Chuong 1 [PDF]

Zitiervorschau

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

1

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

1. Khái niệm khí động lực học ❑ Định nghĩa Khí động lực học (Aerodynamics): là một ngành khoa học nhằm dự đoán, phân tích và kiểm soát các lực và moment tác động lên một vật di chuyển trong bầu khí quyển. Ví dụ: máy bay, khinh khí cầu.

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

2

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

1. Khái niệm khí động lực học ❑ Định nghĩa The word Aerodynamics comes from two Greek words: • Aerios – concerning the air • Dynamis – which means force

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

3

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

1. Khái niệm khí động lực học ❑ Định nghĩa Lực nâng (Lift)

Lực cản (Drag) Lưc ý: Lực nâng là lực vuông góc với dòng khí tới và lực cản là lực song song với dòng khí tới (Lift is defined as the force that is perpendicular to the incoming flow and drag parallel to the incoming flow) GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

4

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

1. Khái niệm khí động lực học ❑ Định nghĩa There are 2 types of aerodynamics: 1.) External Aerodynamics – force of flow effects the body externally 2.) Internal Aerodynamics – force of flow effects the body internally

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

5

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

1. Khái niệm khí động lực học ❑ Định nghĩa

→

U

→

U

Vận tốc vô cùng

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

6

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

1. Khái niệm khí động lực học ❑ Định nghĩa

→

U

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

7

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

1. Khái niệm khí động lực học - Hai hệ trục tọa độ sử dụng, một là hệ trục toạ độ mặt đất được dùng để phân tích các chuyển động của tàu bay như là một hệ trục tọa độ quán tính (Inertial coordinate system); một hệ trục khác đặt trên tàu bay và được dùng như là hệ trục tọa độ của tàu bay (Body coordinate system).

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

8

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

1. Khái niệm khí động lực học

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

9

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

1. Khái niệm khí động lực học ❑ Vai trò ▪

▪ ▪ ▪

Nghiên cứu khả năng tạo lực nâng trong quá trình chuyển động của tàu bay Lực cản nhỏ nhất đảm bảo tiêu tốn năng lượng ít nhất Nghiên cứu về các loại moment trong quá trình hoạt động của tàu bay Trợ giúp các hoạt động trong quá trình bay.

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

10

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

1. Khái niệm khí động lực học AERODYNAMICS

❑ Phân loại A. Continuum flow

B. Low-density and free-molecule flows

C. Viscous flow

E. Incompressible flow

Fundamentals of Aerodynamics, Anderson, page 68

G. Subsonic flow

D. Inviscid flow

F. Compressible flow

H. Transonic flow

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

I. Supersonic flow

J. Hypersonic flow 11

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

1. Khái niệm khí động lực học ❑ Số Mach (Mach number): M = V a

a: vận tốc âm thanh (speed of sound)

- Ở nhiệt độ 15oC, tại cao độ mực nước biển, a là 340.3 m/s. - Tuy nhiên, a này không phải là 1 hằng số. Nó là một số phụ thuộc vào nhiệt độ, bởi:

a =  RT

- Số Mach là một số vô thứ nguyên. - Phân loại chế độ dòng chảy theo số Mach: ▪ Dòng chảy dưới âm, không nén được ▪ Dòng chảy cận âm

0  M  0.3 0.3  M  0.8 0.8  M  1.2

▪ Dòng chảy trên âm ▪ Dòng chảy siêu âm

1.2  M  5 5 M

▪ Dòng chảy dưới âm, nén được

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

12

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

1. Khái niệm khí động lực học ❑ Phân loại

(a) Subsonic flow

M∞ < 0.8

M >1

0.8Height = 0 ft = 53 Hpa

280 Ft

QNE = 1013 Hpa FL = 1780 Ft

1013 Hpa

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

3. Bầu khí quyển (The atmosphere) ❑ Cao độ

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

34

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

2. Các đại lượng đặc trưng cho KDLH ❑ Cao độ - Barometric Altimeter: là một dụng cụ cho phép xác định áp suất tĩnh của không khí. Thủy ngân thường được sử dụng trong Barometer. Để xác định cao độ của tàu bay, ta có dùng Hg – Barometer.

