Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy

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

NCS. LÊ THỊ THÁI

NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG XÂM THỰC BAO QUANH
CHÂN VỊT TÀU THỦY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC CHẤT LỎNG

Hà nội – 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NCS. Lê Thị Thái

NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG XÂM THỰC BAO QUANH
CHÂN VỊT TÀU THỦY
Chuyên ngành : Cơ học chất lỏng
Mã số

: 62442201
LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC CHẤT LỎNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS Lê Quang
2. TS. Lê Thanh Tùng

Hà nội - 2013

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tiến sỹ của tôi – NCS Lê Thị Thái, chuyên ngành Cơ chất lỏng – với đề
tài “Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy” đã hoàn thành
trong thời gian quy định bốn năm và đạt được các kết quả đề ra. Nội dung thực hiện
luận văn đã giúp tôi nâng cao khả năng tự nghiên cứu trong quá trình ứng dụng và phát
triển khoa học kỹ thuật.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Quang và TS. Lê Thanh Tùng, người
hướng dẫn trực tiếp cho tôi làm và hoàn thành các nội dung của đề tài. Những lời
khuyên, hướng dẫn bổ ích của các thầy đã định hướng và giúp tôi tiếp cận tốt hơn với
nội dung của đề tài.
Tôi xin cảm ơn các Thầy Cô Viện Cơ Khí Động Lực, các bộ môn thuộc Viện Cơ
Khí Động Lực đã tạo điều kiện tra cứu tài liệu, đóng góp ý kiến cho tôi hoàn thành tốt
luận văn của mình.
Xin cảm ơn trung tâm thí nghiệm xâm thực trường Đại học Đại dương quốc gia,
Đài Loan đã tạo cơ hội cho tôi được thực nghiệm.

Hà Nội, ngày 30 tháng 07 năm 2013
Nghiên cứu sinh
Lê Thị Thái


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn tiến sỹ đề tài “Nghiên
cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy” đều do tôi tự thực hiện hoặc
đồng thực hiện dưới sự hướng dẫn chính của PGS.TS Lê Quang và TS Lê Thanh Tùng
Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ dùng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu
tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu nào khác. Không hề có sự sao chép, gian

lận kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày 30 tháng 07 năm 2013
Nghiên cứu sinh

Lê Thị Thái


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Phần mở đầu
Chương 1: Tổng quan
1.1 Tổng quan về hiện tượng xâm thực
1.1.1 Khái niệm
1.1.2 Bản chất vật lý của xâm thực.
1.1.3 Điều kiện xuất hiện xâm thực
1.1.4 Phân loại xâm thực
1.2 Tổng quan về các phương pháp số dự đoán xâm thực
1.2.1 Phương pháp số
1.2.2 Phương pháp mặt nâng
1.2.3 Phương pháp phần tử biên
1.2.4 Phương pháp EULER, RANS và dòng hai pha
1.3 Một số kết quả nghiên cứu về xâm thực thiết bị đẩy tàu thủy
1.4 Phạm vi áp dụng của đề tài

Chương 2: Nghiên cứu, khảo sát dòng chảy bao chân vịt tàu thủy

1
5
5
5

6
7
8
13
13
16
18
23
25
27
29

2.1 Chân vịt và đặc tính làm việc của chân vịt tàu thủy

30

2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán

32
32
34
35

2.2.1. Mô tả vấn đề
2.2.2. Phương trình tổng quát về dòng thế
2.2.3. Các điều kiện biên.
2.2.4. Các điều kiện biên bề mặt xâm thực.
2.3. Khảo sát dòng chảy bao chân vịt bằng phương pháp số
2.3.1. Mô hình tính toán
2.3.2. Mô hình hình học và miền tính toán

2.2.3. Kết quả tính toán số
2.4 Kết luận
Chương 3: Nghiên cứu, mô phỏng dòng xâm thực qua chân vịt
3.1 Hiện tượng xâm thực trong thiết bị đẩy
3.2 Nghiên cứu số về mô hình xâm thực 2D
3.2.1 Sử dụng phương pháp LES
3.2.2 Sử dụng phương pháp RANS

37
45
45
48
48
55
56
56
57
57
65


3.3 Nghiên cứu số về mô hình xâm thực 3D
3.3.1 Tính toán dòng qua chân vịt tàu thủy

75
75

3.3.2 Tính toán dòng qua hệ thống chân vịt – bánh lái
3.4 Kết luận

80
84

Chương 4: Khảo sát thực nghiệm đặc tính xâm thực của chân vịt

85

4.1. Khảo sát các dạng thiết bị phục vụ cho thực nghiệm
4.1.1 Thử nghiệm mặt thoáng
4.1.2 Thử nghiệm thiết bị đẩy
4.1.3 Các thử nghiệm xâm thực
4.2. Xây dựng mô hình thử nghiệm
4.2.1 Đặt vấn đề

