TÍNH TOÁN SỨC CẢN TÀU THỦY BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD, ỨNG DỤNG ĐỂ ĐƯA RA CÁC BIỆN PHÁP NHẰM GIẢM SỨC CẢN

Ứng dụng các công cụ mô phỏng số trong nghiên cứu giảm lực cản, nâng cao hiệu quả khai thác vận tải tàu là một trong những vấn đề đã và đang đƣợc giải quyết trƣớc những yêu cầu ngày một cao của thế giới. Từ những yêu cầu thực tiễn và thực trạng hiện nay, với những yêu cầu đặt ra cho các nhà nghiên cứu để làm giảm tối đa lực cản tác động lên tàu, góp phần nâng cao hiệu qua khai thác tàu. Tác giả thực hiện đề tài tính toán sức cản tàu thủy bằng phƣơng pháp CFD, ứng dụng để đƣa ra các biện pháp nhằm giảm sức cản cho tàu thủy. Nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế sử dụng, khai thác tàu.

1

/m

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

HV Nguyễn Văn Nhu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS LÊ QUANG

Hà Nội – Năm 2015

3

Lời cam đoanTôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Văn Cường

4

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việc phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển động của dòng chảy hay biến thiên các thuộc tính như nhiệt độ, áp suất, vận tốc của các vật thể chuyển động trong môi trường chất lỏng là rất quan trọng trong việc tính toán, thiết kế tối ưu các sản phẩm để mang lại hiệu quả nhất Có thể kể ra một vài ví dụ cụ thể như máy bay chuyển động trong môi trường khí động, tàu thủy chuyển động trong môi trường chất lỏng, dòng khí chuyển động trong hệ thống làm mát, dầu nhớt, hóa chất chuyển động trong các ống dẫn hay bể chứa Các thuộc tính của dòng chất lỏng có thể nhận được từ kết quả thực nghiệm hay lời giải các hệ phương trình toán học, tuy nhiên hai phương pháp trên chỉ áp dụng được trong các bài toán đơn giản, đối với các bài toán phức tạp thì gặp rất nhiều khó khăn Sử dụng phương pháp tính toán động lực học chất lỏng - CFD (Computational Fluid Dynamics) có thể giải quyết được các bài toán phức tạp, việc phân tích, tính toán trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn và các kết quả nhận được có độ chính xác cao hơn

Với công nghệ hiện đại, máy tính và các phần mềm chuyên dụng đã giúp con người rất nhiều trong việc nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chảy tới vật thể chuyển động trong chất lỏng và ngược lại sự thay đổi hình dạng, kết cấu vật thể tác động lên dòng chảy Điều này cũng có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu lực cản và giảm lực cản tàu thủy trong quá trình vận hành nhằm mục đích giảm chi phí khai thác tàu, góp phần tiết kiệm năng lượng nhiên liệu, giảm lượng khí thải Ngày nay CFD được kết hợp cả với thực nghiệm thuần túy và kết quả lời giải số, ba phương pháp này hỗ trợ bổ xung và là tiêu chuẩn đánh giá của nhau, trong đó công cụ mô phỏng số CFD

có vai trò quan trọng trong việc quan sát và dự đoán các hiện tượng khí động lực học phát sinh khi chạy tàu Giúp chúng ta có thể đánh giá được các tác động lên thân tàu mà thực nghiệm khó quan sát được

Ứng dụng các công cụ mô phỏng số trong nghiên cứu giảm lực cản, nâng cao hiệu quả khai thác vận tải tàu là một trong những vấn đề đã và đang được giải quyết

5

trước những yêu cầu ngày một cao của thế giới Từ những yêu cầu thực tiễn và thực trạng hiện nay, với những yêu cầu đặt ra cho các nhà nghiên cứu để làm giảm tối đa lực cản tác động lên tàu, góp phần nâng cao hiệu qua khai thác tàu Tác giả thực hiện đề tài tính toán sức cản tàu thủy bằng phương pháp CFD, ứng dụng để đưa ra các biện pháp nhằm giảm sức cản cho tàu thủy Nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế sử dụng, khai thác tàu

2 Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong luận văn này, tác giả thực hiện việc tính toán sức cản tàu thủy bằng công

cụ CFD, ứng dụng phân tích kết quả để đưa ra các biện pháp nhằm giảm sức cản cho tàu Mục đích nghiên cứu trong luận văn này nhằm:

- Hiểu rõ được quy trình và trình tự các bước trong việc sử dụng phương pháp tính toán động lực học chất lỏng CFD thực hiện tính toán mô phỏng lực cản tác động lên thân tàu

- Ứng dụng công cụ mô phỏng số CFD, thực hiện mô phỏng lực cản tác động lên thân tàu

