Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy.

Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy.

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tiến sỹ của tôi – NCS Lê Thị Thái, chuyên ngành Cơ chất lỏng – với đề

tài “Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy” đã hoàn thành

trong thời gian quy định bốn năm và đạt được các kết quả đề ra Nội dung thực hiện

luận văn đã giúp tôi nâng cao khả năng tự nghiên cứu trong quá trình ứng dụng và phát

triển khoa học kỹ thuật

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Quang và TS Lê Thanh Tùng, người

hướng dẫn trực tiếp cho tôi làm và hoàn thành các nội dung của đề tài Những lời

khuyên, hướng dẫn bổ ích của các thầy đã định hướng và giúp tôi tiếp cận tốt hơn với

nội dung của đề tài

Tôi xin cảm ơn các Thầy Cô Viện Cơ Khí Động Lực, các bộ môn thuộc Viện Cơ

Khí Động Lực đã tạo điều kiện tra cứu tài liệu, đóng góp ý kiến cho tôi hoàn thành tốt

luận văn của mình

Xin cảm ơn trung tâm thí nghiệm xâm thực trường Đại học Đại dương quốc gia,

Đài Loan đã tạo cơ hội cho tôi được thực nghiệm

Hà Nội, ngày 30 tháng 07 năm 2013

Nghiên cứu sinh

Lê Thị Thái

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn tiến sỹ đề tài “Nghiên

cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy” đều do tôi tự thực hiện hoặc

đồng thực hiện dưới sự hướng dẫn chính của PGS.TS Lê Quang và TS Lê Thanh Tùng

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ dùng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu nào khác Không hề có sự sao chép, gian lận kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Hà Nội, ngày 30 tháng 07 năm 2013

Nghiên cứu sinh

Lê Thị Thái

1.2 Tổng quan về các phương pháp số dự đoán xâm thực 13

Chương 2: Nghiên cứu, khảo sát dòng chảy bao chân vịt tàu thủy 29

2.1 Chân vịt và đặc tính làm việc của chân vịt tàu thủy 30

Chương 3: Nghiên cứu, mô phỏng dòng xâm thực qua chân vịt 56

3.3.2 Tính toán dòng qua hệ thống chân vịt – bánh lái 80

Chương 4: Khảo sát thực nghiệm đặc tính xâm thực của chân vịt 85

4.1 Khảo sát các dạng thiết bị phục vụ cho thực nghiệm 85

PHỤ LỤC : Code chương trình tính toán số về mô hình xâm thực 2D

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

A : Diện tích bề mặt cánh

Ac : Diện tích vùng xâm thực

Cw : Hàm mặt cong siêu xâm thực

Cx, Cy, Cz : Hệ số lực theo 3 phương x,y,z

VRef : Vận tốc tham chiếu

VS1, VS2, VS3 : Thành phần vận tốc trong hệ thống tham chiếu không trực giao

g : Hàm ngầm định cho bề mặt siêu xâm thực

(i,j,k) : Vector vận tốc đơn vị xâm thực tham chiếu cho vật thể cố định

lC : Chiều dài xâm thực

SO : Chiều dài cung tại điểm tách xâm thực

(S1,S2,S3) : Hệ tọa độ không trực giao

δ : Chiều dài tại điểm kết thúc xâm thực

η : Chiều dày xâm thực

η0 : Hiệu suất chân vịt

ηω : Chiều dài siêu xâm thực

Vl : Thể tích pha lỏng

Vv : Thể tích pha hơi

LỜI MỞ ĐẦU

LÝ DO NGHIÊN CỨU, MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

Khái niệm về xâm thực đã trở thành quen thuộc đối với chuyên môn nghiên cứu

trong hệ thống thiết bị đẩy Người đầu tiên quan sát thấy những đốm trắng không phải

là không khí lọt qua thủy tinh khi nghiên cứu về vòng xoáy (Newton 1704) Nhưng

phải đến khi phát hiện ra sự xuất hiện bọt khí ở chân vịt làm giảm tốc độ của tàu thủy

(Reynolds 1873, Barnaby và Pasons 1893), các nghiên cứu về sự hình thành của xâm

thực mới bắt đầu được quan tâm Năm 1895, tên “Xâm thực – Cavitation’ được các

nhà khoa học chính thức đặt tên cho hiện tượng xuất hiện các bọt khí hay khoang rỗng

trong lòng chất lỏng khi có sự suy giảm áp suất cục bộ dưới áp suất hơi bão hòa

Hệ thống thiết bị đẩy khi làm việc trong chất lỏng đều có khả năng bị xâm thực

Quan sát quá trình xâm thực xảy ra trên cánh dưới dạng tập hợp của nhiều profil có thể

thấy quá trình xâm thực thông thường như sau: Ban đầu các bọt khí nhỏ xuất hiện ở

đầu cánh, vùng bọt khí xâm chiếm không đáng kể Chân vịt tiếp tục quay, các bọt khí

theo đuổi nhau tách khỏi mặt đầu cánh và lơ lửng trong chất lỏng một thời gian ngắn

Khi chân vịt quay với tốc độ giới hạn nhất định hiện tượng sủi bọt có thể bao trùm cả

mặt hút của cánh và các bọt khí từ đây thoát ra liên tục Nếu vận tốc quay và vận tốc

tịnh tiến của chân vịt tăng lên nữa, hiện tượng sủi bọt có khả năng lây sang cả mặt đẩy

Khi xâm thực phát triển trong thiết bị dẩy tàu thủy, điều kiện làm việc ổn định

của thiết bị thường bị phá vỡ gây mất cân bằng, suy giảm hiệu suất và năng suất, gây

rung động và tiếng ồn Đặc biệt, hiện tượng ăn mòn xâm thực có thể xảy ra mãnh liệt

và phá hủy bề mặt chi tiết Mỗi một dạng thiết bị, một điều kiện làm việc hay chất lỏng

làm việc khác nhau, xâm thực có thể xảy ra ở cường độ và trạng thái hoàn toàn khác

nhau Bài toán xâm thực càng trở nên phức tạp khi có sự ảnh hưởng của nhiệt độ, hàm

lượng khí khó hòa tan, hoạt chất hóa học,… đòi hỏi phải nghiên cứu mang tính liên

ngành Sự phong phú, đa dạng và chịu ảnh hưởng nhiều tham số khiến cho việc nghiên

cứu xâm thực luôn là vấn đề khó khăn và thú vị đối với các nhà khoa học Mặt khác để

tiến hành thực nghiệm xâm thực trên hệ thống thiết bị đẩy tàu thủy cần xây dựng giá

thí nghiệm chuyên dụng, camera quan sát tốc độ cao (triệu ảnh/giây) và các thiết bị đo

Lời mở đầu

đồng bộ Do vậy tác giả luận án lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu hiện tượng xâm thực

bao quanh chân vịt tàu thủy” áp dụng cho các bài toán nghiên cứu điển hình về xâm

thực trong hệ thống thiết bị đẩy tàu thủy Phương pháp mô phỏng số động lực học

dòng chảy được áp dụng trong nghiên cứu, phân tích đặc tính xâm thực.Kết quả lý

thuyết được kiểm nghiệm bằng kết quả thực nghiệm Những kết quả của luận án

hướng tới ứng dụng vào thực tế công nghiệp đóng tàu cũng như xây dựng cơ sở dữ

liệu về xâm thực cho dạng chân vịt phổ biến ở nước ta

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Việc nghiên cứu các hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy có ý nghĩa

khoa học, ứng dụng vào việc xây dựng cơ sở lý thuyết cho quá trình thiết kế sản phẩm,

tạo điều kiện thuận lợi cho nhà thiết kế phân tích, lựa chọn chế độ hoạt động của chân

vịt trong khi thiết kế

Kết quả đề tài có ý nghĩa thực tiễn áp dụng cho việc dự báo sự hình thành xâm thực

trên bề mặt chân vịt, đặc tính về động lực học và đánh giá hiệu suất làm việc tương