85
85
88
92
94
94

4.2.2 Bài toán xây dựng mô hình
4.3. Phương án thực nghiệm
4.3.1 Giới thiệu phương pháp thực nghiệm
4.3.2 Thiết lập chương trình thực nghiệm
4.3.3 Kếtluận
Kết luận và kiến nghị
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC : Code chương trình tính toán số về mô hình xâm thực 2D
bằng phương pháp LES

95`
96
96
99
103
104
106
109


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
A
: Diện tích bề mặt cánh
Ac
: Diện tích vùng xâm thực
Cw
: Hàm mặt cong siêu xâm thực
Cx, Cy, Cz
: Hệ số lực theo 3 phương x,y,z
CL, CD
: Hệ số lực nâng, hệ số lực cản 3D
Cl, Cd
: Hệ số lực nâng, hệ số lực cản 2D
Cp
: Hệ số áp suất
D
: Đường kính chân vịt
F(s1,s2,s3,t) : Hàm mô tả bề mặt xâm thực
F(ξ,η)

: Hàm mô tả tấm cong 2D
F
: Vector lực
G(x,x)
: Hàm Green’s
J
: Bước tương đối của chân vịt
KT
: Hệ số lực
KQ
: Hệ số mômen
M
: Vector mômen
O
: Thứ tự cường độ
Q = Mx
: Mô men hoặc mô men quay
R
: Bán kính chân vịt
C = бΩ
: Lớp biên của trường dòng
SB
: Bề mặt ướt của vật thể
SC
: Bề mặt xâm thực
SBC
: Bề mặt giao giữa xâm thực và vật thể
Sw
: Bề mặt dòng theo
Swc

: Bề mặt giao giữa dòng theo và xâm thực
T
: Lực đẩy
(u,v)
: Thành phần vận tốc tiếp tuyến và pháp tuyến
V = (vx,vy,vz): Vận tốc tổng của dòng
VC
: Thể tích xâm thực
VO
: Vận tốc dòng tự do
VS
: Vận tốc dịch chuyển của vật thể
Vg
: Vận tốc lưới
Vm
: Vận tốc trung bình dòng theo
Vw(x,y,z) : Vận tốc không ảnh hưởng
VRef
: Vận tốc tham chiếu
VS1, VS2, VS3 : Thành phần vận tốc trong hệ thống tham chiếu không trực giao
VU1, VU2, VU3 : Thành phần vận tốc trong hệ thống tham chiếu trực giao


X = (X,Y,Z) : Khung tham chiếu không gian cố định
g
: Trọng lực
g
: Hàm ngầm định cho bề mặt siêu xâm thực
(i,j,k)
: Vector vận tốc đơn vị xâm thực tham chiếu cho vật thể cố định

lC
: Chiều dài xâm thực
n
Tốc độ vòng quay
P
: Áp suất
PV
: Áp suất hơi
PRef
: Áp suất tham chiếu
r
: Vector khoảng cách
rf
: Khoảng cách giữa các điểm trển đường cong tấm tuyến tính tham
chiếu
SO
: Chiều dài cung tại điểm tách xâm thực
(S1,S2,S3) : Hệ tọa độ không trực giao
t
: Thời gian
*
t
: Thời gian đặc trưng đối lưu
(t1,t2,t3)
: Vector đơn vị
(u1,u2,u3) : Hệ tọa độ tham chiếu trực giao gắn với bề mặt ở dạng cong tuyến
tính
V
: Vận tốc nhiễu loạn
X = (x,y,z) : Hệ tọa độ tham chiếu cho vật thể cố định

X = (x,r,θ) : Hệ tọa độ cực
Δ
: Biến, loại kích cỡ tấm (2D)
Γ = - Δ
: Hoàn lưu
Ω
: Trường dòng bên ngoài
⃗
: Vận tốc góc
α
: Góc tới
δ
: Chiều dài tại điểm kết thúc xâm thực
η
: Chiều dày xâm thực
η0
: Hiệu suất chân vịt
ηω
: Chiều dài siêu xâm thực

: Thế nhiễu

: Độ cong
λ
: Bước sóng
ω
: Tần số góc
θ
: Góc giữa t1 và t2
ρ

: Mật độ nước
σ
: Số xâm thực

: Trọng lượng riêng của nước


Vl
Vv

: Thể tích pha lỏng
: Thể tích pha hơi.


