Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động MỞ ĐẦU Khi xem xét vật chịu tác dụng dòng khí hay nước người ta thường xem xét trực tiếp vật thể địa điểm Bằng thiết bị máy móc người ta đo đạc tìm thông số khí động học vật thể Tuy nhiên nhiều trường hợp việc đo đạc thực tế khó khăn điều kiện địa hình, thời tiết, tốc độ dòng khí, dòng nước…Từ người ta xây dựng ống khí động để thí nghiệm điều kiện phòng thí nghiệm, mô với thực tế Tại xưởng thí nghiệm khoa Cơ khí Giao thông có ống khí động Tuy nhiên ống khí động tồn nhiều hạn chế, cần nâng cấp, cải tiến để thí nghiệm cho kết xác Với mục đích đó, nhóm chúng em thực đề tài tốt nghiệp: “Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động” Với đề tài này, mục tiêu nhóm thiết kế, xây dựng thí nghiệm hoàn chỉnh để tiến hành thí nghiệm ống khí động Bộ thí nghiệm xác định lực khí động lực cản, lực nâng tác dụng lên vật thể hiển thị kết hình LCD Ống khí động dùng để thí nghiệm với vật thể, mô hình với nhiều hình dáng khác nhau, mô hình ô tô, cánh máy bay, tua bin gió… Phương pháp nhóm để thực việc nghiên cứu với đề tài thiết kế mô hình thí nghiệm điều khiển hiển thị điện tử, tiến hành thí nghiệm với mô hình, xác định lực cản khí động so sánh với thông số thực tế Nhóm đọc thêm tài liệu nước phục vụ cho việc nghiên cứu Cấu trúc đồ án tốt nghiệp gồm hai phần: Mô hình nâng cấp thuyết minh Mô hình chia làm hai phần: Bộ đế ru lô để mô mặt đường chuyển động quay bánh xe, Bộ điều khiển góc nghiêng cánh máy bay Thuyết minh xây dựng từ hai phần mô hình, nhiên có thêm phần xây dựng thí nghiệm để xác định lực cản khí động Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động Chương MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI Trong hoạt động sống mình, có nhiều lĩnh vực người phải giải toán lực tác dụng lên vật ngập chất lỏng chuyển động Từ việc xác định lực cản gió tác dụng ô tô di chuyển để xác định tính động lực Xác định lực nâng tác dụng lên biên dạng cánh trình thiết kế, chế tạo máy bay v.v Việc đặt thiết bị đo đạc lên phương tiện di chuyển để đánh giá, khảo sát lực tác động lên bề mặt khó khăn nguy hiểm Để giải toán người cần phải có công cụ để tạo nguồn gió phải điều khiển nguồn gió để phục vụ cho trình nghiên cứu, tính toán Trong ống khí động thiết bị sử dụng để tạo dòng khí nhân tạo chảy qua vật thể đứng yên để xác định lực khí động tác dụng lên vật thể phân bố áp suất bề mặt vật thể để mô trường hợp thực tế Ống khí động đưa giải pháp nhanh chóng, thuận tiện, kinh tế xác hoạt động nghiên cứu khí động học Vấn đề quan trọng ống khí động khả tạo trường dòng chảy có vận tốc qua vật thể cần thí nghiệm, bảo đảm tính hiệu chi phí hoạt động cần thiết Trong đồ án này, nhóm chúng em thiết kế, xây dựng mô hình cải tiến ống khí động có sẵn để phục vụ tốt xác cho việc nghiên cứu khí động học thực số thí nghiệm trực tiếp ống khí động để xác định lực cản khí động phân bố áp suất lên bề mặt vật thể Ống khí động dùng để thí nghiệm có tiết diện buồng đo hình vuông với chiều dài cạnh 36,4 cm chiều dài buồng đo 72 cm Chiều dài tổng thể ống khí động 3,7 m Vận tốc gió lớn qua buồng đo 25 m/s Trong đề tài này, nhóm chúng em đưa giải pháp nâng cấp ống khí động có theo hướng tự động hóa Bên cạnh chúng em thực thí nghiệm ống khí động nâng cấp Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động Chương TỔNG QUAN VỀ ỐNG KHÍ ĐỘNG Thông tin thực nghiệm phục vụ cho việc giải vấn đề khí động học thủy động lực học đạt nhiều cách từ thí nghiệm bay, kiểm tra thả, xe tên lửa; đường hầm nước, cánh tay xoắn, ống sốc, bàn nước, mô hình bay, kiểm tra đường bộ, dãy đạn đạo; nhiều phương pháp khác dẫn đến danh sách gần vô tận Mỗi cách thức, thiết bị có tính ưu việt riêng không thiết bị gọi "tốt nhất" Ống khí động thiết kế sử dụng phương pháp hữu hiệu để thực thí nghiệm khí động học Việc sử dụng ống khí động tiết kiệm chi phí công