Nghiên cứu các đặc tính của dòng chảy bao quanh thân tàu

Mục đích nghiên cứu Phân tích trường áp suất, trường vận tốc của dòng chất lỏng bao quanh thân tàu thiết kế tối ưu tàu về mặt thủy động lực học Bài toán thiết kế tàu... Đối tượng nghi

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CỦA DÒNG

CHẢY BAO QUANH THÂN TÀU”

NGƯỜI THỰC HIỆN: KS NGUYỄN TIẾN CÔNG

GV HƯỚNG DẪN: TS ĐỖ QUANG KHẢI

HẢI PHÒNG - 2014

Nội dung

2 Cơ sở lý thuyết (PT Navier Stokes và phương pháp VOF giải hệ PT Navier Stokes)

Thông số ban đầu

Mô hình hình học và chia lưới phần tử Điều kiện biên và các thiết lập

Kết quả và đánh giá

1 Xác định đề tài

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Quá trình thiết kế tìm phương án tàu

tối ưu

Quá trình đóng mới tàu

Quá trình thử tàu, nghiệm thu

!

Phương án tối ưu cuối cùng trước khi đi vào

chế tạo, đóng mới

Các chương trình: Ansys

Fluent, Flotran, OpenFOAM

Thử nghiệm mô hình

vật lý

Chọn đề tài:

“NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CỦA DÒNG CHẢY BAO QUANH

THÂN TÀU”

1.2 Mục đích nghiên cứu

Phân tích trường áp suất, trường vận tốc của dòng chất lỏng bao quanh thân tàu

thiết kế tối ưu tàu về mặt thủy

động lực học

Bài toán thiết kế tàu

1.3 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Phạm vi nghiên cứu:

Hình dáng vỏ

bao tàu

Các đặc tính của dòng chảy bao quanh thân tàu: áp suất , vận tốc , sự rối dòng

Tối ưu hình dáng tàu về mặt thủy động lực học

Bài toán thiết kế tàu P,v, đặc tính chảy rối , sức cản

P,v, đặc tính chảy rối , sức cản

1.3 phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phương pháp số

- Kết hợp ứng dụng phần mềm ANSYS FLUENT để giải bài

toán nghiên cứu

1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn

- Làm rõ được đặc tính dòng chảy bao quanh thân tàu, phục vụ

cho quá trình tính toán hệ thống thiết bị đẩy, thiết bị lái sau đuôi tàu

- Phục vụ bài toán tối ưu hình dáng tàu về mặt động lực học

- Thay thế được phần nào cho quá trình thử mô hình tàu trong

giai đoạn thiết kế Qua đó, giảm chi phí và thời gian thiết kế tàu

2 Cơ sở lý thuyết

2.1 Hệ phương trình Navier – Stokes

[kg]

Tỷ lệ giãn nở thể tích của phần tử lỏng

Khối lượng tích lũy của

phần tử lỏng cố định

đang xét

Các thành phần ngoại lực

Phương trình năng lượng

(2.1.1c)

Nội

năng

Động năng và nhiệt năng phát sinh

Năng lượng nhận được

từ nguồn nhiệt

Năng lượng do có tương tác hóa học của các phân tử vật liệu đang xét

Hệ phương trình Navier – Stokes viết cho chất lỏng

không nén được

Nếu như xét thêm đến giả thiết về tính không nén được

và giả sự độ nhớt của chất lỏng là hằng số, phương trình

động lượng sẽ được viết như sau (theo dạng vectơ):

2.2 Phương pháp số giải hệ phương trình Navier - Stokes

2.2.1 Các phương pháp số

- Volume of Fluid method(VOF) – Phương pháp thể tích chất lỏng

- Finite difference method(FDM) – phương pháp sai phân hữu hạn

- Finite volume method(FVM) – phương pháp thể tích hữu hạn

- Finite element method(FEM) – phương pháp phần tử hữu hạn

- Spectual methods – phương pháp phổ

- Boundary element method(BEM) – phương pháp phần tử biên

- Particle methods – phương pháp phân tử

2.2.2 Phương pháp thể tích chất lỏng (VOF – Volume of Fluid Method)

Mô hình bài toán VOF giải quyết các bài toán hai hoặc nhiều pha, mỗi pha được gọi là pha thành phần Thể tích mỗi pha thành phần được đặc trưng bởi hệ số:

+ αq = 0: Vùng nghiên cứu là vùng rỗng, không chứa chất lỏng pha thứ q th

+ αq = 1: Vùng nghiên cứu chứa 100% chất lỏng pha thứ q th + 0 < αq < 1: Vùng nghiên cứu gồm chất lỏng thuộc pha thứ

qth và 1 hoặc nhiều các pha thành phần khác

Phương trình phân chia thể tích

Với pha thứ qth, phương trình có dạng sau: [1]

(3.2.2a)

là khối lượng chất lỏng dịch chuyển từ pha p sang pha q

là khối lượng chất lỏng dịch chuyển từ pha q sang pha p

Phương trình phân chia thể tích

Phương trình phân chia thể tích sẽ không được giải cho pha cơ sở Với pha này, hệ số thể tích sẽ được tính toán dựa trên phương trình sau: [1]

𝑛 𝑝=1

= 1

Lực mặt và liên kết với biên ngoài

Mối liên hệ giữa áp suất của hai phần tử lỏng tiếp xúc nhau:

Lực mặt

Lực mặt có thể viết theo nhóm của sự thay đổi áp suất qua mặt đang xét Lực này có thể viết như là lực khối theo công thức sau, được thêm vào trong phương trình động lượng: [1]

Lực mặt trong trường hợp bài toán có hai pha

Độ lớn của vận tốc được quy định theo độ nhám của bờ

Up, yp là vận tốc, chiều cao của tâm của ô phần tử

kp biểu thị hệ số năng lượng của dòng chảy rối

là hằng số, theo thực nghiệm bằng 0.09

Độ lớn của vận tốc được quy định theo độ nhám của bờ

CS là hằng số nhám

Ks là độ cao của nhám lấy tương đương với độ cao của mô cát trong thí nghiệm về tương tác giữa bờ cát (bãi biển) và dòng chảy của Nikuradse

là độ nhớt động học của chất lỏng

3 Mô hình bài toán nghiên cứu

3.1 Thông số mô hình

Tàu chở dầu Tàu thực đơn vị Mô hình đơn vị Chiều dài lớn nhất(Loa) 90 m 0.9 m Chiều dài giữa hai đường vuông góc(Lpp) 84.3 m 0.843 m

3.2 Thông số ban đầu

Thông số của nước:

Nước ngọt, tỷ trọng: ρ = 998.2 [kg/m 3 ] Nhiệt dung riêng: Cp = 4182 [J/kg.k]

Hệ số dẫn nhiệt: 0.6 [w/m.k]

Độ nhớt động học: 0.001003 [kg/m.s]

Thông số không khí:

Tỷ trọng: ρ = 1.225 [kg/m 3 ] Nhiệt dung riêng: Cp = 1006.43 [J/kg.k]

3.3 Mô hình hình học và chia lưới phần tử

Bản vẽ tuyến hình tàu:

Vỏ bao tàu xây dựng trong Autoship

Hoàn thiện mô hình trong ANSYS Geometry

Mô phỏng mô hình tàu

và vùng chất lỏng bao quanh:

- Gốc tọa độ đặt tại vị trí giữa tàu, giao giữa đường cơ bản và mặt phẳng dọc tâm tàu

- Mớn nước tại: z = 0.06 [m]

- Đáy luồng tại: z = - 1.5 [m]

- Giới hạn trên của vùng không khí tính toán: z = 0.02 [m]

Chia lưới

Lưới được chia nhỏ hơn ở vùng có độ cong phức tạp

Số nút: 190342

Số phần tử: 929054

Kiểu phần tử tứ diện, theo hướng dẫn của phần mềm cho mô hình bài toán VOF

3.4 Điều kiện biên và các thiết lập

Các thiết lập ban đầu

- Mô hình bài toán:

+ Phương pháp tính toán: Volume of Fluid

+ Thiết lập pha: có 2 pha: không khí – nước

+ Chế độ tính toán: nội suy

+ Mô hình bài toán: Open Channe Flow; viscous – relizable k – ε

- Gia tốc trọng trường: 9.81 [m/s 2 ]

-Mô hình bài toán:

+ Phương pháp tính toán: Volume of Fluid

+ Thiết lập pha: có 2 pha: không khí – nước

+ Chế độ tính toán: nội suy

+ Mô hình bài toán: Open Channe Flow + open channel wave BC; viscous – relizable k – ε Gia tốc trọng trường: 9.81 [m/s 2 ]

- Khai báo thông số sóng:

+ Loại sóng: Shallow wave(sóng nông)/intermediate wave(sóng trung)

+ Vận tốc sóng: velocity = 0.617333 [m/s]

+ Chiều cao sóng: hs = 0.0244 [m]