GIẢI THÍCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
CFD
ITTC
FDM
FEM
SEM
FVM
BEM
RANS
LES
DES
DNS
VM
AFD
EFD
VOF

KBC
DBC

: Computational Fluid Dynamics
: Internationl Towing Tank Committee
: Finite Difference Method
: Finite Element Method
: SpEctral Method
: Finite Volume Method
: Boundary Element Method
: Reynolds – Average NavieStokes
: Large Eddy Simulation
: Detached Eddy Simulation
: Direct Numerical Simulation
: Vortex Method
: Analysis Fluid Dynamics
: Experimental Fluid Dynamics
: Volume Of Fluid
: Kinetics Boundary Conditions
: Dynamics Boundary Conditions


Lời mở đầu

LỜI MỞ ĐẦU
LÝ DO NGHIÊN CỨU, MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
Khái niệm về xâm thực đã trở thành quen thuộc đối với chuyên môn nghiên cứu
trong hệ thống thiết bị đẩy. Người đầu tiên quan sát thấy những đốm trắng không phải
là không khí lọt qua thủy tinh khi nghiên cứu về vòng xoáy (Newton 1704). Nhưng
phải đến khi phát hiện ra sự xuất hiện bọt khí ở chân vịt làm giảm tốc độ của tàu thủy

(Reynolds 1873, Barnaby và Pasons 1893), các nghiên cứu về sự hình thành của xâm
thực mới bắt đầu được quan tâm. Năm 1895, tên “Xâm thực – Cavitation’ được các
nhà khoa học chính thức đặt tên cho hiện tượng xuất hiện các bọt khí hay khoang rỗng
trong lòng chất lỏng khi có sự suy giảm áp suất cục bộ dưới áp suất hơi bão hòa.
Hệ thống thiết bị đẩy khi làm việc trong chất lỏng đều có khả năng bị xâm thực.
Quan sát quá trình xâm thực xảy ra trên cánh dưới dạng tập hợp của nhiều profil có thể
thấy quá trình xâm thực thông thường như sau: Ban đầu các bọt khí nhỏ xuất hiện ở
đầu cánh, vùng bọt khí xâm chiếm không đáng kể. Chân vịt tiếp tục quay, các bọt khí
theo đuổi nhau tách khỏi mặt đầu cánh và lơ lửng trong chất lỏng một thời gian ngắn.
Khi chân vịt quay với tốc độ giới hạn nhất định hiện tượng sủi bọt có thể bao trùm cả
mặt hút của cánh và các bọt khí từ đây thoát ra liên tục. Nếu vận tốc quay và vận tốc
tịnh tiến của chân vịt tăng lên nữa, hiện tượng sủi bọt có khả năng lây sang cả mặt đẩy.
Khi xâm thực phát triển trong thiết bị dẩy tàu thủy, điều kiện làm việc ổn định
của thiết bị thường bị phá vỡ gây mất cân bằng, suy giảm hiệu suất và năng suất, gây
rung động và tiếng ồn. Đặc biệt, hiện tượng ăn mòn xâm thực có thể xảy ra mãnh liệt
và phá hủy bề mặt chi tiết. Mỗi một dạng thiết bị, một điều kiện làm việc hay chất lỏng
làm việc khác nhau, xâm thực có thể xảy ra ở cường độ và trạng thái hoàn toàn khác
nhau. Bài toán xâm thực càng trở nên phức tạp khi có sự ảnh hưởng của nhiệt độ, hàm
lượng khí khó hòa tan, hoạt chất hóa học,… đòi hỏi phải nghiên cứu mang tính liên
ngành. Sự phong phú, đa dạng và chịu ảnh hưởng nhiều tham số khiến cho việc nghiên
cứu xâm thực luôn là vấn đề khó khăn và thú vị đối với các nhà khoa học. Mặt khác để
tiến hành thực nghiệm xâm thực trên hệ thống thiết bị đẩy tàu thủy cần xây dựng giá
thí nghiệm chuyên dụng, camera quan sát tốc độ cao (triệu ảnh/giây) và các thiết bị đo
1


Lời mở đầu

đồng bộ. Do vậy tác giả luận án lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu hiện tượng xâm thực
bao quanh chân vịt tàu thủy” áp dụng cho các bài toán nghiên cứu điển hình về xâm

thực trong hệ thống thiết bị đẩy tàu thủy. Phương pháp mô phỏng số động lực học
dòng chảy được áp dụng trong nghiên cứu, phân tích đặc tính xâm thực.Kết quả lý
thuyết được kiểm nghiệm bằng kết quả thực nghiệm. Những kết quả của luận án
hướng tới ứng dụng vào thực tế công nghiệp đóng tàu cũng như xây dựng cơ sở dữ
liệu về xâm thực cho dạng chân vịt phổ biến ở nước ta.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Việc nghiên cứu các hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy có ý nghĩa
khoa học, ứng dụng vào việc xây dựng cơ sở lý thuyết cho quá trình thiết kế sản phẩm,
tạo điều kiện thuận lợi cho nhà thiết kế phân tích, lựa chọn chế độ hoạt động của chân
vịt trong khi thiết kế.
Kết quả đề tài có ý nghĩa thực tiễn áp dụng cho việc dự báo sự hình thành xâm thực
trên bề mặt chân vịt, đặc tính về động lực học và đánh giá hiệu suất làm việc tương
ứng của nó ở một số chế độ vận hành khác nhau. Các nội dung nghiên cứu của đề tài
góp phần củng cố luận cứ khoa học cho quá trình thiết kế, sử dụng hiệu quả vào khai
thác tàu.
Việc ứng dụng tính toán mô phỏng trên máy tính bằng phương pháp tiên tiến cho
phép tiết kiệm thời gian thiết kế, giảm kinh phí đầu tư cho chế tạo và thử nghiệm.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Các chỉ tiêu, thông số động lực học dòng chảy và ảnh hưởng của chúng đến sự
hình thành xâm thực và các thông số đặc tính của chân vịt là yêu cầu quan trọng trong
quá trình nghiên cứu,
Để thực hiện nội dung đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu một số vấn đề sau:
 Nghiên cứu về hiện tượng xâm thực xuất hiện khi chân vịt hoạt động.
 Nghiên cứu các phương pháp tính toán số được ứng dụng trong bài toán dòng
qua chân vịt không xâm thực và có xâm thực.
 Thiết lập các bài toán dòng qua chân vịt bằng các phương pháp khác nhau như
phương pháp RANS, LES và phương pháp truyền thống trong thiết kế chân vịt
tàu thủy.