sức chế tạo việc thí nghiệm trở nên dễ dàng Các quốc gia ngành công nghiệp giới hỗ trợ nghiên cứu khí động học, thí nghiệm với đường hầm gió hay ống khí động mục tiêu chính, theo nhu cầu, khả mong muốn họ Ở nhiều quốc gia, có tổ chức nghiên cứu quốc gia riêng biệt nhằm gia tăng hoạt động dịch vụ hỗ trợ cho việc nghiên cứu Có nhiều nghiên cứu phát triển khí động học thực tập đoàn mục đích dân dụng việc phát triển máy bay, ô tô, phương tiện đường biển cấu trúc kiến trúc Điển hình đại diện thành viên Hiệp hội Thử nghiệm Khí động học cận âm Subsonic (SATA) Ống khí động đời cách gần 100 năm, tới công cụ hữu ích cho nhà nghiên cứu khí động Mặc dù giới ngày có nhiều phương pháp thay để nghiên cứu đặc tính dòng khí tác động lên vật thể bay phương pháp mô số sử dụng máy vi tính, chưa thể loại bỏ hoàn toàn tác dụng ống khí động Thông thường công đoạn cuối nghiên cứu khí động vật thể bay kiểm tra lại việc làm thí nghiệm ống khí động Cơ cấu ống thổi khí chi đơn giản, bao gồm ống tạo luồng, bên lắp đặt hệ thống cánh quạt gió, bên đặt thiết bị cân đong đo đếm mà người ta gọi Cân khí động Hiện đại có thêm hệ thống Cân điện tử sử dụng cảm biến điện trở, tín hiệu từ cảm biến chuyển tới máy vi tính để chế biến thành đồ thị phụ thuộc lực khí động, mô men, … vào trạng thái đặt vật thí nghiệm Như tiện nhiều so với trước phải dùng bút để ghi ghi chép chép thông số hiển thị đồng hồ đo, vạch cân thống kê lại mà vẽ đồ thị Tùy thuộc vào chức năng, kiểu dáng mà ống khí động chia thành loại: ống âm, cận âm, siêu thanh, ống khép kín, ống hở, ống tạo luồng ổn định, không ổn định, ống thay đổi mật độ không khí, ống không Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động Hình 2.1 Mô hình máy bay X-48 thí nghiệm ống khí động, trung tâm nghiên cứu Langley NASA, Hampton, Virginia, Hoa Kỳ Không có mục đích “thổi” vật thể bay mà ống khí động giúp người “thổi” vật chịu tác động lực đáng kể sinh không khí Sự cạnh tranh nhà chế tạo xe đua ngày khốc liệt, để nhích xa nhanh đối thủ chút xíu vấn đề cần công nghệ hóa, ô tô đua chạy với tốc độ lớn thường chịu ảnh hưởng lớn lực khí động, mà quan trọng lực cản, người chứng minh lực cản có ích cho sống, cần giảm vài phần trăm lực cản cho đời dòng sản phẩm mới, tiết kiệm nhiên liệu cách đáng kể tăng khả cạnh tranh sản phẩm Cho nên ta không cần ngạc nhiên xưởng chế tạo thay phiên đưa xe đua vào ống thổi để tìm cách tối ưu hóa kiểu dáng khí động Hình 2.2 Mô hình xe đua Pagani Zonda F thí nghiệm ống khí động Hiện đại người ta đưa thành phố, khu đô thị vào ống thổi Giờ có ống khí động ta biết luồng gió di chuyển tòa nhà, không khí lành giúp tốt cho sức khỏe người Không dừng lại đó, việc đưa tòa nhà cao tầng vào ống thổi khí ta kiểm tra tòa nhà chịu đựng Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động bão cấp mấy, làm tiền đề cho nhà cấu trúc nghiên cứu cấu trúc tòa nhà Hình 2.3 Mô hình trường Đại học kiến trúc TP HCM ứng dụng khí động học xây dựng quận Không áp dụng cho thủy khí, kiến trúc, xây dựng, ống khí động áp dụng cho thể thao Có lẽ có người hỏi thêm rằng, mà vận động viên nhảy dù họ làm động tác nhào lộn, bay lượn chim bầu trời, họ lại ghép thành vòng đẹp tròn đẹp mắt, việc làm khó mà họ làm được, họ tập luyện công phu biểu diễn Nơi họ luyện tập ống khí động cỡ lớn, cánh quạt tạo gió tạo luồng gió thổi lên phía Hình 2.4 Các vận động viên tập luyện với ống khí động 2.1 Các loại ống khí động Như giải thích trên, ống khí động hay hầm gió mô tả mô hình, thiết bị mô lại diễn biến dòng khí hay chất lỏng theo điều kiện gần giống với điều kiện thực tế Các mô hình, vật mẫu đặt vào khu vực gọi buồng đo, thông thường buồng đo làm suốt để quan sát dòng khí qua vật thể thí nghiệm Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động Có nhiều loại ống khí động khác với trang bị để thí nghiệm khác Tuy nhiên hầm gió cần có phần trang bị buồng nắn