- Trên cơ sở phân tích kết quả nghiên cứu và tính toán mô phỏng số CFD với mẫu tàu nguyên bản Tác giả đưa ra một số biện pháp nhằm làm giảm lực cản tác động lên thân tàu, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu Với thời gian và điều kiện trang thiết bị máy tính cấu hình cao có hạn, thời gian tính toán mô phỏng số CFD yêu cầu rất lớn Trong luận văn này chỉ giới hạn phạm

vi nghiên cứu giảm lực cản khí động tức lực cản gió tác động lên tàu chở hàng thông qua sử dụng công cụ tính mô phỏng số CFD

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là mô hình tàu chở hàng 3400 Tấn Tác giả

đi nghiên cứu, khảo sát các đặc tính khí động lực học của phần thân tàu trên mặt nước thông qua mô phỏng số CFD Từ việc phân tích các kết quả mô phỏng số CFD lực cản gió và các đặc tính khí động thân tàu, tác giả đưa ra một số biện pháp cải tiến nhằm làm giảm lực cản gió tác động lên tàu

6

3 Phương pháp nghiên cứu trong luận văn

Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết thuần túy kết hợp với mô phỏng số CFD Thông qua việc so sánh đánh giá kết quả từ các nghiên cứu đã có sẵn, lý thuyết tính toán theo các công thức kinh nghiệm và kết quả mô phỏng số tác giả đưa ra các tính toán phù hợp có độ tin cậy nhất trong điều kiện nghiên cứu hiện nay

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp của tác giả

Trong luận văn này, tác giả tập trung phân tích các phương pháp, giải pháp làm giảm lực cản tàu thuy Bên cạnh đó, tác giả đi nghiên cứu các phương pháp, công cụ thực hiện nghiên cứu giảm lực cản hiện tại đang sử dụng Từ đó tác giả đi nghiên cứu tính toán lực cản tàu thủy bằng phương pháp sử dụng công cụ mô phỏng số CFD Thông qua việc sử dụng công cụ mô phỏng số, tác giả thực hiện khảo sát các đặc tính khí động lực học tác dụng lên thân tàu hàng Từ các phân tích kết quả, tác giả đưa ra một số giải pháp nhằm giảm lực cản gió tác động lên tàu

Thông qua các kết quả về sử dụng CFD thực hiện tính toán khảo sát lực cản gió tác động lên tàu, các biện pháp nhằm giảm lực cản gió tác động lên tàu Luận văn này có thể sử dụng làm các tài liệu phục vụ cho việc nghiên cứu tính toán lực cản gió tác động lên tàu, sử dụng làm các tài liệu tra cứu về sự ảnh hưởng của lực cản gió đến quá trình khai thác tàu và cũng là tài liệu tham khảo cho các nhà khai thác

sử dụng tàu trong khai thác tàu để có hiệu quả kinh tế nhất

7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHI N CỨU

Chuyển động của tàu trên mặt nước, trong nước, bề mặt vỏ tàu phải tiếp xúc với môi trường bao quanh nó: mặt ướt vỏ tàu tiếp xúc với môi trường nước, phần trên mớn nước tiếp xúc với không khí, và bề mặt này chịu tác động của các lực do môi trường gây ra Sức cản của tàu trong thực tế không thể xác định hoặc đo lường một cách trực tiếp, kiến thức về tính toán sức cản của tàu thường được thu thập và xây dựng từ thử nghiệm trên các mô hình tàu Việc xác định sức cản của tàu trong môi trường nước tĩnh thường phân tích trên các thành phần sức cản độc lập, sơ đồ các thành phần sức cản như sau (bảng 1.1):

Bảg 1.1 Các thành phần sức cản [7]

Sức cản toàn bộ RT

Sức cản vỏ tàu Sức cản bổ sung

RASức cản nhớt RV Sức cản sóng RW

Sức cản ma sát Rf Sức cản hình dáng RP Sức cản sóng RW

Sức cản ma sát Rf Sức cản dư Rr

Sức cản ma sát R F :xuất hiện do ảnh hưởng độ nhớt của chất lỏng gây ma sát vào

vỏ tàu Sức cản ma sát chiếm phần lớn (80÷90%) sức cản nhớt và chiếm khoảng 50÷70% tổng sức cản tàu Nếu hình dáng tàu càng trơn, dễ thoát nước ảnh hưởng của của hình dáng thân tàu càng nhỏ thì sức cản nhớt hầu như hoàn toàn là sức cản

ma sát Sức cản ma sát chịu ảnh hưởng độ cong dọc và ngang thân tàu

Sức cản hình dáng R V : sinh ra bởi ảnh hưởng của lớp biên đối với quy luật phân bố