ứng của nó ở một số chế độ vận hành khác nhau Các nội dung nghiên cứu của đề tài

góp phần củng cố luận cứ khoa học cho quá trình thiết kế, sử dụng hiệu quả vào khai

thác tàu

Việc ứng dụng tính toán mô phỏng trên máy tính bằng phương pháp tiên tiến cho

phép tiết kiệm thời gian thiết kế, giảm kinh phí đầu tư cho chế tạo và thử nghiệm

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Các chỉ tiêu, thông số động lực học dòng chảy và ảnh hưởng của chúng đến sự

hình thành xâm thực và các thông số đặc tính của chân vịt là yêu cầu quan trọng trong

quá trình nghiên cứu,

Để thực hiện nội dung đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu một số vấn đề sau:

 Nghiên cứu về hiện tượng xâm thực xuất hiện khi chân vịt hoạt động

 Nghiên cứu các phương pháp tính toán số được ứng dụng trong bài toán dòng

qua chân vịt không xâm thực và có xâm thực

 Thiết lập các bài toán dòng qua chân vịt bằng các phương pháp khác nhau như

phương pháp RANS, LES và phương pháp truyền thống trong thiết kế chân vịt

tàu thủy

 Thiết lập chương trình thực nghiệm để khảo sát đặc tính xâm thực của chân vịt

tàu thủy So sánh kết quả mô phỏng số với thực nghiệm

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

Nghiên cứu được thực hiện dựa trên cơ sở lý thuyết cơ học chất lỏng và lý thuyết

cánh Tác giả xây dựng mô hình tính toán khác nhau để mô phỏng dòng xâm thực và

không xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy thông qua phần mềm ANSYS Fluent dựa

trên nền tảng Computational Fluid Dynamics (CFD) xây dựng đặc tính chân vịt, dự

đoán, đánh giá xâm thực trên chân vịt và ảnh hưởng của nó đến hiệu suất làm việc của

chân vịt

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành cho mẫu chân vịt mô hình tại phòng thí

nghiệm xâm thực chuyên ngành tàu thủy, trường Đại học Đại dương Quốc gia, Đài

Loan Kết quả thực nghiệm kiểm chứng cho các bài toán lý thuyết mô phỏng trên

BỐ CỤC LUẬN ÁN

Luận án bao gồm phần mở đầu, phần kết luận-kiến nghị và bốn chương:

Chương 1.Tổng quan

Trình bày khái quát về hiện tượng xâm thực, trình bày khái quát về các phương

pháp số dự đoán xâm thực trên cơ sở thống kê của tổ chức ITTC Phân tích, đánh giá

một số công trình nghiên cứu đã có của các tác giả nước ngoài có liên quan đến đề tài

luận án Từ đó nêu những vấn đề còn tồn tại và những vấn đề mà luận án tập trung

nghiên cứu, giải quyết

Chương 2.Nghiên cứu, khảo sát dòng chảy bao chân vịt tàu thủy

Giới thiệu về chân vịt tàu thủy và các thông số đặc tính làm việc của chân vịt

Thiết lập cơ sở lý thuyết tính toán để trên cơ sở đó khảo sát dòng chảy qua chân vịt tàu

thủy bằng phương pháp số Kết quả của bài toán này sẽ đưa ra những nhận định về khả

năng làm việc của chân vịt với các chế độ hoạt động khác nhau

Chương 3 Nghiên cứu, mô phỏng dòng xâm thực qua chân vịt tàu thủy

Lời mở đầu

Với việc sử dụng phương pháp LES trong OpenFoam và phương pháp RANS

trong ANSYS FLUENT để thiết lập bài toán dòng chảy xâm thực bao chân vịt ở dạng

2D và 3D đã dự đoán được xâm thực hình thành trên cánh chân vịt – bánh lái tàu và

xây dựng được đặc tính chân vịt tàu theo nồng độ bọt khí trong nước

Chương 4 Khảo sát thực nghiệm đặc tính xâm thực chân vịt

Khảo sát các thiết bị phục vụ cho thực nghiệm trên cơ sở đó tiến hành thiết lập

phương án và chương trình thực nghiệm bằng phương pháp đánh giá hình ảnh để dự

đoán xâm thực

Xâm thực là sự phá hủy tính liên tục của chất lỏng kèm theo việc xuất hiện trên mặt vật thể các hốc chứa đầy hơi nước hoặc không khí Xâm thực xuất hiện ở những điểm mà tại đó áp suất cục bộ giảm đáng kể khi chất lỏng chuyển động cụ thể :

- Theo quan điểm vật lý : muốn gián đoạn thì p < 0 khi đó xuất hiện xâm thực

- Thực tế : Khi áp suất chất lỏng nhỏ hơn trị số áp suất hơi bão hòa p<pbh thì tại điểm đó hình thành hốc chứa đầy hơi nước và không khí

Đề cập đến sự xâm thực động lực học, tức là sự xâm thực tại các dòng chảy chất lỏng bao gồm các dòng chảy qua các vòi phun Venturi, tại các lối đi hẹp như các van nước hoặc dòng chảy xung quanh mạn tàu hoặc các chân vịt

Tuy nhiên hiện tượng xâm thực cũng có thể xảy ra trong chất lỏng tĩnh hoặc gần như tĩnh Khi một trường áp suất dao động được ứng dụng trên bề mặt trống của một chất lỏng được đựng trong một bể chứa, các bong bóng xâm thực sẽ xuất hiện trong phạm vi phần lớn chất lỏng nếu biên độ dao động đủ lớn Kiểu xâm thực này được biết đến như một sự xâm thực âm học

Một ví dụ thêm của hiện tượng xâm thực trong một chất lỏng hầu như không chuyển động là gia tốc lớn và đột ngột của một vật thể đặc với các cạnh sắc như một chiếc đĩa vi tính nằm trong nước phẳng lặng Các bóng hơi có thể xuất hiện gần các mép này hầu như liên tục trong khi vận tốc của chính chất lỏng giữ nguyên không đổi

Chương 1: Tổng quan

Định nghĩa của sự xâm thực trên giới thiệu khái niệm của một ngưỡng áp suất ở dưới thấp mà lực liên kết chất lỏng không còn được đảm bảo nữa Một cách ý tưởng, ngưỡng này sẽ được xác định từ các cân nhắc vật lý trên một giới hạn vi mô Xem xét đến trạng thái thực tế của kiến thức khoa học, cùng với sự cần thiết của các giải pháp thực tiễn đối với các hệ thống công nghiệp phức tạp, sẽ có ích hơn khi nó chỉ liên quan đến các thuộc tính chất lỏng ở tầm vĩ mô

Một cách tổng quát thì xâm thực xuất hiện khi áp suất của chất lỏng tại nơi nào

đó bao quanh cánh nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa, khi đó những phần tử lỏng ở sát thành

và lân cận sẽ tách ra tạo thành các đám bọt gọi là túi hơi xâm thực Ứng với mỗi chế

độ vận hành khác nhau các túi hơi này sẽ có đặc điểm riêng từ đó có tên gọi khác nhau

Xâm thực là một hiện tượng phổ biến trong chất lỏng Khi vận tốc dòng lớn có nguy cơ xảy ra xâm thực Nó thường xảy ra trong nhiều thiết bị thủy lực như tuabin, bơm cánh dẫn, chân vịt tàu thuỷ,… trong các trường hợp đó xâm thực thường là hiện tượng không mong muốn mà ta nên tránh hoặc là điều chỉnh chúng sao cho phù hợp Tuy nhiên một vài trường hợp mà xâm thực có lợi chẳng hạn trong các ứng dụng về y học …

Khi xâm thực xảy ra thì điều kiện tiên quyết phải là đạt đến áp suất tới hạn và xuất hiện các phần tử xâm thực Một vùng áp suất bằng hoặc thấp hơn áp suất hơi là điều kiện cho sự chuyển pha Nhưng nếu các phần tử xâm thực đó bao gồm bóng hơi nhỏ thì dòng chất lỏng có thể chịu đựng được áp suất âm rất cao mà không xảy ra xâm

thực Nước sạch là một ví dụ Lượng phần tử nước và thời gian mà các phần tử này đạt được áp suất thấp là cần thiết cho sự xâm thực