2


Lời mở đầu

 Thiết lập chương trình thực nghiệm để khảo sát đặc tính xâm thực của chân vịt
tàu thủy. So sánh kết quả mô phỏng số với thực nghiệm.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
Nghiên cứu được thực hiện dựa trên cơ sở lý thuyết cơ học chất lỏng và lý thuyết
cánh. Tác giả xây dựng mô hình tính toán khác nhau để mô phỏng dòng xâm thực và
không xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy thông qua phần mềm ANSYS Fluent dựa
trên nền tảng Computational Fluid Dynamics (CFD) xây dựng đặc tính chân vịt, dự
đoán, đánh giá xâm thực trên chân vịt và ảnh hưởng của nó đến hiệu suất làm việc của
chân vịt.
Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành cho mẫu chân vịt mô hình tại phòng thí
nghiệm xâm thực chuyên ngành tàu thủy, trường Đại học Đại dương Quốc gia, Đài
Loan. Kết quả thực nghiệm kiểm chứng cho các bài toán lý thuyết mô phỏng trên.

BỐ CỤC LUẬN ÁN

Luận án bao gồm phần mở đầu, phần kết luận-kiến nghị và bốn chương:
Chương 1.Tổng quan
Trình bày khái quát về hiện tượng xâm thực, trình bày khái quát về các phương
pháp số dự đoán xâm thực trên cơ sở thống kê của tổ chức ITTC. Phân tích, đánh giá
một số công trình nghiên cứu đã có của các tác giả nước ngoài có liên quan đến đề tài
luận án. Từ đó nêu những vấn đề còn tồn tại và những vấn đề mà luận án tập trung
nghiên cứu, giải quyết.
Chương 2.Nghiên cứu, khảo sát dòng chảy bao chân vịt tàu thủy

Giới thiệu về chân vịt tàu thủy và các thông số đặc tính làm việc của chân vịt.
Thiết lập cơ sở lý thuyết tính toán để trên cơ sở đó khảo sát dòng chảy qua chân vịt tàu
thủy bằng phương pháp số. Kết quả của bài toán này sẽ đưa ra những nhận định về khả
năng làm việc của chân vịt với các chế độ hoạt động khác nhau.
Chương 3. Nghiên cứu, mô phỏng dòng xâm thực qua chân vịt tàu thủy

3


Lời mở đầu

Với việc sử dụng phương pháp LES trong OpenFoam và phương pháp RANS
trong ANSYS FLUENT để thiết lập bài toán dòng chảy xâm thực bao chân vịt ở dạng
2D và 3D đã dự đoán được xâm thực hình thành trên cánh chân vịt – bánh lái tàu và
xây dựng được đặc tính chân vịt tàu theo nồng độ bọt khí trong nước.
Chương 4. Khảo sát thực nghiệm đặc tính xâm thực chân vịt
Khảo sát các thiết bị phục vụ cho thực nghiệm trên cơ sở đó tiến hành thiết lập
phương án và chương trình thực nghiệm bằng phương pháp đánh giá hình ảnh để dự
đoán xâm thực.

4


Chương 1: Tổng quan

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về hiện tượng xâm thực
1.1.1 Khái niệm
Hiện tượng xâm thực, nghĩa là sự xuất hiện của những khoảng trống dạng hơi
bên trong một môi trường chất lỏng đồng nhất vào lúc ban đầu, được tìm thấy và xảy

