Nghiên cứu đặc tính khí động học và giảm lực cản khí động học tác động nên cano chở khách

Trên cơ sở kết quả tổng hợp nghiên cứu những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của các công cụ, phương tiên hỗ trợ tính toán số ra đời, tính toán động lực học chất lỏng CFD Computation

/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

-

Ninh Công Toán

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CANO CHỞ KHÁCH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

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

-Ninh Công Toán

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CANO CHỞ KHÁCH

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS NGÔ VĂN HỆ

LỜI CAM ĐOAN

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

Hà Nội, tháng 9 năm 2018

Học viên

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy giáo TS Ngô Văn Hệ người đã trực tiếp hướng dẫn tôi tận tình và chu đáo để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cô giáo của Viện cơ khí động lực, Viện đào tạo Sau đại học, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức, giúp tôi suốt thời gian học tập và làm luận văn

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp

đỡ, ủng hộ tôi hết lòng, động viên và chia sẻ trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn

Hà Nội, tháng 9 năm 2018

Học viên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tình hình khai thác và sử dụng cano chở khách hiện nay 4

1.2 Một số mẫu cano sử dụng trong nghiên cứu 11

1.3 Lý thuyết về thủy khí động lực và lực cản khí động 14

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH BÀI TOÁN VÀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ CFD 18 2.1 Mô hình bài toán khảo sát đặc tính khí động học cano 18

2.2 Công cụ tính toán mô phỏng số CFD 20

2.3 Các bước thực hiện trong quá trình giải quyết bài toán CFD 26

2.4 Mô hình hóa miền không gian tính toán và chia lưới 27

2.5 Một số mô hình rối trong ANSYS FLUENT 34

2.5.1 Mô hình rối một phương trình (one equation turbulence models) 34

2.5.2 Mô hình hai phương trình (two equations model) 36

2.5.3 Mô hình k-epsilon 37

CHƯƠNG III: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC THÂN CANO THÔNG QUA SỬ DỤNG CFD 41

3.1 Quy trình chung thực hiện bài toán mô phỏng số CFD 41

3.2 Mô hình cano sử dụng trong tính mô phỏng số CFD 42

3.3 Thiết kế miền không gian tính toán, chia lưới và đặt điều kiện biên 45

3.4 Kết quả mô phỏng số phân bố áp suất và dòng bao quanh cano 48

3.5 Kết quả CFD về lực cản khí động tác động lên cano 52

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CANO 56

4.1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu giảm lực cản khí động cho cano khách 56

4.2 Ảnh hưởng của hình dáng thân đến đặc tính khí động của cano 58

4.2.1 Mô hình tính toán và các điều kiện khảo sát 58

4.2.2 Kết quả tính toán khảo sát ảnh hưởng của hình dáng thân cano đến đặc tính khí động học 63

4.3 Nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên cano 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

BẢNG GIẢI THÍCH KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cano composite chở khách du lịch đi Cù lao Chàm 5

Hình 1.2 Cano composite chở khách du lịch Hòn Rơm, Phan Thiết 6

Hình 1.3 Cano composite chở khách du lịch đảo Tuần Châu, Quảng Ninh 7

Hình 1.4 Cano composite chở khách du lịch tuyến sông Sài Gòn 8

Hình 1.5 Cano composite cứu hộ của lực lượng công an, quân đội Việt Nam 10

Hình 1.6 Cano chở khách tại cầu cảng đảo Hòn Mun 12

Hình 1.7 Hình ảnh phân bố áp suất và đường dòng bao quanh tàu 17

Hình 2.1 Đường hình dáng thân tàu sử dụng trong nghiên cứu 19

Hình 2.2 Xây dựng mô hình bài toán khảo sát đặc tính khí động học cho cano 20

Hình 2.3 Phân bố dòng, áp suất tác động lên tàu trên mặt thoáng, hình ảnh mô phỏng số với dòng 2 pha sử dụng ANSYS-Fluent 21

Hình 2.4 Ví dụ hình ảnh chia lưới trong ANSYS 28

Hình 2.5 Lưới lục diện bao quanh trụ trong mặt phẳng 2 chiều 30

Hình 2.6 Chia lưới lục diện tự động, sử dụng phương pháp chia lưới 30

Hình 2.7 Chia lưới tự động bao gồm các lớp biên căng cho mô hình phức tạp 33

Hình 3 1 Đường hình dáng tàu hàng 42

Hình 3 2 Thiết kế cano trên phần mềm chuyên dụng Auto-Ship, sử dụng mô hình thân cano trong nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động học với CFD 43

Hình 3 3 Mô hình cano hoàn thiện sử dụng trong nghiên cứu 44

Hình 3.4 Miền không gian tính toán và chia lưới 46

Hình 3.5 Thiết lập các điều kiện tính toán cho bài toán mô phỏng số CFD 47

Hình 3.6 Phân bố áp suất bao quanh thân cano khảo sát tại góc ngóc mũi 0 độ 48

Hình 3.7 Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm 49

Hình 3.8 Phân bố áp suất trên bề mặt thân cano tại góc ngóc mũi 0 độ 49

Hình 3.9 Phân bố áp suất bao quanh thân cano tại góc ngóc mũi 7 độ, vận tốc 5m/s 50

Hình 3.10 Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm 51

Hình 3.11 Phân bố áp suất trên bề mặt diện tích thân cano tại góc ngóc mũi 7 độ, vận tốc 5m/s 51

Hình 3.12 Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, tại góc ngóc mũi 0 độ 53

Hình 3.13 Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, tại góc ngóc mũi 5 độ 53

Hình 3.14 Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, tại góc ngóc mũi 7 độ 54

Hình 4 1 Sự phân bố dòng bao quanh vật thể trụ và hộp theo số Reynolds 57

Hình 4.2 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình tam giác, N1 58

Hình 4.3 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình cong trơn, N2 58

Hình 4.4 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình vat góc, N3 59

Hình 4.5 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình vuông dạng U, N4 59

Hình 4.6 Mô hình cano với các dạng tuyến hình khác nhau N1-N4 sử dụng trong tính toán mô phỏng số CFD 60

Hình 4.7 Miền không gian tính toán và chia lưới thực hiện tính mô phỏng số đặc tính khí động của các mẫu cano khảo sát 62

Hình 4.8 Phân bố áp suất xung quanh các mẫu cano khảo sát ở trạng thái cân bằng, Rn=0,2.106 63

Hình 4.9 Phân bố dòng xung quanh cano ở trạng thái cân bằng, Rn=0,2.106 64

Hình 4.10 Phân bố áp suất xung quanh cano ở trạng thái khai thác có góc ngóc mũi 7 độ, Rn=5.106 65

Hình 4.11 Phân bố dòng xung quanh cano ở trạng thái khai thác với góc ngóc mũi 7 độ, Rn=5.106 66

Hình 4.12 Lực cản khí động tác động lên các mẫu cano khảo sát trong trạng thái cân bằng với góc ngóc mũi 0 độ 67

Hình 4.13 Lực cản khí động tác động lên các mẫu cano khảo sát trong trạng thái khai thác ngóc mũi 7 độ 68

