Luận văn thạc sĩ cơ kỹ thuật nghiên cứu, ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có có chuyển pha

Một số đặc tính chủ yếu của khoang khí/hơi xuất hiện quanh vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng .... - Tiến hành ứng dụng bộ chương tình mã nguồn mở OpenFOAM trong tính toán động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN QUANG THÁI

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM

TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ CHUYỂN PHA

LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRANG BÌA PHỤ

NGUYỄN QUANG THÁI

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM

TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ CHUYỂN PHA

Ngành: Cơ kỹ thuật

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 85200101.01

LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS TSKH DƯƠNG NGỌC HẢI

TS NGUYỄN TẤT THẮNG

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

Nguyễn Quang Thái

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa, Trường đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong thời gian tôi học tập tại Khoa và tại trường Tôi cũng xin cảm ơn lãnh đạo Viện Cơ học đã tạo điều kiện công việc để tôi hoàn thành chương trình Thạc sỹ để nâng cao trình độ phục vụ công tác nghiên cứu khoa học Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới GS TSKH Dương Ngọc Hải và TS Nguyễn Tất Thắng, những người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này Tôi cũng xin cảm ơn các sinh viên thực tập: Nguyễn Phú Phượng, Trần Thị Thu Hương, Trần Khắc Việt và Đỗ Văn Đạt đã hỗ trợ tôi thực hiện Luận văn này trong thời gian các họ thực tập và làm Đồ án tốt nghiệp Kỹ sư tại Viện Cơ học

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

(Dấu gạch ngang “-” tại mục Đơn vị đo thể hiện tham số không thứ nguyên)

𝑝𝑐 Áp suất bên trong khoang khí/hơi N/m 2

L max Chiều dài lớn nhất của khoang khí/hơi m

𝐷𝑐𝑎𝑣 Đường kính của đầu dính ướt vật thể m

D max Đường kính lớn nhất của khoang khí/hơi m

𝜌 Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng-khí/hơi kg/m 3

ρ l Khối lượng riêng của chất lỏng kg/m 3

𝜌 Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng-khí/hơi kg/m 3

l Khối lượng riêng của chất lỏng kg/m 3

𝑚 ˙ Là tốc độ trao đổi khối lượng giữa hai pha

γ Tỉ phần thể tích của pha lỏng

A Tiết diện vuông góc với dòng chảy của vật

2

𝑈∞ Vận tốc chất lỏng ở xa điểm đang xét m/s

OpenFOAM Open Source Field Operation And Manipulation

MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

MỞ ĐẦU 1 Chương 1 TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ TRONG CHẤT LỎNG CÓ KHOANG KHÍ/HƠI 3

1.1 Dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong lòng chất lỏng 3 1.1.1 Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vật thể 3

1.1.2 Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi 6

1.2 Một số đặc tính chủ yếu của khoang khí/hơi xuất hiện quanh vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng 9

1.3 Một số ứng dụng hiện nay của dòng chảy khoang khí/hơi 9

1.3.1 Chân vịt siêu khoang 9

1.3.2 Ngư lôi siêu khoang 10

1.3.3 Giảm lực cản cho thân tàu thủy 10

1.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của vật thể dưới nước 11

1.4.1 Lực cản đối với vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng 11

1.4.2 Sự ăn mòn bề mặt khi vật thể chuyển động ở vận tốc cao 11

1.5 Tình hình nghiên cứu hiện nay 12

1.5.1 Nghiên cứu thực nghiệm 12

1.5.2 Nghiên cứu lý thuyết 21

1.5.3 Một số vấn đề nghiên cứu 23

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ BỘ CHƯƠNG TRÌNH MÃ NGUỒN MỞ OPENFOAM 25

2.1 Lược sử sự phát triển của OpenFOAM 25

2.1.1 OpenFOAM là gì? 25

2.1.2 Sự ra đời và phát triển của OpenFOAM 26

2.1.5 Một số phần mềm và giao diện GUI có tích hợp với OpenFOAM 26

2.2 Cấu trúc của chương trình OpenFOAM 27

2.2.1 Các nhóm bộ giải chuẩn 27

2.2.2 Công cụ tiện ích 29

2.2.3 Lưới tính toán và các loại điều kiện biên được sử dụng trong OpenFOAM 29 2.2.4 Tổ chức dữ liệu mô hình hóa mô phỏng 32

2.3 Khả năng và các ưu, nhược điểm của OpenFOAM 33

2.3.1 Các khả năng tính toán của OpenFOAM 33

2.3.2 Những ưu, nhược điểm của OpenFOAM 34

2.4 Áp dụng minh họa khả năng của bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy 36

2.4.1 Đặt bài toán 36

2.4.2 Dựng lưới tính toán 36

2.4.3 Điều kiện biên và điều kiện đầu 38

2.4.4 Chạy chương trình tính toán, hiển thị kết quả 38

Chương 3 ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ CHUYỂN PHA 41

3.1 Một số bộ giải dòng chảy hai pha không có/có chuyển pha của OpenFOAM 41

3.1.1 Giới thiệu một số bộ giải có sẵn trong bộ cài đặt của OpenFOAM 41

3.1.2 Lựa chọn bộ giải phù hợp để phục vụ tính toán của luận văn 41

3.2 Ứng dụng OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy hai pha nước - không khí không có chuyển pha quanh vật thể xâm nhập vào nước 42

3.2.1 Các phương trình cơ bản 42

3.2.2 Mô hình tính toán động lực học dòng chảy mô phỏng sự xâm nhập nước của vật thể sử dụng OpenFOAM 44

3.2.3 Kết quả tính toán 46

3.2.4 Nhận xét chung 51

3.3 Ứng dụng OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy hai pha có chuyển pha quanh vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng 52

3.3.1 Các phương trình cơ bản 52

3.3.2 Mô hình hóa mặt phân tách lỏng - hơi bằng phương pháp VOF 53

3.3.3 Mô hình hóa quá trình rối bằng phương pháp LES 53

3.3.4 Mô hình hóa quá trình chuyển pha 53

3.3.5 Mô hình tính toán động lực học dòng chảy sử dụng OpenFOAM 54

3.3.6 Kết quả tính toán 56

3.3.7 Nhận xét chung 58

KẾT LUẬN 59

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC

Những bộ giải chuẩn trong nhóm bộ giải tính toán dòng chảy nhiều pha

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tỉ lệ thành phần lực cản của một số dạng vật thể 11 Bảng 2.1 So sánh tính năng của OpenFOAM và FLUENT 35 Bảng 3.1 Một số bộ giải chuẩn trong nhóm bộ giải tính toán dòng chảy nhiều pha của

OpenFOAM 41

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Khoang khí/hơi hình thành khi quả cầu đi từ không khí vào nước 3

Hình 1.2 Sự hình thành khoang khí/hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể 4

Hình 1.3 Biểu đồ pha 4

Hình 1.4 Sự hình thành khoang khí/hơi nhân tạo trên bề mặt vật thể 5

Hình 1.5 Cấu trúc dòng chảy rối quanh vật thể trong dòng chảy chuyển pha có khoang khí/hơi (kết quả thực nghiệm và mô phỏng số) 5

Hình 1.6 Khoang khí/hơi ở những số khoang khác nhau 6

Hình 1.7 Hệ số áp lực trên bề mặt vật thể trụ có đầu dạng phẳng 7

Hình 1.8 Giá trị số khoang thấp nhất đạt được trong dòng chảy có khoang khí/hơi nhân tạo hình thành trong ống thủy động 8

Hình 1.9 Quan hệ giữa hệ số cấp khí và số khoang 8

Hình 1.10 Chân vịt với những lỗ nhỏ trên bề mặt để hình thành khoang khí/hơi nhân tạo 9

Hình 1.11 Chân vịt có thiết kế hình dạng cánh đặc biệt (hình a) và cơ chế hình thành khoang khí/hơi tự nhiên (hình b) 10

Hình 1.12 Ngư lôi VA-111 Shkval sử dụng kỹ thuật hình thành khoang khí/hơi nhân tạo (a – Ngư lôi VA-111 Shkval; b – Đầu tạo khoang khí) 10

