Trong bài toán này bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng của hiện tượng sủi bọt khi đặt chân vịt trong điều kiện hoạt động ổn định. Các kết quả thu được có độ tin cậy phù hợp với các kết quả dựa trên chuẩn thiết kế của chân vịt.
Trang 1MÔ PHỎNG SỐ CHÂN VỊT TÀU THỦY THEO PHƯƠNG PHÁP
ĐA VÙNG THAM CHIẾU SỬ DỤNG OPENFOAM
COMPUTATIONAL APPROACH FOR A MARINE PROPELLER BASED ON
MULTI REFERENCE FRAME USING OPENFOAM
Phan Quốc Thiện, Bùi Khắc Huy, Lê Tất Hiển, Ngô Khánh Hiếu
Bộ môn Kỹ thuật Hàng không, Kỹ thuật Tàu thủy, Trường Đại học Bách khoa
Tóm tắt: Hoạt động của chân vịt tàu thủy dựa trên chuyển động quay quanh trục và lực tạo ra
nhờ tương tác giữa các lá cánh với dòng nước xung quanh Bằng phương pháp mô phỏng số sử dụng OpenFOAM, trong bài báo này chúng tôi sẽ nghiên cứu các đặc tính của chân vịt trong quá trình hoạt động ổn định của tàu Theo đó chuyển động quay của chân vịt sẽ được mô hình hóa bằng phương pháp đa vùng tham chiều (Multi - Referent Frame) trong bài toán tĩnh và mô hình rối hai phương trình k - epsilon sẽ được áp dụng để mô hình hóa chuyển động của lưu chất trong điều kiện rối Trong bài toán này chúng tôi bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng của hiện tượng sủi bọt khi đặt chân vịt trong điều kiện hoạt động ổn định Các kết quả thu được có độ tin cậy phù hợp với các kết quả dựa trên chuẩn thiết kế của chân vịt
Từ khóa: Mô phỏng số, đặc tính thủy động của chân vịt, lưới cho chân vịt.
Abstract: It should be known that interaction between marine propeller and the surrounding water creates the propulsive force By using computational fluid dynamisc based on OpenFOAM (open source software), this research will focus on the characteristics of a marine pro peller In order
to conduct the result, the movement of the propeler is described using Multi - Referent Frame method along with k - epsilon turbulent model in several steady state cases In these cases, the propeller is considered under various operating condition so that the cavitation is ignored The obtained results are accurate in comparision of theorical and experimental results
Keywords: Numerical simulation, hydrodynamic properties of ship propeller, mesh generation
1 Giới thiệu
Theo thống kê của Tổng cục Đường
Thủy Việt Nam, có khoảng 20% lượng hàng
hóa lưu thông nội địa do vận tải đường thủy
đảm nhận Song hành với sự phát triển của
giao thông đường thủy là yêu cầu ngày một
cao về giảm thiểu chi phí hoạt động nâng cao
hiệu suất của tàu thuyền Điều này dẫn đến
việc tối ưu cho quá trình hoạt động của
phương tiện là một điều cần thiết Một trong
các yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt động
của tàu thuyền là chân vịt.Do đó việc nghiên
cứu đặc tính của một chân vịt trong thực tế là
một yêu cầu cấp thiết
Tương tự như với các cách thức về mô
phỏng cho chong chóng khí của thiết bị bay,
việc mô phỏng chân vịt tàu thủy dựa trên bài
toán tương tác vật lý giữa bề mặt rắn quay
xung quanh một trục và dòng lưu chất bao
quanh nó Bề mặt của chân vịt ở đây được
giả định là cứng tuyệt đối Không có bất cứ
biến dạng uốn hoặc nén hay biến dạng cục bộ
trên bề mặt Chân vịt được quay quanh trục
của nó sẽ gia tốc dòng nước và đẩy dòng
nước về phía sau tạo ra phản lực đưa chân vịt chuyển động về phía trước [1] Chuyển động của nước là chuyển động của lưu chất thông thường và được mô tả bằng các phương trình bảo toàn trong trong hệ phương trình Navier