+ Góc lệch pha: phase difference = -270 o

+ Chiều dài sóng: wave length = 0.3962 [m]

Bài toán tĩnh

Bài toán tàu chạy trên sóng

Điều kiện biên

Đầu vào: v = 0.617333 [m/s],

mixture

vị trí mặt thoáng = 0.06 [m]

vị trí đáy luồng = -1.5 [m] Tại hai bên tường: wall, độ

cao của nhám = 0.001 [m],

hằng số nhám= 0.012

Đáy luồng : wall, độ cao của nhám = 0, hằng số nhám = 0.012 Lời giải: chuẩn thể tích

3.5 Kết quả và đánh giá

3.5.1 Kết quả bài toán dòng chảy tĩnh

Hình 4.5.1a Áp suất tổng cộng trên vỏ bao tàu

2.10 3 Pa -7.22.10 2 Pa

3.5.1 Kết quả bài toán dòng chảy tĩnh

Hình 4.5.1b Áp suất tĩnh trên vỏ bao tàu

3.5.1 Kết quả bài toán dòng chảy tĩnh

Hình 4.5.1c Áp suất động trên vỏ bao tàu

~ 2.7.10 2 Pa

1.4.10 2 ÷ 1.56.10 2 Pa

Phân bố áp suất

Phân bố vận tốc

Vận tốc tại vị trí đặt chong chóng: x = - 0.40 m

0.44 m/s 0.0075 m/s

Hệ số năng lượng chảy rối

Nhận xét: Xét dọc theo chiều dài tàu, độ lớn của động năng dòng chảy rối, k tăng mạnh và đạt cực đại tại vùng mũi, nơi chất lỏng gặp vỏ bao vùng mũi tàu, và vùng sau đuôi, nơi chất lỏng kết thúc chuyển động dọc theo thân tàu Vị trí vùng chất lỏng sau đuôi tàu có giá trị cực đại của động năng đơn vị k tập trung ngay sau đuôi tàu, bao lấy chiều rộng của phần đuôi tàu

Xét theo chiều ngang tàu, càng ra xa vỏ bao thân tàu, độ lớn của động năng đơn

vị k càng giảm Tuy nhiên, tại vùng nằm ngay sát với phần mạn tàu, kết thúc phần thân ống của tàu tại mũi và đuôi, có xuất hiện những vùng mà độ lớn của động năng đơn vị k tăng cục

bộ Điều này thể hiện rõ nhất ở hai mặt cắt ứng với mớn nước z = 0.01 [m] và z = 0.02 [m] Những vùng mà giá trị của k đạt cực trị là khá nhỏ, điều này cho thấy dòng chảy có khả năng xuất hiện thành phần vận tốc xoáy tại các vùng đã nêu trên

3.5.2 Kết quả bài toán dòng chảy có sóng

Hiển thị sự trộn lẫn giữa hai pha tại mặt thoáng

3.5.2 Kết quả bài toán dòng chảy có sóng

Phân bố áp suất tĩnh trên vỏ bao tàu

Phân bố áp suất động trên vỏ bao tàu

Phân bố áp suất tổng trên vỏ bao tàu

Phân bố vận tốc trên mặt thoáng

0.035 m/s

0.15-> 0.25 m/s 0.15 m/s

Phân bố vận tốc trên mặt phẳng z = 0.04 m

Phân bố vận tốc trên mặt phẳng z = 0.02 m

Phân bố vận tốc trên mặt phẳng z = 0.01 m

Hệ số động năng chảy rối

Hệ số động năng chảy rối

3.5.3 Đánh giá kết quả

1 Tính hợp lý

Các kết quả được hiển thị phù hợp với các hiện tượng thực tế quan sát được về dòng chất lỏng bao quanh thân tàu, chẳng hạn như vùng chất lỏng chảy rối khi tàu chuyển động trên nước tĩnh và trên song, phân bố áp

Các thông số về sóng, gió đều được tra theo bảng tra tiêu chuẩn về cấp sóng và gió của Việt Nam và trên thế giới (phụ lục III)

Các thông số về mô hình tàu được xây dựng trong Autoship, được kiểm tra chặt chẽ thông số thủy lực cũng như độ cong trơn của vỏ bao tàu trước khi xuất sang module Geometry trong ANSYS để hoàn thiện mô hình

Đối với việc chia lưới phần tử, kiểu phần tử được chọn theo khuyến nghị của bài toán CFD Kích thước của lưới được chia nhỏ hơn ở vùng có