dòng, buồng hút, buồng đo, ống khuếch tán quạt gió Các hầm gió lớn đại trang bị thêm cảm biến, phiến hướng dòng, khu vực điều khiển, camera ghi hình… Hình 2.5 Mô hình ống khí động Ống khí động nhìn chung phân loại theo tốc độ dòng khí buồng đo hay phân loại theo hướng chuyển động dòng khí Có hai loại ống khí động hai cấu hình thử nghiệm Tuy nhiên, có nhiều biến thể đặc trưng cụ thể ống khí động khác Hai loại ống khí động kín ống khí động hở Không khí chảy qua ống khí động mạch hở theo đường thẳng từ lối vào qua buồng nắn dòng tới buồng đo ống khuếch tán, phần quạt đầu dòng không khí Ống khí động có buồng đo phần bao rắn (dòng khí hở loại Eiffel) phần bao rắn (dòng khí kín kiểu National Physical Laboratory (NPL)) Hình 2.6 cho thấy sơ đồ ống khí động loại hở với dòng khí kín Hình 2.6 Sơ đồ khu vực thí thí nghiệm với ống khí động loại hở, Diamler-Benz Aerospace Airbus, Bremen, Đức Không khí ống khí động kín, kiểu Prandtl kiểu Gottingen, tuần hoàn liên tục trao đổi với không khí bên Một ví dụ ống Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động khí động mạch kín thể hình 2.7 Đại đa số ống khí động mạch kín có đường không khí trở lại nhất, nhiên biến thể cho ống khí động với nhiều đường quay lại Ống khí động loại kín có phần kiểm tra đóng mở, số xây dựng mà chạy phần thử nghiệm mở đóng, cần cho chương trình thử nghiệm cụ thể Như với thiết kế kỹ thuật nào, có ưu điểm nhược điểm với ống khí động hở ống khí động kín Nói chung, loại ống khí động định dựa chi phí sẵn có mục đích thí nghiệm Hình 2.7 Hầm gió loại kín, Defense Establishment Research Agency @ERA, Bedford, Anh - Ống khí động loại hở + Ưu điểm Giá thành xây dựng rẻ Không phát sinh vấn đề làm cần thí nghiệm với động đốt hay thí nghiệm với dòng khói để quan sát đầu vào đầu dòng khí mở với không khí bên + Nhược điểm Nếu đặt phòng, tùy thuộc vào tỷ lệ ống khí động phòng, cần có màng che để lọc không khí trước vào ống Với kích thước tốc độ, ống khí động cần nhiều lượng để vận hành, đặc biệt thí nghiệm nâng cao Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động Nhìn chung, ống khí động loại hở thường ồn làm việc, cần có biện pháp cách âm khử rung Vì giá thành ban đầu để xây dựng không cao, ống khí động loại hở thường dùng cho trường đại học nơi mà thí nghiệm phục vụ cho môn học, học phần việc nghiên cứu nâng cao chưa cần thiết - Ống khí động loại kín + Ưu điểm Thông qua phiến dẫn dòng chắn, chất lượng dòng không khí kiểm soát Phần quan trọng phụ thuộc vào hoạt động thí nghiệm ảnh hưởng điều kiện thời tiết Cần lượng buồng đo vận tốc gió cụ thể Điều quan trọng thí nghiệm dài ngày (hai ba lần ngày, năm đến sáu ngày tuần) Làm việc êm, gây tiếng ồn + Nhược điểm Giá thành cao nhiều giá ống tuần hoàn phiến dẫn dòng Bị ảnh hưởng điều kiện làm thí nghiệm với động đốt hay dòng khói để quan sát Nếu phải thí nghiệm dài ngày, ống khí động cần phải có trao đổi không khí phương pháp khác để làm mát Bên cạnh có loại ống khí động như: - Ống khí động âm cận âm (dòng khí chuyển động với tốc độ…) - Ống khí động siêu âm - Ống khí động thẳng đứng - Ống khí động cho hàng không, gồm có: + Ống khí động với số Reynolds cao: loại người ta dùng cách để tăng số Reynolds tăng áp suất dòng khí, sử dụng khí nặng Freon hay R-134a, làm lạnh dòng khí, tăng độ chân không để mô không khí độ cao lớn + Ống khí động V/STOL: có kích thước lớn tốc độ dòng khí cần nhỏ + Ống khí động quay: máy bay có xu hướng quay đứng yên không Ống khí động dùng để mô tượng - Ống khí động cho ô tô, gồm có: + Ống khí động mô dòng chảy + Ống khí động mô thời tiết: ống khí động dùng để đánh giá hoạt động hệ thống cửa, hệ thống phanh…dưới điều kiện thời tiết khác Hầu hết nhà sản xuất ô tô lớn có hệ thống ống khí động kiểu Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động - Ống khí động dùng để đo tiếng ồn dòng chảy 2.2 Các cách đo đạc Tốc độ dòng khí áp suất