Hình 1.13 Khoang khí/hơi giúp giảm lực cản dưới thân tàu 10

Hình 1.14 Mô hình ống thủy động kích cỡ lớn của Hải quân Mỹ 13

Hình 1.15 Mô hình hệ ống thủy động tại Viện Cơ học xây dựng năm 2016 13

Hình 1.16 Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi trong chất lỏng Ukraina (1990) 14

Hình 1.17 Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi từ không khí vào nước ở Trung Quốc (2014) 14

Hình 1.18 Hệ thí nghiệm quan sát quỹ đạo chuyển động của vật tại Việt Nam (IMECH, 2014) 14

Hình 1.19 Mô tả dòng chảy khoang khí/hơi hình thành theo các cách khác nhau (a – Khác nhau về vị trí lỗ phun; b – Khác nhau về hướng dòng khí được phun ra) 15

Hình 1.20 Sơ đồ mô tả một hệ thiết bị quan sát khoang khí/hơi sử dụng camera 15

Hình 1.21.Hình ảnh khoang khí/hơi thu được từ hai camera có tốc độ 60fps (hình trên) và 1000fps (hình dưới) 16

Hình 1.22 Minh họa bố trí ống đo áp suất trong khoang khí/hơi gần đầu vật thể tạo khoang khí/hơi 17

Hình 1.23 Khối vật thể tạo khoang khí/hơi có đầu dính ướt 5mm và có ống đo áp suất 17

Hình 1.24 Vị trí miệng ống đo áp suất khoang khí/hơi tại đầu vật thể tạo khoang khí/hơi 17

Hình 1.26 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đo đạc PIV 18

Hình 1.27 Vùng rối được đo đạc bằng phương pháp PIV 19

Hình 1.28 Kết quả phân tích PIV trong nghiên cứu của Wornik 19

Hình 1.29 Cấu trúc dòng chảy tại vị trí đóng khoang khí/hơi nhân tạo và độ lệch của trục do trọng trường 19

Hình 1.30 Cấu trúc dòng chảy khi khoang khí/hơi đóng và dòng xoáy phía sau khoang khí/hơi 20

Hình 1.31 Khoang khí/hơi hình thành với một số dạng thân và đầu vật thể 20

Hình 1.33 Khoang khí/hơi với đầu dính ướt dạng đặc biệt 20

Hình 1.33 Quan sát vật thể di chuyển trong nước với vận tốc âm (Mach=1.03) 21

Hình 1.34 Mô tả một vật thể 3D trong hệ không gian Đề các 22

Hình 1.35 Mô phỏng CFD dòng chảy quanh vât thể di chuyển từ không khí vào trong nước bằng ANSYS Fluent 23

Hình 1.36 Mô phỏng dòng chảy khoang khí/hơi quanh một vật thể tạo khoang khí/hơi nhân tạo bằng công cụ UNCEL code 23

Hình 2.1 Chương trình OpenFOAM đang làm việc trong chế độ cửa sổ lệnh 25

Hình 2.2 Mã nguồn hướng đối tượng giải phương trình (2.1) trong OpenFOAM 25

Hình 2.3 Cấu trúc tổng thể của bộ chương trình OpenFOAM 27

Hình 2.4 Sơ đồ thuật toán PIMPLE 28

Hình 2.5 Hình dạng của phần tử lưới với cách đánh số các đỉnh tương ứng 30

Hình 2.6 Lưới Block và snappy của OpenFOAM 31

Hình 2.7 Tổ chức dữ liệu mô hình hóa mô phỏng 32

Hình 2.8 Sơ đồ điều kiện biên của bài toán và sự bố trí của các đỉnh, khối lưới (block) 36

Hình 2.9 Phân khai báo tọa độ các đỉnh (verticals) 37

Hình 2.10 Khai báo thông tin các khối (blocks) 37

Hình 2.11 Khai báo các mặt biên (boundary) 37

Hình 2.12 Khai báo điều kiện đầu của áp suất 38

Hình 2.13 Khai báo điều kiện đầu của vận tốc 38

Hình 2.14 Hình ảnh thể hiện đường đi của dòng chảy 38

Hình 2.15 Phân bố của áp suất p 39

Hình 2.16 Phân bố độ lớn vận tốc trong miền tính toán 39

Hình 2.17 Phân bố vận tốc theo phương x (Ux) 39

Hình 2.18 Phân bố vận tốc theo phương y (Uy) 40

Hình 2.19 Phân bố vận tốc theo phương z (Uz) 40

Hình 3.1 Sơ đồ điều kiện biên mô hình tính toán 45

Hình 3.2 Lưới tính toán của mô hình tính toán 46

Hình 3.3 So sánh kết quả mô phỏng (hình bên phải) với quan sát thực nghiệm (bên trái) sự va chạm của vật thể với mặt thoáng với trường hợp V=1.72m/s (a) và V=2.17 m/s (b) 47

Hình 3.4 So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm sự xuất hiện và đóng kín của

khoang khí/hơi quanh vật thể tiết diện tròn với trường hợp vận tốc V=2.17m/s 48 Hình 3.5 So sánh kết quả mô phỏng với quan sát thực nghiệm sự xuất hiện và đóng kín

của khoang khí/hơi quanh một thanh dài đầu phẳng với trường hợp vận tốc

V = 3.10 m/s 48 Hình 3.6 Ảnh hưởng của vận tốc di chuyển và hình dạng của vật thể 50 Hình 3.7 Sơ đồ điều kiện biên của mô hình tính toán 54 Hình 3.8 Lưới tính toán: a - Lưới 3D được dựng; b, c - lưới bề mặt và gần biên cứng

của quả cầu 55 Hình 3.9 Đánh giá ảnh hưởng của lưới tính 56 Hình 3.10 Khoang khí/hơi quanh quả cầu ở các số σ = 1.0, 0.5, 0.36 và 0.2 56 Hình 3.11 Khoang khí/hơi quanh quả cầu ở các thời điểm t = 0.35ms (a – khoang khí/hơi

chưa bị xoáy rối tác động), 2.45ms (b – xoáy rối xuất hiện làm thay đổi hình dạng bề mặt phân tách lỏng - hơi) và 2.85ms (c – xoáy rối cuốn hơi khỏi khoang khí/hơi tạo thành bọt hơi nhỏ hơn) với σ = 0.36 57

MỞ ĐẦU

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội của con người đặt ra những vấn đề đòi hỏi các phải sử dụng những phương tiện, thiết bị làm việc trên mặt và trong lòng nước, ví dụ như tàu thủy, chân vịt, tàu lặn, … Vấn đề nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng của các phương tiện, thiết bị như vậy cũng được đặt ra và quan tâm trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật Trong đó, nghiên cứu về động lực học dòng chảy nhiều pha không có/có chuyển pha là lĩnh vực rất được quan tâm vì dòng chảy xung quanh các phương tiện, thiết bị nêu trên thường là dòng chảy nhiều pha (chứa cả pha lỏng, pha khí/hơi, …) Trong dòng chảy nhiều pha, khoang khí/hơi có thể xuất hiện (theo cách nhân tạo hoặc tự nhiên) ở những điều kiện dòng chảy thích hợp, khi đó, dòng chảy được gọi là dòng chảy có khoang khí/hơi Tại Việt Nam, một số nghiên cứu bước đầu

về dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh các vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng cũng đã được thực hiện trong một số trường hợp [1-8, 13-14,53,56,57] Khi có khoang khí/hơi bao bọc bề mặt các thiết bị trong dòng chảy, lực cản do ma sát giữa bề mặt thiết bị với chất lỏng xung quanh có thể giảm đáng kể (có thể giảm 90%), nhiều thiết bị có thể di chuyển với vận tốc cao mà tiêu thụ ít nhiên liệu hơn [31] Vì vậy, dòng chảy có khoang khí/hơi đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng hiện nay ở cả trên thế giới và Việt Nam