Khi xâm thực xảy ra, xâm thực sẽ phát triển và di chuyển cho tới khi miền áp suất cao đạt được, sau đó xâm thực sẽ co lại với một tốc độ rất cao, cao hơn cả tốc độ phát triển và cuối cùng nó bị xẹp rồi biến mất

1.1.3 Điều kiện xuất hiện xâm thực

Xét dòng chảy bao profil ngâm trong nước như hình 1.1:

Hinh 1.1: Dòng chảy bao profil

Trong đó: V , p là vận tốc và áp suất của dòng ở xa vô cùng

1,2 là hai điểm nằm trên cùng một đường dòng

Áp dụng phương trình Becnuly cho hai điểm 1 và 2 ta được:



2 1

22

p g

V p g

1 2 2 1

12

1

2

1

2 2

p

p bh



Đặt :

Chương 1: Tổng quan

2 1 1

Vậy điều kiện để xuất hiện xâm thực là:  K

1.1.4 Phân loại xâm thực

 Các dạng dòng chảy xâm thực

Hình 1.2: Sơ đồ phân loại xâm thực

Phân loại theo trạng

thái

Xâm thực sơ khai

(incipient cavitation) Xâm thực triệt tiêu

(desinent cavitation)

Xâm thực phát triển (developed cavitation)

Siêu xâm thực (supercavitation)

Phân loại theo trực

Xâm thực dạng mây (cloud cavitation)

Một vài kiểu xâm thực có thể được khảo sát trong chân vịt tàu thủy thể hiện trên hình 1.3 Các kiểu đó có thể được phân chia thành hai dòng chính Loại đầu liên quan đến xâm thực xuất hiện trên bề mặt cánh Phụ thuộc vào nguồn phát sinh nó được gọi là xâm thực dạng tấm, xâm thực dạng bọt hoặc xâm thực dạng mây Một họ khác xét đến xâm thực xuất hiện trong cấu trúc rối của dòng, bao gồm xâm thực xoáy đỉnh, xâm thực xoáy bầu, xâm thực xoáy thân (hull vortex cavitation) và xâm thực khe (gap cavitation) (cho chân vịt trong ống đạo lưu), phụ thuộc vào vị trí của xoáy

Sự biến đổi của xâm thực trong một vòng quay chân vịt là nguyên nhân do chân vịt nằm trong sự thay đổi vận tốc dòng chảy xuất hiện do vệt nước sau tàu và độ nghiêng của trục và do thay đổi cột áp tĩnh[1]

Hình 1.3: Các dạng xâm thực xẩy ra trên chân vịt tàu thủy

Xâm thực dạng tấm

Xâm thực này thường ở mép vào của cánh chân vịt trên mặt hút Nó xuất hiện khi các vùng hút lớn tạo thành gần mép vào của cánh Điểm tách xâm thực xảy ra khi dòng phân chia làm tăng góc tới hoặc giảm áp suất bao quanh khi đó xâm thực lớn dần theo hướng dây cung và sải cánh Thông thường nó xuất hiện với một lớp màng mỏng và trơn trong dòng chảy tầng Nếu xâm thực xuất hiện ở gần bề mặt cánh thì được gọi là xâm thực riêng phần (xâm thực cục bộ) và nếu gần vùng sau mép ra của

Peterson, 1980, Yamaguchi Kato, 1983 và Franc Michel, 1985)

Hinh 1.8: Xâm thực dạng mây trên cánh thủy động

 Xâm thực dạng xoáy:

Các dạng xoáy của xâm thực thường xảy ra trong vùng có áp suất thấp tại mép

ra từ chân cho đến đỉnh cánh Xoáy ở chân cánh tạo ra từ các hạt xoáy làm tăng xoáy dọc trục dưới ảnh hưởng của độ côn của củ chân vịt Xâm thực phải xảy ra ở bên trong

Chương 1: Tổng quan

lõi những xoáy rất mạnh Xâm thực dạng xoáy ở đầu cánh cũng được xem xét tại một vài điểm ở dưới đầu cánh chân vịt hoặc nó sẽ bám vào cánh Sự tồn tại của cả xoáy ở đầu cánh và xâm thực dạng tấm thường xuyên xảy ra dẫn đến một trường hợp xảy ra đối với chân vịt: Xâm thực cục bộ sẽ phát triển thành xâm thực xoáy đầu cánh Với chân vịt có độ xoắn lớn thì điểm tách của các xoáy đầu cánh đó sẽ di chuyển dọc theo

từ mép cánh vào tới bán kính nhỏ hơn, gây ra dạng xâm thực xoáy vào mép cánh

Việc đo vận tốc trong một xoáy đỉnh (Fruman và cộng sự, 1992) đã chỉ ra rằng vận tốc tiếp tuyến của xoáy không xâm thực có thể đạt tới 1.5 lần tốc độ của dòng chảy ổn định cho một lõi nhớt đường kính nhỏ hơn 0.02 m Vận tốc hướng trục trong xoáy có thể gấp hai lần vận tốc dòng ổn định cho số Reynolds cao và bằng một nửa tốc

độ dòng ổn định cho số Reynolds thấp hơn

Những hiện tượng đó dẫn đến một dòng xoáy đỉnh phức tạp Xoáy xâm thực tương ứng với sự bốc hơi của lõi xoáy Một xoáy xâm thực có thể trông giống một sợi dây thừng xoắn hoặc một dải ruy băng xoắn Khi xâm thực tấm và xâm thực xoáy cùng xuất hiện trên cánh, nó thường sẽ rất khó để phân biệt giữa hai loại[1]

Hình 1.9: Xâm thực xoáy chân vịt tàu thủy

Dạng xâm thực thông thường nhất của chân vịt và cánh thủy động là dạng xâm thực xoáy tấm và xâm thực xoáy đầu cánh Một chân vịt mà hoạt động sau thân tàu trong trường của dòng theo thì sẽ sinh ra các điều kiện mà thường khó kéo theo xâm thực dạng tấm với một khoảng thời gian nhất định trong quá trình chân vịt quay Trong nhiều trường hợp dòng theo thường có môt thành phần vận tốc dọc trục gần vị trí đỉnh trên trong mặt phẳng quay của chân vịt làm thay đổi tải trọng của cánh chân vịt Điều này sẽ kéo theo sự xuất hiện xâm thực dạng tấm, xâm thực cục bộ hoặc siêu xâm thực cùng với xoáy đầu cánh mà có gây ra xâm thực Nếu sự giảm vận tốc xảy ra tại vị trí trên của chân vịt thì sẽ xảy ra sự co lại và sự sẹp đi của xâm thực Kết quả là sự ăn mòn, tiếng ồn, dao động áp suất và sự rung lắc sẽ nảy sinh, điều quan trọng là phải dự đoán được các hiện tượng xảy ra để có thể điều kiển được nó

1.2 Tổng quan chi tiết về các phương pháp số dự đoán xâm thực

1.2.1 Phương pháp số

Chương 1: Tổng quan

Khái niệm phương pháp số[24]

Các phương pháp số là các kỹ thuật mà một bài toán được thiết lập sao cho chúng có thể được giải bằng các phép toán số học

Mặc dù có rất nhiều phương pháp số được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhưng chúng đều có chung một đặc điểm đó là: Chúng luôn bao hàm một số lượng lớn các phép tính số học

Các phương pháp số và phạm vi áp dụng

Nhìn chung các phương pháp số có thuật giải được tiến hành theo các bước sau:

- Xấp xỉ các biến của dòng chảy chưa biết bằng phép lấy trung bình của các hàm đơn giản

- Rời rạc hóa bằng cách thế các xấp xỉ này vào các phương trình tổng quát và thực thi các thuật toán toán học một cách liên tiếp

- Giải các phương trình đại số

Điểm khác biệt chính giữa các phương pháp dựa trên cách thức tiến hành mà các biến của dòng chảy được xấp xỉ và quá trình rời rạc hóa

a) Phương pháp vi phân hữu hạn(Finite Difference Method)

