Mô phỏng tính toán quá trình hình thành khoang hơi quanh vật thể chuyển động trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LƯU VŨ PHƯƠNG THẢO MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH KHOANG HƠI QUANH VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG TRONG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ HỌC HÀ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LƯU VŨ PHƯƠNG THẢO

MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH KHOANG HƠI QUANH VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG TRONG NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ HỌC

HÀ NỘI – 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LƯU VŨ PHƯƠNG THẢO

MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH KHOANG HƠI QUANH VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG TRONG NƯỚC

Ngành: Cơ học kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật

Mã số: 60.52.01.01

LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH Dương Ngọc Hải

HÀ NỘI – 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu tôi đã tham gia

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

Lưu Vũ Phương Thảo

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm đào tạo và bồi dưỡng Cơ học – Viện Cơ học, Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam

và Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Cám ơn các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong thời gian tôi học tập tại trường và trung tâm Đặc biệt, tôi xin bày tỏ long biết ơn chân thành tới GS TSKH Dương Ngọc Hải và TS Nguyễn Tất Thắng

đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC HÌNH 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

MỞ ĐẦU 8 Chương I TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Các khái niệm, định nghĩa Error! Bookmark not defined

1.1.1 Khái niệm khoang hơi Error! Bookmark not defined 1.1.2 Khái niệm áp suất hơi Error! Bookmark not defined

1.2 Sự tạo bọt hơi trong chất lỏng thực và các đặc trưng riêng của dòng chảy

có sự tạo bọt Error! Bookmark not defined

1.2.1 Áp suất và gradient áp suất Error! Bookmark not defined 1.2.2 Mặt phân cách lỏng – hơi Error! Bookmark not defined 1.2.3 Tác dụng nhiệt Error! Bookmark not defined 1.2.4 Các tham số phi thứ nguyên Error! Bookmark not defined

1.3 Hiện tượng tạo khoang hơi Error! Bookmark not defined 1.4 Các nghiên cứu trước đây Error! Bookmark not defined 1.5 Mục đích nghiên cứu Error! Bookmark not defined Chương 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ HIỆN TƯỢNG TẠO

KHOANG HƠI Error! Bookmark not defined 2.1 Các giả thiết và hệ phương trình Error! Bookmark not defined 2.2 Các điều kiện biên, điều kiện đầu Error! Bookmark not defined 2.3 Mô hình rối Error! Bookmark not defined 2.4 6 bậc tự do Error! Bookmark not defined Chương 3 ÁP DỤNG ANSYS FLUENT ĐỂ NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TẠO KHOANG HƠI Error! Bookmark not defined 3.1 Mô hình vật lý Error! Bookmark not defined 3.2 Sơ đồ tính toán Error! Bookmark not defined

3.2.1 Mô hình Singhal Error! Bookmark not defined 3.2.2 Mô hình Zwart-Gerber-Belamn Error! Bookmark not defined

3.2.3 Mô hình Schnerr và Sauer Error! Bookmark not defined

3.3 Phương pháp rời rạc hóa trong Ansys Fluent Error! Bookmark not defined

3.3.1 Phương pháp thể tích hữu hạn Error! Bookmark not defined 3.3.2 Rời rạc hóa phương trình động lượng Error! Bookmark not defined 3.3.3 Rời rạc hóa phương trình liên tục Error! Bookmark not defined 3.3.4 Ước lượng các toán tử gradient và vi phân Error! Bookmark not

defined

3.3.5 Giải liên kết áp suất và vận tốc Error! Bookmark not defined 3.3.6 Rời rạc hóa phương trình bảo toàn hơiError! Bookmark not defined

3.4 Mô phỏng và tính toán quá trình hình thành khoang hơi bằng phần mềm

ANSYS Fluent Error! Bookmark not defined

3.4.1 Mô hình 2D Error! Bookmark not defined 3.4.2 Mô hình 3D Error! Bookmark not defined 3.4.3 Kết quả mô phỏng và nghiên cứu một số ảnh hưởng Error!