Do sự phức tạp của các hiện tượng trong dòng chảy có khoang khí/hơi, những hiểu biết về cơ chế xảy ra và duy trì khoang khí/hơi trong dòng chảy vẫn còn rất nhiều hạn chế Trong dòng chảy có khoang khí/hơi, nhiều hiện tượng phức tạp xảy ra, chẳng hạn như sự trộn lẫn các pha với nhau, sự chuyển đổi giữa các pha với nhau, hoặc sự xuất hiện các khoang khí/hơi, sự rối của dòng chảy… [17, 31, 47, 49, 68] Vì thế, việc nghiên cứu dòng chảy này cho đến nay vẫn gặp nhiều khó khăn cả trong nghiên cứu lý thuyết

và thực nghiệm Để ứng dụng dòng chảy có khoang khí/hơi trong các lĩnh vực khoa học,

kỹ thuật nhiều hơn, cần tiếp tục thực hiện những nghiên cứu sâu sắc hơn nữa

Những công cụ mô phỏng số góp sức đáng kể trong những nghiên cứu về dòng chảy có khoang khí/hơi bên cạnh những phương pháp thực nghiệm Trong đó,

OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation) là một công cụ có nhiều

ưu điểm như chia sẻ mã nguồn chương trình có thể can thiệp, có nhiều bộ giải và có tài liệu hướng dẫn cho phép thực hiện những nghiên cứu số về dòng chảy với những khả năng mạnh mẽ Trong đó, ưu điểm nổi bật nhất của OpenFOAM là cho phép người dùng được can thiệp vào mã nguồn để hoàn thiện các mô hình có sẵn và phát triển những mô hình tính toán mới phục vụ nhu cầu cụ thể của các nghiên cứu [35,37] Đây cũng là ưu điểm của lớn OpenFOAm so với các phần mềm thương mại như FLUENT, CFX, … thường không có phép can thiệp chương trình Việc làm chủ được OpenFOAM sẽ giúp thực hiện những nghiên cứu sâu sắc về động lực học dòng chảy nói chung và dòng chảy

không có/có chuyển pha hay dòng chảy có khoang khí/hơi nói riêng bằng những mô hình tính toán có sẵn hoặc những mô hình tính toán hoàn thiện hơn hoặc phát triển mới

Vì vậy, học viên lựa chọn đề tài của Luận văn là “Nghiên cứu, ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha”

Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu của Luận văn là làm chủ bộ chương trình OpenFOAM nhằm phục vụ nghiên cứu và ứng dụng các đặc điểm động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha

Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan các vấn đề về dòng chảy không có/có chuyển pha

- Nghiên cứu tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM

- Tiến hành ứng dụng bộ chương tình mã nguồn mở OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha thông qua hai bài toán: Mô phỏng dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể xâm nhập vào nước và vật thể đang chuyển động nhanh trong lòng chất lỏng

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng hai phương pháp nghiên cứu chính: Phương pháp tổng hợp, phân tích tài liệu và Phương pháp thí nghiệm số Bằng phương pháp tổng hợp, phân tích tài liệu khoa học Luận văn thực hiện, nghiên cứu tổng quan về tính toán thủy động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha và tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM Sau đó, các tính toán mô phỏng số được thực hiện để nghiên cứu ứng dụng

bộ chương trình mã nguồn mở trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha quanh một vật thể xâm nhập nước và một vật thể đang chuyển động trong lòng chất lỏng

Bố cục của luận văn

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục công trình khoa học của tác giả liên quan đến Luận văn và Tài liệu tham khảo, Luận văn có 3 Chương:

• Chương 1 Tổng quan một số vấn đề chuyển động của vật thể trong chất lỏng có khoang khí/hơi

• Chương 2 Tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM

• Chương 3 Ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha

Phần Phụ lục đề cập tên và ứng dụng của những bộ giải chuẩn có sẵn trong OpenFOAM phục vụ cho các tính toán mô phỏng thủy động lực học của dòng chảy nhiều pha

Chương 1 TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ TRONG

CHẤT LỎNG CÓ KHOANG KHÍ/HƠI

1.1 Dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong lòng chất lỏng

1.1.1 Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vật thể

Hình 1.1 dưới đây [59] minh họa khoang khí/hơi tự nhiên hình thành quanh một quả cầu kim loại được thả vào nước từ bên ngoài không khí

Hình 1.1 Khoang khí/hơi hình thành khi quả cầu đi từ không khí vào nước Khoang chứa khí này được hình thành ngay từ khi quả cầu bắt đầu tiếp xúc với mặt thoáng của nước do sự chiếm chỗ của không khí tại vùng không gian trống mà vật thể tạo ra sau khi xuyên qua mặt thoáng và đi sâu vào lòng chất lỏng Tại vùng này, khoang chứa khí được lấp đầy bởi không khí và hơi nước sinh ra do sự giảm áp tới áp suất hơi bão hào của chất lỏng xung quanh vật thể [12, 17,27,31] Do khoang này chứa

cả khí và hơi nên Luận văn gọi chung là Khoang khí/hơi Khoang khí/hơi được hình thành mà không có tác động trực tiếp của con người đối với khí bên trong khoang thường được gọi là khoang khí/hơi tự nhiên (water entry cavity hoặc natural cavity) để phân biệt với khoang khí/hơi nhân tạo thường được hình thành bằng cách bơm khí không ngưng

tụ từ dưới bề mặt vật thể vào chất lỏng [17, 31, 49,58-59]

Trong dòng chảy có khoang khí/hơi, vùng chất lỏng tại lớp biên rối của dòng chảy

ở gần bề mặt vật thể xảy ra sự giảm áp tới áp suất hơi bão hòa của vùng chất lỏng gần

bề mặt vật thể [12,17] Nếu khoang khí/hơi hình thành khi vật thể đang di chuyển trong lòng chất lỏng quá trình hình thành khoang khí/hơi được biểu diễn trong Hình 1.2 dưới đây Chất lỏng ở áp suất hơi bão hòa xảy ra sự chuyển pha và hình thành nên những bọt hơi và sau đó là các miền hơi do các bọt hơi kết hợp với nhau bao bọc vật thể Để sự giảm áp đủ lớn để đạt đến áp suất hơi bão hòa, vận tốc tương đối giữa dòng chảy và vật thể thường lớn hơn nhiều so với trường hợp vật thể xâm nhập nước qua mặt thoáng [17]

Hình 1.2 Sự hình thành khoang khí/hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể Quá trình hóa hơi do giảm áp đến áp suất hơi bão hòa nêu trên là quá trình sôi ở nhiệt độ thường [12,17] Hình 1.3 dưới đây [17] mô tả biểu đồ pha của một vật liệu Theo đó, khi nhiệt độ tăng lên trong chất lỏng với áp suất không đổi thì sẽ dẫn tới sự sôi

do nhiệt độ (boiling) và sự hóa hơi của chất lỏng xảy ra

Hình 1.3 Biểu đồ pha Tuy nhiên, khi nhiệt độ không đổi, việc giảm áp suất trong chất lỏng cũng dẫn tới

sự chuyển pha từ lỏng sang hơi được gọi là sự tạo khí hơi (cavitation) Đây chính là quá trình dẫn tới sự hình thành khoang khí/hơi tự nhiên xung quanh vật thể chuyển động trong chất lỏng [17]

Để có thể làm xuất hiện khoang khí/hơi ở các điều kiện áp suất và nhiệt độ chưa cho phép sự hóa hơi xảy ra đủ để hình thành khoang khí/hơi, bằng các kỹ thuật nhân tạo (chủ yếu là bơm khí không ngưng tụ vào chất lỏng xung quanh vật thể), một khoang khí/hơi có thể được tạo ra xung quanh các vật thể đang chuyển động trong lòng chất lỏng được gọi là khoang khí/hơi nhân tạo [17, 31] Lượng khí không ngưng tụ này có

xu hướng bám lại bề mặt vật thể tại những khu vực dòng chảy phía ngay sau bề mặt vật thể (nơi có áp suất thấp hơn trong dòng chảy xung quanh vật thể) và hình thành nên một túi khí Sự hình thành khoang khí/hơi nhân tạo có điểm tương tự với khoang khí/hơi tự nhiên