đo nhiều cách khác ống khí động Vận tốc dòng khí qua buồng đo xác định phương pháp Bernoulli Hướng dòng khí xung quanh vật thể xác định cách đặt búi lên bề mặt khí động Để quan sát dòng chảy dùng mũi nhỏ đẩy khói bong bóng khí qua mũi vào dòng chất lưu Các lực khí động tác dụng lên mô hình thường đo cảm biến đo lực, cảm biến kết nối với mô hình thông qua dây Sự phân bố áp suất qua mô hình thí nghiệm thường đo cách khoan nhiều lỗ nhỏ dọc theo chiều chuyển động dòng chất lưu sau dùng hệ thống ống nước để đo áp suất lỗ Tuy nhiên ngày người ta có phương pháp Sơn chịu áp, phương pháp người ta sơn lớp sơn đặc biệt lên bề mặt cần đo, áp suất điểm đo cao, chất huỳnh quang trền bề mặt tối Một phương pháp khác để đo phân bố áp suất dùng dãy các cảm biến, kết nối với thành dây đai Dây sau gắn vào bề mặt cần đo gửi tín hiệu để hiển thị phân bố Các đặc trưng khí động học mô hình thực tế mô hình thí nghiệm hoàn toàn khác Tuy nhiên xem xét quy luật tương đồng để đánh giá khác biệt đặc trưng khí động học 2.3 Các thông số quan trọng cho tương đồng Tiến hành thí nghiệm với mô hình vật thể hoạt động chủ yếu hầu hết ống khí động Tuy nhiên mô hình vật thể thu nhỏ theo tỷ lệ nên cần xem xét ảnh hưởng thu nhỏ thông số quan trọng liên quan Với mục đích đó, cần xem xét hệ số vô hướng xuất phương trình thủy khí Các hệ số chọn tùy theo mục đích thí nghiệm, nhiên hầu hết cần xem xét hệ số yếu tố sau: - Sự tương đồng kích thước: tất kích thước mô hình thí nghiệm phải tương đồng thu nhỏ theo tỷ lệ mô hình thật - Số Mach: tỷ số tốc độ dòng khí so với tốc độ âm mô hình thí nghiệm mô hình thật phải giống (có số Mach hai mô hình không thiết có tốc độ dòng khí) - Số Reynolds: tỷ số lực quán tính độ nhớt Tỷ số khó để thỏa mãn với mô hình thí nghiệm điều dẫn đến cải tiến ống khí động để thay đổi độ nhớt dòng chảy, bù cho tỷ lệ mô hình - Số Froude: tỷ số lực quán tính dòng chảy ngoại lực (trong nhiều trường hợp ngoại lực trọng lực sinh ra) Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động Khi vật thể di chuyển chất lỏng, lực tác dụng tăng dần độ nhớt chất lỏng, tính đàn hồi, quán tính trọng lực Các lực thể trực tiếp qua thuật ngữ khác phương trình Navier-Stokes  ∂v  ρ  + v.∇v ÷ = −∇p + ∇.Τ + f  ∂t  (2.1) Lực quán tính, tương ứng với vế trái phương trình Navier-Stokes, đặc trưng cho khối lượng không khí bị ảnh hưởng gia tốc cho khối lượng không khí Do đó, lượng lớn không khí bị ảnh hưởng vật thể chuyển động, nói lực quán tính kết việc gia tốc cho khối lượng không khí Đặt khối lượng không khí kl3, l chiều dài vật thể k số cho dạng vật thể Từ viết: ρ.l3 V Lực quán tính = (2.2) t Trong ρ khối lượng riêng không khí, V vận tốc vật thể, t thời gian Thay t l/V ta có: ρ.l3 V = ρl V Lực quán tính = l/V Độ nhớt, theo định nghĩa, viết là: Độ nhớt = µ.l.V (2.3) (2.4) Trong μ hệ số nhớt (kg/m.s) Trọng lực đặc trưng cho khối lượng vật thể, hay đặc trưng cho hình khối theo chiều dài Trọng lực viết: Trọng lực = p.l3.g (2.5) Lực đàn hồi viết đơn giản là: Lực đàn hồi = p.l2 (2.6) Vận tốc âm a liên hệ với áp suất khối lượng riêng theo công thức a = Từ ta có: Lực đàn hồi = ρa2l2 Từ tất lực ta có hệ số: (2.7) ρ Hệ số Reynolds = Lực quán tính/Độ nhớt = Vl µ Số Mach = Lực quán tính/Lực đàn hồi = Số Froude = (Lực quán tính/Trọng lực) V a 1/2 = (2.8) (2.9) V2 lg (2.10) p ρ Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Ý kiến khác: ……………………………………………………………………………………… Đề nghị: Được bảo vệ đồ án/ Bổ sung thêm để bảo vệ/ Không bảo vệ Đà Nẵng, ngày tháng năm 201… Người phản biện ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG Độc lập - Tự - Hạnh phúc CÂU HỎI PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I Thông tin chung: Họ tên sinh viên: …….….……………………………………………………… Lớp: …………………….….… Số thẻ SV: ……………………………………… Tên đề tài: ……………………………….………….…………………………… Người phản biện: …………………… …….