- Stokes Trong khi đó chuyển động của chân vịt có thể được mô tả bằng nhiều phương pháp như phương pháp đa vùng tham chiếu (Multi - referent frame), phương pháp đơn vùng tham chiều (Single referent frame) hay phương pháp sử dụng lưới động (Moving dynamic mesh) với các bề mặt lưới trượt lên nhau và với các biên lưới trao đổi dữ liệu với nhau Trong nghiên cứu này chúng tôi chọn phương pháp đa vùng tham chiếu để mô phỏng đặc tính của chân vịt nhằm đưa ra kết quả nhanh chóng
Có nhiều mô hình rối dạng trung bình Reynolds được sử dụng trong bài toán mô phỏng chân vịt tàu thủy Do đặc trưng chuyển động phức tạp với độ xoáy lớn nên các mô hình rối sử dụng phương trình như k - epsilon hay k - omega được sử dụng nhiều Các nghiên cứu của Chang [2], Sanchez - Caja [3] sử dụng mô hình k - epsilon, còn
Trang 2Guilmineau [4] sử dụng mô hình rối k -
omega SST (một biến thể của mô hình rối k -
omega) cho các nghiên cứu liên quan và cho
kết quả phù hợp Bensow [5] sử dụng mô
hình “Large Eddy Scale” để nghiên cứu dòng
trong trường hợp tương tự nhưng kết quả có
độ chính xác thấp Nghiên này của chúng tôi
sử dụng mô hình rối cơ bản k - epsilon kết
hợp với mô hình tường (wall model) để đánh
giá tương tác tại lớp biên
Hiện tượng sủi bọt trên bề mặt của chân
vịt gây ra bởi sự hóa hơi của nước khi áp suất
cục bộ thấp hơn áp suất hơi bão hòa Hiện
tượng sủi bọt xuất hiện khi sự chênh áp quá
lớn ở bề mặt trên của cánh và xuất hiện nhiều
trong quá trình khởi động hay tăng tốc của
tàu Thực tế, mẫu chân vịt nhóm B -
Wageningen trong quá trình thực nghiệm đã
xét đến việc hạn chế sủi bọt Do đó, trong
nghiên cứu này việc khảo sát tính toán chân
vịt nhóm B - Wageningen có thể được xem
xét bỏ qua hiện tượng sủi bọt
Mục tiêu chính trong bài báo này là đưa
ra một mô hình tính toán số phù hợp với độ
tin cậy cho chân vịt tàu thủy nhằm tiết kiệm
chi phí với việc đánh giá đặc tính của một
chân vịt cụ thể trong điều kiện hoạt động ổn
định bằng phần mềm mã nguồn mở
OpenFOAM và sử dụng phương pháp chia
lưới tự động Các giá trị về phân bố áp suất,
vận tốc và các xoáy nước xung quanh chân
vịt sẽ được đánh giá để có một cái nhìn tổng
quan về tương tác của chân vịt với môi
trường xung quanh Mặc dù bỏ qua các ảnh
hưởng về hiện tượng sủi bọt, chúng tôi cũng
sẽ có những phân tích xung quanh vấn đề này
trong phần đánh giá kết quả mô phỏng số thu
được cho mẫu chân vịt tàu thủy nội địa hiện
có ở Bộ môn Tàu thủy, Trường Đại học Bách
khoa
2 Mô hình MRFSimpleFoam
Mô hình toán học mô tả bài toán tĩnh mô
phỏng chân vịt tàu thủy với phương pháp đa
vùng tham chiếu bằng MRFSimpleFoam của
OpenFOAM Trong mô hình này miền mô
phỏng được chia làm hai phần tương ứng với
hai vùng tham chiếu khác nhau Phương trình
mô tả hiện tượng vật lý gồm hai phương
trình: Một là phương trình bảo toàn về khối
lượng và một là phương trình động lượng trong hệ phương trình Navier-Stokes:
I
.U 0
p
Trong đó các giá trị vận tốc ở các vùng tham chiếu khác nhau ứng với hệ trục tọa độ khác nhau
Khi đó vận tốc quay sẽ quyết định tính chất của các vùng tham chiếu Khi mà vận tốc quay này có giá trị bằng không thì bài toán này tương ứng với một bài toán tĩnh thông thường
Vùng quay chứa chân vịt sử dụng hệ tọa
độ cục bộ quay quanh trục chân vịt và có cùng vận tốc quay với chân vịt Vận tốc quay này khác không do đó phương trình bảo toàn động lượng có thêm các thành phần động lượng gây ra bởi gia tốc kéo theo và gia tốc coriolis:
Trong phương trình (2), độ nhớt động học bao gồm hai thành phần là độ nhớt chảy tầng (l) và độ nhớt rối (t) được suy ra
từ mô hình rối hai phương trình k -
3 Xây dựng mô hình hình học, tạo lưới và thiết lập các điều kiện tính toán
Hình 1 Sơ đồ khối với giải thuật SIMPLE trong
MRFSimpleFoam với vận tốc tương đối.