ra ở rất nhiều những trạng thái khác nhau. Tuỳ theo hình thể của dòng chảy và các
thuộc tính vật lý của chất lỏng, nó có thể mang những đặc điểm khác biệt.
Hiện tượng xâm thực có thể được định nghĩa như sự thay đổi của một môi
trường chất lỏng dưới điều kiện áp suất rất thấp. Điều này khiến cho sự xâm thực liên
quan đến lĩnh vực cơ toán học và nó được áp dụng đối với các trường hợp mà ở đó
chất lỏng ở dạng tĩnh hoặc dạng chuyển động.
Xâm thực là sự phá hủy tính liên tục của chất lỏng kèm theo việc xuất hiện trên
mặt vật thể các hốc chứa đầy hơi nước hoặc không khí. Xâm thực xuất hiện ở những
điểm mà tại đó áp suất cục bộ giảm đáng kể khi chất lỏng chuyển động cụ thể :
- Theo quan điểm vật lý : muốn gián đoạn thì p < 0 khi đó xuất hiện xâm thực.
- Thực tế : Khi áp suất chất lỏng nhỏ hơn trị số áp suất hơi bão hòa pđiểm đó hình thành hốc chứa đầy hơi nước và không khí.
Đề cập đến sự xâm thực động lực học, tức là sự xâm thực tại các dòng chảy chất
lỏng bao gồm các dòng chảy qua các vòi phun Venturi, tại các lối đi hẹp như các van
nước hoặc dòng chảy xung quanh mạn tàu hoặc các chân vịt.
Tuy nhiên hiện tượng xâm thực cũng có thể xảy ra trong chất lỏng tĩnh hoặc gần
như tĩnh. Khi một trường áp suất dao động được ứng dụng trên bề mặt trống của một
chất lỏng được đựng trong một bể chứa, các bong bóng xâm thực sẽ xuất hiện trong
phạm vi phần lớn chất lỏng nếu biên độ dao động đủ lớn. Kiểu xâm thực này được
biết đến như một sự xâm thực âm học.
Một ví dụ thêm của hiện tượng xâm thực trong một chất lỏng hầu như không
chuyển động là gia tốc lớn và đột ngột của một vật thể đặc với các cạnh sắc như một
chiếc đĩa vi tính nằm trong nước phẳng lặng. Các bóng hơi có thể xuất hiện gần các
mép này hầu như liên tục trong khi vận tốc của chính chất lỏng giữ nguyên không đổi.
5


Chương 1: Tổng quan

Định nghĩa của sự xâm thực trên giới thiệu khái niệm của một ngưỡng áp suất ở

dưới thấp mà lực liên kết chất lỏng không còn được đảm bảo nữa. Một cách ý tưởng,
ngưỡng này sẽ được xác định từ các cân nhắc vật lý trên một giới hạn vi mô. Xem xét
đến trạng thái thực tế của kiến thức khoa học, cùng với sự cần thiết của các giải pháp
thực tiễn đối với các hệ thống công nghiệp phức tạp, sẽ có ích hơn khi nó chỉ liên
quan đến các thuộc tính chất lỏng ở tầm vĩ mô.
Một cách tổng quát thì xâm thực xuất hiện khi áp suất của chất lỏng tại nơi nào
đó bao quanh cánh nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa, khi đó những phần tử lỏng ở sát thành
và lân cận sẽ tách ra tạo thành các đám bọt gọi là túi hơi xâm thực. Ứng với mỗi chế
độ vận hành khác nhau các túi hơi này sẽ có đặc điểm riêng từ đó có tên gọi khác nhau
về xâm thực.

1.1.2 Bản chất vật lý của xâm thực
Xâm thực có thể định nghĩa là sự phá vỡ cơ chế của chất lỏng dưới áp suất rất
thấp.
Hiện tượng xâm thực xảy ra khi phần chất lỏng thay đổi từ pha lỏng sang pha
hơi. Sự thay đổi này xảy ra khi chất lỏng tồn tại ở một nhiệt độ nhất định mà áp suất
trong chất lỏng giảm đến giá trị nhất định nào đó. Đối với bài toán chân vịt quay trong
chất lỏng thì ngoài điều kiện về áp suất thì xâm thực còn xảy ra khi ở một nhiệt độ
nhất định nào đó nếu vận tốc của chân vịt tăng quá một giá trị nhất định.
Xâm thực là một hiện tượng phổ biến trong chất lỏng. Khi vận tốc dòng lớn có
nguy cơ xảy ra xâm thực. Nó thường xảy ra trong nhiều thiết bị thủy lực như tuabin,
bơm cánh dẫn, chân vịt tàu thuỷ,… trong các trường hợp đó xâm thực thường là hiện
tượng không mong muốn mà ta nên tránh hoặc là điều chỉnh chúng sao cho phù hợp.
Tuy nhiên một vài trường hợp mà xâm thực có lợi chẳng hạn trong các ứng dụng về y
học …
Khi xâm thực xảy ra thì điều kiện tiên quyết phải là đạt đến áp suất tới hạn và
xuất hiện các phần tử xâm thực. Một vùng áp suất bằng hoặc thấp hơn áp suất hơi là
điều kiện cho sự chuyển pha. Nhưng nếu các phần tử xâm thực đó bao gồm bóng hơi
nhỏ thì dòng chất lỏng có thể chịu đựng được áp suất âm rất cao mà không xảy ra xâm

6


Chương 1: Tổng quan

thực. Nước sạch là một ví dụ. Lượng phần tử nước và thời gian mà các phần tử này đạt
được áp suất thấp là cần thiết cho sự xâm thực.
Khi xâm thực xảy ra, xâm thực sẽ phát triển và di chuyển cho tới khi miền áp
suất cao đạt được, sau đó xâm thực sẽ co lại với một tốc độ rất cao, cao hơn cả tốc độ
phát triển và cuối cùng nó bị xẹp rồi biến mất.