Hình 4.14 Hình dáng mẫu cano mới thay đổi thiết kế thượng tầng mũi 70

Hình 4.15 Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân cano mới N5 tại Rn=0.2x106 71

Hình 4.16 Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân cano mới N5 tại Rn=0.2x106 72

Hình 4.17 Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân cano mới N5 tại Rn=1.7x106 73

Hình 4.18 Lực cản khí động tác động lên thân cano 74

Hình 4.19 Lực cản khí động tác động lên thân cano 75

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Thông số kích thước cơ bản của cano mẫu tham khảo trong nghiên cứu 13

Bảng 3 1 Thông số kích thước cơ bản của tàu 42

Bảng 3 2 Thông số kích thước cơ bản của cano 45

Bảng 3.2 Một số điều kiện tính mô phỏng 47

Bảng 3.3 Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano tại góc ngóc mũi 0 độ 52

Bảng 3.4 Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano tại góc ngóc mũi 5 độ 52

Bảng 3.5 Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano tại góc ngóc mũi 7 độ 54

Bảng 4.1 Thông số kích thước chủ yếu của cano sử dụng trong nghiên cứu 61

Bảng 4.2 Thông số đầu vào và điều kiện tính toán sử dụng trong nghiên cứu 62

Bảng 4.3 Bảng tính các giá trị lực khí động và hệ số lực khí động tác động lên tàu 74

Bảng 4.4 Bảng tính các giá trị lực khí động và hệ số lực khí động tác động lên tàu 75

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong quá trình khai thác, vận tải đường thủy, nâng cao hiệu quả khai thác tàu

là vấn đề quan trọng Để thực hiện được vấn đề này, cần thiết phải giảm tiêu hao nhiên liệu chạy tàu Giảm lực cản cho tàu là một trong những biện pháp hữu ích và mang lại nhiều lợi ích thiết thực nhất hiện nay Vấn đề nghiên cứu giảm lực cản, tiết kiệm nhiên liệu hiện đang được nhiều nhà nghiên cứu, thiết kế và khai thác sử dụng tàu quan tâm Trước những nhu cầu đó, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu đặc tính khí động và giảm lực cản khí động tác động lên cano chở khách nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác cho tàu

2 Lịch sử nghiên cứu

Lĩnh vực tính toán lực cản tàu thủy nói chung, cũng như lực cản khí động của tàu nói riêng đã có nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu Từ nhiều năm về trước khi công cụ hỗ trợ tính toán chưa phát triển, thì việc tính toán xác định lực cản tàu chủ yếu dựa trên kết quả thực nghiệm mô hình tàu Trên cơ sở kết quả tổng hợp nghiên cứu những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của các công cụ, phương tiên hỗ trợ tính toán số ra đời, tính toán động lực học chất lỏng CFD (Computational Fluid Dynamic) đã trở thành công cụ hữu dụng trong việc ước lượng, dự đoán lực cản tác động lên tàu [15, 16, 17, 18] Ngày nay CFD đã trở thành công cụ phổ biến được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng làm phương tiện hỗ trợ cho mình trong quá trình thực hiện nghiên cứu [5, 6, 7, 10, 11, 12]

Nghiên cứu đặc tính khí động học và giảm lực cản khí động tác động lên cano chở khách nói riêng và phương tiện giao thông vận tải nói chung vẫn là đề tài đặt ra cho nhiều nhà nghiên cứu chuyên môn giải đáp [7, 10, 11] Với mỗn loại tàu khác nhau, cần có các biện pháp kỹ thuật khác nhau để làm giảm lực cản tác động lên tàu Giảm được lực cản tác động lên tàu sẽ giúp tiết kiệm được nhiên liệu tiêu hao

chạy tàu, khi đó sẽ góp phần nâng cao hiệu quả khai thác tàu Đây cũng chính là vấn

đề đặt ra cần giải quyết trong luận văn này

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là phân tích, đánh giá đặc tính khí động lực học tác động lên cano chở khách Thông qua các kết quả tính toán mô phỏng, đề xuất một số giải pháp làm giảm lực cản khí động tác động lên cano nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác cano

Đối tượng nghiên cứu là nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên cano chở khách nhằm nâng cao hiệu quả khai thác cho cano

Do giới hạn về thời gian trong việc vẽ thiết kế cano, cũng như giới hạn về tốc

độ máy tính cá nhân, thời gian chờ kết quả chạy mô phỏng, đề tài chỉ giới hạn phạm

vi nghiên cứu trên một mẫu cano có thân đơn giản nhất định và hạn chế một số trường hợp tính toán nghiên cứu cụ thể

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

Tác giả tiến hành nghiên cứu tổng quan về khí động học phần trên mặt nước của cano, thiết lập mô hình 3D của cano chở khách đã chọn, sau đó sử dụng các bước giải một bài toán mô phỏng số CFD để giải quyết vấn đề đặt ra Cụ thể là, khi thiết lập xong mô hình 3D tác giả đã sử dụng phần mềm để chia lưới và cuối cùng là đưa vào phần mềm ANSYS FLUENT để thiết lập các thông số, điều kiện biên và thực hiện tính toán mô phỏng nhằm đưa ra các phân bố vận tốc, áp suất và lực cản khí động tác động lên tàu

Trên cơ sở phân tích kết quả thu được từ việc tính mô phỏng lực cản khí động tác động lên cano, tác giả đã đề xuất một số thay đổi hình dáng thân cano, khảo sát một số trạng thái khai thác khác nhau của cano sau đó sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS FLUENT để mô phỏng đặc tính khí động học của cano tại dải tốc độ khai thác để xác định lực cản cùng các đặc tính khí động khác

Kết quả mô phỏng số đưa ra phân bố vận tốc, phân bố áp suất trên và bao quanh thân trên mặt nước của cano với hình dáng thân khác nhau và ở các trạng thái

khai thác khác nhau Trên cơ sở phân tích kết quả mô phỏng số đạt được, tác giả so sánh kết quả thu được với nhau trong các mô hình đã tính toán Từ đó tác giả đưa ra những kết luận quan trọng, những lưu ý cho thiết kế khí động học của tàu và cano chở khách nói riêng

5 Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp Nghiên cứu lý thuyết truyền thống và mô phỏng số CFD Đây là phương pháp nghiên cứu phổ biến và hiện đại trên thế giới mà nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Từ lý thuyết tác giả mô hình hóa các mô hình cano, sau đó chạy mô phỏng số CFD Kết quả thu được từ mô phỏng số được so sánh và phân tích với kết quả nghiên cứu lý thuyết

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình khai thác và sử dụng cano chở khách hiện nay