áp suất trên thân tàu, nó phụ thuộc vào các dạng tách lớp biên, mà hiện tượng này

Sức cản toàn bộ của tàu được xác định là tổng của sức cản ma sát RF và sức cản dư

Rr và các thành phần sức cản bổ sung:

RT = RF + Rr + RA (1.1)

1.2 Sự cần thiết trong việc giảm sức cản cho tàu

Như đã biết, chi phí nhiên liệu chiếm phần lớn trong tổng chi phí khai thác của tàu Lượng tiêu thụ nhiên liệu trên một phà cỡ lớn khoảng từ 1000 đến 5000 lít/giờ, lượng tiêu thụ dầu đốt trên tàu này có thể nói nhiều hơn lượng dầu dùng đển sưởi ấm trong cả năm cho một gia đình Chi phí nhiên liệu cho một chiếc phà lớn chạy liên tục 20 giờ/ngày trong một năm có thể lên đến hàng triệu đôla [9] Ở nước

ta, trung bình một chuyến biển (khoảng 30 ngày) của một tàu cá cỡ lớn (chiều dài trên 24 mét) chi phí nhiên liệu (dầu đốt) khoảng từ vài chục đến hơn trăm triệu đồng, con số trên là khá lớn so với khả năng kinh tế của ngư dân nước ta hiện nay

Do vậy, giảm một lượng nhỏ dù là một vài phần trăm tiêu thụ nhiên liệu trên tàu cũng có ý nghĩa rất lớn trong vấn đề tiết kiệm chi phí vận hành khai thác của tàu trong cả năm Dưới đây là một số yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến mức tiêu thụ trên tàu:

- Một số thông số chính của tàu như: hình dạng vỏ tàu, khối lượng tàu, loại động cơ, chân vịt…;

9

Một số biện pháp kỹ thuật được để đạt được hiệu quả trong việc giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu trên tàu (Hình 1.1):

Hình 1.1 Một số biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu

Nhìn chung hầu hết các biện pháp đều tập trung vào việc giảm lực kéo nói cách khác là giảm sức cản của tàu và một số biện pháp khác cố gắng cải thiện hiệu quả của các thiết bị đẩy tàu và vận hành tàu

Khi tàu chạy, hầu như toàn bộ năng lượng sinh ra từ thiết bị đẩy tàu tiêu hao cho sức cản tàu, mà chủ yếu là sức cản nhớt và sức cản sóng Do vậy, việc nghiên cứu giảm các thành phần sức cản trên có ý nghĩa lớn trong việc giảm tiêu hao nhiên liệu từ đó giảm được chi phí vận hành tăng hiệu quả khai thác của tàu, giảm lượng khí thải ra môi trường

Việc nghiên cứu giảm sức cản tàu tập trung chủ yếu vào việc giảm sức cản nhớt và sức cản sóng Sức cản nhớt đóng vai trò chính trong tổng sức cản của tàu, ở những vật chìm hoàn toàn hầu như chỉ có sức cản nhớt Vậy việc tìm các biện pháp giảm sức cản nhớt là điều quan trọng Đối với các vật thể dễ thoát nước chú ý đến

10

việc giảm sức cản ma sát vì thành phần sức cản hình dáng không lớn Còn đối với các vật thể khó thoát nước phải giảm sức cản hình dáng Để giảm sức cản nhớt phải giảm độ nhám chung và độ nhám cục bộ, đặc biệt là độ nhám do việc quét sơn, phòng chống rêu hà bám và độ ăn mòn, áp dụng các dạng tàu tránh hiện tượng tách lớp biên Một số biện pháp công nghệ giảm sức cản đang được nghiên cứu và áp dụng hiện nay trên tàu như sau:

Làm sạch vỏ tàu, bánh lái, chân vịt: biện pháp này có thể áp dụng cho tất cả

các loại tàu bất kể kiểu loại, kích thước và công dụng khai thác Ngay sau khi xuất xưởng, vỏ tàu, bánh lái, chân vịt và các phần khác cần được giữ sạch Tuy nhiên theo thời gian, các bộ phận này sẽ bị bám bẩn do tảo, hàu và các loài khác làm cho tàu khó khăn khi chạy ở tốc độ định trước do gia tăng sức cản ma sát và làm tăng lượng tiêu hao nhiên liệu Việc làm sạch định kỳ sẽ cải thiện được tình trạng này, nếu như không thể đưa tàu lên triền đà hoặc vào ụ thường xuyên, việc làm sạch chân vịt bằng thợ lặn cũng tỏ ra có hiệu quả nhất định (hình 1.2)