1.1.3 Điều kiện xuất hiện xâm thực
Xét dòng chảy bao profil ngâm trong nước như hình 1.1:

Hinh 1.1: Dòng chảy bao profil
Trong đó: V , p là vận tốc và áp suất của dòng ở xa vô cùng
1,2 là hai điểm nằm trên cùng một đường dòng
Áp dụng phương trình Becnuly cho hai điểm 1 và 2 ta được:



V12 p1 V2 p2



2g 
2g 

 p2  p1   / 2 V22  V12



Để bắt đầu xuất hiện xâm thực thì p2<=pbh (pbh: áp suất hơi bão hòa của chất
lỏng)





p2  p1   / 2 V22  V12  pbh
2

p1  pbh  V2 
    1
1
2
 V1 
V1
2

Đặt :
7


Chương 1: Tổng quan



p1  pbh
là số xâm thực

1
2
V1
2

K  V2 / V1   1 - hệ số loang
2

Vậy điều kiện để xuất hiện xâm thực là:   K .

1.1.4


Phân loại xâm thực
Các dạng dòng chảy xâm thực

Phân loại theo trạng
thái

Xâm thực sơ khai
(incipient cavitation)

Xâm thực triệt tiêu
(desinent cavitation)

Xâm thực phát triển
(developed cavitation)

Siêu xâm thực
(supercavitation)

Xâm thực tấm
(sheet cavitation)

Xâm thực dạng bọt
(bubble cavitation)

Phân loại theo trực
quan
Xâm thực xoáy
(vortex cavitation)

Hình 1.2: Sơ đồ phân loại xâm thực

8

Xâm thực dạng mây
(cloud cavitation)


Chương 1: Tổng quan

Một vài kiểu xâm thực có thể được khảo sát trong chân vịt tàu thủy thể hiện
trên hình 1.3. Các kiểu đó có thể được phân chia thành hai dòng chính. Loại đầu liên
quan đến xâm thực xuất hiện trên bề mặt cánh. Phụ thuộc vào nguồn phát sinh nó được
gọi là xâm thực dạng tấm, xâm thực dạng bọt hoặc xâm thực dạng mây. Một họ khác
xét đến xâm thực xuất hiện trong cấu trúc rối của dòng, bao gồm xâm thực xoáy đỉnh,
xâm thực xoáy bầu, xâm thực xoáy thân (hull vortex cavitation) và xâm thực khe (gap
cavitation) (cho chân vịt trong ống đạo lưu), phụ thuộc vào vị trí của xoáy.
Sự biến đổi của xâm thực trong một vòng quay chân vịt là nguyên nhân do chân

vịt nằm trong sự thay đổi vận tốc dòng chảy xuất hiện do vệt nước sau tàu và độ
nghiêng của trục và do thay đổi cột áp tĩnh[1]

Hình 1.3: Các dạng xâm thực xẩy ra trên chân vịt tàu thủy
 Xâm thực dạng tấm
Xâm thực này thường ở mép vào của cánh chân vịt trên mặt hút. Nó xuất
hiện khi các vùng hút lớn tạo thành gần mép vào của cánh. Điểm tách xâm thực xảy ra
khi dòng phân chia làm tăng góc tới hoặc giảm áp suất bao quanh khi đó xâm thực lớn
dần theo hướng dây cung và sải cánh. Thông thường nó xuất hiện với một lớp màng
mỏng và trơn trong dòng chảy tầng. Nếu xâm thực xuất hiện ở gần bề mặt cánh thì
được gọi là xâm thực riêng phần (xâm thực cục bộ) và nếu gần vùng sau mép ra của
cánh thì được gọi là siêu xâm thực chảy (Arakeri, 1975, Van de Meulen, 1980, Shen
Peterson, 1980, Yamaguchi Kato, 1983 và Franc Michel, 1985).

9


Chương 1: Tổng quan

Hinh 1.4: Xâm thực từng phần

Hình 1.5: Siêu xâm thực

Hình 1.6: Xâm thực tấm

 Xâm thực dạng bọt
Xâm thực dạng bọt xảy ra khi vùng áp suất thấp xuất hiện ở trong miền giữa
dây cung của cánh. Thường thường gradien áp suất thấp xuất hiện không lớn trên các
miền này và do đó xâm thực dạng bọt có xu hướng xuất hiện ở dòng không bị tách
dòng. Nó xuất hiện thành những bóng hơi riêng biệt, thời gian phát triển đến một kích

thước lớn dần và nhanh chóng khi nó di chuyển trên bề mặt cánh (Morozov, 19 9,
Kodama và cộng sự, 1979, Meyer và cộng sự, 1992, và Lebreuilly và cộng sự, 1998)
[1].