Hình 1.4 dưới đây [49] minh họa sự hình thành khoang khí/hơi bởi cách bơm khí không ngưng tụ vào những vùng áp suất thấp hơn trong chất lỏng để hình thành nên những túi khí xung quanh bề mặt vật thể

Hình 1.4 Sự hình thành khoang khí/hơi nhân tạo trên bề mặt vật thể

Do khoang khí/hơi nhân tạo được hình thành ở điều kiện sự giảm áp chưa đạt tới

áp suất hơi bão hòa nên không đòi hỏi vận tốc của dòng chảy lớn như đối với khí tự nhiên [17] Trong nhiều trường hợp, khoang khí/hơi nhân tạo được tạo ra để hỗ trợ các phương tiện chuyển động với lực ma sát với chất lỏng xung quanh thấp hơn cho đến khi

đủ nhanh để hình thành nên khoang khí/hơi tự nhiên nhờ sự hóa hơi của chất lỏng [31, 59-60]

Khi khoang khí/hơi xuất hiện, hình dạng của khoang khí/hơi thay đổi liên tục do

bị các xoáy rối cuốn trôi một phần lượng hơi bên trong khoang ra ngoài, làm xuất hiện những bọt hơi nhỏ hơn dẫn tới kích thước của khoang khí/hơi giảm đi Sự thay đổi hình dạng và kích thước của khoang khí/hơi dẫn tới diện tích tiếp xúc với chất lỏng của bề mặt vật thể thay đổi liên tục, kết quả là lực cản do ma sát của chất lỏng và chuyển động của vật thể không ổn định [9, 11, 22] Hình 1.5 dưới đây [11] mô tả phần nào hình ảnh dòng chảy rối quanh vật thể trong quá trình hình thành khoang khí/hơi qua mô phỏng số

và quan sát thực nghiệm

Hình 1.5 Cấu trúc dòng chảy rối quanh vật thể trong dòng chảy chuyển pha có khoang

khí/hơi (kết quả thực nghiệm và mô phỏng số) Cho đến nay, các nguyên lý cơ học của dòng chảy rối có khoang khí/hơi xuất hiện xung quanh vật thể chuyển động dưới nước vẫn chưa được hiểu rõ hết và là vấn đề đang được quan tâm [9, 11, 44, 62-63, 22]

1.1.2 Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi

• Số khoang (cavitation number) 𝜎

Số khoang 𝜎 là tham số không thứ nguyên thường được sử dụng trong các so sánh đồng dạng của nhiều nghiên cứu về dòng chảy có khoang khí/hơi Số 𝜎 được xác định bởi biểu thức (1.1) dưới đây:

𝜎 = 𝑝∞−𝑃𝑐

Trong đó: 𝑝∞ - áp suất chất lỏng ở dòng vào; 𝑝𝑐 - áp suất bên trong khoang

khí/hơi; 𝜌 - khối lượng riêng của chất lỏng; U - vận tốc chất lỏng ở dòng vào

Hình 1.6 dưới đây [45] mô tả khoang khí/hơi hình thành được ở các số khoang khác nhau với hai dạng đầu dính ướt phẳng và bán cầu

Hình 1.6 Khoang khí/hơi ở những số khoang khác nhau

Trong đó: 𝑝𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 - áp suất của chất lỏng tại một vị trí cụ thể được khảo sát

Hệ số áp suất thường được dùng để mô tả phân bố áp suất không thứ nguyên trên

bề mặt vật thể Hình 1.7 dưới đây [14] mô tả phân bố của áp suất qua hệ số Cp Trong

đó, ta có thể thấy, giá trị Cp min =- σ và phần đồ thị nằm ngang mô tả cho vùng bề mặt vật

thể bị bao phủ bởi khoang khí

Hệ số cản được xác định bởi các biểu thức (1.5) dưới đây sau với 𝐹𝐷 là lực cản;

A là tiết diện vuông góc với dòng chảy của vật thể:

𝐶𝐷 = 𝐹𝐷0.5𝜌𝑈∞2𝐴

(1.5)

• Tỉ số blockage

Tỉ số blockage là tỷ lệ giữa đường kính trong của ống quan sát của hệ kênh thủy động với đường kính đầu dính ướt của vật mẫu [9,23] Giá trị của tỉ số blockage ảnh hưởng tới số khoang σ nhỏ nhất hệ ống thủy động có thể hình thành được Hình 1.8 dưới đây [23] mô tả sự ảnh hưởng của tỉ số tỉ số blockage đối với σ min

Hình 1.8 Giá trị số khoang thấp nhất đạt được trong dòng chảy có khoang khí/hơi

nhân tạo hình thành trong ống thủy động

Thay đổi hệ số cấp khí giúp đạt được kích thước khoang khí/hơi ở các điều kiện

số khoang khác nhau Hình 1.9 dưới đây [18] thể hiện kết quả quan sát của Wornik về kích thước khoang khí/hơi tương ứng với số khoang và hệ số cấp khí khác nhau Ở đây,

số khoang đươc xác định từ kích thước khoang khí/hơi thu được

Hình 1.9 Quan hệ giữa hệ số cấp khí và số khoang

1.2 Một số đặc tính chủ yếu của khoang khí/hơi xuất hiện quanh vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng

• Diện tích tiếp xúc của bề mặt vật với chất lỏng và chất lỏng thấp hơn so với khi không có khoang khí/hơi

Khoang khí/hơi bao quanh bề mặt vật thể làm giảm thiểu diện tích tiếp xúc giữa

bề mặt vật rắn với chất lỏng ban đầu, dẫn tới lực ma sát tác dụng lên vật thể giảm so với khi không có khoang khí/hơi [17, 31] Đối với những vật thể có chiều dài tương đối lớn

so với kích thước chiều rộng, đặc tính này của khoang khí/hơi có ích trong việc giảm lực ma sát Ngoài ra, sự suất hiện của khoang khí/hơi đủ lớn bao bọc những cấu trúc kém bền vững trên bề mặt vât thể có thể giúp hạn chế sự phá hủy cấu trúc này do sự ăn mòn của chất lỏng

• Sự biến mất của khoang khí/hơi có thể sinh ra xung áp lực lớn trong chất lỏng tại vị trí khoang khí/hơi đóng kín

Quá trình đóng kín hoặc biến mất khoang khí/hơi có thể sinh ra những xung áp lực lớn, có thể lên tới cỡ hàng trăm bar [17] Những xung áp lực này gây nên tiếng ồn khi dòng chảy có khoang khí/hơi Đặc tính này đã được ứng dụng trong việc kích hoạt

cơ chế kích nổ của một số loại thủy lôi dưới nước bằng xung áp lực do khoang khí/hơi sinh ra

1.3 Một số ứng dụng hiện nay của dòng chảy khoang khí/hơi

1.3.1 Chân vịt siêu khoang

Một số mẫu chân vịt với thiết kế hình thành khoang khí/hơi tự nhiên và khoang khí/hơi nhân tạo đã được thiết kế để tận dụng lợi ích của dòng chảy có khoang khí/hơi Hình 1.10 dưới đây [54] minh họa cho hai mẫu chân vịt được thiết kế

Hình 1.10 Chân vịt với những lỗ nhỏ trên bề mặt để hình thành khoang khí/hơi nhân

tạo Một loại chân vịt với hình dạng đặc biệt cũng được phát triển nhằm hình thành nên khoang khí/hơi tự nhiên trong quá trình chuyển động (xem Hình 1.11 dưới đây [58])

a) b) Hình 1.11 Chân vịt có thiết kế hình dạng cánh đặc biệt (hình a) và cơ chế hình thành

khoang khí/hơi tự nhiên (hình b) 1.3.2 Ngư lôi siêu khoang

Ngư lôi VA-111 Shkval do Nga chế tạo hiện nay là ngư lôi có tốc độ nhanh nhất thế giới nhờ ứng dụng kỹ thuật tạo khoang khí/hơi trong quá trình phóng (xem Hình 1.12 dưới đây [60])

Hình 1.12 Ngư lôi VA-111 Shkval sử dụng kỹ thuật hình thành khoang khí/hơi nhân

tạo (a – Ngư lôi VA-111 Shkval; b – Đầu tạo khoang khí) 1.3.3 Giảm lực cản cho thân tàu thủy