Bookmark not defined

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 10 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 11

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

(Dấu gạch ngang “-” thể hiện tham số không thứ nguyên)

Tiết diện vuông góc với dòng chảy của vật thể

Tốc độ sinh hơi

Tốc độ hóa hơi Tốc độ ngưng tụ

Áp suất chất lỏng ở dòng chảy tự do

Áp suất tĩnh tại một điểm trên mặt phân tách

Vận tốc pháp của hơi nước tiếp xúc với bề mặt

Vận tốc của hỗn hợp hơi và lỏng

Vận tốc trung bình trượt của pha lỏng

Vận tốc dòng chảy ở xa điểm đang xét Vận tốc tại một điểm trên mặt phân tách

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng và hơi

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1 Khoang hơi của vật bắn từ không khí vào môi trường chất lỏng Error! Bookmark not defined.

Hình 1 2 Biểu đồ pha lỏng – pha hơi của nước Error! Bookmark not defined Hình 1 3 Đường đẳng nhiệt ANDREWS Error! Bookmark not defined Hình 1 4 Mặt phân cách lỏng - hơi Error! Bookmark not defined.

Hình 2 1 Mô hình bài toán Steady Error! Bookmark not defined Hình 2 2 Mô hình bài toán Transient Error! Bookmark not defined.

Hình 3 1 Mô hình hệ thống đo đạc khoang hơi (1) Bộ phận cung cấp vận tốc;

(2) Bể chứa chất lỏng Error! Bookmark not defined Hình 3 2 Sơ đồ khối thuật toán mô hình tính toán khoang hơiError! Bookmark not defined.

Hình 3 3 Sơ đồ mô tả mô hình mô phỏng tính toán khoang hơi 2D Error! Bookmark not defined.

Hình 3 4 Mô hình 2D và kích thước vật thể dạng đầu phẳng Error! Bookmark not defined.

Hình 3 5 Mô hình 2D và kích thước vật thể dạng đầu bán cầuError! Bookmark not defined.

Hình 3 6 Mô hình 2D và kích thước vật thể dạng đầu nón Error! Bookmark not defined.

Hình 3 7 Mô hình lưới tính toán cho vật thể đầu dính ướt dạng phẳng .Error! Bookmark not defined.

Hình 3 8 Mô hình lưới tính toán cho vật thể đầu dính ướt dạng bán cầu Lưới

tính toán gồm 29073 phần tử loại Quadrilateral Cell Error! Bookmark not defined.

Hình 3 9 Lưới tính toán cho mô hình vật thể đầu dạng côn góc 45o

Lưới tính

toán gồm 39062 phần tử loại Quadrilateral Cell Error! Bookmark not defined Hình 3 10 Sơ đồ mô hình mô phỏng tính toán khoang hơi 3DError! Bookmark not defined.

Hình 3 11 Mô hình 3D vật thể dạng đầu phẳng Error! Bookmark not defined Hình 3 12 Mô hình 3D vật thể dạng đầu bán cầu Error! Bookmark not defined.

Hình 3 13 Mô hình 3D vật thể dạng đầu nón Error! Bookmark not defined Hình 3 14 Mức độ bao phủ bề mặt vật thể của khoang hơi theo vận tốc Error! Bookmark not defined.

Hình 3 15 Ảnh hưởng của cỡ lưới với σ = 0.3, σ = 0.5 Error! Bookmark not defined.

Hình 3 16 Khoang hơi với các vật thể có đầu dính ướt dạng phẳng, dạng bán cầu và côn góc 45o ở Error! Bookmark not defined Hình 3 17 Phân bố hệ số áp lực trên những vật thể có dạng đầu dính ướt khác

nhau Error! Bookmark not defined.

Hình 3 18 Phân bố hệ số áp lực trên vật thể đầu dạng phẳng với σ = 0.3, σ = 0.5

Error! Bookmark not defined.

Hình 3 19 Phân bố hệ số áp lực trên vật thể đầu dạng bán cầu với σ = 0.2, σ =

0.3, σ = 0.4 và σ = 0.5 Error! Bookmark not defined.

Hình 3 20 Phân bố hệ số áp lực trên vật thể đầu dạng côn với (a) σ = 0.3; (b) σ

= 0.4 và (c) σ = 0.5 Error! Bookmark not defined Hình 3 21 Tọa độ trọng tâm vật thể đầu phẳng và vật thể đầu bán cầu Error! Bookmark not defined.

Hình 3 22 Phân bố tỉ phần thể tích pha hơi quanh vật thể đầu phẳng Error! Bookmark not defined.

Hình 3 23 Phân bố tỉ phần thể tích pha hơi quanh vật thể đầu bán cầu Error! Bookmark not defined.

Hình 3 24 Phân bố tỉ phần thể tích pha hơi quanh vật thể đầu nón Error! Bookmark not defined.