độ cong phức tạp đạt tới 10 -4 m, số phần tử đạt 929054 phần tử Kích thước của lưới nhỏ, đảm bảo giảm thiểu giá trị của hàm sai số Truncation Errors

Đối với việc thiết lập thời gian tính toán, bước thời gian được chia rất nhỏ, tới 0.005s; số bước thời gian tăng lên tới 550 bước thời gian Từ đó, giảm thiểu giá trị của hàm sai số Truncation Errors

3.5.3 Đánh giá kết quả

Như vậy, với hai nguyên nhân cơ bản nêu trên, có thể

khắc phục các sai số của kết quả tính toán so với thực tế bằng cách như sau:

Chia nhỏ lưới đạt đến độ mịn cao;

Chia nhỏ bước thời gian tính toán, tăng số bước thời gian tính toán;

Giảm thiểu sự hằng số hóa các đại lượng khai báo trong quá trình thiết lập thông số đầu vào và thiết lập điều kiện biên Với thông số của nước và không khí, có thể thử

nghiệm bài toán ở một dải các nhiệt độ khác nhau, đảm bảo bao phủ hết các trường hợp của thực nghiệm Với vỏ bao tàu, cần xét đến các phần nhô như vây giảm lắc,

choong chóng mũi… nếu có

4 Kết luận và kiến nghị

Kết luận: Đề tài nghiên cứu đã giải quyết được những vấn đề như sau:

Mọi thông số về áp suất, tốc độ, chế độ chảy rối… được xuất ra ở dạng đồ họa và số liệu báo cáo, đảm bảo trực quan và chính xác, phù hợp với thực tế và lý thuyết lớp biên đã được công bố trước đây

Đề tài còn tính toán được sức cản ma sát, hệ số sức cản ma sát của tàu thực Mặc dù kết quả còn xuất hiện sai số so với công thức kiến nghị của ITTC 1957, tuy nhiên những sai số này hoàn toàn có thể khắc phục được trong những nghiên cứu tiếp theo khi khắc phục một số nguyên nhân như đã chỉ ra trong đề tài

Những vấn đề tồn đọng sau đây:

Nghiên cứu trong đề tài chỉ là bước mở đầu trong bài toán thiết kế tàu tối

ưu về mặt thủy động lực học Cần tiến hành xem xét những bài toán rộng hơn, mang tính hệ thống hơn, đặt mô hình tàu như đã nghiên cứu vào hệ thống làm việc thực của nó, bao gồm: vỏ bao thân tàu, các phần nhô, thiết

bị lái, thiết bị đẩy …, phục vụ cho quá trình thiết kế tối ưu của tàu

Trong mô hình tính toán của đề tài, việc chia lưới nhỏ, mịn cũng như chia nhỏ bước thời gian tính toán dẫn đến tạo khối lượng tính toán rất lớn cho máy tính Điều này phụ thuộc và chịu ảnh hưởng nhiều vào điều kiện thiết

bị tính toán, dẫn đến việc chia lưới và bước thời gian chưa đủ nhỏ, mịn như các nghiên cứu đã được công bố trên thế giới

IV Kết luận và kiến nghị

Kiến nghị:

Đề tài hoàn thành cho thấy một hướng đi mới trong việc thiết kế tàu khi xem xét các yếu tố về thủy động lực học Thông qua đề tài này, tác giả kiến nghị: có thể tiến hành quá trình mô phỏng vỏ bao thân tàu cùng tổ hợp thiết bị đẩy, thiết

bị lái ngay ở bước thiết kế lựa chọn phương án để tính toán nghiên cứu các đặc tính thủy động lực học của tàu khi hành hải, giúp phân tích các bài toán về động lực học dòng chảy, giúp tối ưu hóa hình dáng thân tàu cùng sự làm việc của tổ hợp thiết bị đẩy, thiết bị lái sau đuôi tàu Đồng thời, quá trình này nên kết hợp với quá trình chế tạo và thử mô hình tàu

trong bể thử để phục vụ cho quá trình thiết kế tối ưu tàu, đảm bảo tính chính xác, thu được thông số kích thước và hình

dáng con tàu tối ưu nhất

Sau khi hoàn thành đề tài, tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu sâu hơn nữa lý thuyết và phương pháp số để giải quyết bài toán này Từ đó nghiên cứu tối ưu hình dáng vỏ bao thân tàu về mặt động lực học, cũng như nghiên cứu các tương tác thủy động lực học của sóng, gió với các công trình ngoài khơi

Em xin chân thành cảm ơn!