Hình 1.2 Làm sạch vỏ tàu để giảm ma sát cho tàu

Sử dụng vật liệu phủ Polyme: bề mặt vỏ tàu được phun phủ một lớp mỏng

Polyme để giảm sức cản của tàu Trong suốt ba thập kỷ qua rất nhiều bài báo trình bày nghiên cứu về sử dụng Polyme trong việc sức cản tàu, các nghiên cứu chỉ ra rằng các phân tử Polime bị kéo căng trong lớp biên rối bởi dòng chảy kết quả làm tăng độ nhớt cục bộ đã làm giảm sức cản chung trên toàn bộ bề mặt vỏ tàu, những

11

nghiên cứu gần đây đã cho thấy các phân tử Polyme còn có tác động vào sự phân bố xoáy trong dòng chảy từ đó làm giảm độ rối trong dòng chảy

Bôi trơn bọt khí: phun bọt khí, tạo khoang khí và tạo lớp màng khí là ba

cách thức của phương pháp bôi trơn bọt khí bằng cách phun khí tạo lớp phủ không thấm nước Cả ba phương pháp đều đã chứng mình là có khả năng giảm một lượng sức cản cho tàu một cách hiệu quả Hiệu quả giảm sức cản trong vấn đề này là công suất đẩy tàu đã giảm nhiều hơn so với công suất của hệ thống cấp khí Qua các thử nghiệm phương pháp này cho việc giảm sức cản đạt trên 5%, phương pháp này rất

có tiềm năng trong việc giảm công suất của động cơ hoặc có thể nâng cao vận tốc cho tàu với công suất không đổi Sử dụng biện pháp tạo khoang khí phù hợp với các tàu chạy với một tốc độ ít thay đổi, vì biện pháp này đạt hiệu quả cao nhất ở một

phạm vi vận tốc rất hẹp

Cải tiến hình dáng tàu: Những tàu béo sức cản hình dáng sinh ra do hiện

tượng tách lớp biên ở phần đuôi tàu và thành phần sức cản này đóng vai trò chính

trong sức cản nhớt (hình 1.3) Để giảm bớt chiều dài phần tách biên người ta có thể

dùng cánh có dộ dang bé và đặt nó vuông góc với vỏ bao phía trước vùng dự kiến tách lớp biên

Hình 1.3 Cải tiến hình dáng thân tàu để giảm sự tách dòng

Dưới đây là một số ví dụ trong việc cải tiến hình dạng tàu để giảm sự tạo xoáy sau đuôi tàu do hiện tượng tách lớp biên [8]:

12

Hình 1.4 Cải tiến phần đỡ ống bao trục chân vịt

Hình 1.5 Cải tiến vây giảm lắc theo dạng sóng trên tàu

Hình 1.6 Cải tiến bánh lái theo dạng khí động học

Trước

Sau Trước

Sau

13

Hình 1.7 Cải tiến hình dạng các tấm kẽm chống ăn mòn lắp trên tàu

Hình 1.8 Cải tiến phần gót ky

14

Giảm sức cản sóng: Sức cản sóng RW của tàu chủ yếu phụ thuộc vào số Fr và hình dáng thân tàu Việc giảm số Fr không phải là giảm sức cản sóng theo hướng tích cực, tuy nhiên nhiều trường hợp khi giảm số Fr có thể đạt ưu thế về sức cản sóng và đưa chuyển động vào vùng tốc độ có lợi

Hình 1.9 Nguyên lý hệ thống đệm khí trên tàu

Việc thay đổi số Fr theo hướng có lợi khi giữ nguyên tốc độ chuyển động bằng cách thay đổi chiều dài tàu Việc giảm đột ngột hoặc triệt tiêu hoàn toàn sức cản sóng khi đưa chuyển động vào số Fr > 1.0, các chế độ này là chế độ nổi tĩnh bằng chế độ lướt, hay nói cách khác là dùng tàu cánh ngầm hoặc tàu đệm khí

Một cách khác để giảm sức cản sóng ta dùng thiết bị giao thoa: mũi quả lê: Nguyên lý giảm sức cản sóng khi mũi tàu có dạng quả lê như sau (Hình 1.10):

Hình 1.10 Nguyên lý giảm sức cản sóng của mũi quả lê

Sóng sinh ra khi tàu chạy

15

Hiện nay chủ yếu là các tàu vận tải cỡ lớn như tàu hàng, tàu dầu… sử dụng mũi quả lê, các tàu cá đa số là kích thước nhỏ nên số lượng tàu cá lắp mũi quả lê là rất ít, một số nước có nghề ca phát triển như Nhật Bản, Hàn Quốc… đã sử dụng mũi

tàu quả lê trên tàu cá (hình 1.11):