Trong một số trường hợp, khoang khí/hơi có thể giúp giảm lực cản do ma sát của thân tàu với chất lỏng xung quanh Với khả năng giảm lực cản bề mặt đáng kể, khoang khí/hơi nhân tạo đang được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong việc giảm lực cản cho thân tàu với những túi khí lớn dưới đáy tàu (xem Hình 1.13 dưới đây)

Hình 1.13 Khoang khí/hơi giúp giảm lực cản dưới thân tàu

1.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của vật thể dưới nước

1.4.1 Lực cản đối với vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng

Lực cản F D tác dụng lên vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng gồm hai thành

phần: lực cản do chênh áp (F D- apsuat ) và lực cản do ma sát (F D-masat) Trong đó, lực cản

chênh áp xuất hiện do chênh lệch áp suất giữa hai điểm phía trước và phía sau của bề

mặt vật thể trên phương chuyển động Lực cản do ma sát xuất hiện do sự tiếp xúc của

chất lỏng và bề mặt vật thể Biểu thức (1.7) dưới đây biểu thị lực cản tổng F D tác dụng

lên vật thể khi chuyển động trong lòng chất lỏng:

F D = F D-apsuat + F D-masat (1.7) Trong quá trình chuyển động dưới nước, với những hình dạng khác nhau, lực cản

do áp suất và lực cản do ma sát có thể chiếm tỉ lệ khác nhau Bảng 1.1 dưới đây mô tả

về mức độ ảnh hưởng của các thành phần lực cản ở một số dạng vật thể đơn giản

Bảng 1.1 Tỉ lệ của các thành phần lực cản so với lực cản tổng F D của dòng chảy tác

Từ bảng 1.1 ta có thể thấy, vật thể càng có chiều dài lớn so với chiều rộng thì càng

có thành phần lực cản xung quanh lớn Trong thực tế, rất nhiều phương tiện hay vật thể

di chuyển dưới nước đều có chiều dài lớn tương đối lớn so với kích thước của vật thể

Do vậy, giải quyết được vấn đề giảm lực cản xung quanh sẽ giúp ích đáng kể cho việc

giảm tiêu hao nhiên liệu cũng như điều khiển chuyển động của các vật thể hay phương

tiện làm việc dưới nước

1.4.2 Sự ăn mòn bề mặt khi vật thể chuyển động ở vận tốc cao

Ở những ứng dụng có vận tốc tương đối giữa chất lỏng và vật thể, sự ăn mòn do

xâm thực diễn ra mạnh có thể làm hư hại đáng kể tới cấu trúc hay bề mặt của vật thể

[17] Để hạn chế xảy ra ăn mòn, việc tối ưu bề mặt sẽ giúp giảm bớt nhưng không thể

triệt để vì ngày nay, các phương tiện làm việc dưới nước ngày càng gia tăng về tốc độ

di chuyển nên nguy cơ về ăn mòn do xâm thực không thể loại bỏ hoàn toàn

Ngày nay, những ứng dụng của dòng chảy có khoang khí/hơi sẽ có tác dụng giúp

giảm thiểu ảnh hưởng của lực cản, cũng như ăn mòn do xâm thực xảy ra [17]

1.5 Tình hình nghiên cứu hiện nay

1.5.1 Nghiên cứu thực nghiệm

Việc nghiên cứu thực nghiệm dòng chảy khoang khí có vai trò quan trọng trong việc tìm hiểu đo đạc dòng chảy khoang khí và những yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng, kích thước, khả năng hình thành cũng như làm sao để điều khiển được khoang khí như

ý muốn Những số liệu đo đạc thực nghiệm sẽ giúp bổ sung, kiếm chứng những kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số Để đo đạc thực nghiệm dòng chảy khoang khí, các vật thể tạo khoang khí thường được đặt trong ống thủy động Nhờ đó, có thể đo đạc được các tham số dòng chảy một cách đầy đủ và dễ dàng Các thông số của dòng chảy được quan tâm chủ yếu là: tốc độ dòng chảy, lưu lượng dòng khí phun vào, áp suất trong chất lỏng, áp suất trong khoang khí và kích thước khoang khí Để đo đạc được những thông số này, phương pháp đo đạc thích hợp cần phải được áp dụng Các mục dưới đây trình bày một số công cụ nghiên cứu hiện nay và phương pháp đo đạc có thể áp dụng cho dòng chảy có khoang khí

1.5.1.1 Những công cụ nghiên cứu thực nghiệm chính

Để nghiên cứu hệ dòng chảy có khoang khí/hơi quanh vật thể chuyển động dưới nước, hai công cụ chính được sử dụng là Kênh hay Ống Thủy động và Bể quan sát vật chuyển động Kênh/ống thủy động được dùng cho các nghiên cứu mà vật thể sẽ được gắn cố định vào phần ống quan sát của hệ, chất lỏng sẽ được máy bơm đẩy đi và hình thành nên dòng chảy quanh vật thể Trong khi đó, với bể quan sát Chất lỏng sẽ được đổ đầy bể quan sát và vật thể được bắn đi bằng các loại máy phóng khác nhau Mỗi công

cụ có một diểm mạnh riêng cho từng trường hợp nghiên cứu Dưới đây trình bày một số

hệ thí nghiệm đang được sử dụng hiện nay

• Kênh/ống thủy động

Hình 1.14 [58] và 1.15 dưới đây là một số mô hình ống thủy động đã được sử dụng làm thí nghiệm quan sát dòng chảy Mô hình này có độ cao tương đương một tòa nhà 10 tầng, có máy bơm tuần hoàn chạy bởi một động cơ 14000 Hp (1Hp = 0.736 kW) [58] Hình 1.15 là mô hình thí nghiệm cỡ nhỏ được xây dựng tại Viện Cơ học, Việt Nam năm

2016

Hình 1.14 Mô hình ống thủy động kích cỡ lớn của Hải quân Mỹ

Hình 1.15 Mô hình hệ ống thủy động tại Viện Cơ học xây dựng năm 2016

Ưu điểm của phương pháp này là kiểm soát được vận tốc Mặt khác nhược điểm là khá cồng kềnh và phức tạp, kinh phí tốn kém, khó nghiên cứu được trong phòng thí nghiệm nhỏ, phải sử dụng máy bơm công suất lớn và vật thể chỉ gắn cố định

Đối với các hệ ống thủy động, việc nghiên cứu dòng chảy có khoang khí/hơi có ưu điểm là dễ quan sát, theo dõi sự biến đổi của khoang khí/hơi do vật thể không di chuyển Tuy nhiên, khi nghiên cứu những ứng xử của vật thể khi chuyển động trên quỹ đạo thì

sẽ gặp nhiều khó khăn Ngoài ra, việc điều khiển dòng chảy cần phải phù hợp và hạn chế những ảnh hưởng do hệ đường ống, máy bơm gây ra

• Hệ bể nước quan sát vật thể di chuyển tự do

Để có thể nghiên cứu ứng xử của vật thể và khoang khí/hơi khi vật thể di chuyển trong chất lỏng Những hệ bể nước đã được sử dụng Trong những hệ bể nước này, vật thể sẽ được bắn đi theo phương ngang (xem Hình 1.16 dưới đây [31]) hoặc phương thẳng đứng (xem Hình 1.17 dưới đây [21]) Thông thường, trong các hệ bể nước này, vật thể được bắn đi và di chuyển một cách tự do trong chất lỏng và hiện tượng nghiên cứu thường là khoang khí/hơi tự nhiên khi vật thể đi từ ngoài không khí vào chất lỏng Cần phải sử dụng những camera tốc độ cao để ghi lại chuyển động và sự hiện diện của khoang

khí/hơi xung quanh vật thể Dưới đây là một số hệ bể nước đã được xây dựng tại một số nước trên thế giới

Hình 1.16 Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi trong chất lỏng Ukraina (1990)

Hình 1.17 Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi từ không khí vào nước ở Trung

Quốc (2014)