Ngày nay nền kinh tế Việt Nam đang bước vào một giai đoạn mới, giai đoạn hội nhập mạnh mẽ vào nền kinh tế khu vực cũng như trên thế giới Song song với việc hội nhập của nền kinh tế thì ngành hàng hải Việt Nam đã và đang giữ một vai trò hết sức quan trọng trong việc lưu thông hàng hóa, giao lưu chính trị, khoa học

kỹ thuật, bảo vệ chủ quyền biển đảo thiêng liêng của tổ quốc cùng với tiến trình hòa nhập chung của các thành phần kinh tế khác Trong các chức năng đó không thể không kể tới vai trò to lớn của ngành đóng tàu Việt Nam – một ngành công nghiệp mũi nhọn được Đảng và Nhà nước chọn là một trong những ngành công nghiệp hàng đầu làm động lực cho sự phát triển chung của nền kinh tế Việt Nam trong thế

kỷ mới

Việt Nam là một quốc gia biển, có một nửa biên giới giáp với biển từ phía Đông Nam và Tây Nam bao gồm trên 3.260 km bờ biển, trên 3000 nghìn đảo lớn nhỏ khác nhau trải dài từ Bắc vào Nam với nhiều vị trí phù hợp cho sự hình thành

và phát triển một hệ thống du lịch biển hiện đại Đây là những tiềm năng to lớn mang tính chất chiến lược để chúng ta đẩy mạnh phát triển kinh tế biển Bên cạnh

đó, với thế mạnh của một nước với nhiều danh nam thắng cảnh nổi tiếng như Vịnh

Hạ Long, Du lịch các đảo, sông hồ gần bờ khác từ các tỉnh miền bắc đến các tỉnh miền nam của đất nước Vấn đề đặt ra cần phát triển dịch vụ chuyên chở khách du lịch luôn là vấn đề được nhiều cấp ngành quan tâm Phát triển đội tàu chở khách cỡ nhỏ, cano chở khách đã được chú trọng quan tâm từ nhiều năm về trước

Du lịch biển đảo ngày càng trở thành một xu hướng và động lực mới, với nhiều tiềm năng ở Việt Nam Thực tế cũng cho thấy, với lượng khách đến tăng nhiều trong những năm qua và luôn chiếm khoảng 70% tổng khách du lịch cả nước,

du lịch biển đảo hiện đang là loại hình du lịch chủ đạo, góp phần quan trọng đưa du lịch trở thành ngành kinh tế mũi nhọn của Việt Nam Việt Nam đứng thứ 27 trong

số 156 quốc gia có biển trên thế giới và là nước có diện tích ven biển lớn ở khu vực Đông Nam Á Và có tới 125 bãi biển mà hầu hết là các bãi tắm đẹp, trong đó bãi biển Đà Nẵng đã được tạp chí Forbes bầu chọn là 1 trong 6 bãi tắm quyến rũ nhất hành tinh Việt Nam cũng là 1 trong 12 quốc gia có các vịnh đẹp nhất thế giới là Vịnh Hạ Long, Vịnh Nha Trang

Về mặt hành chính, 28 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương là các địa phương có biển, với diện tích tự nhiên là 126.747 km2, dân số (năm 2010) là 37,2 triệu người, bằng 38,2% diện tích tự nhiên và 41,1% dân số cả nước Bên cạnh đó, lãnh thổ vùng đất ven biển, vùng biển và hệ thống các đảo, nơi diễn ra du lịch biển đảo và vùng ven biển tập trung tới 7/13 di sản thế giới ở Việt Nam; 6/8 các khu dự trữ sinh quyển; nhiều vườn quốc gia, các khu bảo tồn thiên nhiên…

Hình 1.1 Cano composite chở khách du lịch đi Cù lao Chàm

Ngoài ra, từ bao đời nay, biển đảo không chỉ là nơi cung cấp nguồn sống, mà còn là không gian để cộng đồng người Việt tạo lập nên một nền văn hóa biển đảo, với những di sản văn hóa đặc sắc Đó là hệ thống di tích lịch sử-văn hóa liên quan đến môi trường biển, hệ thống thần linh biển, những bậc tiền bối có công trong công cuộc chinh phục biển, xác lập và thực thi chủ quyền quốc gia trên biển ; các lễ hội dân gian của cư dân miền biển; tín ngưỡng, phong tục tập quán liên quan đến biển; văn hóa sinh kế, văn hóa cư trú, văn hóa ẩm thực, diễn xướng dân gian, tri thức bản địa Ðây chính là nguồn tài nguyên giàu có để phát triển du lịch biển đảo bền vững

Hình 1.2 Cano composite chở khách du lịch Hòn Rơm, Phan Thiết

Nắm bắt thế mạnh trên, thời gian qua, nhiều khu du lịch biển tiềm năng đã được quy hoạch và đầu tư phát triển như: bãi biển Sầm Sơn (Thanh Hóa); bãi biển Non Nước, Mỹ Khê (Đà Nẵng); vịnh Nha Trang, vịnh Cam Ranh (Khánh Hòa); bãi biển Mũi Né (Bình Thuận); bãi biển Vũng Tàu (Bà Rịa-Vũng Tàu) Việt Nam đã hình thành 3 trung tâm du lịch biển có sức hút với khách quốc tế, gồm vịnh Hạ Long (Quảng Ninh), Đà Nẵng, Nha Trang (Khánh Hòa) với những cơ sở lưu trú

hiện đại 4-5 sao, có thể đón những đoàn khách đến nghỉ dưỡng và phát triển du lịch MICE (du lịch hội nghị, hội thảo) Cùng với việc đầu tư xây dựng hạ tầng du lịch, nhiều dịch vụ giải trí, thể thao biển đã được đưa vào hoạt động như: chèo thuyền du lịch, kéo dù bằng ca nô, lướt ván, đua thuyền, bóng đá, bóng chuyền bãi biển… Đặc biệt, loại hình ngắm biển bằng dù lượn, khinh khí cầu, máy bay mô hình (ở biển Nha Trang, Đà Nẵng) hay bằng máy bay trực thăng (ở vịnh Hạ Long) đang được rất nhiều khách du lịch yêu thích

Hình 1.3 Cano composite chở khách du lịch đảo Tuần Châu, Quảng Ninh

Với sự đầu tư mạnh mẽ về cơ sở hạ tầng cùng các dịch vụ giải trí, du lịch biển đã thu hút hàng triệu lượt khách đến thăm quan và nghỉ dưỡng mỗi năm Hoạt động du lịch biển đảo hiện chiếm khoảng 70% hoạt động của ngành du lịch Việt Nam Các sản vật địa phương liên quan đến biển cũng theo đó mà phát triển thành thương hiệu, đậm dấu ấn địa phương, góp phần đáng kể vào việc phát triển sản phẩm gắn với các tour du lịch Có thể kể đến một số sản phẩm nổi tiếng như: nước

mắm Phú Quốc, chả mực Hạ Long, tỏi Lý Sơn, yến sào Nha Trang, mật ong rừng Cát Bà Việc du lịch biển, đảo Việt Nam có lượng du khách lớn, đã khiến các nhà đầu tư nước ngoài tăng cường đầu tư vào lĩnh vực này Đến năm 2015, đầu tư nước ngoài trong lĩnh vực du lịch biển, đảo đã có ở 23 tỉnh/thành phố của cả nước, chiếm trên 70% số các dự án đầu tư trong lĩnh vực du lịch Trong đó có một số dự án lớn như: Dự án của tập đoàn Platinum Dragon Empire (Mỹ) phát triển khu du lịch vui chơi giải trí tại Bà Rịa-Vũng Tàu với số vốn lên đến 550 triệu USD; dự án đầu tư của Tập đoàn Rockingham (Anh) xây dựng khu du lịch nghỉ dưỡng biển cao cấp và các khu vui chơi giải trí, trường đua ô tô 1.000 ha tại Phú Quốc, quy mô dự án lên đến 1 tỷ USD… Du lịch biển phát triển cũng góp phần thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành kinh tế khác; tạo thêm nhiều việc làm cho xã hội dải ven biển, nơi hiện

có khoảng 21,2 triệu người trong độ tuổi lao động và góp phần bảo đảm an ninh - quốc phòng, bảo vệ môi trường biển