Hình 3 25 Mức độ bao phủ bề mặt của vùng hơi quanh các vật thể Error! Bookmark not defined.

Hình 3 26 So sánh quãng đường đi được của các vật thể với V0=70m/s Error! Bookmark not defined.

Hình 3 27 Vận tốc của các vật thể Error! Bookmark not defined Hình 3 28 Giá trị số xâm thực của các trường hợp vật thểError! Bookmark not defined.

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Bảng hình dạng và kích thước đầu vật cản mô hình 2D Error! Bookmark not defined.

Bảng 2 Điều kiện dòng chảy của mô hình 2D tính toán khoang hơi Error! Bookmark not defined.

Bảng 3 Bảng hình dạng và kích thước đầu vật cản mô hình 3D Error! Bookmark not defined.

Bảng 4 Điều kiện dòng chảy của mô hình 3D tính toán khoang hơi Error! Bookmark not defined.

Bảng 5 Các cỡ lưới được xét ảnh hưởng tới khoang hơi Error! Bookmark not defined.

Bảng 6 So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu được công bốError! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU

 Cơ sở khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu, tính toán các tham số dòng chảy quanh vật thể có xuất hiện khoang hơi của vật chuyển động ngập trong nước là bài toán có nhiều ứng dụng trong thực tế Khoang hơi rất khó hình thành và tính ổn định không cao Ngoài một vài tác hại của khoang hơi đến vật thể như ăn mòn, gây tiếng rung ồn, … thì sự xuất hiện của khoang hơi mang đến những lợi ích đáng kể như giảm cản, nhớt Một trong các ứng dụng được đề cập nhiều nhất của khoang hơi là giảm lực cản nhằm mục đích tiết kiệm nhiên liệu, tăng tính ổn định và chiều dài quãng đường đi cho vật thể Vì vậy, tính toán kích thước khoang hơi và các tham số dòng chảy có khoang hơi đóng vai trò lớn trong việc thiết kế các thiết bị chuyển động dưới nước để vận tốc vật đạt được tối ưu nhất và tốn ít nhiên liệu nhất

Để thực hiện đo đạc thực tế hay tiến hành thí nghiệm đối với một mô hình khoang hơi là rất khó khăn Do việc thiết kế, điều kiện tự nhiên hay trang thiết bị

ở nước ta còn khá khiêm tốn Vì vậy, để nghiên cứu khoang hơi, sử dụng mô phỏng số là một phương pháp khả thi với nhiều ưu điểm: dễ thực hiện, chi phí không tốn kém, nghiên cứu được dưới nhiều dạng mô hình vật thể và điều kiện dòng chảy khác nhau Ngoài ra, mô phỏng số còn cung cấp các số liệu để việc kiểm chứng kết quả thực nghiệm được chính xác hơn

Từ lâu trên thế giới, đo đạc khoang hơi đã được các nhà khoa học thực hiện bằng nhiều phương pháp Lâu đời nhất là mô hình ống thủy động, được chế tạo để tạo khoang hơi và quan sát khoang hơi Bên cạnh đó là nghiên cứu lý thuyết điển hình của Leonard Euler (1754) Sau này nhờ sự phát triển của công nghệ, bài toán về khoang hơi được mô phỏng số bằng nhiều công cụ mô phỏng

và tính toán

 Mục tiêu

- Xây dựng được mô hình thí nghiệm số sử dụng ANSYS Fluent để mô phỏng hiện tượng khoang hơi với nhiều hình dạng đầu cản khác nhau

- Bước đầu mô phỏng chuyển động tự do của vật thể có vùng hơi bao quanh Tính toán kích thước khoang hơi và các tham số dòng chảy có xuất hiện khoang hơi

 Mục đích

So sánh kết quả thực hiện mô phỏng của luận văn với các kết quả đã được các nhà khoa học trên thế giới công bố để đưa ra mô hình mô phỏng tính toán khoang hơi chính xác nhất

 Nội dung nghiên cứu

- Bước đầu nghiên cứu tổng quan các vấn đề lý thuyết liên quan đến sự hình thành khoang hơi khi vật chuyển động trong chất lỏng