Hình 1 thể hiện sơ đồ khối với giải thuật SIMPLE trong MRFSimpleFoam đưa ra trong bài viết này với mẫu chân vịt áp để phân tích đặc tính là một chân vịt tàu thủy
Trang 3nội địa thực tế dựa trên chuẩn thiết kế
Wageninen B-series tại Bộ môn Tàu thủy,
Trường Đại học Bách khoa [6] (xem hình 2)
Hình 2 Số hóa hình học của chân vịt thực tế
(a) Mẫu chân vịt thực tế; (b) Mô hình 3D
Các thông số hình học cơ bản của của mẫu
chân vịt này: Đường kính chân vịt (D) là 0.4
m; số lá cánh (Z) là 3; tỉ số P/D tại 0.7R là
0.9; tỉ số AE/AO là 0.3
Lưới sẽ được chia cho hình học dựng lại
trên máy của chân vịt bằng một module của
OpenFOAM gọi là snappyHexMesh [7]
Theo đó, miền lưới bên ngoài là một vùng trụ
có chiều dài 3.0 m, đường kính 1.6 m; còn
miền lưới bên trong là vùng trụ có chiều dài
0.2 m, đường kính 0.58 m (xem hình 3)
snappyHexMesh là một module chia lưới tự
động Để tạo lưới ta cần hiệu chỉnh các thông
số giới hạn cho phù hợp về phân bổ mật độ,
phân vùng và các tính chất của các đơn vị
lưới [7] Cách làm này nhanh chóng và cho
ra các thông số cuối cùng của lưới phù hợp
hình học của chân vịt khảo sát Cụ thể, lưới
tạo có 1.76 triệu phần tử lưới, tỉ số max
aspect ratio là 6.75, tỉ số max skewness là
3.70 Các thông số lưới được kiểm tra bằng
modul checkMesh trong OpenFOAM và
thỏa mãn các yêu cầu tính toán
Điều kiện biên cho bài toán mô phỏng
được thiết lập theo bảng bên dưới:
Inlet Velocity-Inlet
Turbulent intensity
Eddy viscosity
0 - 4 (m/s) 10%
10 Outlet Pressure-Outlet 0 (Pa)
Symmetry Symmetry-Plane Symmetry
Chân vịt Wall
Wall function
62.83 (rad/s)
Hình 3 Lưới chia tự động trên OpenFOAM
(a) Mặt cắt toàn miền lưới (b) Mặt cắt miền quay chỉ chứa chân vịt (c) Lưới chia trên bề mặt chân vịt
Theo đó, vận tốc dòng vào thay đổi từ 0.0 m/s dến 4.0 m/s để có các giá trị khác nhau của hệ số tiến (J, advanced ratio) Trong khi
đó chong chóng quay với vận tốc cố định ở
600 vòng/phút ( 62.83 rad/s) Các biên còn lại được mô tả như miền xa vô cùng Khoảng cách từ các biên này đến chong chóng đủ xa
để giảm tác động đến độ chính xác của kết quả mô phỏng
4 Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng
Lưới được chia làm hai vùng riêng biệt với phần quay và phần đứng yên Chân vịt được đặt trong vùng quay và áp đặt điều kiện biên tường rắn Khi quay phân bố vận tốc trên bề mặt chân vịt sẽ càng lớn khi vị trí nó càng xa trục quay và tương tác của bề mặt rắn với dòng nước sẽ đẩy dòng về phía sau
(a)
Trang 4(b)
Hình 4 Trường dòng qua chân vịt ở J = 0.125
(a) Trên bề mặt hút của chân vịt
(b) Trên toàn miền mô phỏng của chân vịt
Hình 4 biểu diễn rõ hiện tượng trên