Hình 1.4 Cano composite chở khách du lịch tuyến sông Sài Gòn

Việc phát triển mạnh mẽ của du lịch biển đảo trong những năm qua, đã mang lại cơ hội xóa đói giảm nghèo, cải thiện đời sống của người dân ở vùng ven biển nhiều địa phương trong cả nước Song theo đánh giá của các chuyên gia, kết quả này vẫn chưa tương xứng với tiềm năng lớn của du lịch biển, đảo Việt Nam Thực

tế cho thấy, du lịch biển, đảo ở Việt Nam vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế như: Dịch

vụ du lịch còn thiếu, nghèo nàn; sản phẩm du lịch biển chưa đa dạng; an ninh trật tự

và việc quản lý giá tại một số khu, điểm du lịch chưa đảm bảo; quy hoạch của nhiều bãi biển đẹp đã bị phá vỡ, phát triển manh mún và khó điều chỉnh… Nhằm khắc phục những hạn chế cũng như tạo sức bật cho du lịch biển, đảo, Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch đã phê duyệt đề án “Phát triển du lịch biển, đảo và vùng ven biển Việt Nam đến năm 2020” Mục tiêu của đề án là đến năm 2020, du lịch biển sẽ trở thành động lực của kinh tế biển Việt Nam, góp phần đưa nước ta trở thành quốc gia mạnh về biển, làm giàu từ biển và bảo đảm vững chắc chủ quyền quốc gia trên biển, đảo, góp phần quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa, làm cho đất nước giàu mạnh Đề án cũng đề ra mục tiêu vào năm 2020, du lịch biển thu hút

22 triệu lượt khách quốc tế, 58 triệu lượt khách nội địa, tổng thu từ du lịch biển đạt 200.000 tỷ đồng Các chuyên gia cũng nhận định, việc chú trọng đẩy mạnh phát triển du lịch biển đảo là một định hướng đúng đắn, phù hợp với thế mạnh của ngành

du lịch Việt Nam và mang ý nghĩa đặc biệt trong việc khẳng định và bảo vệ chủ quyền lãnh thổ đất nước Tuy nhiên, để du lịch biển đảo phát triển bền vững, tương xứng với tiềm năng và tạo được thương hiệu riêng thì ngoài việc phải khắc phục những hạn chế đã tồn tại nhiều năm qua, cần có sự đầu tư và quản lý một cách chiến lược cả về cơ sở vật chất, dịch vụ và con người cho các trung tâm du lịch biển đảo

đã được xác định Đặc biệt, cần phát huy yếu tố văn hoá của từng địa phương trong phát triển du lịch biển để tạo dấu ấn riêng và thu hút khách du lịch quay trở lại nhiều lần

Có thể thấy rõ rằng, với tiềm năng lớn mạnh như trên đã phân tích cho thấy

sự cần thiết của một đội tàu, cano dịch vụ chở khách du lịch cũng như vận tải trên các vùng lãnh thổ của nước ta hiện nay Có thể thấy cano chở khách đã được khai

thác nhiều nơi, trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong khai thác dịch vụ du lịch, chơ khách, vận tải hàng hóa giữa các cảng biển, đảo ven bờ, sông hồ, cano cứu hộ, tuần tra …tùy theo mỗi lĩnh vực khác nhau mà cano chở khách được sử dụng tương ứng

Hình 1.5 Cano composite cứu hộ của lực lượng công an, quân đội Việt Nam

1.2 Một số mẫu cano sử dụng trong nghiên cứu

Trong nghiên cứu, thiết kế và phát triển tàu thủy nói chung, cần thiết phải hướng đến một đối tượng nghiên cứu cụ thể, gắn với điều kiện khai thác cụ thể Trong nghiên cứu này, nhằm hướng đến việc nâng cao hiệu quả khai thác cho cano chở khách trên tuyến đường ra đảo Hòn Mun, tác giả tập trung nghiên cứu liên quan đến cano chở khách trên tuyến này

Đảo Hòn Mun, nằm về phía Đông Nam của Thành phố Nha Trang, cách bờ khoảng 12 km Hòn Mun có tổng diện tích là 160 km2, trong đó 122 km2 là diện tích mặt biển, 38 km2 là tổng diện tích của các hòn đảo Theo thống kê, trên thế giới

có khoảng 2.000 loài san hô và sinh vật biển thì ở Hòn Mun đã có tới 1.500 loài, trong đó đã tìm thấy 340 trong tổng số hơn 800 loài san hô cứng trên thế giới Với

độ sâu dưới 18m, thì không còn cảnh đẹp của san hô, nhưng có rất nhiều hang động

Có những hang sâu 10 – 15m, phải dùng đèn để quan sát những sinh vật biển chuyên sống trong bóng tối như tôm, mực, tôm hùm, cá đuối…Quỹ động vật hoang

dã thế giới đánh giá đây là khu vực có đa dạng sinh học bậc nhất tại Việt Nam Hòn Mun là một trong những hòn đảo thơ mộng nhất trong hệ thống đảo của Nha Trang, nằm về phía Đông Nam của đảo Bồng Nguyên (nơi có Hồ cá Trí Nguyên), cách cảng Cầu Đá 10 km (khoảng 45 phút đi tàu) Được gọi là Hòn Mun vì phía Đông Nam của đảo có những mỏm đá nhô cao, vách dựng hiểm trở tạo thành hang động, đặc biệt đá ở đây đen tuyền như gỗ mun, rất hiếm thấy ở những nơi khác Nơi đây còn nổi tiếng là một trong những “thủy cung” giàu và đẹp nhất của biển Đông Nam Á

Với đặc điểm chủ yếu về dòng hải lưu và thời tiết như sau: Do địa thế của đảo rất gần với dòng hải lưu nóng từ phía xích đạo đưa tới nên thích hợp với điều kiện phát triển của san hô và nhiều loại sinh vật biển nhiệt đới cũng về đây quần tụ

Do đó, Hòn Mun có rạn san hô và hệ sinh vật biển đa dạng, đây là khu bảo tồn biển đầu tiên và duy nhất của Việt Nam hiện nay, đã được Quỹ Động vật hoang dã Thế giới (WWF) đánh giá là khu vực đa dạng sinh học biển bậc nhất ở Việt Nam