- Đi sâu tìm hiểu về mô phỏng số hiện tượng khoang hơi

- Tìm hiểu các mô hình và phương pháp giải trong ANSYS Fluent Sử dụng Fluent để mô phỏng bài toán vật thể chuyển động trong nước Sau đó, tổng hợp các kết quả để phân tích các ảnh hưởng liên quan đến

sự hình thành khoang hơi So sánh với các kết quả đã được công bố để tạm thời đưa ra mô hình và hình dạng đầu vật thể tối ưu nhất cho thiết

kế vật thể chuyển động trong nước

 Bố cục của luận văn

Luận văn bao gồm các phần:

MỞ ĐẦU

Chương 1 TỔNG QUAN

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ HIỆN TƯỢNG TẠO KHOANG HƠI

Chương 3 ÁP DỤNG ANSYS FLUENT ĐỂ NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TẠO KHOANG HƠI

KẾT LUẬN

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN

LUẬN VĂN

1 Duong Ngoc Hai, Nguyen Tat Thang, Nguyen Quang Thai, Truong Thi

Phuong, Luu Vu Phuong Thao, Le Minh Thanh and Nguyen Trong

Tuan (2014), "Simulation of supercavitating flow around a highspeed moving object in water using Ansys Fluent", Proceedings of the 3rd International Conference on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA3), Hanoi, October 15-16, 2014

2 Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Trương Thị Phượng, Nguyễn

Quang Thái, Lưu Vũ Phương Thảo, Lê Minh Thành (2015) “Đo đạc thực nghiệm khoang khí quanh vật thể đi vào nước” Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị Khoa học kỹ thuật đo lường Toàn Quốc VI, trang

740-747

3 Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Trương Thị Phượng, Nguyễn

Quang Thái, Lưu Vũ Phương Thảo (2015) “Mô phỏng vùng xâm thực bao quanh vật thể chuyển động tự do dưới nước” Tuyển tập Hội nghị Khoa học kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Tiểu ban Công nghệ thông tin, Điện tử, Tự động hóa và Công nghệ Vũ trụ, trang 77-84

4 Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Nguyễn Quang Thái, Trương Thị

Phương, Lưu Vũ Phương Thảo (2015), “Bước đầu mô phỏng chuyển động tự do của vật thể có vùng xâm thực bao quanh sử dụng ANSYS Fluent” Tuyển tập Công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc năm 2015

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT

[1] Vũ Văn Duy, Nguyễn Thế Đức, Nguyễn Thế Mịch (2007), “Mô phỏng vùng xâm thực trong vùng bao quanh profil cánh bằng phương pháp

phần tử biên”, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học thủy khí toàn

quốc lần thứ 8, tập 3, Cơ học Thủy khí, Hà Nội, tr 77-84

[2] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Nguyễn Quang Thái, Trương Thị

Phương, Lưu Vũ Phương Thảo (2015), “Bước đầu mô phỏng chuyển động

tự do của vật thể có vùng xâm thực bao quanh sử dụng ANSYS Fluent”

Tuyển tập Công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc năm

2015

[3] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Trương Thị Phượng, Nguyễn

Quang Thái, Lưu Vũ Phương Thảo, Lê Minh Thành (2015) “Đo đạc thực

nghiệm khoang khí quanh vật thể đi vào nước” Tuyển tập báo cáo khoa

học Hội nghị Khoa học kỹ thuật đo lường Toàn Quốc VI, trang 740-747

[4] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Nguyễn Quang Thái, Trương Thị

Phương, Lưu Vũ Phương Thảo, Lê Minh Thành (2015), “Mô phỏng vùng

xâm thực bao quanh vật thể chuyển động tự do dưới nước” Hội nghị

Khoa học kỷ niệm 40 năm ngày thành lập Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam,

Hà Nội

[5] Nguyễn Anh Sơn, Trần Thu Hà, Dương Ngọc Hải (2014), “Super cavity

model of slender body moving fast in water”, Hội nghị Cơ học kỹ thuật

toàn quốc, Kỷ niệm 35 năm Viện Cơ học, Hà Nội

TIẾNG ANH

[6] I Nesteruk (2012), “Supercavitation – Advances And Perspectives”,

A Collection Dedicated To The 70 th Jubilee Of Yu N Savchnko, Springer

[7] Jean-Pierre Franc, Jean-Marie Michel (2004), “Fundamentals of

Cavitation”, Grenoble Sciences

[8] Knapp R Daily J and Hammit F (1970), “Cavitation” McGraw-Hill, New-York, NY, USA

[9] Kunz R F., Boger, D A., Chyczewski, T S., Stinebring, D R and

Gibeling, H J (1999) “Multi-phase CFD Analysis of Natural and