Hình 1.18 Hệ thí nghiệm quan sát quỹ đạo chuyển động của vật tại Việt Nam

(IMECH, 2014) Với các hệ bể nước, chất lỏng đứng yên và vật thể chuyển động nên các yếu tố của dòng chảy trong ống thủy động được hạn chế Tuy nhiên, vận tốc di chuyển của vật thể lớn nên tốc độ ghi hình của camera ảnh hưởng rất nhiều tới dữ liệu quan trắc được

2 camera trở lên Chi phí của camera tốc độ cao là một vấn đề phải xem xét khi xây dựng những hệ thí nghiệm như vậy

1.5.1.2 Một số kỹ thuật hình thành khoang khí/hơi nhân tạo

Một số nghiên cứu đã quan tâm đến các cách hình thành khoang khí/hơi khác nhau Hình 1.19 a) [49] và b) [22] dưới đây minh họa một số cách tạo khoang khí/hơi đã được nghiên cứu trong một số nghiên cứu

a)

b) Hình 1.19 Mô tả dòng chảy khoang khí/hơi hình thành theo các cách khác nhau (a – Khác nhau về vị trí lỗ phun; b – Khác nhau về hướng dòng khí được phun ra) 1.5.1.3 Những phương pháp đo đạc các tham số dòng chảy có khoang khí/hơi

• Quan sát khoang khí/hơi sử dụng camera tốc độ cao (Phương pháp quang học) Camera là công cụ quan trọng trong việc quan sát các chuyển động đặc biệt là sự xuất hiện rất nhanh của khoang khí Camera được sử dụng pha rất phổ biến trong các nghiên cứu thực nghiệm [6, 9, 11, 14, 22, 31] (như ví dụ ở Hình 1.20 dưới đây [22])

Hình 1.20 Sơ đồ mô tả một hệ thiết bị quan sát khoang khí/hơi sử dụng camera

Do miền quan sát là dòng hai pha khí – nước, hệ quang học cần phải sử dụng đèn chiếu sáng để camera thu được hình ảnh pha khí rõ nét nhất Camera đặt thẳng góc với phương ngang Video ghi lại được phân tách thành các ảnh riêng biệt Từ các ảnh riêng biệt, sử dụng các công cụ phân tích ảnh để xác định vận tốc trung bình, kích thước khoang khí và quỹ đạo chuyển động của vật

Khi sử dụng camera, tốc độ ghi hình của camera sẽ ảnh hưởng đáng kể đến dữ liệu quan sát Hình 1.21 dưới đây [62] thể hiện sự khác nhau giữa kết quả quan sát từ hai camera có tốc độ 60fps và 1000fps

Hình 1.21.Hình ảnh khoang khí/hơi thu được từ hai camera có tốc độ 60fps (hình trên)

đo do mật độ khí và nước không ổn định

Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định áp suất bên trong khoang khí:

- Tính ngược áp suất từ quan hệ của kích thước khoang khí với số xâm thực

Do ở số xâm thực nhỏ, kích thước khoang khí tương tự khoang khí/hơi tự nhiên nên có thể áp dụng các tính toán ngược từ các biểu thức kích thước của khoang khí/hơi

để xác định số xâm thực Từ đó tính ra được áp suất bên trong khoang khí dựa trên số liệu đo đạc về lưu lượng dòng chảy và mật độ chất lỏng [22] Tuy nhiên, điểm yếu của phương pháp này là giá trị áp suất thu được không phải là giá trị đo đạc trực tiếp và đòi hỏi chất lượng ảnh chụp phải cao để thu được hình ảnh khoang khí rõ nét [22]

- Đo đạc trực tiếp bằng các đầu đo đặt trên bề mặt vật thể

vuông góc với bề mặt vật thể Áp suất được đo là áp suất tĩnh Với các đầu đo áp điện, việc lắp đặt trực tiếp đầu đo trên bề mặt vật thể thường gặp khó khăn khi kích thước vật thể tạo khoang khí nhỏ hơn nhiều so với kích thước của các đầu đo Vì vậy, các cột lỏng

áp dụng nguyên lý bình thông nhau thường được sử dụng để đo áp suất bên trong khoang khí (ví dụ như Hình 1.22 dưới đây [22])

Hình 1.22 Minh họa bố trí ống đo áp suất trong khoang khí/hơi gần đầu vật thể tạo

khoang khí/hơi Các hình 1.23-25 dưới đây là Hệ ống dẫn đo đạc áp suất bên trong dòng chảy và khoang khí/hơi tại Viện Cơ học xây dựng năm 2016 (xem thêm tại [7])

Sử dụng các ống dẫn để đo áp suất tĩnh trong ống quan sát và trong khoang khí/hơi tại vị trí đầu vật thể có thể được xác định

Hình 1.23 Khối vật thể tạo khoang khí/hơi có đầu dính ướt 5mm và có ống đo áp suất

Hình 1.24 Vị trí miệng ống đo áp suất khoang khí/hơi tại đầu vật thể tạo khoang

khí/hơi

Hình 1.25 Bố trí cột lỏng đo áp suất ống quan sát

• Phương pháp đo trường vận tốc dòng chảy bằng phương pháp PIV

PIV (Particle Image Velocity) là phương pháp đã được sử dụng từ lâu cho các nghiên cứu đòi hỏi cần chỉ ra trường vận tốc của nhiều điểm trong dòng chảy Kết quả của phương pháp này có chất lượng tốt và rất trực quan Phương pháp PIV không tác động vào dòng chảy giống như việc sử dụng các sensor bởi vậy dòng chảy hoàn toàn không bị biến đổi và cho phép đo đạc với các dòng chảy có vận tốc rất lớn Hơn thế, PIV cung cấp một hình ảnh về cả trường vận tốc của rất nhiều điểm bên trong dòng chảy Với việc sử dụng camera tốc độ cao và độ phân giải lớn, PIV cho phép nghiên cứu các hiện tượng biến đổi nhanh như là xoáy, rối

Hình 1.26 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đo đạc PIV Trong trên chỉ ra cơ chế của phương pháp PIV Về cơ bản phương pháp PIV sử dụng các camera có tốc độ cao để chụp 2 ảnh liên tiếp của dòng chảy, hai bức ảnh này được chụp cách nhau một khoảng thời gian Δt Các hạt nhận diện được trộn lẫn vào dòng chảy và chúng phản xạ lại ánh sáng được chiếu vào dòng chảy Hình ảnh thu được

sẽ là các điểm sáng do các hạt nhận diện này phản xạ tới camera Việc tính toán khoảng cách di chuyển của hạt nhận diện giữa hai bức ảnh, với thời gian đã biết từ trước, ta có thể tính toán vận tốc của hạt nhận diện cũng là vận tốc của dòng chảy tại vị trí của hạt nhận diện

Trong nghiên cứu của Wornik (2013), phương pháp PIV đã được sử dụng

để nghiên cứu trường vận tốc của dòng chảy rối phía sau khoang khí Các Hình 1.27 và 1.28 dưới đây [62] mô tả bố trí thí nghiệm và kết quả phân tích PIV trong nghiên cứu của Wornik

Hình 1.27 Vùng rối được đo đạc bằng phương pháp PIV

Hình 1.28 Kết quả phân tích PIV trong nghiên cứu của Wornik

1.5.1.4 Cấu trúc dòng chảy và cơ chế đóng khoang khí/hơi

Cấu trúc dòng chảy tại vị trí khoang khí/hơi đóng là vấn đề phức tạp, hiện vẫn đang được quan tâm nghiên cứu và chưa thu dược nhiều kết quả Các kết quả nghiên cứu chủ yếu thu được từ việc quan sát bằng camera và chưa có những đo đạc định lượng trực tiếp Hình 1.29 dưới đây [17] mô tả đơn giản về cáu trúc bề mặt khoang khí/hơi ở phía đuôi khi khoang khí/hơi bắt đầu đóng và khí bên trong khoang bị dòng chảy ngoài làm cuốn ra khỏi khoang khí/hơi [17, 31]