10


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.7: Xâm thực dạng bọt.

 Xâm thực dạng mây:
Thông thường các lớp xâm thực ổn định ở thời gian ban đầu. Tuy nhiên theo
một số báo cáo thường sẽ có thời điểm ban đầu trong dòng theo của lớp xâm thực, nó
sẽ sẹp đi ở miền phía sau. Trong số điều kiện đảm bảo thì sự xảy ra quá trình tạo nối
tiếp rồi phá vỡ mà tia ngược là nguyên nhân gây ra tạo các phần tử chính của xâm thực
dạng hạt. Trong các điều kiện không thuận lợi thì sự phá vỡ trên sẽ xảy ra và chỉ có
phần xâm thực tạo thành hạt, do vị trí tia ngược đó chạm phải bề mặt xâm thực bị thay
đổi[1]

Hinh 1.8: Xâm thực dạng mây trên cánh thủy động.

 Xâm thực dạng xoáy:
Các dạng xoáy của xâm thực thường xảy ra trong vùng có áp suất thấp tại mép
ra từ chân cho đến đỉnh cánh. Xoáy ở chân cánh tạo ra từ các hạt xoáy làm tăng xoáy
dọc trục dưới ảnh hưởng của độ côn của củ chân vịt. Xâm thực phải xảy ra ở bên trong
11


Chương 1: Tổng quan

lõi những xoáy rất mạnh. Xâm thực dạng xoáy ở đầu cánh cũng được xem xét tại một
vài điểm ở dưới đầu cánh chân vịt hoặc nó sẽ bám vào cánh. Sự tồn tại của cả xoáy ở
đầu cánh và xâm thực dạng tấm thường xuyên xảy ra dẫn đến một trường hợp xảy ra
đối với chân vịt: Xâm thực cục bộ sẽ phát triển thành xâm thực xoáy đầu cánh. Với
chân vịt có độ xoắn lớn thì điểm tách của các xoáy đầu cánh đó sẽ di chuyển dọc theo
từ mép cánh vào tới bán kính nhỏ hơn, gây ra dạng xâm thực xoáy vào mép cánh.
Việc đo vận tốc trong một xoáy đỉnh (Fruman và cộng sự, 1992) đã chỉ ra rằng
vận tốc tiếp tuyến của xoáy không xâm thực có thể đạt tới 1.5 lần tốc độ của dòng
chảy ổn định cho một lõi nhớt đường kính nhỏ hơn 0.02 m. Vận tốc hướng trục trong
xoáy có thể gấp hai lần vận tốc dòng ổn định cho số Reynolds cao và bằng một nửa tốc
độ dòng ổn định cho số Reynolds thấp hơn.
Những hiện tượng đó dẫn đến một dòng xoáy đỉnh phức tạp. Xoáy xâm thực
tương ứng với sự bốc hơi của lõi xoáy. Một xoáy xâm thực có thể trông giống một sợi
dây thừng xoắn hoặc một dải ruy băng xoắn. Khi xâm thực tấm và xâm thực xoáy
cùng xuất hiện trên cánh, nó thường sẽ rất khó để phân biệt giữa hai loại[1].

12


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.9: Xâm thực xoáy chân vịt tàu thủy

Dạng xâm thực thông thường nhất của chân vịt và cánh thủy động là dạng xâm
thực xoáy tấm và xâm thực xoáy đầu cánh. Một chân vịt mà hoạt động sau thân tàu
trong trường của dòng theo thì sẽ sinh ra các điều kiện mà thường khó kéo theo xâm
thực dạng tấm với một khoảng thời gian nhất định trong quá trình chân vịt quay. Trong
nhiều trường hợp dòng theo thường có môt thành phần vận tốc dọc trục gần vị trí đỉnh
trên trong mặt phẳng quay của chân vịt làm thay đổi tải trọng của cánh chân vịt. Điều

này sẽ kéo theo sự xuất hiện xâm thực dạng tấm, xâm thực cục bộ hoặc siêu xâm thực
cùng với xoáy đầu cánh mà có gây ra xâm thực. Nếu sự giảm vận tốc xảy ra tại vị trí
trên của chân vịt thì sẽ xảy ra sự co lại và sự sẹp đi của xâm thực. Kết quả là sự ăn
mòn, tiếng ồn, dao động áp suất và sự rung lắc sẽ nảy sinh, điều quan trọng là phải dự
đoán được các hiện tượng xảy ra để có thể điều kiển được nó.

