát và cánh gothic, tất cả có diện tích 0.02 m² và độ dày 5 mm. Phương pháp phân tích so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm, đánh giá sai số và ảnh hưởng của các yếu tố hình dạng, góc tấn, vận tốc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác nhận sự hình thành cuộn xoáy trên cánh Delta: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đều cho thấy hai cuộn xoáy lớn xuất hiện trên mặt trên cánh Delta ở vận tốc thấp (10 m/s) và góc tấn 10°, trong khi mặt dưới không có hiện tượng đặc biệt. Áp suất tại vùng xoáy giảm mạnh, tạo áp suất âm cực trị, làm tăng lực nâng cảm ứng do xoáy. Hệ số lực nâng CL đo được khoảng 0.5 - 0.65, sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm dưới 15%.

  2. Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí: Khi thay đổi vận tốc từ 10 đến 30 m/s ở góc tấn 10°, đặc tính khí động (CL, CD) và cấu trúc xoáy trên cánh không thay đổi đáng kể, cho thấy vận tốc trong dải này không ảnh hưởng nhiều đến dòng Delta.

  3. Ảnh hưởng của góc tấn: Góc tấn có ảnh hưởng lớn đến đặc tính khí động. Ở góc tấn tăng từ 10° đến 30°, lực nâng tăng lên, đạt cực đại tại khoảng 30°, sau đó giảm do hiện tượng phá vỡ cuộn xoáy (stall). Hiện tượng rung lắc wing rock bắt đầu xuất hiện khi góc tấn vượt quá 20°, với biên độ rung lắc lớn nhất ở góc tấn 30°.

  4. Ảnh hưởng của hình dạng cánh Delta: Năm hình dạng cánh Delta nghiên cứu đều hình thành xoáy trên cánh, nhưng cấu trúc dòng chảy và phân bố áp suất khác nhau rõ rệt. Cánh Delta kép và cánh gothic có sự thay đổi lớn về vị trí và cường độ xoáy do mép vào cong và góc quét thay đổi. Cánh cắt giúp giảm lực cản ở đầu cánh, trong khi cánh vát và gothic tối ưu hóa phân bố áp suất để tăng hiệu quả lực nâng. Sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm dưới 15%, đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy cuộn xoáy trên cánh Delta đóng vai trò then chốt trong việc tạo lực nâng ở tốc độ thấp, đặc biệt khi máy bay bay ở góc tấn lớn. Hiện tượng này khác biệt so với các loại cánh truyền thống, nơi xoáy thường làm giảm lực nâng và tăng lực cản. Việc mô phỏng chính xác hiện tượng xoáy và phân bố áp suất giúp dự đoán hiệu suất bay và thiết kế cánh phù hợp.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với lý thuyết Polhamus về lực nâng do xoáy và các quan sát thực nghiệm về hiện tượng wing rock. Sai số dưới 15% giữa mô phỏng và thực nghiệm là chấp nhận được trong lĩnh vực khí động học phức tạp, nguyên nhân chủ yếu do ảnh hưởng của lưới tính toán, mô hình rối và thiết bị đo áp suất.

Việc thay đổi hình dạng cánh Delta ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc xoáy và phân bố áp suất, từ đó ảnh hưởng đến lực nâng và lực cản. Thiết kế cánh Delta hỗn hợp (cánh kép, cánh gothic) có thể tối ưu hóa hiệu suất bay ở tốc độ thấp và cao, đồng thời giảm thiểu các hiện tượng không ổn định.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố áp suất dọc theo sải cánh, đồ thị hệ số lực nâng và lực cản theo góc tấn, cũng như hình ảnh đường dòng và cấu trúc xoáy trên cánh để minh họa rõ ràng các hiện tượng khí động.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế hình dạng cánh Delta: Áp dụng các dạng cánh Delta hỗn hợp như cánh kép hoặc cánh gothic để tăng lực nâng và giảm lực cản ở tốc độ thấp, đồng thời cải thiện tính ổn định khi bay ở góc tấn lớn. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và nhà sản xuất máy bay.

  2. Phát triển hệ thống điều khiển fly-by-wire và cánh con vịt: Tăng cường khả năng điều khiển và ổn định cho máy bay cánh Delta, giảm thiểu hiện tượng rung lắc wing rock khi bay ở tốc độ thấp. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: các hãng hàng không quân sự và viện nghiên cứu hàng không.