Phương pháp này mô tả các biến của bài toán dòng chảy bằng cách lấy trung bình các giá trị tại các điểm nút trong mạng lưới tọa độ Khai triển chuỗi Taylor đã chặt cụt thường được dùng để tạo ra một xấp xỉ vi phân hữu hạn của các biến đó theo các điểm đã biết trước thông tin (các giá trị biên) tại mỗi điểm lưới và các phần tử ngay cạnh nó Các đạo hàm xuất hiện trong phương trình tổng quát được thay thế bởi các vi phân hữu hạn để tạo ra một phương trình đại số cho các giá trị của biến đó tại mỗi mắt lưới Smith (1985) đã đưa ra một cái nhìn sâu sắc về tất cả các vấn đề liên quan đến phương pháp này

b) Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

Phương pháp này sử dụng các hàm phân đoạn (tuyến tính bậc một hoặc bậc hai) được áp dụng cho các phân tử để mô tả các biến thiên cục bộ của các biến dòng Phương trình tổng quát thỏa mãn bởi phép giải chính xác Nếu các hàm xấp xỉ phân

thiểu hóa theo một vài cách thức bằng cách nhân chúng với một hệ các hàm trọng số rồi lấy tích phân Kết quả là chúng ta có được một hệ các phương trình đại số cho các

hệ số chưa biết của các hàm xấp xỉ Lý thuyết phần tử hữu hạn bắt đầu được pháp triển cho việc phân tích ứng suất kết cấu Một nghiên cứu đặc trưng cho các ứng dụng trong

kỹ thuật chất lỏng là nghiên cứu của Zienkiewicz và Taylor (1991)

c) Phương pháp phổ (SpEctral Methods)

Phương pháp này xấp xỉ các biến dòng bằng cách lấy trung bình hóa chuỗi Fourier bị chặt cụt hoặc chuỗi đa thức Chebyshev Không giống như hai phương pháp

ở trên, các xấp xỉ không phải là cục bộ nhưng được áp dụng cho toàn miền tính toán Một lần nữa, chúng ta thay thế các biến trong phương trình tổng quát bằng các chuỗi

số đơn giản Sự ràng buộc dẫn đến các phương trình đại số cho các hệ số của chuỗi Fourier hoặc Chebyshev được tạo ra bởi khái niệm số dư trọng số tương tự như phương pháp phần tử hữu hạn hoặc bằng cách tạo ra một hàm xấp xỉ trùng với nghiệm chính xác tại một số mắt lưới Ta có thể tìm hiểu thêm thông tin về các phương pháp đặc biệt này trong các tài liệu của các tác gia như Gottlieb và Orszag (1977)

Ngoài ra chúng ta có biết thêm một phương pháp nữa, đó là phương pháp thể tích hữu hạn Về căn bản phương pháp thể tích hữu hạn được phát triển theo cách giống như phương pháp vi phân hữu hạn dạng đặc biệt

d, Phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method)

Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến cho các bài toán dòng lưu chất có trong phần mềm thương mại như PHOENICS, FLUENT, FLOW3D và STAR-CD Thuật toán số ở đây bao gồm các bước sau:

- Tích phân các phương trình tổng quát của dòng lưu chất trên tất cả các phân tử thể tích (hữu hạn) của miền tính toán

- Rời rạc hóa bao hàm việc thay thế các biến xấp xỉ dạng vi phân hữu hạn cho các hạng tử trong phương trình tích phân mô tả tính chất của dòng chảy như đối lưu, khuyếch tán và các nguồn Điều này sẽ đưa các phương trình tích phân về một hệ các phương trình đại số

- Giải các phương trình đại số bằng các phương pháp vòng lặp

Việc tích phân khối là điểm khác biệt căn bản so với các phương pháp khác Ngoài ra, mối tương quan rõ ràng giữa thuật toán số và định luật bảo toàn chính là

Chương 1: Tổng quan

điểm nổi bật chính của phương pháp thể tích hữu hạn và tạo cho các khái niệm của nó trở nên đơn giản hơn nhiều so với các phương pháp còn lại Chúng ta có công thức tổng quát dạng chữ như sau:

[Tốc độ biên thiên của biến trong phần tử thể tích theo thời gian]= [thông lượng của biến do sự đối lưu bên trong phần tử] + [thông lượng của biến do sự khuếch tán bên trong phần tử] + [tốc độ sinh biến bên trong phần tử]

1.2.2 Phương pháp mặt nâng[1]

Trong những năm gần đây, một số nhà nghiên cứu mở rộng phương pháp lực nâng bề mặt để phân tích siêu xâm thực trong chân vịt (Yamasaki & Ikehata, 1994, Kudo & Ukon, 1994, Ukon et al., 1994, Kudo & Kinnas, 1995, Ukon et al., 1995, Ando et al., 1998, and Kinnas et al.,1998) Một xu hướng khác đó là các nhà nghiên cứu chuyển sự chú ý của họ tới phương pháp phẩn tử biên ( Kinnas Fine, 1992, Kim

et al., 1995, and Mueller and Kinnas, 1997) Một số nhà nghiên cứu (Hsiao Pauley, 1998) cũng bắt đầu sử dụng phương pháp RANS để phân tích đặc điểm xoáy đầu của chân vịt như là một cố gắng ban đầu dẫn tới việc dự đoán xâm thực xoáy đầu Dù sao, phương pháp lực nâng bề mặt vẫn được sử dụng rộng rãi cho phân tích xâm thực cánh Theo thời gian tính toán tương đối ngắn và đơn giản,vì thế những phương pháp này thường được kết hợp vào hệ thống CFD phức tạp hơn để phân tích tương tác thân tàu/chân vịt và trong chương trình tối ưu hoá thiết kế chân vịt

Ưu điểm của phương pháp lực nâng bề mặt với phương pháp phần tử biên và phương pháp RANS là :

- Thời gian tính toán ngắn hơn, cho phép đánh giá nhanh và hiệu quả, và cải thiện hiệu suất xâm thực cánh mà chỉ sử dụng máy tính cấu hình thấp;

triển và điều chỉnh đúng đắn qua ứng dụng thực tế trong thời gian dài;

Mặt khác, còn có những hạn chế rõ ràng của phương pháp lực nâng bề mặt :

cánh;

- Giới hạn khả năng để mô hình hóa chi tiết dòng chảy phức tạp chi phối bởi ảnh hưởng của tính nhớt, ví dụ hình thành xoáy, hiện tượng tách thành,v.v…

như KT và KQ , có thể chính xác hơn so với phương pháp phần tử biên hay RANS Sự phát triển vừa phải của xâm thực tấm dừng và không dừng có thể được dự đoán với lượng chính xác vừa đủ (Lee, 1979, Ishii, 1992 và Szantyr, 1994) Những dự đoán trong dòng không đồng nhất đưa ra độ chính xác giống nhau (Lee, 1979 và Szantyr, 1994) Thiết kế và phân tích về siêu xâm thực ở chân vịt có thể được thực hiện với hiệu quả hợp lý (Kudo & Ukon, 1994, và Ukon et al., 1994) Dự đoán về sự khởi đầu xâm thực và xoáy đầu xâm thực phụ thuộc rất nhiều vào việc điều chỉnh trong thực nghiệm Szantyr (1994) chỉ ra rằng phương pháp số/ phương pháp thực nghiệm có thể

dự đoán về xâm thực tấm và xâm thực xoáy đỉnh cánh trong mô hình chân vịt với độ chính xác hợp lý theo sơ đồ sau:

Hình 1.10 So sánh dự đoán xâm thực bằng phương pháp mặt nâng[1]

 Mô hình xâm thực: Hầu hết các phương pháp lực nâng bề mặt hiện tại chỉ

dùng với xâm thực tấm (Lee, 1979, and Ishii, 1992) Kinnas Fine (1989) mở rộng phương pháp của Lee (1979) bằng cách thêm vào một sự lựa chọn cho việc quy định

sự tách rời khoang hoặc đường dòng của mép vào cánh Nó chỉ ra rằng việc dự đoán thể tích khoang giảm khi điểm tách thành di chuyển phía dưới của mép vào cánh Kudo Kinnas (1995) đề xuất mô hình xâm thực cho siêu xâm thực điển hình, tiết diện cánh có một sự kết hợp của khu vực ướt hoàn toàn, một phần tạo khoang với tách thành tại mép vào, và khu vực siêu xâm thực trên một cánh Gần đây hơn, Kinnas et al (1998) phát triển một thuật toán để nghiên cứu điểm tách biệt của khoang ứng dụng