………… Học hàm/ học vị: ……… II Các câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời ……………….……………….…… ……………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………… …………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Đáp án: (người phản biện ghi vào chấm nộp với hồ sơ bảo vệ) ……………….……………….…… ……………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………… …………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Đà Nẵng, ngày tháng năm 201… Người phản biện TÓM TẮT Tên đề tài: Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động Sinh viên thực hiện: Hồ Duy Vinh Lớp 12C4A MSSV: 103120109 Nguyễn Phi Trường Lớp 12C4A MSSV: 103120103 Nội dung tóm tắt: Trong hoạt động thí nghiệm khí động người ta phải thực thí nghiệm để xác định lực cản gió tác động lên mô hình, vật thể Tuy nhiên việc đo đạc phương tiện di chuyển khó khăn nguy hiểm Từ người ta xây dựng ống khí động để mô tác động lực khí động lên mô hình đặt ống Đề tài tốt nghiệp gồm hai phần: Thiết kê đế ru lô để mô mặt đường xem xét ảnh hưởng chuyển động quay bánh xe đến lực cản tác dụng lên xe Thiết kế điều khiển góc nghiêng cánh máy bay để xác định lực cản lực nâng tác dụng lên cánh góc khác Bên cạnh đó, nhóm tiến hành thí nghiệm nâng cao thí nghiệm thiết kế ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TT Họ tên sinh viên Hồ Duy Vinh Nguyễn Phi Trường Số thẻ SV 103120109 103120103 Lớp 12C4A 12C4A Ngành Kỹ thuật khí Kỹ thuật khí Tên đề tài đồ án: CẢI TIẾN, NÂNG CẤP BỘ THÍ NGHIỆM ỐNG KHÍ ĐỘNG VÀ XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: - Nhiệt độ môi trường: Nhiệt độ môi trường đo cảm biến nhiệt độ hiển thị đồng hồ cảm biến đô tốc độ gió PCE–TA 30 - Hệ số cản xe mô hình nhà sản xuất Nội dung phần thuyết minh tính toán: a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Hồ Duy Vinh Nguyễn Phi Trường Nội dung - Mục đích, ý nghĩa đề tài - Tổng quan ống khí động - Tính toán lực cản tác dụng lên vật thể, xây dựng quy trình thí nghiệm với vật thể b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Hồ Duy Vinh Nguyễn Phi Trường Nội dung - Thiết kế đế ru lô cho xe mô hình - Xây dựng thí nghiệm xác định lực cản xe mô hình - Thiết kế điều chỉnh góc nghiêng cánh máy bay - Xây dựng thí nghiệm xác định lực cản lực nâng cánh máy bay Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Hồ Duy Vinh Nội dung - Bản vẽ tổng thể ống khí động (bản vẽ kết cấu, A3) Nguyễn Phi Trường - Bản vẽ vật mẫu thí nghiệm (bản vẽ chi tiết, A3) - Bản vẽ động (bản vẽ chi tiết, A3) b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Hồ Duy Vinh Nguyễn Phi Trường Nội dung - Bản vẽ kết cấu đế ru lô (bản vẽ kết cấu, A3) - Bản vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển điện tử hiển thị tốc độ quay ru lô (bản vẽ nguyên lý, A3) - Bản vẽ xe mô hình (bản vẽ kết cấu, A3) - Bản vẽ kết cấu điều khiển cánh máy bay (bản vẽ kết cấu, A3) - Bản vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển góc nghiêng cánh máy bay (bản vẽ nguyên lý, A3) - Bản vẽ sơ nguyên lý mạch điện tử hiển thị lực nâng cánh máy bay (bản vẽ nguyên lý, A3) Họ tên người hướng dẫn: Phan Thành Long Phần/ Nội dung: Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 13/02/2017 Ngày hoàn thành đồ án: 28/05/2017 Trưởng Bộ môn Thủy khí-Máy thủy khí TS Phan Thành Long Đà Nẵng, ngày 28 tháng năm 2017 Người hướng dẫn TS Phan Thành Long LỜI NÓI ĐẦU Trong trình học tập suốt năm khoa Cơ khí Giao thông, trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng, chúng em trang bị kiến thức đại cương, chuyên ngành Sau thời gian dài học tập, bảo hướng dẫn tận tình thầy, cô khoa, kỳ học cuối cùng, chúng em thực đồ án tốt nghiệp để củng cố lại kiến thức học tìm hiểu trang bị thêm kiến thức Đề tài tốt nghiệp chúng em chọn là: “Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động” Trong trình thực đề tài, chúng em có hội tiếp xúc, thí nghiệm trực tiếp với ống khí