Hình 1.29 Cấu trúc dòng chảy tại vị trí đóng khoang khí/hơi nhân tạo và độ lệch của

trục do trọng trường Không chỉ tại vị trí đóng khoang khí, dòng chảy rối phía sau khoang khí/hơi (xem Hình 1.30 dưới đây [22]) cũng là vấn đề còn chưa được làm rõ Các nghiên cứu hiện nay vẫn đang tiếp tục đi sâu làm rõ hơn cơ chế của dòng rối phía sau khoang khí/hơi [22]

Tuy nhiên, các kết quả vẫn chủ yếu dừng lại ở việc quan sát dòng chảy và những kết luận định tính Chưa có nhiều kết quả mang tính chất định lượng

Hình 1.30 Cấu trúc dòng chảy khi khoang khí/hơi đóng và dòng xoáy phía sau khoang

khí/hơi

1.5.1.5 Hình dạng và kích thước khoang khí/hơi

• Hình dạng khoang khí/hơi

Từ các công thức bán thực nghiệm, ta đã thấy hình dạng và kích thước của khoang

khí/hơi đều phụ thuộc vào kích thước của đầu dính ướt Ngoài ra, hệ số cản C D cũng là tham số phụ thuộc vào hình dạng của vật thể và đầu dính ướt Các Hình 1.31 dưới đây [31] mô tả một số dạng đầu dính ướt thông thường

Hình 1.31 Khoang khí/hơi hình thành với một số dạng thân và đầu vật thể

Với những dạng đầu dính ướt thông thường này, dòng chảy sẽ phát sinh dòng chảy ngược ở đuôi của khoang khí/hơi dẫn đễn một lực cản đối với chuyển động của vật thể Để hạn chế dòng chảy ngược phát sinh thêm này, một dạng đầu dính ướt đặc biệt (xem Hình 1.33 dưới đây [31]) có thể được sử dụng trong thiết kế các vật thể sinh khoang khí/hơi

Hình 1.33 Khoang khí/hơi với đầu dính ướt dạng đặc biệt

• Kích thước khoang khí/hơi

Biểu thức 1.9 mô tả sự phụ thuộc của chiều dài và đường kính lớn nhất của khoang khí/hơi vào số khoang, hệ số cản của dạng đầu dính ướt do Grabedian đề xuất năm 1956 [18] Đến nay, một số biểu thức khác đã được đề xuất nhưng nhiều nghiên cứu vẫn sử dụng biểu thức 1.9 để kiểm chứng kết quả

1.5.1.6 Sự dãn nở của chất lỏng khi vật thể di chuyển có khoang khí/hơi

Một số nghiên cứu đã quan sát chuyển động của vật thể ở vận tốc trên âm trong nước (ví dụ như Hình 1.33 dưới đây [31])

Hình 1.33 Quan sát vật thể di chuyển trong nước với vận tốc âm (Mach=1.03) 1.5.2 Nghiên cứu lý thuyết

1.5.2.1 Phương trình Rayleigh – Lamb cho động lực học của bọt khí dạng hình cầu Trong quá trình hình thành khoang khí/hơi, những bọt khí/hơi nhỏ xuất hiện và tăng dần kích thước Phương trình Rayleigh – Lambl cho tốc độ phát triển của một bọt khí/hơi hình cầu trong dòng chảy được mô tả trong phương trình (1.10) dưới đây [17,33]

2 2

B B

v B

Hình 1.34 Mô tả một vật thể 3D trong hệ không gian Đề các 1.5.2.3 Các công cụ mô phỏng số

Nhiều nghiên cứu sử dụng các công cụ mô phỏng số như OpenFOAM [40, 44], ANSYS Fluent [10, 21], UNCEL code [25-26] để tính toán mô phỏng dòng chảy có khoang khí/hơi quanh các vật thể chuyển động trong chất lỏng (ví dụ như Hình 1.35 [21]

43-và 1.36 [25] dưới đây)

Hình 1.35 Mô phỏng CFD dòng chảy quanh vât thể di chuyển từ không khí vào trong

nước bằng ANSYS Fluent

Hình 1.36 Mô phỏng dòng chảy khoang khí/hơi quanh một vật thể tạo khoang khí/hơi

nhân tạo bằng công cụ UNCEL code 1.5.3 Một số vấn đề nghiên cứu

1.5.3.1 Nghiên cứu thực nghiệm

- Hệ ống thủy động quy mô lớn dòi hỏi chi phí xây dựng cao nên không nhiều cơ

sở nghiên cứu có thể trang bị được

- Mô hình vật thể nhỏ khó chế tạo, khó đo áp suất nên dù chi phí có thể thấp hơn nhưng vẫn có nhiều hạn chế

- Cấu trúc dòng chảy và cơ chế hoạt động ở vị trí khoang khí/hơi đóng lại còn chưa được làm rõ

- Việc quan sát bằng camera chưa phản ánh được đặc điểm ba chiều trong không gian của khoang khí/hơi

- Hiện nay, việc đo đạc trường vận tốc của dòng chảy có khoang khí/hơi cơ bản vẫn còn nhiều khó khăn do dòng chảy có tốc độ và mức độ rối lớn Ngay cả phương pháp PIV cũng mới chỉ nghiên cứu dòng chảy rối phía sau khoang khí/hơi

1.5.3.2 Nghiên cứu lý thuyết

- Tính nén được thường phải bỏ qua trong các nghiên cứu, hầu hết các nghiên cứu chưa quan tâm đến trường hợp chuyển động ở vận tốc trên âm (vận tốc âm trong nước trên 1400m/s)

- Tính toán CFD bài toán chuyển động của vật thể trong dòng chảy có khoang khí/hơi đặt ra vấn đề về tối ưu hóa về cả lưới tính toán và phương pháp tính do chuyển động của vật thể ở vận tốc lớn, cấu trúc dòng chảy phức tạp: nhiều pha, nhiễu động lớn, tính nén cần phải được xem xét kỹ lưỡng…

- Các mô hình dòng chảy rối tại phần khoang khí/hơi đóng lại và vết (wake) phía sau còn chưa được kiểm chứng do thiếu dữ liệu thực nghiệm

1.5.3.3 Khả năng nghiên cứu dòng chảy có khoang khí/hơi trong điều kiện nước ta hiện nay

a) Những hạn chế và khó khăn

- Để tạo được dòng chảy có khoang khí, dòng chảy cần đạt vận tốc lớn để hình thành được vùng giảm áp đủ lớn để lượng khí nhân tạo bơm vào có thể tập trung lại hình thành nên một khoang khí/hơi liên tục Đồng thời vận tốc quá thấp khiến ảnh hưởng của trọng trường trở nên rõ rệt

- Để xây dựng những hệ thiết bị lớn, sẽ cần kinh phí lớn Nhưng khi xây dựng những

hệ ống thủy động cỡ nhỏ, vật thể tạo khoang khí/hơi cũng bị hạn chế về kích thước Điều đó dẫn đến việc chế tạo những đường ống dẫn khí nhân tạo, đầu đo áp suất trên bề mặt vật thể khó khăn hơn bởi kích thước cũng không thể quá lớn

b) Những thuận lợi và khả năng khắc phục khó khăn

Hiện nay, nước ta đã có những cải thiện về điều kiện nghiên cứu so với trước đây, dưới đây xin nêu một số điểm thuận lợi mà ta có đối với việc nghiên cứu dòng chảy có khoang khí/hơi

• Điều kiện về cơ sở vật chất

- Các phòng thí nghiệm với nhiều trang thiết bị hiện đại, các đầu đo áp suất, máy ảnh tốc độ cao, hệ thiết bị PIV, đầu đo nhiệt độ … giúp thực hiện các đo đạc cần thiết

- Chương trình mô phỏng dòng chảy mã nguồn mở OpenFOAM cho phép tự do

sự dụng với mục đích bất kỳ có thể phục vụ tốt quá thiết kế, dự đoán khả năng hoạt động của hệ thống

- Những nguyên liệu cần thiết phục vụ cho xây dựng một hệ ống thủy động như đường ống dẫn, ống thu, ống xả, ống trong suốt, máy bơm, van, … hoàn toàn

có thể mua trên thị trường hoặc chế tạo trong nước

• Điều kiện về con người

- Đội ngũ nghiên cứu viên được đào tạo bài bản, có kiến thức chuyên môn, nhiều người được đào tạo tại nước ngoài đang làm việc tích cực