Hình 1.11 Tàu cá mũi quả lê ở Nhật Bản

Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu tính toán lực cản gió tác động lên tàu trong các trường hợp khai thác tàu cụ thể: tàu đầy hàng và trường hợp tàu không hàng Trong mỗi trường hợp đó, tác giả đi tính toán mô phỏng các đặc tính khí động lực học thân tàu khi thay đổi các yếu tố như góc hướng gió thay đổi, thay đổi các chiều chìm, cân bằng dọc tàu trong các trạng thái khai thác tàu

Từ các tính toán đã thực hiện, tác giả thực hiện việc phân tích đánh giá, so sánh các kết quả đã thu được Trên cơ đó tác giả đưa ra một số giải pháp, khuyến cáo cho việc khai thác sử dụng tàu, cho các nhà thiết kế tôi ưu tàu nhằm làm nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng tàu ở nước ta

16

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYÊT TÍNH TOÁN LỰC CẢN

Trong thực tế, việc tính toán lực cản theo lý thuyết được thực hiện theo công thức kinh nghiệm sau:

2

1

2

     Trong đó:

 là góc tạo bởi lực khí động RAA với mặt ph ng đối xứng của tàu

Có thể xác định VA bằng máy đo gió Cấp gió đƣợc phân thành 12 cấp gió opho dựa theo kết quả của cục khí tƣợng thuỷ văn Liên Xô

Bảng 2.1 Vận tốc gió Bopho tại độ cao h = 6,0 m so với mặt nước biển [10]

Cấp gió Vận tốc gió(m s) Cấp gió Vận tốc gió(m s)

18

Quy luật biến thiên vận tốc gió theo chiều cao là quy luật logarit Tính

chuyển VB ghi trong bảng sang chiều cao khác 6m theo công thức sau:

6

ln(500 ) ln(3000)

Với tàu vận tải, tuỳ thuộc hình dáng phần khô và vận tốc:

RAA = (0,015 Rx Khi không có gió thì RAA thường không lớn Khi có gió và ngược gió cấp 4, cấp 5, trên các tàu vận tải: RAA = (0,10 Rx 

Ở những tàu cao tốc RAA có trị số đáng kể ngay cả khi không có gió

Hệ số lực cản bổ sung Cd (hoặc kE ), phụ thuộc điều kiện khai thác tàu: khí tượng thủy văn, trạng thái bề mặt ngoài của phần thân tàu ngâm nước…

Bảng 2.3 Giá trị hệ số bổ sung kE trong khai thác tàu biển [10]

19

Mô phỏng số thực chất là làm thí nghiệm trên máy vi tính ằng mô hình và phương pháp mô phỏng thích hợp sẽ cho ra kết quả giống với khi thực hiện trên mô hình trong phòng thí nghiệm Việc mô phỏng sẽ thực hiện chuyển hệ vật lý thành hệ các phương trình cơ bản và sau đó xác lập thành một mô hình toán học gồm hệ các phương trình xấp xỉ được giải trực tiếp hoặc bằng phương pháp lặp, sau đó phân tích sự hội tụ, tính chính xác và đánh giá sai số để xem xét tính hiệu quả của phương pháp số

Trình tự thực hiện một bài toán mô phỏng CFD:

Xác định mô h nh và xử lý mô hình: Xác định mô hình hóa, miền tính toán và lựa

chọn phương án rời rạc hóa miền tính toán

Thiết lập các điều kiện, thuật toán đế giải bài toán: Lựa chọn thuật giải tích phân số

và chạy chương trình, giám sát quá trình thực hiện

Xử lý kết quả: Đánh giá kết quả và đề xuất các thay đổi liên quan đến mô hình

Các phương pháp mô phỏng:

RANS: Phương pháp trung bình Reynolds Navier-Stokes

LES: Mô phỏng xoáy lớn

DES: Mô phỏng tách xoáy

20

sự dao động của biến số đang nghiên cứu

Việc giải trực tiếp các phương trình Navier-Stokes chỉ thực hiện được trong những trường hợp đơn giản với số Reynolds tương đối thấp Giải pháp thay thế là chỉ quan tâm đến các đại lượng trung bình (vận tốc, áp suất, nhiệt độ, …) và các phương trình kiểm tra bởi các đại lượng này Áp dụng thuật toán trung bình chung (RANS) cùng trung bình các phương trình chuyển động trong đó các biến được tách rời thành: trung bình + nhiễu động, cho phép tính dòng trung bình và các đại lượng đặc trưng rối (động năng rối k và tổn thất rối ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử dụng mô hình khép kín bậc 1 dạng k-ε