Đảo Hòn Mun chịu tác động của gió mùa nhưng cường độ không mạnh lắm

Từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau hướng gió chủ đạo là Bắc, Đông Bắc Từ tháng 4 đến tháng 9 hướng gió là Đông, Đông Nam Nhiệt độ trung bình là 26oC , dao động trong khoảng 24-29oC, nhiệt độ ít thay đổi và ấm áp quanh năm Tháng có nhiệt độ cao là tháng 6,7 và 8 Tháng có nhiệt độ thấp là tháng 12 và 1 Lượng mưa trung bình khoảng 1450mm Mùa mưa bắt đầu từ tháng 9 và kết thúc vào tháng 12, với lượng mưa cao nhất vào tháng 11 Mùa khô bắt đầu từ tháng 1 và kết thúc vào tháng

7, 8 với lượng mưa thấp nhất vào tháng 2

Với một số cầu cảng phục vụ chở khách ra đảo Hòn Mun như sau:

- Cảng cầu đá: Cách đảo Hòn Mun khoảng hơn 10 km

- Bến đỗ Hòn Một: Cách đảo Hòn Mun khoảng 4,3km

- Bến đỗ Hòn Tắm: Cách đảo Hòn Mun khoảng 5,6 km

- Bến đỗ Hòn Miễu: Cách đảo Hòn Mun khoảng 7 km

Hình 1.6 Cano chở khách tại cầu cảng đảo Hòn Mun

Bảng 1 1 Thông số kích thước cơ bản của cano mẫu tham khảo trong nghiên cứu

Các thông số Đơn

vị

Canô

du lịch Biển Ngọc

01

Canô

du lịch Pompano

Tàu tuần tra H790

Tàu du lịch Hoàng Lâm

Hạ Long 01 Chiều dài lớn

1.3 Lý thuyết về thủy khí động lực và lực cản khí động

Khí động lực học là lĩnh vực nghiên cứu về dòng chảy của chất khí, được nghiên cứu đầu tiên bởi George Cayley vào thập niên 1800 "Khí động học" là một nhánh của động lực học chất lưu nghiên cứu chuyển động của không khí, đặc biệt là khi nó tương tác với một đối tượng di chuyển Khí động học đã thường được sử dụng đồng nghĩa với khí động lực, với sự khác biệt là khí động lực áp dụng đối với dòng chảy nén Tìm hiểu về sự chuyển động của không khí (thường được gọi là một trường dòng chảy) xung quanh một đối tượng cho phép tính toán các lực, mô men lực tác động lên đối tượng Giải pháp cho các vấn đề khí động lực học dẫn đến các tính toán về tính chất khác nhau của dòng chảy, như vận tốc, áp suất, mật

độ và nhiệt độ, như là các hàm của không gian và thời gian Khi hiểu được các tính chất này của chất khí, người ta có thể tính toán chính xác hay xấp xỉ các lực và các mômen lực lên hệ thống dòng chảy Việc sử dụng khí động học thông qua phân tích toán học, xấp xỉ thực nghiệm và gió đường hầm thử nghiệm là cơ sở khoa học [1, 2, 3]

Khí động học có thể được chia thành hai loại như khí động học bên ngoại biên

và khí động học nội biên Khí động học ngoại biên về cơ bản là nghiên cứu về dòng chảy xung quanh các vật thể rắn hình dạng khác nhau Đánh giá thang máy, máy bay, dòng chảy của không khí qua một lưỡi tuabin gió hay sóng xung kích hình thành ở phía trước mũi của một tên lửa là ví dụ về khí động học ngoại biên Khí động học nội biên bao gồm việc nghiên cứu các luồng không khí thông qua một động cơ phản lực hoặc thông qua một đường ống điều hòa không khí [1, 2, 3] Khí động lực học cũng có thể được phân loại theo tỉ số vận tốc của dòng chảy

so với vận tốc âm thanh Môn học được xem là dưới vận tốc âm thanh nếu các vận tốc đều nhỏ hơn vận tốc âm thanh là siêu thanh, và cực siêu thanh nếu vận tốc nhanh hơn vận tốc âm thanh nhiều lần

Trong tính toán động lực học chất lỏng CFD, các phương trình cơ bản được

sử dụng và giải theo các phương pháp cụ thể khác nhau Trong công cụ mô phỏng

số thương mại như ANSYS-FLUENT phương pháp phần tử thể tích được sử dụng

để giải bài toán Trong phần này, một số phương trình cơ bản lý thuyết về thủy khí động lực học và lực cản khí động được giới thiệu [4, 8, 9, 12, 15, 18]

- Phương trình liên tục dạng tổng quát:

1 𝜌

Hay viết dưới dạng:

Hệ phương trình chủ đạo có thể được viết dưới dạng véctơ như sau:

2 2

u x

u x

p z

u w y

u v x

u u t

2 2

v x

v y

p z

v w y

v v x

v u t

2 2

w x

w z

p z

w w y

w v x

w u t



(1-3) (1-1)

(1-2)

- Điều kiện biên tại đầu vào: V(x=0,y)=V∞

- Điều kiện biên tại đầu ra: pout =p∞ =pa

- Áp suất tại các biên của vùng tính toán: p= p∞

- Điều kiện biên không trượt trên toàn bộ bề mặt mô hình tính toán:

𝜕𝑣

𝜕𝑛 = 0

Trong quá trình chuyển động, lực cản tác động lên tàu được phân thành 2 loại chính: một là xuất phát từ phần thân tàu tiếp xúc với môi trường nước gây ra, hai là lực cản do phần thân tàu tiếp xúc với không khí gây ra Trong luận văn này, tác giả

đề cập nghiên cứu lực cản khí động tác động lên phân thân tàu phía trên mặt nước Thành phần lực cản này được gọi là lực cản khí động hay lực cản gió hay lực cản không khí

Lực này tác động vào tàu có phương tổng hợp theo phương chuyển động của tàu, phụ thuộc vào hướng gió và có độ lớn phụ thuộc vào diện tích mặt hứng gió của tàu, hệ số cản khí động và bình phương của vận tốc tuyệt đối giữa dòng khí và tàu

Hệ số cản khí động phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng khí động, độ trơn của bề mặt vỏ và các góc cạnh của thân tàu Lực khí động ảnh hưởng lớn đến chất lượng động lực học, an toàn trong quá trình vận tải của tàu Khi nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động tác động lên tàu theo quan điểm động lực học, người ta tách lực khí động thành 3 thành phần chính: Thành phần có phương song song với bề mặt đường chính là lực cản gió Đây được coi là thành phần chính của lực khí động vì tàu chuyển động theo phương này nên vận tốc tuyệt đối giữa dòng khí và tàu là lớn nhất Đối với thượng tầng tàu có sự hạ thấp đột ngột phía sau sẽ tạo xoáy lốc cho dòng khí và làm tăng hệ số cản không khí và sẽ có hệ số cản không khí lớn hơn so với các hình dáng thượng tầng khác Về nguyên tắc này, các nhà thiết kế sẽ tiến tới việc thiết kế để biên dạng tàu có hình dáng khí động nhất có thể