- Các cán bộ nghiên cứu có kinh nghiệm sử dụng phần mềm và thiết bị hiện đại phục vụ nghiên cứu

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ BỘ CHƯƠNG TRÌNH MÃ NGUỒN MỞ OPENFOAM 2.1 Lược sử sự phát triển của OpenFOAM

2.1.1 OpenFOAM là gì?

OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation) là phần mềm

nguồn mở hàng đầu cho CFD, thuộc sở hữu của Quỹ OpenFOAM và phân phối độc quyền theo Giấy phép Công cộng (GPL) cho phép người dùng tự do sửa đổi và phân phối lại OpenFOAM và đảm bảo tiếp tục sử dụng miễn phí trong các điều khoản của giấy phép Các phiên bản OpenFOAM được kiểm nghiệm độc lập ở một số bài toán bởi ESI Group [35,37]

Hình 2.1 Chương trình OpenFOAM đang làm việc trong chế độ cửa sổ lệnh Các thư viện của OpenFOAM được xây dựng dựa trên nền tảng lập trình hướng đối tượng của ngôn ngữ C++ Nhờ vậy, cú pháp của các chương trình giải các phương trình vi phân từng phần sẽ gần giống với phương trình được giải quyết Chẳng hạn, phương trình (2.1) dưới đây có đoạn mã nguồn hướng đối tượng được thể hiện trong Hình 2.2 dưới đây [35]

2.1.2 Sự ra đời và phát triển của OpenFOAM

OpenFOAM được tạo ra bởi Henry Weller vào năm 1989 với tên gọi "FOAM" ở Imperial College, London và được phát hành bởi OpenOffice của Henry Weller, Chris Greenshields và Mattijs Janssens vào tháng 12 năm 2004 Kể từ đó, OpenFOAM đã tiếp tục được quản lý và phát triển với các phiên bản mới được phát hành ra công chúng mỗi năm

OpenFOAM được Henry Weller tạo ra để phát triển một nền tảng mô phỏng tổng thể mạnh mẽ và linh hoạt hơn so với FORTRAN Điều này dẫn đến sự lựa chọn của C++ như ngôn ngữ lập trình, do tính mô-đun và các tính năng hướng đối tượng của

nó Hrvoje Jasak làm nghiên cứu sinh Tiến sỹ ở Imperial College từ năm 1993 đến năm

1996, phát triển các sơ đồ bậc hai bị chặn để ước lượng sai số cho FOAM Năm 2000, Jasak tham gia cùng với Weller trong một nỗ lực thương mại hóa FOAM thông qua công

ty Nabla Ltd Năm 2004, Nabla Ltd và Henry Weller, Chris Greenshields và Mattijs Janssens thành lập OpenCFD Ltd để phát triển và phát hành OpenFOAM Đồng thời, Jasak đã thành lập công ty tư vấn Wikki Ltd và duy trì mở rộng tấm mở rộng, sau đó đổi tên thành Foam-extend

Vào ngày 8 tháng 8 năm 2011, OpenCFD đã được Silicon Graphisc International (SGI) mua lại Đồng thời, bản quyền của OpenFOAM được chuyển giao cho Quỹ OpenFOAM, một tổ chức phi lợi nhuận mới thành lập, quản lý OpenFOAM và phân phối nó cho cộng đồng Vào ngày 12 tháng 9 năm 2012, Tập đoàn ESI đã công bố việc mua lại OpenCFD Ltd từ SGI Trong năm 2014, Weller và Greenshields rời ESI Group và tiếp tục phát triển và quản lý OpenFOAM, thay mặt Quỹ OpenFOAM, tại CFD Direct CFD Direct phát triển OpenFOAM với định danh dựa trên chuỗi (ví dụ 5.0), trong khi nhóm ESI phát triển độc lập phiên bản OpenFOAM với định danh theo ngày phát hành (v1806)

2.1.5 Một số phần mềm và giao diện GUI có tích hợp với OpenFOAM

Do bộ chương trình OpenFOAM phải làm việc trên cửa sổ dòng lệnh nên có nhiều bất tiện Để hạn chế nhược điểm này, nhiều phần mềm và các giao diện đã được viết ra

để tích hợp với bộ chương trình OpenFOAM nhằm đem CFD đến những công cụ tính toán dễ sử dụng hơn Một số phần mềm như vậy:

2.2 Cấu trúc của chương trình OpenFOAM

OpenFOAM là tập hợp của khoảng 250 chương trình được xây dựng trên một bộ sưu tập của hơn 100 thư viện (mô-đun) Mỗi ứng dụng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể trong một bài toán CFD [35] Các chương trình của OpenFOAM được tổ chức thành 3 khối ứng dụng (xem hình 2.3 dưới đây [35]):

Khối tiền xử lý (Pre-processing) gồm các công cụ mô hình hóa hình học và chia

lưới;

Khối giải (Solving) gồm các bộ giải chuẩn được cung cấp sẵn hoặc do người dùng

tự xây dựng và bổ sung thêm vào thư viện của OpenFOAM;

Khối phân tích, thể hiện lời giải (Post-processing) gồm các thư viện công cụ phục

vụ việc biểu diễn, hiển thị kết quả tính toán

Hình 2.3 Cấu trúc tổng thể của bộ chương trình OpenFOAM 2.2.1 Các nhóm bộ giải chuẩn

Các bộ giải (Solver) được xây dựng để trở nên thân thiện với các phương trình và thuật toán tương ứng Người dùng không cần phải có hiểu biết sâu sắc về lập trình hướng đối tượng của C++ để viết một bộ giải nhưng nên hiểu về nguyên lý ẩn sau các đối tượng các mô tả chi tiết về các bộ giải được lưu trữ tại trang web https://cpp.openfoam.org

Bộ chương trình OpenFOAM cung cấp sẵn nhiều bộ giải tính toán trong nhiều lĩnh vực khác nhau Các bộ giải được xây dựng theo các nhóm lĩnh vực khác nhau dưới đây:

• Basic CFD codes: gồm 3 tính toán CFD: Bộ giải phương trình laplace cho một đại

lượng vô hướng; Bộ giải trường dòng chảy thế và bộ giải Giải phương trình lan truyền của một biến vô hướng

• Incompressible flow: Gồm nhiều bộ giải tính toán CFD cho dòng chảy không nén

được

• Compressible flow: Gồm các bộ giải tính toán CFD cho dòng chảy nén được

• Multiphase flow: Gồm các bộ giải tính toán CFD cho dòng chảy có sự xuất hiện

nhiều pha khác nhau

• Direct numerical simulation (DNS): Gồm các chương trình giải trực tiếp động học

dòng chảy

• Combustion: Các bộ giải tính toán sự đốt cháy

• Heat transfer và buoyancy-driven flows: Các bộ giải tính toán sự trao đổi nhiệt và

đối lưu

• Particle-tracking flows: Các bộ giải tính toán chuyển động của dòng hạt

• Discrete methods: Các bộ giải tính toán dòng chảy theo phương pháp hạt

• Electromagnetics: Các bộ giải tính toán điện từ

• Stress analysis of solids: Các bộ giải phân tích ứng suất của kết cấu rắn

• Finance: Bộ giải tính toán tài chính

Hầu hết các chương trình tính toán dòng chảy trong OpenFOAM sử dụng một trong các thuật toán PISO (Pressure-Implicit Split-Operator), SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations) tương tự các phần mềm CFD khác, hoặc một sơ

đồ kết hợp của cả hai sơ đồ trên PIMPLE Sơ đồ PIMPLE thực thi thêm vòng lặp ghép nối phương trình tích hợp của động lượng và bảo toàn khối lượng Hình 2.4 dưới đây [35] mô tả sơ đồ thuật toán PIMPLE được ghép nối từ sơ đồ thuật toán PISO và SIMPLE PISO và PIMPLE được sử dụng cho các bài toán biến đổi theo thời gian trong khi SIMPLE dùng cho các bài toán ổn định (steady-state)

Hình 2.4 Sơ đồ thuật toán PIMPLE