Hg - Barometer

P =  Hg g hHg

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

Aneroid Barometer

35

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

3. Bầu khí quyển (The atmosphere) ❑ Cao độ

BAROMETER GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

ALTIMETER 36

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

2. Các đại lượng đặc trưng cho KDLH ❑ Nhiệt độ (Temperature): - Được dùng như là một thước đo đánh giá sự chuyển động giữa các phân tử bên trong lưu chất. Đóng vai trò quan trọng đối với dòng chảy ở tốc độ cao - Đơn vị đo nhiệt độ chuẩn trong hệ SI: Kelvin (oK)

9 TF = TC + 32 5 TK = TC + 273.15 =

5 (TF + 459.67 ) 9

TR = TF + 459.67 - Nhiệt độ khí quyển thay đổi đáng kể theo cao độ. Gọi T0 là nhiệt độ khí quyển ở cao độ mặt nước biển, T là nhiệt độ khí quyển ở cao độ T bất kỳ, ta có:

=

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

T0 37

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

2. Các đại lượng đặc trưng cho KDLH ❑ Khối lượng riêng (Density):

Mass = Unit volume Gọi  là khối lượng riêng của không khí, và 0 là khối lượng riêng của khí tiêu chuẩn ở cao độ mặt nước biển, ta có:

 = 0

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

38

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

2. Các đại lượng đặc trưng cho KDLH ❑ Khối lượng riêng (Density):

Khối lượng riêng của không khí theo nhiệt độ (nguồn Wikipedia)

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

39

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

2. Các đại lượng đặc trưng cho KDLH ❑ Tính nhớt (Viscosity): - Là thước đo sức cản của lưu chất dưới tác động của ứng suất trượt (shear stress).

- Còn được gọi là lực cản bên trong của lưu chất (Internal friction of fluid). Lưu chất lý tưởng là lưu chất không có tính nhớt. - Newton đã đưa ra định đề về tính nhớt của lưu chất như sau: đối với dòng chảy thẳng, song song và đồng nhất, ứng suất trượt  giữa các lớp của dòng chảy sẽ tỉ lệ thuận với gradient vận tốc theo hướng vuông góc với các lớp này, u : hệ số nhớt động lực học  =

y

(Dynamic viscosity)

- Độ nhớt động học (Kinematic viscosity):

 = 

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

40

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

2. Các đại lượng đặc trưng cho KDLH ❑ Tính nhớt (Viscosity): - Đơn vị của độ nhớt động học là Pascal-second (Pa.s) với:

1 Pa.s = 1 kg/ms 1 Poise = 0.1 kg/ms; 1 cP = 0.001 kg/ms - Đơn vị của độ nhớt động lực học là Stokes với: 1 stokes = 100 centistokes = 0.00001 m2/s 1 centistokes = 1 mm2/s - Đối với không khí, tính nhớt phụ thuộc phần lớn vào nhiệt độ. Theo đó, tính nhớt sẽ tăng khi nhiệt độ tăng. Độ nhớt của không khí ở 15oC là:  = 1.78 × 10-5 kg/ms.

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

41

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

2. Các đại lượng đặc trưng cho KDLH ❑ Tính nhớt (Viscosity): - Ta có thể dùng công thức thực nghiệm của Sutherland3 sau: T +C  T   = 0 0   T + C  T0 

3

T 2  = C1 T + C2

2

(*)

với: C1 = 1.458  10-6 (kg/ms) C2 = 110.4 (K)

(nguồn Wikipedia)

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

(*) valid for temperature between 0 < T < 555 K with an error due to pressure less than 10% below 3.45 MPa 42

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

2. Các đại lượng đặc trưng cho KDLH ❑ Số Reynold (Reynold number):

Vl Vl Re = =   ρ: khối lượng riêng lưu chất V: Vận tốc đặc trưng của dòng lưu chất L: chiều dài đặc trưng của dòng lưu chất µ: độ nhớt động lực học của môi trường 𝜈: độ nhớt động học của môi trường

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

43

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

3. Bầu khí quyển (The atmosphere) - Bầu khí quyển bao gồm không khí với khoảng 78% là Nitơ, 21% là Oxi, và khoảng 1% là các chất khí khác (trong đó hơi nước thuộc về nhóm này).