Hình 1.7 Hình ảnh phân bố áp suất và đường dòng bao quanh tàu

Thành phần có phương vuông góc với mặt thoáng sẽ tạo lực nâng nếu hướng của lực lên phía trên Điều này làm giảm chiều chìm cho tàu gây ra lắc dọc tàu nếu lực không ổn định Lực theo phương này phụ thuộc khá nhiều vào bề mặt của phần thân tàu tiếp xúc với nước Thành phần có phương ngang sẽ gây mất ổn định hướng cho tàu Thành phần lực này thường là nhỏ nhất do tính đối xứng của tàu, trừ khi chúng ta đi vào vùng giông bão hay góc hướng gió thay đổi

Trong tính toán lực khí động bao gồm hai thành phần lực cản và lực nâng tác động lên vật thể nói chung, người ta thường ứng dụng công thức về lực cản và lực nâng như sau:

(1-4)

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH BÀI TOÁN VÀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ CFD

2.1 Mô hình bài toán khảo sát đặc tính khí động học cano

Trong đề tài nghiên cứu của luận văn này, vấn đề nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động học thân cano chở khách được thực hiện Với giới hạn của nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận văn, bài toán đi nghiên cứu khảo sát phần thân phía trên mặt nước của cano trong quá trình khai thác Khi đó vấn đề tác động của dòng khí đến thân cano trong quá trình vận hành được nghiên cứu Theo nghiên cứu trên thế giới liên quan đến khí động học thân tàu thì việc xem xét nghiên cứu bài toán có thể thực hiện theo các bài toán với mô hình khảo sát khác nhau như: khảo sát thân tàu với toàn bộ thân tàu di chuyển trên mặt nước; khảo sát đặc tính khí động thân tàu với phần thân phía trên mặt nước khi đó coi như bề mặt nước là thành cứng không chuyển động Trong bài toán này, tùy theo phương pháp và quá trình thực hiện mà có những ảnh hưởng khác nhau đến kết quả nghiên cứu nhất định Trong quá trình nghiên cứu bằng thực nghiệm thì quá trình thực nghiệm mô hình cũng có thể thực hiện theo hai phương pháp tương tự như trên Với mô hình bài toán khảo sát toàn tàu thì việc thực nghiệm sẽ được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu thân tàu tại trạng thái tĩnh nhất định nhằm đo, ước lượng được các thành phần lực khí động tác động lên thân tàu tương ứng trạng thái đó Việc thực hiện thực nghiệm này tương tự với trường hợp nghiên cứu phần thân tàu phía trên mặt nước, tuy nhiên trong quá trình thực nghiệm có yếu tố ảnh hưởng của bề mặt nước đến thân tàu Mô hình thực nghiệm khác là sử dụng toàn bộ thân tàu di chuyển tự do trên mặt nước, phương pháp này thực hiện thực nghiệm khá phức tạp và đòi hỏi nhiều yếu tố khác nhau trong quá trình thực nghiệm Thông thường quá trình nghiên cứu thực nghiệm không thực hiện theo cách này Việc thực nghiệm còn có thể thực hiện theo mô hình xét phần trên mặt nước của tàu trong ống thổi với nền cứng, mô hình thí nghiệm

này tương tự bài toán khảo sát đặc tính khí động học của tàu với phần trên mặt nước của tàu, không tính đến phần thân tàu bên dưới

Hình 2.1 Đường hình dáng thân tàu sử dụng trong nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, bài toán được thực hiện nghiên cứu với phần trên mặt nước của cano, với mô hình nghiên cứu giới hạn chỉ xét phần phía trên mặt nước, không kể đến ảnh hưởng của mặt thoáng trong quá trình cano chuyển động Khi đó

mô hình bài toán được thực hiện nghiên cứu tương tự trường hợp thực nghiệm mô hình tàu với phần trên mặt nước được đặt trong ống thổi khí động để khảo sát các đặc tính khí động học của tàu

Hình 2.2 Xây dựng mô hình bài toán khảo sát đặc tính khí động học cho cano

Trên cơ sở xây dựng mô hình khảo sát đặc tính khí động học cho cano, bài toán sẽ được thực hiện khảo sát các đặc tính khí động học cho cano với công cụ tính toán mô phỏng số CFD

2.2 Công cụ tính toán mô phỏng số CFD

CFD là cụm từ viết tắt của Computation Fluid Dynmaic, tính toán động lực học chất lỏng Việc ứng dụng công cụ phương pháp số và máy tính, các nhà tính toán đã phát triển lên những chương trình tính toán động lực học chất lỏng nói chung Một trong những hhướng chính của CFD là ứng dụng các công cụ mô phỏng

số CFD trong việc giải các bài toán thực tế Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng chương trình mô phỏng số ANSYS – Fluent để thực hiện việc nghiên cứu của mình

ANSYS Fluent là một phần mềm với những khả năng mô hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy được áp dụng trong công nghiệp Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình hóa với đối tượng nghiên cứu rộng Phần mềm ANSYS là một công cụ mạnh để mô phỏng và phân tích được sử dụng trên toàn thế giới Nó bao gồm gói các chương trình bên trong để tính toán, trong luận văn này tác giả chỉ sử dụng các phần Meshing nhằm tạo mô hình để tính và modul Fluid dynamics – Fluent để mô phỏng trạng thái tàu chạy và

sử lí kết quả

Hình 2.3 Phân bố dòng, áp suất tác động lên tàu trên mặt thoáng, hình ảnh mô

phỏng số với dòng 2 pha sử dụng ANSYS-Fluent

➢ ANSYS Fluent có khả năng mô hình hóa các mô hình vật lý cần thiết cho các

mô hình dòng chảy, rối, truyền nhiệt, và phản ứng trong các dạng hình học phức tạp

➢ ANSYS Fluent được viết bằng ngôn ngữ lập trình C và là phần mềm mô phỏng

sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method-FVM)

➢ ANSYS Fluent cung cấp sự chia lưới hoàn toàn linh hoạt, bao gồm cả khả năng giải quyết các vấn đề dòng chảy sử dụng lưới không cấu trúc Hỗ trợ các loại lưới bao gồm 2D tam giác, tứ giác, 3D tứ diện, lục giác, kim tự tháp, hình nêm, đa diện

và lưới hỗn hợp (lưới lai) ANSYS Fluent cũng cho phép ta làm tinh hay thô lưới dựa trên giải quyết dòng chảy Sau khi lưới đã được đọc vào trong ANSYS Fluent, tất cả các thao tác còn lại được thực hiện bên trong ANSYS Fluent Những thao tác này bao gồm các điều kiện biên, định nghĩa thuộc tính chất lưu, thực thi giải pháp, tinh chỉnh lưới, hậu xử lý và hiển thị kết quả

Các bộ giải trong ANSYS Fluent dựa trên phương pháp thể tích hữu hạn:

➢ Vùng chất lỏng được phân ly thành hữu hạn tập hợp các thể tích điều khiển

➢ Các phương trình bảo toàn (vận chuyển) tổng thể cho khối lượng, động lượng, năng lượng, hình thái được giải quyết trên tập hợp các thể tích điều khiển này