chứng minh cho tính đúng đắn của mô hình
Ở đây, chân vịt được mô phỏng trong điều
kiện vận tốc dòng nước vào mặt hút là 0.5
m/s ở vòng quay của chân vịt là 600
vòng/phút (tương ứng với hệ số tiến J là
0.125) Lưu ý, trường dòng trong toàn miền
lưới như mô tả của hình 4.b là không đối
xứng do chân vịt ba lá cánh cũng không đối
xứng khi dòng dừng Có thể nhận thấy từ kết
quả mô phỏng thu được, mặc dù phân tích
toán học trên hai vùng lưới là khác biệt, tuy
nhiên do cả hai đều cùng mô tả một hiện
tượng vật lý nên sự tách biệt về lưới không
gián đoạn tính liên tục của dòng chảy qua
biên phân tách giữa hai vùng lưới
Dựa trên chuẩn thiết kế của chân vịt là
nhóm B - Wageningen, các thông số đặc tính
hoạt động của chân vịt theo chuẩn có thể
được đưa ra làm giá trị tham khảo để đối
chiếu với kết quả mô phỏng số của các thông
số đặc tính hoạt động của chân vịt khảo sát
(xem hình 5) [8] Cụ thể đối với chân vịt
khảo sát: điểm hoạt động có hiệu suất cao nhất trong vùng J từ 0.7 đến 0.75 và đạt giá trị là 0.7 (so với nhóm B - Wageningen là vùng J là 0.8 và đạt giá trị 0.732); kết quả hệ
số moment xoắn (KQ) giữa mô phỏng và nhóm B-Wageningen trong vùng J từ 0.125 đến 0.8 hoàn toàn tương đồng với sai số cao nhất chưa đến 0.01%; đối với hệ số lực đẩy (KT) sai số cao nhất ghi nhận được là 8.6% tại J là 0.8 Vùng hoạt động J mà ở đó chân vịt không còn tạo ra lực đẩy ghi nhận được từ
mô phỏng là 1.0 so với nhóm B - Wageningen là 1.03 Sự khác biệt về KT và hiệu suất của chân vịt khảo sát so với nhóm
B - Wageningen trong vùng J từ 0.8 đến 1.03
có thể được lý giải từ hình học của chân vịt khảo sát không hoàn toàn tương đồng với nhóm B - Wageningen [6]
Liên quan đến hiện tượng sủi bọt, từ các kết quả phân bố áp suất trên mặt hút và trên mặt đẩy của chân vịt khảo sát thu được từ mô phỏng (xem hình 6) Có thể nhận thấy lực đẩy của chân vịt tỉ lệ với độ chênh lệch của
áp suất phân bố ở mặt hút và mặt đẩy của các
lá cánh Chênh lệch áp suất càng cao thì lực đẩy sinh ra càng lớn Mặt đẩy trường dòng bị nén tạo áp suất cao hơn so với môi trường còn mặt hút thì ngược lại tạo áp suất thấp hơn Và do đó, hiện tượng sủi bọt sẽ xuất hiện nhiều nếu như vùng áp suất thấp ở mặt hút chênh lệch quá lớn vượt ngưỡng hóa hơi Phân bố trên hình 6.a ghi nhận thấy các vùng
có áp suất thấp nhất là các vùng cạnh rìa gần mút của các lá cánh ở mặt hút Như vậy đây
là các vùng sẽ chịu ảnh hưởng trước tiên do hiện tượng sủi bọt Điều này cũng phù hợp với ghi nhận hiện tượng sủi bọt từ thực nghiệm
Hình 5 Kết quả mô phỏng đặc tính hoạt động của chân vịt khảo sát
Trang 5Hình 6 Phân bố áp suất trên bề mặt chân vịt