Chương 1: Tổng quan

cho siêu xâm thực hay xâm thực từng phần Vùng tách biệt được xác định dựa trên

Hình 1.11: Mô hình xâm thực từng phần và siêu xâm thực[1]

 Phát triển phương pháp: Từ khi Lee (1979) đi tiên phong trong phát triển

phương pháp số lực nâng bề mặt dòng không dừng để phân tích xâm thực chân vịt tàu thủy, việc cải tiến tiếp tục được diễn ra trong nhiều năm để mô hình dòng chảy vật lý chính xác hơn Gần đây, sự phát triển bao gồm việc mở rộng phương pháp lực nâng bề mặt để phân tích siêu xâm thực, và tích hợp với hệ thống phân tích CFD tinh vi hơn hoặc hệ thống thiết kế tối ưu hóa

 Kết luận: Phương pháp lực nâng bề mặt có thể dự đoán việc mở rộng xâm

thực tấm ở mép vào với độ chính xác đầy đủ trong một dải chân vịt, bao gồm cả siêu xâm thực chân vịt Độ chính xác của việc dự đoán thể tích xâm thực không thể đánh giá được do thiếu dữ liệu thực nghiệm Dự đoán về xâm thực xoáy đầu và trung tâm và xâm thực bóng khí nằm ngoài khả năng hiện nay của hầu hết các phương pháp lực nâng bề mặt mặc dù thực nghiệm điều chỉnh có thể cho phép dự đoán sự bắt đầu xâm thực tấm và xâm thực xoáy đầu

1.2.3 Phương pháp phần tử biên[1]

Áp dụng phương pháp phần tử biên lần đầu tiên được đưa ra cho dòng xâm thực cục bộ trong cánh 2D vào năm 1987, được sử dụng với mô hình có thành giới hạn và

bề mặt xâm thực sẽ xảy ra cho tới khi các điều kiện biên về động lực học và động học

đã thỏa mãn bằng cách sử dụng số xâm thực như một biến Sau đó dựa trên thế của

Một số tác giả khác đã tính toán cho dòng siêu xâm thực trên cánh 3D bằng cách sử dụng phương pháp phần tử biên đó và đã mở rộng phương pháp này cho xâm thực cục

Hàng loạt các sự phát triển và hoàn thiện các ứng dụng của phương pháp BEM cho dòng xâm thực trên chân vịt, các chân vịt bị rỗ, chân vịt xâm thực bề mặt, tương tác gây xâm thực giữa chân vịt và bánh lái, các mô hình xâm thực xoáy đầu cánh cũng

đã được các tác giả nghiên cứu

 Lý thuyết cơ bản:

Phương pháp dựa trên thế năng cho chân vịt không xâm thực dựa trên công thức Green, nơi mà giá trị thế năng tại một trường điểm p(x) được thể hiện với phân bố

nguồn và lưỡng cực trên bề mặt vật thể và phân bố lưỡng cực trên bề mặt dòng theo

Trong trường hợp xâm thực, nguồn nên được phân bố tốt trên bề mặt xâm thực Bề mặt biên trong một chân vịt xâm thực được chỉ ra ở hình sau

Hình 1.12: Bề mặt biên trên chân vịt xâm thực[1]

Với giả định độ dày xâm thực nhỏ, xâm thực được dự đoán ở bề mặt cánh trong trương hợp xâm thực một phần chân vịt và cả bề mặt cánh và bề mặt dòng theo cho siêu xâm thực chân vịt Do đó điều chỉnh công thức Green cho thế năng rối trên bề mặt vật thể là:

q n

q q

p G dS

q n

q q p G n

q p G q

G(p,q)=1/R(p,q),và q(x’) là điểm mà điểm kì dị được phân bố

Phương pháp dựa trên vận tốc sử dụng phân bố xoáy và nguồn trên bề mặt biên, với cường độ điều chỉnh để đáp ứng điều kiện biên Điều kiện biên được đáp ứng trong trường vận tốc thay vì sử dụng công thức Green Có nhiều cách để đáp ứng điều kiện biên bằng cách chọn nhiều loại điểm kì dị khác nhau, bằng phương pháp khác nhau, như là phương pháp nguồn, phương pháp xoáy, và phương pháp kết hợp xoáy và nguồn được phân biệt

 Mô hình xâm thực: Lý thuyết dòng tự do được dùng để tính bài toán xâm

thực cánh, nơi mà bề mặt xâm thực được đại diện bởi dòng áp suất không đổi Dòng tự

do hợp lý đại diện đặc điểm của xâm thực tấm

Vùng hình thành xâm thực được nghiên cứu bằng thực nghiệm trên cánh 2D và vật thể bán cầu (Arakeri, 1975, van der Meulen, 1980, and Franc & Michel, 1985) Tương quan giữa điểm tách thành lớp biên và điểm tách thành xâm thực được hình thành tốt trong trường hợp này Tuy nhiên, trong phương pháp số, một vài điều tra thực hiện tương tác vật lý, chỉ xem xét với trường hợp 2D Cho tính toán chân vịt, hầu hết phương pháp số đơn giản giả định rằng điểm hình thành xâm thực được đặt tại mép vào cánh (Caponnetto Brizzolara, 1995) hoặc tại vùng áp suất thấp nhất trong dòng không xâm thực Một giả định rằng độ cong của bề mặt xâm thực tại điểm tách thành

là liên tục với độ cong của cánh tại cùng một điểm (điều kiện Brillouin- Villat )

Yamaguchi Kato (1983) giới thiệu một quy trình lặp để xác định vị trí hình thành xâm thực cho cánh 2D Điểm hình thành xâm thực ban đầu được đặt tại điểm tách lớp biên tính toán cho dòng không xâm thực Sau khi hình dạng xâm thực ban đầu được xác định, sự phát triển lớp biên mới được tính toán sử dụng giá trị áp suất mới trên profil và bề mặt cánh Điểm hình thành xâm thực sau đó đi chuyển tới điểm tách thành mới Quá trình được lặp lại cho tới khi điểm tách thành mới và cũ nhỏ hơn giá

trị quy định Muller Kinnas (1997), and Franc Michel (1985) áp dụng quá trình tương tự để xác định điểm hình thành xâm thực cánh 2D

Rowe Blottiaux (1993) tóm tắt mô hình xâm thực đưa ra trong hình sau

Hình 1.13: Mô hình xâm thực trên profil cánh[1]

Hình a, biểu diễn một mô hình gần với thông thường nơi mà xâm thực gần với

bề mặt cánh

Hình b, mô hình khép kín với gần dòng theo, là một phiên bản được cải thiện

của mô hình khép kín thông thường Bằng cách thêm vào vùng gần dòng theo đằng sau

vùng xâm thực, mâu thuẫn của áp suất còn lại tại điểm kết thúc xâm thực được loại bỏ

Tuy nhiên, từ khi đặc điểm của gần dòng theo chưa được định nghĩa, mô hình này trở

nên thực tế hơn so với những mô hình khác Mô hình này được sử dụng bởi Lemonier

& Rowe (1998) và Kinnas & Fine (1993)

Hình c, là một mô hình mở nơi mà độ dày của xâm thực tương quan với cấu trúc của vết xâm thực Độ dày đuôi có thể được áp đặt hoặc liên quan với những điều kiện khác

Hình d, mô hình của Yamaguchi Kato (1983) là một sự cải thiện của mô hình

mở Nếu độ dài xâm thực được định nghĩa khi vùng áp suất là hằng số, tính toán độ dài xâm thực là quá ngắn khi so sánh với quan sát thực nghiệm Do đó, vùng sụt giảm được thêm vào độ dài khoang xâm thực bằng cách giả định sự sụt giảm của bong bóng đơn

Chương 1: Tổng quan

 Kết quả tính toán: Những phương pháp số khác nhau sử dụng chương trình ở trên được ứng dụng cho phân tích xâm thực cánh, cánh bơm và cánh chân vịt tàu thủy Nhiều trong số chúng vẫn đang trong giai đoạn phát triển với sự tôn trọng sự chứng thực các phương pháp