- Phần lớn các hiện tượng liên quan đến khí động học trên tàu bay đều được khảo sát trong môi trường không khí được giả định là đồng nhất (homogeneous gas). Và khi đó ta có thể áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng: GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

44

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

3. Bầu khí quyển (The atmosphere) ▪

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng:

p =  RT

 p: atmospheric pressure (N/m 2 ) trong ρ: air density (kg/m 3 ) đó,  R: specific gas constant (for dry air: R = 287.053 J/kg.K)  T: absolute temperature ( o K) 

- Theo điều kiện bầu khí quyển tiêu chuẩn, các đặc tính của bầu khí quyển ở cao độ mực nước biển tiêu chuẩn (mean sea-level properties of atmosphere) là: go = 9.806 (m/s2)

po = 1.013×105 (N/m2)

To = 15 oC = 288.15 oK

o = 1.225 (kg/m3)

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

45

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

3. Bầu khí quyển (The atmosphere) Bầu khí quyển được phân chia theo cao độ bao gồm: • Tầng đối lưu • Tầng bình lưu. • Tầng giữa • Tầng nhiệt quyển Đối với các dòng tàu bay "subsonic" ta chỉ quan tâm đến hai vùng của bầu khí quyển, đó là: vùng đối lưu (Troposphere) có cao độ trung bình 11,000 m tính từ mực nước biển chuẩn, và vùng đối lưu (Troposphere) hoặc bình lưu (Stratoshpere) tùy vĩ độ có cao độ trong khoảng từ 11,000 m đến 20,000m. GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

46

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

3. Bầu khí quyển (The atmosphere) - Sự thay đổi của nhiệt độ, áp suất và khối lượng riêng của không khí ứng với bầu khí quyển tầng đối lưu: (h  11000 m)

▪ Nhiệt độ

T = T1 + λ o ( h − h1 )

với λ o = −0.0065 ( K/m) o

θ=

T = 1 − 2.2558  10−5 h To

Ở cao độ trên 11,000 m, nhiệt độ gần như không thay đổi và có giá trị khoảng Tref = 216.65 oK

▪ Áp suất

p T =  p1  T1 

−g

λo R

 λ  =  1 + o ( h − h1 )   T1 

−g

λo R

p δ= = θ5.2565 R = 287 J/kg.K po

▪ Khối lượng riêng ρ T =  ρ1  T1 

 −  1+ g λ o R  

 λo  =  1 + ( h − h1 )   T1 

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

 −1+ g λ o R  

ρ σ= = θ 4.2565 ρo 47

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

3. Bầu khí quyển (The atmosphere) - Sự thay đổi của nhiệt độ, áp suất và khối lượng riêng của không khí ứng với bầu khí quyển tầng bình lưu: (11000 m  h  20000 m) Lấy cao độ tham chiếu là cao độ 11000 m, ta có:

θ ref

Tref = = 0.75189 To

δ ref

p ref = = θ5.2565 = 0.2233 ref po

σ ref

ρ ref = = θ4.2565 = 0.2970 ref ρo

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

T θ= = 0.75189 To − g( h −11,000 ) p R.Tref δ= = 0.2233  e po − g( h −11,000 ) ρ R.Tref σ= = 0.2970  e ρo

48

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu Z 3. Bầu khí quyển (The atmosphere) 6000 m

1 hPa = 15,5 m. (51 Ft) 4000 m

1013,25 Hpa 1 hPa = 12,5 m. (41 Ft)

2000 m

1 hPa = 8,5 m. (28 Ft)

0m 472 hpa

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

616 hpa

795 hpa

1013 hpa

P. 49

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

3. Bầu khí quyển (The atmosphere) Z

32 km

Mesopause

Inversion 20 km

Mesosphere

Stratopause

Isothermal 11 km

Stratosphere

15° C

Tropopause

- 6,5° every 1000 m.

Troposphere

- 2° every 1000 Ft 0

-100°

-80°

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

-60°

-40°

-20°

0°

20°

40°

T° 50

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

3. Bầu khí quyển (The atmosphere) ▪ Bài tập: Tìm áp suất và khối lượng riêng ở cao độ 10.000 m và 20.000 m trong bầu khí quyển tiêu chuẩn.

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

51

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

3. Bầu khí quyển (The atmosphere)

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

52

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

4. Các loại vận tốc trên tàu bay - VIAS: là vận tốc hiển thị bởi thiết bị đo (Indicated airspeed). Vận tốc này xác định từ độ chênh áp suất ghi nhận từ thiết bị đo, sau đo quy về điều kiện khí quyển tiêu chuẩn ở cao độ mặt biển (Standard sealevel air), và bỏ qua các sai số do thiết bị đo, do vị trí đặt thiết bị, cũng như do tính nén được của không khí.

VIAS

 2 ( PT − P )  =   0  

1

2

- VCAS: là vận tốc hiển thị bởi thiết bị đo sau khi đã được hiểu chỉnh để khử/giảm các sai số do thiết bị đo và sai số do vị trí đặt thiết bị đo gây ra (Calibrated airspeed).