(a) Áp suất ở mặt hút; (b) Áp suất ở mặt đẩy
5 Kết luận
Bài viết đã trình bày việc xây dựng mô
hình số phân tích đặc tính hoạt động của chân
vịt tàu thủy trên OpenFOAM bằng phương
pháp đa vùng tham chiếu với lưới chia tự
động Mô hình mô phỏng số đưa ra khi áp
dụng phân tích đặc tính hoạt động của một
mẫu chân vịt thực tế đã cho thấy kết quả có
độ tin cậy, và có thể hướng đến ứng dụng vào
việc phân tích ngược các thông số hoạt động
đặc trưng của chân vịt tàu thủy từ hình học
của nó Từ đó, đưa ra các kết quả tham khảo
cho việc thiết kế, lựa chọn hệ thống đẩy phù
hợp cho phương tiện thủy Các phân bố vận
tốc và áp suất cũng chỉ ra được vùng xuất
hiện và một vài ảnh hưởng của hiện tượng
sủi bọt lên chân vịt tàu thủy
Bài viết cũng đã giải quyết được các hạn
chế về yếu tố thời gian khi đưa ra được một
mô hình phân tích phù hợp giúp giải quyết
nhanh bài toán mô phỏng số cho chân vịt tàu
thủy Trong các nghiên cứu tiếp theo chúng
tôi sẽ tiếp tục phát triển bài toán mô phỏng
có xét tới ảnh hưởng của hiện tượng sủi bọt
để đưa ra các so sánh tương quan và tăng độ
chính xác của bài toán
Lời cảm ơn
Công trình được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG - HCM, thông qua đề tài nghiên cứu cấp ĐHQG loại B năm
2015 (mã số: B2015-20-01)
Tài liệu tham khảo
[1] J.S Carlon, Marine Propeller and Propulsion,
Butterworth – Heinemann Ltd., 1994
[2] Chang B., Application of CFD to P4119
propeller, 22nd ITTC Propeller RANS/Panel
Method Workshop, France, 1998
[3] Sanchez-Caja, A P4119 RANS calculations at
VTT, 22nd ITTC Propeller RANS/Panel Method
Workshop, France, 1998
[4] E Guilmineau, G.B Deng, A Leroyer, P
Queutey, M Visonneau and J Wackers, Wake
simulation of a marine propeller, 11th World
Congress on Computational Mechanics, 2014
[5] Rickard E Bensow and G¨oran Bark, Simulating
Cavitating Flows With Les In OpenFOAM,
ECCOMAS CFD, 2010
[6] Ngô Khánh Hiếu, Lê Tất Hiển, Đặc trưng hình
học và đặc tính thủy động lực chân vịt phương tiện thủy nội địa cỡ nhỏ, Tạp chí Phát triển khoa
học và công nghệ, Đại học Quốc gia Tp HCM, K7-2015, 110-116, 2015
[7] Bùi Khắc Huy, Phan Quốc Thiện, N.K Hieu,
Semi-Automatic Meshing Method for Simulating Propeller, Tạp chí Khoa học công nghệ Giao
thông vận tải, Đại học Giao thông vận tải Tp HCM, số 18, 2/2016.
[8] Bùi Khắc Huy, Khảo sát đặc tính lực đẩy chân
vịt tàu thủy của tàu sông nhỏ, Luận văn thạc sĩ
chuyên ngành Kỹ thuật Hàng không, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp HCM, 01/2016.
Ngày nhận bài: 24/06/2016 Ngày chuyển phản biện: 27/06/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 13/07/2016 Ngày chấp nhận đăng: 20/07/2016