Phương pháp BEM cho phép dự đoán tin cậy đặc tính của chân vịt trong dòng không đều Giải pháp số cơ bản cho việc phân tích dòng không xâm thực không chỉ chính xác trong việc sử dụng cho các mô hình hình học phức tạp mà còn hiệu quả trong các ứng dụng chu trình lặp để đưa ra hình dạng xâm thực

Mueller & Kinnas (1997) sử dụng phương pháp BEM dựa trên hàm thế để dự đoán xâm thực theo thời gian trên một chân vịt với dòng không đối xứng Mô hình xâm thực phi tuyến đã được lập trình với một mã code có sử dụng mô hình kín với đuôi xâm thực Nó cũng đã cho phép mô tả đường tách xâm thực, nó được tính như là đường áp suất nhỏ nhất Chiều dày xâm thực đã được tính toán, đường tách xâm thực

đã được hiệu chỉnh cho đến khi kết quả chiều dày xâm thực dương tại mọi điểm trên vùng xâm thực và áp suất trên bề mặt cánh lớn hơn áp suất hơi Việc dự đoán xâm thực sẽ thực hiện tại các vùng khác nhau trên bề mặt cánh để so sánh với các hình ảnh trong quá trình thực nghiệm Kết quả tính toán khá gần với kết quả thực nghiệm trừ vùng đỉnh cánh, nơi mô hình xâm thực xoáy đỉnh cánh cần được mô phỏng đặc tính dòng một cách rõ ràng

 Kết luận: Sự dự đoán một cách chính xác và đạt hiệu quả trong tính toán cho

các mẫu xâm thực là đóng góp đáng kể của phương pháp BEM Tuy nhiên, phương pháp này chỉ sử dụng cho xâm thực tấm còn đối với xâm thực bọt, đám mây, đỉnh cánh, xâm thực bầu chân vịt chưa được mô hình hóa một cách rõ ràng

1.2.4 Phương pháp Euler, RANS và dòng hai pha[1]

Việc sử dụng phương pháp RANS và Euler cho mô phỏng chân vịt trong trường hợp phi xâm thực vẫn được khoa học phát triển Việc tính toán dựa trên dòng chảy dừng Việc phát triển mô phỏng chân vịt từ điều kiện chảy dừng sang không dừng nơi

mà chân vịt mô phỏng trong khối trụ với điều kiện dòng chảy thay đổi đòi hỏi siêu máy tính về cả bộ nhớ và tốc độ Rất ít các tính toán được thực hiện do giá thành, kích

cỡ và sự phức tạp Đối với mô phỏng xâm thực đòi hỏi chất lượng tính toán cao và kết quả tính toán phải dựa trên kích thước lưới lớn với không gian lưới thích hợp để phù hợp với tính toán dòng chảy trong khu vực quan trọng, bao gồm cả vùng xâm thực

Ứng dụng duy nhất được biết đến từ những phương pháp dự báo này cho chân vịt tàu thuỷ là dự báo xâm thực sơ khai sử dụng các tiêu chuẩn về áp suất cũng như dạng bọt khí rời rạc Việc mở rộng sang nghiên cứu cho chân vịt vẫn chưa được xem xét một cách đáng kể, ngoại trừ các vấn đề xâm thực chân vịt có kèm theo điều kiện không ổn định

 Phương pháp dự đoán xâm thực:

Phương pháp mô phỏng xâm thực dựa trên phương pháp Euler và RANS chia thành 4 nhóm

lỏng và hơi được dựa trên áp suất ban đầu tiêu chuẩn và được theo dõi để xác định xâm thực

tính toán được thực hiện như dòng chất lỏng nhớt nén được, khối lượng riêng thay đổi nhiều Vùng bên trong và bên ngoài xâm thực được xử lý như miền liên tục đơn lẻ và thể tích được biểu thị bằng tỉ lệ rỗng

đơn lẻ hoặc nhiều bọt khí phát triển và nổ khi chúng đi qua vùng áp suất

Quan diểm của Chen và Heister(1994a,1994b), trong khi kỹ thuật CFD được sử dụng cho dòng một pha, chúng vẫn khó khăn để dự đoán dòng chảy trong khu vực xuất hiện hơi Kể cả lý thuyết cơ học của xâm thực trong vùng này cũng không được hiểu rõ ràng (Rood 1991) và sự xuất hiện xâm thực thường được phụ thêm hiện tượng rối trong vùng xâm thực với các hiện tượng phức tạp Do đó mô phỏng dòng xâm thực không dễ như với dòng 1 pha Phần đầu của túi khí được xác định theo thời gian Phần

ở đuôi bọt khí thì không xác định do vùng này tăng theo áp suất chất lỏng từ đó hình thành bọt khí nhỏ ở vùng áp suất thấp Vùng này được đặc trưng bởi 2 pha, quá trình không dừng trong việc hình thành và phá vỡ của bọt khí: xác định vùng phân biệt giữa chất lỏng và hơi vùng đầu và giữa của bọt khí, tuy nhiên ở phía sau thì không có sự phân chia rõ ràng Vùng này phụ tuộc vào tốc độ tăng áp bên ngoài, số Reynol và rối Các hiện tượng vật lý trong khu vực này cần được tìm hiểu khi mà áp suất tại vùng này không bằng áp suất hơi chất lỏng trong vùng 2 pha này được bao quát bởi phá vỡ của bọt khí ở phần đầu Khi mà động học của sự phá vỡ bọt khí không được hiểu rõ ràng, không cần thử giải quyết chúng với các giải thuật

Dupont và Avellan (1991) suy luận một ứng suất pháp lớn trên bề mặt túi khí từ thực nghiệm và đề xuất điều kiện không trượt phù hợp hơn như 1 điều kiện biên Họ kết luận rằng sự khác nhau giữa thực nghiệm và dự đoán là do cấu trúc xoáy không dừng đơn lẻ tạo bởi mép sau của túi khí Đề xuất này bao hàm cả xâm thực không dừng là cần thiết để hiểu hoàn toàn dòng xâm thực, kể cả nếu dòng chảy là dừng và không đổi

 Kết luận: Euler, RANS, two-phase flow code vẫn mới chỉ áp dụng cho giai

đoạn đầu tính toán xâm thực ở chân vịt tàu thủy Những phương pháp này mới chỉ

được sử dụng để tính toán xâm thực cho chân vịt ở dòng chảy dừng Cần sự phát triển tiếp trước khi áp dụng với dòng không dừng.

Kết luận

Phương pháp lực nâng bề mặt trở nên phổ biến với những hạn chế đã biết để tính toán xâm thực cho chân vịt Hiện tại sự phát triển của phương pháp lực nâng bị hạn chế để xác định siêu xâm thực ở chân vịt

Phương pháp phần tử biên phát triển cho việc dự đoán xâm thực ở chân vịt, nó

sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai Ở thời điểm này phương pháp này vẫn có những hạn chế nhất định

Euler, RANS và phương pháp 2 pha vẫn trong giai đoạn mới phát triển cho dự đoán xâm thực ở chân vịt Những phương pháp được dùng chính cho việc mô phỏng chân vịt khi không xâm thực với dòng chảy dừng Cần có sự phát triển thêm nữa để ứng dụng với dòng không dừng có xâm thực

Sự phát triển đáng chú ý của RANS trong việc dự đoán dòng xoáy ở đỉnh cánh với dòng dừng RANS code sẽ được ứng dụng để dự đoán xâm thực sơ khai xoáy đỉnh cánh trong tương lai gần

Cho đến thời điểm này chưa có sự định lượng các phương pháp tính toán hiệu quả mà đang áp dụng

1.3 Một số kết quả nghiên cứu về xâm thực chân vịt tàu thủy[1]

Trên thế giới đã công bố nhiều công trình nghiên cứu về xâm thực thiết bị đẩy tàu thủy hay máy cánh nói chung Vào những năm 1980 1990 các nghiên cứu chủ yếu

là đo đạc thực nghiệm nhưng các kết quả đã minh chứng khá rõ ràng cho lý thuyết dòng xâm thực trên cánh như:

- Phân biệt các loại xâm thực, điều kiện để xuất hiện các loại xâm thực này theo số xâm thực và góc đặt cánh của tác giả Franc và Michel công bố năm 1985;

- Nghiên cứu về đường tách dòng đã được khảo nghiệm, với biên dạng profile hoặc bán cầu có sự tương quan lớn giữa dải xâm thực và sự tồn tại của lớp

Chương 1: Tổng quan

biên xâm thực cùng sự xuất hiện của phân chia lớp biên (Arakeri, 1975, Van

de Meulen, 1980, Shen Peterson, 1980, Yamaguchi Kato, 1983 và Franc & Michel, 1985)

- Một vài nhà nghiên cứu đã tính đến sự phân bố thực của các nhân tự do vào

mô phỏng xâm thực Meyer và cộng sự (1992) đã sử dụng mô phỏng Monte Carlo để tính toán sự phát triển của bọt trong ống Schiebe Họ nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính bọt ban đầu và khoảng cách từ ống, sử dụng phương trình Rayleigh-Plesset và quỹ đạo chuyển động của bọt được tính toán bằng phương pháp tương tự của Johnson Hsieh (1966) Một hàm phân bố xác suất chuẩn đã được sử dụng cho tính toán, một phương trình xác suất tồn tại để tìm bọt tại bất kỳ khoảng cách độc lập nào Họ cho thấy rằng sự khởi nguồn của bọt xâm thực chịu ảnh hưởng lớn vào vị trí của vật

- Kodama và công sự (1979) đã khảo nghiệm được ảnh hưởng của nhân tự do đến sự khởi đầu của xâm thực Mô phỏng số của họ cũng sử dụng phương trình Johnson Hsieh (1966) cho quỹ đạo chuyển động của bọt và phương trình Rayleigh – Plesset cho sự lớn lên và tiêu hủy của bọt Họ thấy rằng bán kính bọt lớn nhất hầu như không phụ thuộc vào bán kính nhân ban đầu, nhưng phụ thuộc rất lớn vào khoảng cách đến trục tâm của biên dạng cánh profile đối xứng Sự khác biệt giữa kết quả thực nghiệm và tính toán số là do

số lượng và kích cỡ của bọt xâm thực trên biên dạng lá cánh được cho là có hiệu ứng khuếch tán, do ảnh hưởng của sự tác động lôi kéo và do đánh giá thiếu chính xác số lượng bọt tự do có trong chất lỏng

- Lebreuilly và cộng sự (1998) cũng sử dụng phương trình Rayleigh – Plesset

và luật thống kê mô tả số lượng nhân trong chất lỏng để tính toán xâm thực bọt và nhiễu căn nguyên cho biên dạng cánh profile trong không gian hai chiều Họ cho thấy rằng tăng số lượng đường dòng trong mô phỏng số sẽ cho kết quả gần hơn với kết quả đo kích thước trung bình thực tế của bọt như một hàm của khoảng cách từ cạnh dẫn cánh đến đường dòng

- Chahine và Duraiswami (1998) đã khảo sát sự tương tác giữa bọt xâm thực

và một cấu trúc xoáy sử dụng một cặp phần tử biên – phương pháp phần tử xoáy Họ cho thấy rằng động lực học của bọt bị ảnh hưởng bởi sự xuất hiện

- Yu và công sự (1995) đã sử dụng phương trình Navier – Stokes để tính toán

sự tiến triển và suy thoái của bọt trong dòng chảy trượt gần vách

- Arn và công sự (1998) đã tính toán hiệu suất của một tua bin Francis bị xâm thực Khảo sát thấy rằng bọt xâm thực gắn với cánh một cách liên tục, họ giả định rằng áp suất bề mặt cánh tại điểm có bọt xâm thực bị thay đổi và bằng

Pv Áp suất cục bộ tính toán được được điều chỉnh bởi xác suất thống kê tương ứng với điểm dưới bọt khí Bán kính bọt khí tại mỗi điểm được tính toán trên cánh được tính toán bằng cách giải phương trình Rayleigh – Plesset Công thức thu được cho phép đánh giá hiệu suất tua bin khá chính xác

- Chahine Duraiswami (1992) phát triển một phương pháp phần tử biên 3D

để tính toán động học của “mây” bọt khí Thí nghiệm số học đã chỉ ra ảnh hưởng của tác động lẫn nhau giữa các bọt khí lên động lực học của các mây

đa bọt khí

- Ứng dụng thực tế các phương pháp trên vào chất lỏng thực yêu cầu phải được phát triển hơn nữa Các mảng quan trọng cho những nghiên cứu trong tương lai bao gồm động lực học của thể đa bọt di chuyển dọc theo cánh chân vịt và tương tác với lớp biên, và phòng sự tấn công phá hủy

1.4 Phạm vi áp dụng của đề tài

Đối với bài toán xâm thực trong chân vịt tàu thuỷ việc nghiên cứu phương pháp

số đối chứng với thực nghiệm đã khẳng định được tính hiệu quả trong việc dự báo xâm thực sơ khai trên mép vào cánh cho dạng xâm thực tấm, xoáy đỉnh cánh… Và sự phát triển xâm thực cho đến siêu xâm thực

Theo kết luận của tổ chức thế giới ITTC việc sử dụng phương pháp RANS và phương pháp dòng hai pha nói chung trong nghiên cứu xâm thực chân vịt vẫn đang được các nhà khoa học quan tâm và phát triển trong thời gian tới

Để giải bài toán xâm thực bằng phương pháp số cần giải quyết hai vần đề sau:

- Nghiên cứu, tính toán cho dòng phi xâm thực để từ đó xác định xâm thực bắt đầu từ đâu và cơ chế nào tạo xâm thực Trên cơ sở đó dự báo xâm thực sơ khai

- Nghiên cứu, tính toán cho dòng xâm thực: mô phỏng ở điều kiện xảy ra xâm thực như ở điều kiện áp suất, vận tốc hay nồng độ khí… Mô hình này là mô hình

để kiểm chứng

Trong luận án này phạm vi, nhiệm vụ được giao là dự báo dòng chảy xâm thực bao quanh chân vịt tàu thuỷ bằng phương pháp số Do vậy tác giả định hướng nghiên cứu như sau:

- Nghiên cứu các phương pháp tính toán cho dòng chảy quanh chân vịt;

- Trên cơ sở đó lập thuật toán tính toán khảo sát dòng chảy bao quanh profile làm kiểm chứng cho việc mô phỏng dòng quanh profile bằng phần mềm thương mại ANSSYS FLUENT;

- Mô phỏng để khảo sát ảnh hưởng của các tham số động lực học lên dòng chảy bao chân vịt;

- Mô phỏng dòng xâm thực qua chân vịt;

- Và tiến hành kiểm chứng thực nghiệm trên một mẫu chân vịt cụ thể

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT DÒNG CHẢY BAO CHÂN VỊT

TÀU THỦY

Có ba phuơng pháp để nghiên cứu cơ học chất lỏng là: Phân tích động lực học chất lỏng (AFD), thực nghiệm động lực học chất lỏng (EFD) và tính toán động lực học chất lỏng (CFD) Mặc dù EFD cho kết quả đáng tin cậy và chính xác nhưng rất tốn kém và mất thời gian Trong những nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu đã sử dụng CFD một cách rộng rãi, đặc biệt sử dụng trong mô phỏng dòng bao quanh thân tàu, hệ thiết bị đẩy… dưới các điều kiện tương tự như các thí nghiệm trong bể thử[24]

Phương pháp số là một trong những phương pháp tiếp cận hiệu quả nhất với các bài toán dòng chảy và đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp tàu thủy ngày nay Cùng với sự phát triển của máy tính, đặc biệt là hệ thống máy tính lớn cho phép tính toán tới hàng tỷ phép tính mỗi giây thì vai trò của phương pháp số càng thể hiện rõ Cụ thể hơn phương pháp số cho kết quả nhanh hơn và chính xác hơn Thậm chí, có những bài toán chỉ có thể giải bằng phương pháp số