➢ Các phương trình vi phân từng phần liên tục (các phương trình chủ đạo) được rời rạc thành hệ các phương trình đại số tuyến tính mà máy tính có thể giải được

Hai bộ giải sẵn có trong ANSYS Fluent:

Bộ giải dựa trên áp suất: coi động lượng và áp suất (hoặc áp suất hiệu chỉnh)

là các biến chính Các thuật toán liên kết áp suất- vận tốc được bắt nguồn từ tái định dạng phương trình liên tục

Trong bộ giải dựa trên áp suất có hai thuật toán được sử dụng:

Thuật toán độc lập: Giải áp suất hiệu chỉnh và động lượng một cách liên tục

Thuật toán liên kết: Giải áp suất và động lượng đồng thời

Bộ giải dựa trên mật độ: Các phương trình liên tục, động lượng, năng lượng,

và chất đều được giải dưới dạng vector Áp suất đạt được qua phương trình trạng thái Các phương trình vô hướng bổ sung được giải theo cách riêng Bộ giải dựa trên mật độ có thể chạy tường minh hoặc ẩn

Implicit: dùng phương pháp điểm-ẩn Gauss-Seidel đối xứng khối để giải các biến Explicit: dùng phương pháp tích phân tường minh thời gian đa bước Runge-Kutta

Trong cả hai bộ giải này, trường vận tốc thu được từ các phương trình mô men Với bộ giải dựa trên mật độ thì các phương trình liên tục được sử dụng để thu được trường mật độ trong khi đó trường áp suất sẽ thu được từ phương trình trạng thái

Bằng việc sử dụng một trong hai bộ giải này, ANSYS Fluent sẽ giải quyết các phương trình tích phân chủ đạo như: phương trình bảo toàn khối lượng, bảo toàn mô men, bảo toàn năng lượng và các đại lượng vô hướng khác như rối, dòng phản ứng Trong cả hai bộ giải dựa trên phương pháp khối điều khiển đều bao gồm quy trình tính toán như sau:

➢ Phân chia miền tính toán thành những thể tích rời rạc sử dụng lưới tính toán

➢ Tích phân các phương trình chủ đạo theo các thể tích riêng lẻ để xây dựng hệ phương trình đại số đối với các biến rời rạc phụ thuộc như: vận tốc, áp suất, nhiệt

độ và các đại lượng vô hướng

➢ Tuyến tính các phương trình rời rạc và giải quyết hệ phương trình tuyến tính

và cập nhật các giá trị của các biến phụ thuộc

Hai bộ giải sử dụng quy trình rời rạc hóa giống nhau (thể tích hữu hạn),nhưng cách tiếp cận để tuyến tính hóa và giải quyết các phương trình rời rạc là khác nhau

Lựa chọn bộ giải:

dụng cho phạm vi rộng các chế độ dòng chảy vận tốc nhỏ, không nén được tới dòng chảy vận tốc lớn, nén được Bộ giải này cần ít bộ nhớ hơn và cho phép sự linh hoạt trong những thủ tục giải

solver): được áp dụng cho hầu hết các dòng chảy một pha, lời giải tốt hơn so với bộ

giải Pressure-based solver tiêu chuẩn Không áp dụng được với các dòng đa pha (Eulerian), các trường hợp lưu lượng khối tuần hoàn và NITA Bộ nhớ cần gấp 1.5 – 2 lần so với phương pháp giải độc lập

liên kết mạnh mẽ hoặc phụ thuộc lẫn nhau giữa các đại lượng khối lượng riêng, năng lượng, động lượng và chất

Trong phần mềm Ansys có 5 thuật toán có sẵn như sau:

• Semi-Implicit Method (SIMPLE): được mặc định sẵn, tính toán mạnh mẽ

• SIMPLE-Consistent (SIMPLEC): cho phép hội tụ nhanh hơn với những bài toán đơn giản (ví dụ: dòng chảy tần không sử dụng mô hình vật lý nào cả)

• Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO): dùng cho các bài toán dòng không ổn định hoặc có lưới chứa các phần tử có độ méo cao hơn mức trung bình

• Fractional Step Method (FSM): sử dụng cho dòng chảy không ổn định, có đặc tính tương tự như PISO

• Couple: đây là bộ giải liên kết

Vấn đề về rời rạc hóa sử dụng trong ANSYS Fluent bao gồm:

➢ Rời rạc hóa theo không gian

Trong Fluent, các biến được giải ở tâm các phần tử lưới (các thể tích điều khiển)

Các phương pháp nội suy cho toán hạng đối lưu:

• First-Order Upwind: dễ hội tụ nhất và chỉ chính xác cấp 1

• Second-Order Upwind: cho độ chính xác cấp 2, cần thiết cho lưới tri/tet hay khi dòng chảy không thẳng hàng với lưới, sự hội tụ xảy ra chậm

• MUSCL: sơ đồ rời rạc đối lưu cấp 3 cho lưới không cấu trúc, chính xác hơn trong

dự đoán dòng thứ cấp, xoáy, lực bậc 2

• QUICK: áp dụng cho lưới tứ giác/lục diện và lưới hỗn hợp, hữu ích cho dòng chảy quay/xoáy, cho độ chính xác cấp 3 trên lưới đồng nhất

• Power Law: có độ chính xác cao hơn First-Order Upwind cho các dòng cóRe<

5.Sơ đồ First – order upwind, Second – order upwind và third – order Upwind,

MUSCL được dùng trong cả hai bộ giải dựa trên áp suất và mật độ Sơ đồ Power law và QUICK được dùng trong bộ giải dựa trên áp suất và khi giải quyết các

phương trình vô hướng bổ sung trong bộ giải dựa trên mật độ

Các phương pháp nội suy Gradients:

• Gradient của các biến cần thiết để đánh giá khuếch tán thông lượng, các đạo hàm vận tốc, và cho các sơ đồ rời rạc bậc cao

• Gradient của các biến ở tâm phần tử có thể được tính theo 3 phương pháp:

o Green-Gauss Cell-Based: sức mạnh tính toán kém nhất; lời giải có thể có lỗi

khuếch tán

o Green –Gauss Node-Based: mức tính toán/chính xác cao hơn; giảm thiểu lỗi

khuếch tán và được khuyên dùng cho lưới không cấu trúc

o Least-Squares Cell-Based: phương pháp mặc định; có độ chính xác và tương tự

Node-Based Gradients và mức tính toán kém hơn

Trong Ansys Fluent phương pháp Gradient được chọn mặc định là Squares Cell- Based.Phương pháp Green Gauss Node Based không sử dụng cùng với lưới đa giác

Least-Các phương pháp nội suy cho áp suất:

Các sơ đồ nội suy cho tính toán áp suất tại bề mặt các phần tử khi dùng bộ giải dựa trên áp suất như sau:

• Standard: được mặc định sẵn; độ chính xác giảm đối với dòng có thành phần gradient áp suất vuông góc bề mặt lớn (nhưng không nên áp dụng khi có những thay đổi áp suất quá lớn trong dòng chảy- sơ đồ PRESTO được áp dụng thay thế)