  3. Nâng cao chất lượng mô phỏng CFD: Cải tiến chia lưới và lựa chọn mô hình rối phù hợp để giảm sai số mô phỏng dưới 10%, giúp dự báo chính xác hơn đặc tính khí động của cánh Delta. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: các phòng thí nghiệm và nhóm nghiên cứu CFD.

  4. Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm với các điều kiện bay đa dạng: Thực hiện thử nghiệm trong ống khí động với các điều kiện vận tốc, góc tấn và hình dạng cánh khác nhau để thu thập dữ liệu toàn diện, phục vụ thiết kế và kiểm chứng mô phỏng. Thời gian thực hiện: 1 năm, chủ thể: các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà thiết kế và kỹ sư hàng không: Nắm bắt các đặc tính khí động của cánh Delta để thiết kế máy bay chiến đấu và UAV hiệu quả, giảm thiểu hiện tượng rung lắc và tối ưu lực nâng.

  2. Nhà nghiên cứu khí động học: Sử dụng dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm để phát triển các mô hình khí động học chính xác, nghiên cứu sâu về hiện tượng xoáy và lực nâng cảm ứng.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật hàng không: Tham khảo phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng và thực nghiệm, hiểu rõ các khái niệm khí động học phức tạp liên quan đến cánh Delta.

  4. Các tổ chức quân sự và công nghiệp hàng không: Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu suất và tính ổn định của các loại máy bay chiến đấu sử dụng cánh Delta, đồng thời phát triển công nghệ điều khiển hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cánh Delta có ưu điểm gì so với các loại cánh khác?
    Cánh Delta có khả năng tạo lực nâng lớn nhờ hai cuộn xoáy trên mặt trên cánh, có góc thất tốc lớn (khoảng 35-40°), giúp máy bay bay ổn định ở góc tấn lớn và tốc độ siêu thanh. Ví dụ, máy bay chiến đấu F-22 Raptor sử dụng cánh Delta để tăng tính cơ động.

  2. Tại sao cánh Delta gặp khó khăn khi bay ở tốc độ thấp?
    Ở tốc độ thấp, dòng chảy quanh cánh Delta không ổn định, dễ gây hiện tượng rung lắc wing rock và khó điều khiển. Nguyên nhân là do cấu trúc xoáy phức tạp và lực cản lớn khi góc tấn cao.

  3. Phương pháp mô phỏng CFD có chính xác không?
    Phương pháp mô phỏng sử dụng mô hình rối Spalart-Allmaras và chia lưới chất lượng cao cho kết quả sai số dưới 15% so với thực nghiệm, đủ tin cậy để phân tích đặc tính khí động của cánh Delta.

  4. Hình dạng cánh Delta ảnh hưởng thế nào đến lực nâng?
    Các dạng cánh Delta khác nhau thay đổi cấu trúc xoáy và phân bố áp suất, từ đó ảnh hưởng đến lực nâng và lực cản. Ví dụ, cánh Delta kép giúp tăng lực nâng ở góc tấn lớn và mở rộng giới hạn stall.

  5. Làm thế nào để giảm hiện tượng rung lắc wing rock?
    Sử dụng hệ thống điều khiển fly-by-wire và cánh con vịt giúp cải thiện ổn định và khả năng điều khiển, giảm rung lắc khi bay ở góc tấn lớn và tốc độ thấp.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định rõ vai trò của cuộn xoáy trong việc tạo lực nâng cho cánh Delta ở tốc độ thấp, đặc biệt khi bay ở góc tấn lớn.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đồng với sai số dưới 15%, khẳng định tính chính xác của phương pháp nghiên cứu.
  • Góc tấn là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến đặc tính khí động, trong khi vận tốc dòng khí trong dải nghiên cứu ít tác động.
  • Hình dạng cánh Delta ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc xoáy và phân bố áp suất, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất bay và ổn định.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế và điều khiển nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu hiện tượng rung lắc, góp phần phát triển công nghệ hàng không hiện đại.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng với các điều kiện bay đa dạng và cải tiến mô hình mô phỏng để nâng cao độ chính xác. Mời các nhà nghiên cứu và kỹ sư hàng không áp dụng kết quả này trong thiết kế và phát triển máy bay cánh Delta thế hệ mới.