Các mô hình toán:

Do đặc điểm hình dáng thân tàu nên trạng thái dòng chảy xung quanh tàu là dòng chảy rối Khi có rối xảy ra làm tăng khả năng tiêu hao năng lượng, sự trao đổi nhiệt… Thông thường, việc mô tả dòng rối thường rất khó khăn bởi trong các phương trình đặc tả có chứa các đại lượng chưa biết Do đó, việc xây dựng các mô hình rối để nhằm xác định các đại lượng này Phần mềm ANSYS FLUENT hỗ trợ các mô hình rối sau:

và hệ số tổn thất ε

Mô hình k-ε sử dụng hai giả thiết chính: Dòng chảy rối hoàn toàn và bỏ qua ảnh hưởng của độ nhớt phân tử

21

Theo giả thiết về độ nhớt rối của oussinesq, ta có:

(2.7) Phương trình trên thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất Reynolds với biến thiên vận tốc trung bình Để giải phương trình này, người ta khép kín nó với các phương trình

có liên quan tới k và ε như sau:

(2.8) Trong đó: Gk là hằng số thể hiện sự phụ thuộc của sự hình thành năng lượng rối động học (k) vào sự biến thiên của vận tốc trung bình như sau:

Gb được xác định như sau:

Prt: hằng số Prantld, β: hệ số giãn nở nhiệt môi trường;

gi: thành phần gia tốc trọng trường theo phương i;

YM: Hệ số thể hiện sự biến thiên quá trình giãn nở so với giá trị trung bình:

Mt: số Mach:

a: vận tốc âm thanh , µt: hệ số nhớt rối

Các hệ số còn lại là các hằng số, có giá trị mặc định như sau:

22

Kết hợp các phương trình trên với phương trình liên tục và phương trình động lượng, ta được một hệ phương trình khép kín để xác định trường phân bố vận tốc

Mô hình k-ε là mô hình đơn giản có thể áp dụng với hầu hết các bài toán thông thường với độ chính xác tương đối cao Tuy nhiên, trong các trường hợp đặc biệt, khi tính chất dòng bị thay đổi mạnh như xuất hiện sóng va, trong buồng cháy… việc áp dụng mô hình này cho kết quả không tốt

Mô hình k-ω: đây là cũng là một mô hình thường được sử dụng trong mô

phỏng bài toán 2 pha, mô hình này cho phép giải bài toán với dòng sát bề mặt vật thể và cho kết quả tính toán chính xác với số Reynolds thấp Mô hình tính toán k-ω được chia ra thành hai dạng: dạng chuẩn và dạng SST (shear-stress transport) Mô hình dòng chảy rối k-ω dạng chuẩn tính toán đến sự thay đổi từ hiệu ứng số Reynold thấp, độ nén, và độ mở rộng sự trượt dòng chảy, với tỉ lệ mở rộng ngẫu nhiên Tỉ lệ trượt này có giá trị gần với giá trị đo cho các hiện tượng xẩy ra trên cánh như: bước nhảy sóng, sự trộn lẫn giữa các vùng Với mô hình tính toán dạng k-ω SST, mô hình chảy rối được kết hợp chặt chẽ giữa mô hình k-ω chuẩn tại gần

bề mặt và mô hình k-ε ở phía xa bề mặt dòng chảy Mô hình này ban được giới thiệu bởi Saffman sau đó được phát triển mở rộng bởi Wicox, phương trình ω được Wilcox đưa ra như sau:

(2.9) Trong mô hình này độ nhớt rối µt được xác định:

Ngoài ra còn một số mô hình khác cũng được sử dụng như:

23

Mô hình V 2 -f

Mô h nh ứng suất Reynolds (RSM)

Mô h nh xoáy lớn (LES)

Có một thực tế là không có một mô hình độc lập nào có thể biểu diễn hết các tính chất của dòng chảy rối Việc lựa chọn mô hình rối sẽ phụ thuộc vào đặc điểm, tính chất vật lý của dòng, mức độ yêu cầu chính xác, cơ sở tính toán và thời gian cần cho việc mô phỏng… Để có được sự lựa chọn phù hợp nhất cho mẫu mô hình, cần hiểu rõ khả năng và giới hạn của những lựa chọn Tuy nhiên không thể áp dụng một mô hình rối cho tất cả các bài toán, mỗi mô hình rối chỉ cho kết quả đúng trong một số trường hợp nhất định Điều đó đòi hỏi ta phải nắm rõ bản chất cũng như trường hợp áp dụng của chúng để đưa ra những lựa chọn hợp lý cho từng bài toán