• PRESTO: dùng cho dòng chảy có xoáy lớn, những dòng chảy có gradient áp suất quá lớn (môi trường rỗng, mô hình quạt…) hoặc trong các miền có độ cong lớn

• Linear: áp dụng khi các lựa chọn khác dẫn đến sự khó hội tụ hoặc không tuân theo các quy luật vật lý

• Second-Order: áp dụng cho dòng nén được; không thích hợp cho môi trường rỗng, bơm, quạt…hoặc mô hình đa pha VOF( Volume of fraction)/Mixture

• Body Force Weighted: áp dụng khi lực khối lớn, ví dụ như sự đối lưu tự nhiên có

số Ra lớn hay khi dòng chảy có độ xoáy lớn

➢ Rời rạc hóa theo thời gian

Đối với mô phỏng ở trạng thái không dừng (phụ thuộc vào thời gian), các phương trình chủ đạo phải được rời rạc hóa theo cả không gian và thời gian Sự rời rạc hóa theo thời gian đối với các phương trình phụ thuộc vào thời gian là giống hệt với trường hợp trạng thái dừng Rời rạc theo thời gian liên quan đến phép lấy tích phân của mọi số hạng trong phương trình vi phân trên một bước thời gian t Trong sơ

đồ rời rạc hóa theo thời gian có phép lấy tích phân theo thời gian ẩn và phép lấy tích phân theo thời gian hiện

2.3 Các bước thực hiện trong quá trình giải quyết bài toán CFD

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu với CFD, thông thường cần thiết phải thực hiện 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 những thông số đầu ra nào cho bài toán CFD của mình

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

b) 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 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 luận 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

2.4 Mô hình hóa miền không gian tính toán và chia lưới

Mô hình hóa miền không gian tính toán cần thiết và chia lưới là một trong những phần quan trọng nhất của bài toán mô phỏng kỹ thuật Có quá nhiều phần tử lưới khiến việc giải bài toán trở nên lâu và nếu lưới quá thưa thì cũng dẫn đến các kết quả thiếu chính xác ANSYS Meshing cung cấp một công cụ chia lưới để cân bằng những yêu cầu về mặt kỹ thuật này, để thu được lưới tốt cho mỗi bài toán mô phỏng theo cách tự động nhất có thể Kỹ thuật chia lưới trong ANSYS được xây dựng dựa trên những công cụ chia lưới tốt nhất hiện nay.Những khía cạnh mạnh mẽ

của các công cụ chia lưới này được tích hợp vào trong một môi trường duy nhất để tạo ra những khả năng chia lưới mạnh mẽ nhất có thể

Hình 2.2 Ví dụ hình ảnh chia lưới trong ANSYS

Môi trường chia lưới có tính tự động cao có thể dễ dàng tạo ra các loại lưới:

• Lưới tứ diện

• Lưới lục diện

• Lớp biên căng lăng trụ

• Lớp biên căng lục giác

• Lõi lục giác

• Lưới Đề-Các thích nghi vật thể

• Cut cell Cartesian

Các môi trường vật lý khác nhau yêu cầu các cách tiếp cận về lưới khác nhau.Các mô phỏng động lực học dòng chảy yêu cầu lưới có chất lượng cao cả về hình dạng lẫn độ mượt khi có sự thay đổi về kích thước Các mô phỏng về cơ học kết cấu thì cần sử dụng lưới hiệu quả vì thời gian thực hiện sẽ tăng lên khi số lượng phần tử lớn Chia lưới trong ANSYS cho phép thiết lập về môi trường vật lý để chắc chắn rằng người dùng sử dụng đúng loại lưới với từng mô phỏng cụ thể

Các tính năng của ANSYS Meshing

Công cụ chia lưới trong ANSYS Workbench được thiết kế với những tiêu chí chính:

1 Khả năng tham số hóa: tạo ra các tham số điều khiển hệ thống

2 Tính ổn định: Các cập nhật mô hình luôn được thực hiện thành công trong

Phương pháp chia lưới lục diện

Công nghệ ANSYS Meshing cung cấp các phương pháp đa dạng để tạo ra lưới sáu mặt thuần túy hoặc lưới sáu mặt đa số (hex-dominant) Kiểu lưới, chất lượng lưới mong muốn và thời gian thực hiện quá trình chia lưới phụ thuộc vào độ phức tạp của mô hình,vì vậy ANSYS Meshing đã cung cấp một giải pháp mềm dẻo Tự động

tạo ra lưới lục diện hoặc hex-dominant một cách nhanh chóng, hoặc tạo ra lưới lục diện có sự kiểm soát chặt chẽ, cho giải pháp tối ưu hiệu quả và chính xác

Hình 2.3 Lưới lục diện bao quanh trụ trong mặt phẳng 2 chiều

Hình 2.4 Chia lưới lục diện tự động, sử dụng phương pháp chia lưới

Phương pháp chia lướitrực giao

o Phương pháp chia lưới này tạo ra tỉ lệ phần trăm phần tử lưới lục diện cao trong trường xa, để nhận được chính xác các kết quả dòng chất lỏng

o Được đặt trên bề mặt, các kiểu phần tử hỗn hợp được sử dụng cho phép lưới tạo

ra các phần tử lưới phù hợp với các chi tiết về hình dạng

o Các phần tử bề mặt có thể được “bơm căng” tạo ra lớp lăng trụ tròn hoặc lục diện

để bắt được các vùng ảnh hưởng vật lý (tường bao)

o Tạo ra lưới lục diện nhanh chóng với thiết lập người dùng tối thiểu khiến cho phương pháp chia lưới này phù hợp với các mô hình hình học phức tạp trong mô phỏng tính toán động lực học dòng chảy (CFD)

Chia lưới mặt cong tự động

o Các vật thể có thể uốn cong được tự động nhận dạng và chia lưới với lưới lục diện khi có thể

o Thiết lập tăng cạnh và mặt ghép nối/ ánh xạ được thực hiện tự động

o Các đường dẫn uốn cong được tự động tìm thấy cho các miền/vật thể trong các cụm chi tiết đa vật thể

o Các biên căng được định nghĩa thông qua mặt cong của các vật thể kết nối bị uốn cong

o Các điều khiển kích thước và ánh xạ có thể được thêm vào, và các mặt nguồn được lựa chọn để thay đổi và thực hiện tạo mặt cong tự động

o Thêm/chỉnh sửa phần phân tách/các lớp hình học vào mô hình sẽ hỗ trợ rất nhiều trong việc tự động hóa để thu được lưới lục diện thuần túy

Chia lưới mặt cong mỏng

o Phương pháp chia lưới này nhanh chóng tạo ra lưới lục diện cho các chi tiết mỏng có nhiều mặt có dạng mặt nguồn và mặt đích

o Phương pháp chia lưới này có thể sử dụng kết hợp với các phương pháp chia lưới khác

o Các điều khiển kích thước và ánh xạ có thể được thêm vào, và các mặt nguồn được lựa chọn để thay đổi và thực hiện tạo mặt cong tự động

Chia lưới mặt cong đa miền