1.2

Tổng quan chi tiết về các phương pháp số dự đoán xâm thực

1.2.1 Phương pháp số
13


Chương 1: Tổng quan

Khái niệm phương pháp số[24]
Các phương pháp số là các kỹ thuật mà một bài toán được thiết lập sao cho
chúng có thể được giải bằng các phép toán số học.
Mặc dù có rất nhiều phương pháp số được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau, nhưng chúng đều có chung một đặc điểm đó là: Chúng luôn bao hàm một số
lượng lớn các phép tính số học.
Các phương pháp số và phạm vi áp dụng
Nhìn chung các phương pháp số có thuật giải được tiến hành theo các bước sau:
- Xấp xỉ các biến của dòng chảy chưa biết bằng phép lấy trung bình của các
hàm đơn giản.
- Rời rạc hóa bằng cách thế các xấp xỉ này vào các phương trình tổng quát và
thực thi các thuật toán toán học một cách liên tiếp.
- Giải các phương trình đại số.
Điểm khác biệt chính giữa các phương pháp dựa trên cách thức tiến hành mà

các biến của dòng chảy được xấp xỉ và quá trình rời rạc hóa.
a) Phương pháp vi phân hữu hạn(Finite Difference Method)
Phương pháp này mô tả các biến của bài toán dòng chảy bằng cách lấy trung
bình các giá trị tại các điểm nút trong mạng lưới tọa độ. Khai triển chuỗi Taylor đã
chặt cụt thường được dùng để tạo ra một xấp xỉ vi phân hữu hạn của các biến đó theo
các điểm đã biết trước thông tin (các giá trị biên) tại mỗi điểm lưới và các phần tử
ngay cạnh nó. Các đạo hàm xuất hiện trong phương trình tổng quát được thay thế bởi
các vi phân hữu hạn để tạo ra một phương trình đại số cho các giá trị của biến đó tại
mỗi mắt lưới. Smith (1985) đã đưa ra một cái nhìn sâu sắc về tất cả các vấn đề liên
quan đến phương pháp này.
b) Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)
Phương pháp này sử dụng các hàm phân đoạn (tuyến tính bậc một hoặc bậc hai)
được áp dụng cho các phân tử để mô tả các biến thiên cục bộ của các biến dòng.
Phương trình tổng quát thỏa mãn bởi phép giải chính xác. Nếu các hàm xấp xỉ phân
đoạn cho biến dòng được thế vào thì nó sẽ không còn chính xác nữa và một phần dư
được thiết lập để đo các sai số đó. Tiếp theo, các phần dư (cộng với sai số) được tối
14


Chương 1: Tổng quan

thiểu hóa theo một vài cách thức bằng cách nhân chúng với một hệ các hàm trọng số
rồi lấy tích phân. Kết quả là chúng ta có được một hệ các phương trình đại số cho các
hệ số chưa biết của các hàm xấp xỉ. Lý thuyết phần tử hữu hạn bắt đầu được pháp triển
cho việc phân tích ứng suất kết cấu. Một nghiên cứu đặc trưng cho các ứng dụng trong
kỹ thuật chất lỏng là nghiên cứu của Zienkiewicz và Taylor (1991).
c) Phương pháp phổ (SpEctral Methods)
Phương pháp này xấp xỉ các biến dòng bằng cách lấy trung bình hóa chuỗi
Fourier bị chặt cụt hoặc chuỗi đa thức Chebyshev. Không giống như hai phương pháp
ở trên, các xấp xỉ không phải là cục bộ nhưng được áp dụng cho toàn miền tính toán.

Một lần nữa, chúng ta thay thế các biến trong phương trình tổng quát bằng các chuỗi
số đơn giản. Sự ràng buộc dẫn đến các phương trình đại số cho các hệ số của chuỗi
Fourier hoặc Chebyshev được tạo ra bởi khái niệm số dư trọng số tương tự như
phương pháp phần tử hữu hạn hoặc bằng cách tạo ra một hàm xấp xỉ trùng với nghiệm
chính xác tại một số mắt lưới. Ta có thể tìm hiểu thêm thông tin về các phương pháp
đặc biệt này trong các tài liệu của các tác gia như Gottlieb và Orszag (1977).
Ngoài ra chúng ta có biết thêm một phương pháp nữa, đó là phương pháp thể
tích hữu hạn. Về căn bản phương pháp thể tích hữu hạn được phát triển theo cách
giống như phương pháp vi phân hữu hạn dạng đặc biệt.
d, Phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method)
Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến cho các bài toán dòng lưu chất có
trong phần mềm thương mại như PHOENICS, FLUENT, FLOW3D và STAR-CD.
Thuật toán số ở đây bao gồm các bước sau:
- Tích phân các phương trình tổng quát của dòng lưu chất trên tất cả các phân tử
thể tích (hữu hạn) của miền tính toán.
- Rời rạc hóa bao hàm việc thay thế các biến xấp xỉ dạng vi phân hữu hạn cho
các hạng tử trong phương trình tích phân mô tả tính chất của dòng chảy như đối lưu,
khuyếch tán và các nguồn. Điều này sẽ đưa các phương trình tích phân về một hệ các
phương trình đại số.
- Giải các phương trình đại số bằng các phương pháp vòng lặp.
Việc tích phân khối là điểm khác biệt căn bản so với các phương pháp khác.
Ngoài ra, mối tương quan rõ ràng giữa thuật toán số và định luật bảo toàn chính là
15