Như trên đã trình bày, đa số dòng chảy xung quanh thân tàu là dòng chảy rối Tất cả các mô hình rối đều xuất phát từ hai phương trình cơ bản là phương trình bảo toàn mô men động lượng và phương trình liên tục (phương trình bảo toàn khối lượng), như sau: Phương trình bảo toàn viết trong hệ tọa độ Descartes:

24

FLUENT cung cấp 3 phương thức giải khác nhau: Segregated, Coupled implicit, Coupled explicit Cả ba phương thức giải đều cho phép tính toán với dòng bất kỳ Tuy nhiên trong một số trường hợp, việc chọn phương thức giải hợp lý sẽ cho kết quả chính xác hơn Segregated giải phương trình một cách tuần tự, trong khi couple tiến hành giải một cách đồng thời Implicit và explicit khác nhau ở cách tuyến tính hoá phương trình để tiến hành giải Thông thường Couple được sử dụng cho các bài toán với lưu chất ở vận tốc lớn và nén được Couple cho kết quả nhanh

và chính xác hơn nhưng cũng đòi hỏi bộ nhớ lớn và cấu hình mạnh Một số dạng bài toán chỉ có thể giải được bằng Segregated

25

CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH TÍNH MÔ PHỎNG SỐ TÍNH ỰC CẢN GIÓ

TÁC DỘNG N TÀU THÔNG QUA SỬ DỤNG CFD

Trong luận văn này, tác giả sử dụng mô hình tàu hàng 3400 tấn làm đối tượng nghiên cứu tính toán mô phỏng Trên cơ sở tính toán thiết kế tàu chở hàng

3400 tấn, trong phần này tác giả giới thiệu sơ bộ về các đặc điểm cơ bản của tàu Hình 3.1 thể hiện đường hình dáng tàu hàng 3400 tấn được thiết kế Các thông số kích thước cơ bản của tàu được thể hiện trong bảng 3.1

Hình 3.1 Đường hình dáng tàu hàng 3400T

Bảng 3.1: Các thông số cơ bản của tàu

26

Hình 3.2 Biểu đồ trọng lư ng tàu khi tàu n m ngang

Hình 3.3 Biểu đồ trọng lư ng tàu khi tàu nghiêng dọc 3 0

27

Bảng 3.2 Bảng tính lư ng chiếm nước của tàu khi tàu cân b ng và nghiêng 3 0

28

Trong luận văn này, tác giả sẽ trình bày các tính toán mô phỏng với các trạng thái khác nhau của tàu Trạng thái tàu cân bằng và trạng thái tàu nghiêng dọc 3 độ Các thông số tính toán lượng chiếm nước của tàu trong các trạng thái khảo sát được thể hiện trong hình 3.2, 3.3 và chi tiết trong bảng 3.1, 3.2 Hình 3.4 thể hiện mô hình tàu 3D được xây dựng để thực hiện các tính toán mô phỏng trong luận văn này

Hình 3.4 Mô h nh tàu hàng 3400T

Để tính toán mô phỏng chuyển động của tàu, cần thiết kế miền không gian tính toán mô phỏng số xung quanh tàu Nghiên cứu này thực hiện bài toán tính toán lực cản gió tác động lên tàu, miền không gian khảo sát được thiết kế lựa chọn theo các tài liệu hướng dẫn sử dụng CFD do tổ chức quốc tế về bể thử tàu công bố và các kết quả đã nghiên cứu được công bố [1, 2, 3, 4, 5, 6] Trong nghiên cứu này, không gian tính toán được thiết kế với chiều dài 5.35m chiều rộng 0.18m và cao 0.90m

29

Hình 3.5 Miền không gian tính toán mô phỏng CFD

Việc chia lưới được thực hiện trên công cụ ICEM CFD trong phần mềm Ansys,

để tăng độ chính xác và thể hiện rõ được sự thay đổi của các pha, áp suất, vận tốc xung quanh tàu, lưới được chia mịn ở phần biên dạng tàu, thô dần ra Chia lưới miền không gian tính toán với kiểu lưới không cấu trúc lưới T, tạo được 1.73 triệu lưới không cấu trúc tứ diện Hình 3.6 và 3.7 thể hiện hình ảnh chia lưới miền không gian tính toán cho bài toán

Hình 3.6 hia lưới miền không gian tính toán

30

Hình 3.7 hia lưới trên bề mặt thân tàu

Lưới sau khi tinh chỉnh đạt yêu cầu sẽ được lưu dưới dạng file mesh để phục

vụ việc tính toán Tiếp theo việc chia lưới, để thực hiện tính toán, cần thiết phải thiết lập các điều kiện biên cho bài toán Trong nghiên cứu này, các bài toán được tiến hành với mô hình rối k-ε Mô hình rối k-ε được các tác giả trên thế giới sử dụng rất phổ biến làm mô hình rối trong các bài toán mô phỏng số Điều kiện biên cho bài toán mô phỏng số mà tác giả đã sử dụng là: vân tốc dòng khí thổi vào với vận tốc 14.5 m/s; nhiệt độ môi trường được lấy là 27oC tương đương với 300o