Trong lý thuyết tàu thủy, việc xây dựng đường đặc tính chân vịt của tàu là cấp thiết, từ đó nó cho phép xác định các hệ số lực đẩy, hệ số mô men và hiệu suất làm việc của chân vịt một cách nhanh chóng và cũng từ đường đặc tính này ta có thể nhận biết được một số trường hợp đặc biệt thường gặp trong quá trình khai thác tàu Đường đặc tính này được xây dựng trên cơ sở ghi lại các kết quả Ngày nay, CFD đã trở thành một công cụ đắc lực khi giải các bài toán cơ học chất lỏng và được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của đời sống Trong chương này, phần mềm ANSYS Fluent được sử dụng để mô phỏng dòng chảy bao chân vịt tàu thủy có kể đến ảnh hưởng của thân tàu khi chân vịt làm việc ở các chế độ vòng quay khác nhau trên cơ sở mô hình được dựng từ phần mềm SOLIDWORK, chia lưới trong GAMBIT

Fluent cung cấp nhiều mô hình vật lý để giải một bài toán chất lỏng Có 3

phương thức giải khác nhau

- Segregated (phân ly biến số);

- Coupled implicit (đặt ẩn kép);

- Couple explicit (giải trực tiếp)

Chương 2: Nghiên cứu, khảo sát dòng chảy bao chân vịt tàu thủy

Cả ba phương thức giải đều cho phép tính toán với hầu hết mô hình dòng chảy trong tự nhiên và trong kỹ thuật

Bên trong một số trường hợp, việc chọn phương thức giải hợp lý sẽ cho kết quả chính xác hơn Phân ly biến số và đặt ẩn kép thực hiện quá trình giải các phương trình liên tục, động lượng và năng lượng theo các cách khác nhau

Phân ly biến số giải phương trình một cách tuần tự, trong khi đặt ẩn kép và giải trực tiếp Đặt ẩn kép và giải trực tiếp khác nhau ở cách tuyến tính hoá phương trình để tiến hành giải

Thông thường, đặt ẩn kép được dùng trong các bài toán mà lưu chất có vận tốc lớn và nén được Đặt ẩn kép cho kết quả nhanh và chính xác hơn nhưng cũng đòi hỏi

bộ nhớ lớn và cấu hình mạnh hơn Ngoài ra, ta cũng cần chú ý đến một số vấn đề sau:

- Sự tuyến tính hoá của đặt ẩn kép và giải trực tiếp;

- Một số dạng bài toán chỉ giải được bằng phân ly biến số

2.1 Chân vịt và đặc tính làm việc của chân vịt tàu thủy

Chân vịt là một dạng thiết bị đẩy tàu, có nhiều loại chân vịt như chân vịt có bước cố định, chân vịt biến bước, chân vịt ống đạo lưu, chân vịt siêu sủi bọt, chân vịt

có độ nghiêng lớn… Chân vịt làm việc trong nước, sau vòm đuôi tàu và trước bánh lái tàu, nó được thiết kế theo cơ sở lý thuyết chính: Lý thuyết bảo toàn động lượng, lý thuyết các mặt cắt, lý thuyết đường xoáy, lý thuyết mặt xoáy

Khi làm việc sẽ xảy ra sự tương tác qua lại giữa thân tàu – thiết bị đẩy, thiết bị đẩy làm thay đổi trường vận tốc bao quanh vỏ tàu, làm cho hướng lực, đặc biệt đối với sức cản vỏ tàu bị đổi theo Ngược lại khi có mặt của vỏ tàu làm thay đổi các dòng chảy đến thiết bị đẩy, buộc nó phải làm việc trong trường tốc độ không đều Các lực do chân vịt tạo ra trong trường hợp đó khác với lực tương ứng mà nó có thể sinh ra lúc không có mặt của vỏ tàu Sự tác dụng tương hỗ đó thường được biểu thị bằng ảnh hưởng tương hỗ giữa trường tốc độ của tàu và trường tốc độ do thiết bị đẩy hình thành Trong lý thuyết chân vịt thường dùng dòng theo, mức giảm lực đẩy, hiệu suất quay tương đối để phản ánh tác dụng tương hỗ giữa thiết bị đẩy và thân tàu

Trong tính toán thiết kế chân vịt tàu thủy, việc xây dựng đường đặc tính chân vịt của tàu là cấp thiết mà từ đó, nó cho phép xác định các hệ số lực đẩy, hệ số mô men

và hiệu suất làm việc của chân vịt một cách nhanh chóng Cũng từ đường đặc tính này,

ta có thể nhận biết được một số trường hợp đặc biệt thường gặp trong quá trình khai thác tàu Đường đặc tính này được xây dựng trên cơ sở ghi lại các kết quả thử nghiệm

mô hình hoặc đo trên tàu thực, công việc này tương đối phức tạp và mất thời gian Giới thiệu một phương pháp mô phỏng dùng phần mền Fluent nghiên cứu toàn bộ dòng chảy bao quanh chân vịt có ảnh hưởng của thân tàu khi chân vịt làm việc ở các chế độ vận tốc quay khác nhau Trên cơ sở đó, ta xây dựng được đường đặc tính làm việc của chân vịt

Đặc tính thủy động của chân vịt tàu thủy[25]

Sự làm việc của chân vịt trong môi trường chất lỏng được xác định bằng hai

và chuyển động quay quanh trục đó với vận tốc Ω=2πn, trong đó: n – số vòng quay của chân vịt

Khoảng cách hướng trục mà chân vịt đã thực hiện sau một vòng quay gọi là bước tiến tuyệt đối hp của chân vịt Bước tiến này có liên quan với thời gian T = 1/n và

tốc độ vA theo công thức hp = vAT = vA/n Khi sử dụng khái niệm bước tiến tương đối của chân vịt J, là tỷ số giữa bước tiến tuyệt đối và đường kính của chong chóng, ta có:

J = hp/D = vA/(nD) (2.1) Các đặc tính của chân vịt trong nước tự do theo qui ước được biểu diễn dưới dạng hệ số lực đẩy KT và hệ số mômen KQ theo hệ số bước tiến J, trong đó:

n

2 1

Hiệu suất làm việc của chân vịt trong nước tự do là tỷ số giữa công suất có ích

T.vA với công suất phải bỏ ra PD để quay nó được xác định theo các công thức trên

n

2 1

Chương 2: Nghiên cứu, khảo sát dòng chảy bao chân vịt tàu thủy

(2.4)Các đặc tính thuỷ động lực không thứ nguyên KT , KQ và 0 được biểu diễn theo bước tiến tương đối J - gọi là đường cong (đặc tính) làm việc của chân vịt Nhờ các đường cong này, ta có thể xác định được lực đẩy và mô men của chân vịt ở các chế

Mở rộng trường dòng ở bên ngoài Ω ra vô cùng và được bao bởi một mặt biên

là S = ∂Ω Xét hai hệ tọa độ: hệ tọa độ đề các X = (X,Y,Z) cố định trong không gian

và hệ qui chiếu gắn với vật mô tả bằng hệ tọa độ đề các x = (x.y.z) hoặc hệ tọa độ trụ (x,r, θ) với r  y2 z2

Trong hệ qui chiếu này qui định : hướng dương của trục x hướng về phía trước, trục y hướng sang cạnh, z hướng lên trên Ta thu được các phương trình trong hệ qui chiếu gắn với vật x=(x,y,z) với một chân vịt thì hệ qui chiếu này được giả thiết theo qui tắc bàn tay phải và quay với vận tốc góc không đổi Chân vịt được quan sát theo chiều dương của trục x và theo chiều kim đồng hồ Trong trường hợp dòng xâm thực tổng quát bao quanh vật thể thì giả thiết biên của dòng là các bề mặt ướt SB, các bề mặt xâm thực SC và bề mặt dòng theo SW được thể hiện trên hình sau

Hinh 2.1: Mô hình chân vịt và cánh – Hệ tọa độ đề các gắn với vật[4]

Hình 2.2: Các biên của trường dòng theo 3D[4]

Trong một hệ qui chiếu tịnh tiến với vận tốc Vs, một dòng không nhiễu là Vw

và vận tốc dịch chuyển là ω × x Khi đó vận tốc dòng trong là :

V0 = Vw − ω × x