động, thiết bị hữu ích cho thí nghiệm khí động học giới ngày phát triển Việt Nam Đề tài chúng em phát triển từ mô hình ống khí động đề tài tốt nghiệp nhóm sinh viên lớp 11C4LT gồm có Nguyễn Tuấn, Nguyễn Ngọc Hiền, Nguyễn Anh Tuấn, hướng dẫn thầy Huỳnh Văn Hoàng Tuy gặp phải nhiều khó khăn chưa có kinh nghiệm nghiên cứu thực tế với bảo hướng dẫn tận tình thầy Phan Thành Long, chúng em hoàn thành đồ án tiến độ Với đề tài, nhóm chúng em tham gia Nghiên cứu khoa học trao giải Mặc dù cố gắng hoàn thành đồ án nhóm chúng em không tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong có ý kiến đóng góp quý thầy, cô Chúng em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày 28 tháng 05 năm 2017 Nhóm sinh viên Hồ Duy Vinh i Nguyễn Phi Trường LỜI CẢM ƠN Trên thực tế thành công mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập giảng đường đại học đến nay, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ quý Thầy Cô, gia đình bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Khoa Cơ khí Giao thông với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập trường Và đặc biệt học kỳ này, để hoàn thành đồ án tốt nghiệp, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phan Thành Long, người tận tình hướng dẫn chúng em suốt thời gian làm đồ án Sự bảo tận tình chu đáo thầy giúp chúng em hoàn thành mô hình thí nghiệm thuyết minh thời hạn Kế tiếp, chúng em xin cảm ơn thầy Nguyễn Xuân Sơn tạo điều kiện để chúng em làm đồ án phòng thí nghiệm thủy khí, thầy Phùng Minh Nguyên thầy Võ Như Tùng cho chúng em mượn dụng cụ thiết bị cắt, mài trình làm mô đua lời khuyên, góp ý để mô hình chúng em đẹp mắt gọn nhẹ Chúng em xin cảm ơn bạn khoa Cơ khí nhiệt tình giúp đỡ chúng em hoàn thành mạch điện tử chương trình cho mạch điện tử Đồ án được thực khoảng thời gian khoảng tháng Bước đầu chúng em vào tìm hiểu nghiên cứu khoa học xây dựng mô hình thí nghiệm, kiến thức em hạn chế nhiều bỡ ngỡ thiếu sót điều chắn, em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý Thầy Cô bạn học lớp để chúng em rút kinh nghiệm cho thân để sau trường chúng em làm việc tốt Chúng em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày 28 tháng 05 năm 2017 Nhóm sinh viên Hồ Duy Vinh ii Nguyễn Phi Trường CAM ĐOAN Nhóm sinh viên Hồ Duy Vinh, Nguyễn Phi Trường xin cam đoan trình thực hoàn thành đồ án tốt nghiệp không phạm vào hành vi vi phạm liêm học thuật để tạo lợi cho thân người khác học thuật cách bất công bịa đặt, gian lận, đạo văn, giúp người học khác vi phạm Nhóm sinh viên Hồ Duy Vinh iii Nguyễn Phi Trường MỤC LỤC Tóm tắt Nhiệm vụ đồ án Lời nói đầu i Lời cảm ơn ii Lời cam đoan liêm học thuật iii Mục lục iv Danh sách bảng biểu, hình vẽ sơ đồ v Trang Chương MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI Chương TỔNG QUAN VỀ ỐNG KHÍ ĐỘNG Chương NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÁC DỤNG LÊN CÁC VẬT THỂ THÔNG THƯỜNG 25 Chương THIẾT KẾ BỘ ĐẾ RU LÔ ĐỂ THÍ NGHIỆM DÒNG CHẢY QUA XE MÔ HÌNH 30 Chương THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH GÓC NGHIÊNG ĐỂ THÍ NGHIỆM DÒNG CHẢY QUA BIÊN DẠNG CÁNH .71 iv DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật biến tần Schneider Altivar 312 .14 Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật máy đo vận tốc gió PCE TA-30 .16 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật cảm biến đo lực CAS BCA-50L 18 Bảng 2.4 Tính hoạt động cảm biến MPXHZ6400A 19 Bảng 2.5 Đặc tính hoạt động (VS = 5.0 Vdc, TA = 25°C, khoảng nhiệt độ hoạt động 0oC-85oC) 20 Bảng 3.1 Lực cản hệ số cản tác dụng lên vật thể hình đĩa phẳng 26 Bảng 3.2 Lực cản hệ số cản tác dụng lên vật thể hình trụ đứng 27 Bảng 3.3 Lực cản hệ số cản tác dụng lên vật thể hình cầu 28 Bảng 4.1 Thông số Arduino UNO R3 47 Bảng 4.2 Chức chân LCD HD44780 50 Bảng 4.3 Các thông số kỹ thuật Encoder ME-37 56 Bảng 4.4 Giá trị thí nghiệm với xe mô hình