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

53

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

4. Các loại vận tốc trên tàu bay - VEAS: là vận tốc VCAS sau khi đã được hiểu chỉnh để xét đến các ảnh hưởng của tính nén được của không khí (Equivalent airspeed). Cụ thể từ phương trình Bernoulli cho lưu chất nén được, ta suy ra:

   −1 2  PT − P = P  1 + M   2   



 −1

 − 1 (*)   

Hệ số áp suất điểm dừng (stagnation pressure coefficient): γ   γ − 1 P − P ( ) 2  PT 2  γ − 1 2   T  C Po = = − 1 = 1 + M − 1     2 2 1 ρV 2 γM  P γM  2    2  

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

54

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

4. Các loại vận tốc trên tàu bay Đối với dòng không nén được, khối lượng riêng và nhiệt độ của dòng khí được giả thiết là không đổi trong cả trường chuyển động của nó. Tuy nhiên, khi vận tốc tàu bay tăng lên, sự thay đổi áp suất lớn hơn được tạo ra dẫn đến sự nén của các phần tử lưu chất, là nguyên nhân làm gia tăng nội năng của dòng mà thể hiện rõ nhất là sự tăng nhiệt độ. 1 1 2 2 PT -P = ρ0 VCAS = C Po ρ0 VEAS 2 2 GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

CPo

M

2 EAS

V

( a h=0 )

2

γ   γ 2  γ − 1 2  −1  = 1 + M  −1  γ  2   

where

M=

VIAS a h=0 55

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

4. Các loại vận tốc trên tàu bay - VTAS: là vận tốc VEAS sau khi đã được hiểu chỉnh để xét đến các ảnh hưởng của sự thay đổi khối lượng riêng của không khí theo cao độ (True airspeed). Đây chính là vận tốc thực của tàu bay.

VEAS VTAS = σ

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

56

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

4. Các loại vận tốc trên tàu bay - Xác định vận tốc tàu bay bằng ống Pitot được thực hiện như sau: ống Pitot cho phép đo áp suất dừng (P0, Stagnation pressure) gây ra do chuyển động về phía trước của tàu bay và áp suất tĩnh (P, Static pressure) của khí quyển.

 2 ( PT − P )  1 2 PT = P + V  V =   2   

1

2

Với phương pháp đo này ta thấy vận tốc tàu bay phụ thuộc vào độ chênh áp suất và khối lượng riêng. Ngoài ra, độ chính xác của nó còn phụ thuộc vào thiết bị đo sử dụng, vào vị trí đặt ống Pitot, ảnh hưởng của tính nén được của không khí.

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

57

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

4. Các loại vận tốc trên tàu bay

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

58

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

4. Các loại vận tốc trên tàu bay - VGS: Ground speed: tốc độ thực tế của tàu bay khi nhìn từ mặt đất. Ground speed là VTAS tính đến ảnh hưởng của gió. • Gió xuôi (tailwind): VGS tăng

VGS = VTAS + Vwind • Gió ngược (headwind): VGS giảm

VGS = VTAS − Vwind GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

59

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

4. Các loại vận tốc trên tàu bay Ground Speed = True Air Speed ± Wind Component

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

60

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

4. Các loại vận tốc trên tàu bay - Relative wind: vận tốc gió tương đối - là hướng di chuyển của các phần tử lưu chất (không khí) so với máy bay. Relative wind sẽ song song với hướng dịch chuyển của máy bay nhưng ngược chiều.

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

61

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

4. Các loại vận tốc trên tàu bay - Số Mach: là tỉ số giữa TAS và vận tốc âm thanh.

V M= a

a =  RT

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

62

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

4. Các loại vận tốc trên tàu bay ̶

Ảnh hưởng độ cao trong tầng đối lưu (troposphere): với số Mach

̶

không đổi khi PA   TAS  Ảnh hưởng độ cao trong tầng bình lưu (stratosphere):

với số

̶

Mach không đổi khi PA   TAS = constant

Ảnh hưởng của nhiệt độ: với số Mach không đổi khi Temp   TAS 

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

63

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

5. Các loại lực trên tàu bay

Pilot Handbook - FAA

GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

64

Học viện Hàng Không Việt Nam – Khoa Không lưu

5. Các loại lực trên tàu bay Lift is the force that acts at a right angle to the direction of motion through the air. Lift is created by differences in air pressure.

Weight is the force of gravity. It acts in a downward direction— toward the center of the Earth. GVHD: Nguyễn Ngọc Hoàng Quân

65