K; áp suất tại đầu ra được đặt bằng áp suất khí quyển; khối lượng riêng của không khí lấy

=1,225 kg/m3, hệ số nhớt không khí là 1,7894 x 10-5 kg/(ms) Các thông số đầu vào được thể hiện chi tiết trong bảng 3.3

Bảng 3.3 Thiết lập một số điều kiện tính toán mô phỏng

Thông số Điều kiện Thông số Điều kiện

Viscous k-ε model Air viscosity 1.7894×10-5kg/m.s

Inlet Velocity inlet Air density 1.125kg/m 3

Outlet Pressure outlet Model 1/100

31

3.3 Các bước thực hiện tính toán mô phỏng

Trong các bài toán sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số CFD đều thực hiện quá trình giải theo các bước như sau: Đặt vấn đề, Giải quyết vấn đề và Đánh giá kết quả

a) Đặt vấn đề

Từ nhu cầu thực tiễn cần giải quyết các vấn đề mà chúng ta đặt ra vấn đề cho bài toán của mình, từ đó đi tìm lời giải cho chúng Ví dụ về bài toán mô phỏng CFD cho một con tàu, người thiết kế cần tính toán một số thông số liên quan đến các vấn

đề mà con tàu sẽ gặp phải khi chạy như hệ số ma sát, hệ số cản, hệ số đàn hồi của vật liệu, độ bền Người thiết kế đặt ra câu hỏi, với dạng hình học như trong bản thiết kế thì đã tối ưu chưa?ứng suất sinh ra có vượt quá giới hạn cho phép không?

có đảm bảo độ bền và an toàn không? Từ đó, người thiết kế cần tính toán được các thông số đầu vào, và cần phải tìm nhưng thông số đầu ra nào cho bài toán CFD của mình

32

Processing là giai đoạn tính toán được thực hiện, vấn đề còn lại đó là can thiệp vào các đại lượng thứ sinh (xuất phát từ tổ hợp các biến cơ sở trong hệ phương trình) Ở giai đoạn này chúng ta quyết định sử dụng các giải pháp nào cho phương pháp tính để đảm bảo được một phương án tối ưu cho các yêu cầu về thời gian tính toán, khả năng tính toán và độ chính xác của lời giải

Post-Processing là giai đoạn trực quan và xử lý kết quả Sau khi giai đoạn Processing hoàn tất, toàn bộ dữ liệu của bài toán được ghi lại thành dữ liệu số, nhị phân, mã hóa trên ổ cứng của máy tính Chúng ta hoàn toàn có thể xử lý chúng để thu được lời giải cho bài toán của mình

c) Đánh giá kết quả

Phần này chúng ta so sánh kết quả vừa tìm được với các kết quả thực nghiệm

và lời giải số học và để làm tiêu chuẩn điều chỉnh cho phương pháp giải của mình Đối với các bài toán đơn giản mà thực nghiệm có thể đưa ra kết quả chính xác, các lời giải toán học cũng có kết quả chính xác thì kết quả của chúng ta cũng phải trùng khớp hoặc trong phạm vi sai số chấp nhận được, nếu sai số vượt quá giới hạn cho phép thì lúc này thì chúng ta phải điều chỉnh thế nào để có kết quả chính xác nhất Đối với bài toán phức tạp thì thực nghiệm và lời giải số rất khó khăn để đưa ra được kết quả chính xác, CFD có ưu thế hơn ở trường hợp này.Nếu một vấn đề phức tạp

mà cả ba phương pháp trên đều không đưa ra được kết chính xác thì cả ba phương pháp cùng đi nghiên cứu sâu về một đặc tính cụ thể nào đó, CFD lấy lời giải của hai lĩnh vực còn lại làm tiêu chí đánh giá kết quả của mình

Về cơ bản, các bước giải một bài toán trên FLUENT tương tự các bước giải một bài toán trên CFD Với phiên bản FLUENT V.15.0 trong ANSYS Các bước thực hiện gồm:

 ước 1: Xây dựng mô hình tính toán

Mô hình được xây dựng trên nhiều phần mềm CAD như SOLIDWORK, CATIA, INVENTOR, AutoShip, Napa sau đó đưa vào ANSYS hoặc xây dựng trực tiếp mô hình từ các công cụ có sắn như Design Modeler trong ANSYS