Bugatti tần số 15 (Hz), vận tốc gió 7,94 (m/s) 60 Bảng 4.5 Giá trị thí nghiệm với xe mô hình Bugatti tần số 20 (Hz), vận tốc gió 10,63 (m/s) 60 Bảng 4.6 Giá trị thí nghiệm với xe mô hình Bugatti tần số 25 (Hz), vận tốc gió 13,27 (m/s) 61 Bảng 4.7 Giá trị thí nghiệm với xe mô hình Bugatti tần số 30 (Hz), vận tốc gió 16,03 (m/s) 62 Bảng 4.8 Giá trị thí nghiệm với mô hình xe tải tần số 15 (Hz), vận tốc gió 7,94 (m/s) 63 Bảng 4.9 Giá trị thí nghiệm với mô hình xe tải tần số 20 (Hz), vận tốc gió 10,63 (m/s) 64 Bảng 4.10 Giá trị thí nghiệm với mô hình xe tải tần số 25 (Hz), vận tốc gió 13,27 (m/s) 65 Bảng 4.11 Giá trị thí nghiệm với mô hình xe tải tần số 30 (Hz), vận tốc gió 16,03 (m/s) 66 Bảng 5.1 Số liệu biên dạng cánh NACA 0012 77 Bảng 5.2 Số liệu biên dạng cánh SG6043 80 Bảng 5.3 Thông số kỹ thuật servo futaba s3003 88 Bảng 5.4 Các chân chức LCD HD 44780 90 Bảng 5.5 Thông số điều khiển góc nghiêng 91 Bảng 5.6 Thông số kỹ thuật loadcell loại 20kg 92 Bảng 5.7 Thông số kỹ thuật mạch chuyển đổi HX711 ADC 24 bít 93 v Bảng 5.8 Kết trình đo xác định vận tốc trung bình theo tần số 98 Bảng 5.9 Giá trị đo với vận tốc (m/s), Re= 87200 99 Bảng 5.10 Giá trị đo với vận tốc 7,94 m/s, Re = 111375 100 Bảng 5.11 Giá trị đo với vận tốc 10,63 m/s, Re = 148546 100 Bảng 5.12 Giá trị đo với vận tốc 13,27 m/s Re= 185438 100 Bảng 5.13 Giá trị đo với vận tốc 16,03 m/s Re= 224007 101 Bảng 5.14 Giá trị đo với vận tốc m/s, Re= 87200 103 Bảng 5.15 Giá trị đo với vận tốc 7,94 m/s, Re = 111375 103 Bảng 5.16 Giá trị đo với vận tốc 10,63 m/s, Re = 148546 104 Bảng 5.17 Giá trị đo với vận tốc 13,27 m/s Re= 185438 104 Bảng 5.18 Giá trị đo với vận tốc 16,03 m/s Re= 224007 104 Hình 2.1 Mô hình máy bay X-48 thí nghiệm ống khí động, trung tâm nghiên cứu Langley NASA, Hampton, Virginia, Hoa Kỳ Hình 2.2 Mô hình xe đua Pagani Zonda F thí nghiệm ống khí động Hình 2.3 Mô hình trường Đại học kiến trúc TP HCM ứng dụng khí động học xây dựng quận Hình 2.4 Các vận động viên tập luyện với ống khí động Hình 2.5 Mô hình ống khí động Hình 2.6 Sơ đồ khu vực thí thí nghiệm với ống khí động loại hở, Diamler-Benz Aerospace Airbus, Bremen, Đức Hình 2.7 Hầm gió loại kín, Defense Establishment Research Agency @ERA, Bedford, Anh Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo ống khí động thí nghiệm .12 Hình 2.9 Biến tần Schneider Altivar 312 13 Hình 2.10 Sơ đồ khối hoạt động biến tần 14 Hình 2.11 Máy đo vận tốc gió 14 Hình 2.12 Cảm biến đo lực CAS BCA-50L 16 Hình 2.13 Hoạt động màng điện trở biến dạng 17 Hình 2.14 Sơ đồ khối mạch nội tích hợp chip cảm biến áp suất 19 Hình 2.15 Mạch ứng dụng điển hình (hoạt động nguồn ra) 21 Hình 2.16 Tín hiệu đầu cảm biến (Volts) tương ứng với áp suất đầu vào theo đĩa phẳng 21 Hình 2.17 Bảng sai số nhiệt độ 22 Hình 2.18 Bảng sai số áp suất 22 Hinh 3.1 Vật cản hình lăng trụ đứng 25 vi Hình 3.2 Vật cản hình cầu 25 Hình 3.3 Vật cản hình đĩa phẳng .26 Hình 3.4 Đồ thị hệ số cản vật thể hình đĩa phẳng theo tốc độ gió .26 Hình 3.5 Đồ thị hệ số cản vật thể hình trụ đứng theo tốc độ gió 27 Hình 3.6 Đồ thị hệ số cản vật thể hình cầu theo tốc độ gió 28 Hình 4.1 Lớp biên xe bề mặt vỏ ô tô 30 Hình 4.2 Sự biến đổi độ dày lớp biên dọc lớp biên chảy tầng chảy rối so với số Reynold 30 Hình 4.3 Giá trị hệ số ma sát bề mặt lớp biên chảy tầng chảy rối so với số Reynolds 31 Hình 4.4 Bong bóng chảy tầng chuyển đổi từ lớp biên chảy tầng sang lớp biên chảy rối 32 Hình 4.5 Vận tốc dòng khí hệ số áp suất qua vật thể hình bán nguyệt .35 Hình 4.6 Sự thay đổi hệ số áp suất Cp theo biên dạng vỏ xe .36 Hình 4.7 Các dạng lớp biên phương tiện di chuyển đường (A) phương tiện đặt đứng yên hầm gió với tường sàn (B) 37 Hình 4.8 Đo độ dày lớp biên hầm gió hãng GM 38 Hình 4.9 Xe mô hình nâng lên khỏi mặt đường .38 Hình 4.10 Lắp đặt ống hút phía trước xe 39 Hình 4.11 Lắp đặt đĩa hút phía xe .39 Hình 4.12 Mô hình hầm gió hãng Porche 39 Hình 4.13 Lắp đặt ống thối phía xe 40 Hình 4.14 Đặt hai xe đối xứng 40 Hình 4.15 Mô mặt đường băng chuyền 40 Hình 4.16 Ảnh hưởng hệ số Reynolds đến hệ số cản CD 41 Hình 4.17 Ảnh hưởng chuyển động quay bánh xe đến lực cản ô tô .42 Hình 4.18 Mô hình băng tải cỡ nhỏ 42 Hình 4.19 Động Planet 24V 43 Hình 4.20 Các kích thước động .43 Hình 4.21 Các lực tác dụng lên băng tải 44 Hình 4.22 Cách lắp đặt ru lô băng tải .45 Hình 4.23 Arduino UNO R3 .47 Hình 4.24 Bộ vi điều khiển Arduino 47 Hình 4.25 Sơ đồ nối dây LCD HD44780 49 Hình 4.26 I2C 51 Hình 4.27 Sơ đồ giao tiếp I2C 51 vii Hinh 4.28 Kết nối thiết bị vào bus I2C chế độ chuẩn (Standard mode) chế độ nhanh (Fast mode) .51 Hình 4.29 Hướng xung đồng hồ (SCL) hướng dòng liệu (SDA) 52 Hình 4.30 Cách nối chân LCD I2C 52 Hình 4.31 Cách nối dây từ I2C qua Arduino .54 Hình 4.32 Bộ điều khiển tốc độ động 55 Hình 4.33 Encoder quang xung tín hiệu 55 Hình 4.34 Nguyên lý hoạt động encoder từ .56 Hình 4.35 Encoder ME-37 56 Hình 4.36 Mạch đầu 57 Hình 4.37 Các xung đầu 57 Hình 4.38 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hiển thị điện tử .57 Hình 4.39 Mô hình đế ru lô 58 Hình 4.40 Cách lắp đặt xe mô hình lên đế 59 Hình 4.41 Kích thước xe mô hình Bugatti 59 Hình 4.42 Đồ thị hệ số cản xe tần số 15 Hz 60 Hình 4.43 Đồ thị hệ số cản xe tần số 20 Hz 61 Hình 4.44 Đồ thị hệ số cản xe tần số 25 Hz 61 Hình 4.45 Đồ thị hệ số cản xe tần số 30 Hz 62 Hình 4.46 Kích thước mô hình xe tải .63 Hình 4.47 Đồ thị hệ số cản xe tần số 15 Hz 64 Hình 4.48 Đồ thị hệ số cản xe số 20 Hz 65 Hình 4.49 Đồ thị hệ số cản xe số 25 Hz 66 Hình 4.50 Đồ thị hệ số cản xe tần số 30 Hz 67 Hình 4.51 Đồ thị hệ số cản trung bình xe theo tốc độ gió 68 Hình 4.52 Hệ số cản xe tải theo tốc độ gió số vòng quay khác ru lô 68 Hình 4.53 Đồ thị hệ số cản trung bình xe tải theo tốc độ gió 69 Hình 4.54 Hệ số cản xe tải theo tốc độ gió số vòng quay khác ru lô 69 Hình 5.1 Mô khí động học tác dụng lên máy bay 70 Hình 5.2 Biên dạng cánh máy bay chiến đấu 71 Hình 5.3 Hình dạng mép trước biên dạng cánh máy bay thương mại 71 Hình 5.4 Biên dạng cánh đối xứng 71 Hình 5.5 Biên dạng cánh không đối xứng 72 Hình 5.6 Phân bố pá suất ứng suất qua vật thể .72 viii Hình 5.7 Các lực ảnh hưởng lên biên dạng cánh .73 Hình 5.8 Hệ số nâng hệ số cản theo góc α 73 Hình 5.9 Hệ số cản hệ số nâng cánh máy bay NACA 0012, NACA 0009, NACA 0006 .75 Hình 5.10 Biên dạng cánh máy bay NACA 0012 79 Hình 5.11 Mô hình vẽ cánh máy bay NACA 0012 79 Hình 5.12 Mô hình cánh máy bay NACA 0012 80 Hình 5.13 Mô hình vẽ cánh SG6043 82 Hình 5.14 Mô hình cánh tuabin gió SG6043 .83 Hình 5.15 Loadcell 83 Hình 5.16 Đế gá đỡ cánh 84 Hình 5.17 Thân gá đỡ cánh máy bay 84 Hình 5.18 Khớp nối chữ L 84 Hình 5.19 Khớp nối với động .87 Hình 5.20 Servo futaba s3003 88 Hình 5.21 Mạch Arduino 89 Hình 5.22 Màn hình LCD HD 44780 90 Hình 5.23 Kích thước loadcell 20kg 93 Hình 5.24 Mạch chuyển đổi HX711 ADC 24 bít 93 Hình 5.25 Sơ đồ nối dây với mạch chuyển đổi HX711 ADC 24 bít 94 Hình 5.26 Sơ đồ tổng thể cấu điều khiển góc nghiêng 96 Hình 5.27 Đồ thị thể thay đổi lực nâng theo góc nghiêng 101 Hình 5.28 Đồ thị thể thay đổi lực cản theo góc nghiêng 102 Hình 5.29 Đồ thị thể thay đổi lực nâng theo góc nghiêng 105 Hình 5.30 Đồ thị thể thay đổi lực cản theo góc nghiêng 105 ix ... pháp nâng cấp ống khí động có theo hướng tự động hóa Bên cạnh chúng em thực thí nghiệm ống khí động nâng cấp Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động. .. đo lực cản lực nâng tác dụng lên biên dạng cánh theo góc khác Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động Chương NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÁC DỤNG LÊN CÁC... khí qua vật thể thí nghiệm Cải tiến, nâng cấp thí nghiệm ống khí động xây dựng thí nghiệm xác định lực cản khí động Có nhiều loại ống khí động khác với trang bị để thí nghiệm khác Tuy nhiên hầm