Mô phỏng tính toán quá trình hình thành khoang hơi quanh vật thể chuyển động trong nước (tóm tắt trích đoạn)

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LƢU VŨ PHƢƠNG THẢO

MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH
HÌNH THÀNH KHOANG HƠI QUANH
VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG TRONG NƢỚC

LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ HỌC

HÀ NỘI – 2016


2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LƢU VŨ PHƢƠNG THẢO

MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH
HÌNH THÀNH KHOANG HƠI QUANH
VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG TRONG NƢỚC

Ngành:

Cơ học kỹ thuật

Chuyên ngành:

Cơ học kỹ thuật

Mã số:

60.52.01.01

LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TSKH. Dƣơng Ngọc Hải

HÀ NỘI – 2016


3

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

Lƣu Vũ Phƣơng Thảo


4

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm đào tạo và bồi dưỡng Cơ
học – Viện Cơ học, Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam

và Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. Cám ơn
các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong thời gian tôi
học tập tại trường và trung tâm. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ long biết ơn
chân thành tới GS. TSKH. Dương Ngọc Hải và TS. Nguyễn Tất Thắng
đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.


1

MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.............................................. 3
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................. 5
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ 7
MỞ ĐẦU....................................................................................................... 8
Chƣơng I. TỔNG QUAN................................Error! Bookmark not defined.
1.1. Các khái niệm, định nghĩa .....................Error! Bookmark not defined.
1.1.1. Khái niệm khoang hơi .....................Error! Bookmark not defined.
1.1.2. Khái niệm áp suất hơi .....................Error! Bookmark not defined.
1.2. Sự tạo bọt hơi trong chất lỏng thực và các đặc trưng riêng của dòng chảy
có sự tạo bọt..................................................Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Áp suất và gradient áp suất................Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Mặt phân cách lỏng – hơi ..................Error! Bookmark not defined.
1.2.3. Tác dụng nhiệt ..................................Error! Bookmark not defined.
1.2.4. Các tham số phi thứ nguyên ...............Error! Bookmark not defined.
1.3. Hiện tượng tạo khoang hơi ....................Error! Bookmark not defined.
1.4. Các nghiên cứu trước đây......................Error! Bookmark not defined.
1.5. Mục đích nghiên cứu ............................Error! Bookmark not defined.
Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ HIỆN TƢỢNG TẠO
KHOANG HƠI ...............................................Error! Bookmark not defined.
2.1. Các giả thiết và hệ phương trình ..............Error! Bookmark not defined.

2.2. Các điều kiện biên, điều kiện đầu.............Error! Bookmark not defined.
2.3. Mô hình rối.............................................Error! Bookmark not defined.
2.4. 6 bậc tự do..............................................Error! Bookmark not defined.
Chƣơng 3. ÁP DỤNG ANSYS FLUENT ĐỂ NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG
TẠO KHOANG HƠI......................................Error! Bookmark not defined.
3.1. Mô hình vật lý .......................................Error! Bookmark not defined.
3.2. Sơ đồ tính toán.......................................Error! Bookmark not defined.
3.2.1. Mô hình Singhal ................................Error! Bookmark not defined.
3.2.2. Mô hình Zwart-Gerber-Belamn..........Error! Bookmark not defined.


2
3.2.3. Mô hình Schnerr và Sauer .................Error! Bookmark not defined.
3.3. Phương pháp rời rạc hóa trong Ansys Fluent ......... Error! Bookmark not
defined.
3.3.1. Phương pháp thể tích hữu hạn ...........Error! Bookmark not defined.
3.3.2. Rời rạc hóa phương trình động lượng Error! Bookmark not defined.
3.3.3. Rời rạc hóa phương trình liên tục ......Error! Bookmark not defined.
3.3.4. Ước lượng các toán tử gradient và vi phân ...... Error! Bookmark not
defined.
3.3.5. Giải liên kết áp suất và vận tốc ..........Error! Bookmark not defined.
3.3.6. Rời rạc hóa phương trình bảo toàn hơiError! Bookmark not defined.
3.4. Mô phỏng và tính toán quá trình hình thành khoang hơi bằng phần mềm
ANSYS Fluent ..............................................Error! Bookmark not defined.
3.4.1. Mô hình 2D .......................................Error! Bookmark not defined.
3.4.2. Mô hình 3D.......................................Error! Bookmark not defined.
3.4.3. Kết quả mô phỏng và nghiên cứu một số ảnh hưởng .................Error!
Bookmark not defined.
KẾT LUẬN.....................................................Error! Bookmark not defined.
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ...... 10

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................... 11


3

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
(Dấu gạch ngang “-” thể hiện tham số không thứ nguyên)
Ký tự

Ý nghĩa
Tiết diện vuông góc với dòng chảy của vật thể
Hệ số áp suất
Đường kính của thân vật thể
Đường kính lớn nhất của khoang hơi
Lực khối
Lực cản
Gia tốc trọng trường
Chiều dài lớn nhất của khoang hơi
Chiều dài của vật thể
Mật độ số lượng bọt hơi
Bán kính bọt hơi
Tốc độ sinh hơi
Tốc độ hóa hơi
Tốc độ ngưng tụ
Áp suất bên trong khoang hơi
Áp suất chất lỏng ở dòng chảy tự do
Áp suất hơi bão hòa
Áp suất tĩnh tại một điểm trên mặt phân tách
Sức căng bề mặt
Nhiệt độ

Vận tốc pháp của chất lỏng
Vận tốc pháp của hơi nước tiếp xúc với bề mặt

Đơn vị đo

-


4
Vận tốc của hỗn hợp hơi và lỏng
Vận tốc của chất lỏng
Vận tốc của pha hơi
Vận tốc trung bình trượt của pha lỏng
Vận tốc dòng chảy ở xa điểm đang xét
Vận tốc tại một điểm trên mặt phân tách
Tỉ phần thể tích pha hơi

-

Độ nhớt động lực học của hỗn hợp
Độ nhớt động lực học của chất lỏng
Độ nhớt động lực học của hơi
Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng và hơi
Khối lượng riêng của chất lỏng
Khối lượng riêng của chất hơi
Số Froude

-

Số Reynolds

-

Số Weber

-


5

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1 Khoang hơi của vật bắn từ không khí vào môi trường chất lỏng .Error!
Bookmark not defined.
Hình 1. 2 Biểu đồ pha lỏng – pha hơi của nước ..Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 3 Đường đẳng nhiệt ANDREWS...........Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 4 Mặt phân cách lỏng - hơi....................Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 1 Mô hình bài toán Steady ....................Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 2 Mô hình bài toán Transient ................Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 1 Mô hình hệ thống đo đạc khoang hơi (1) Bộ phận cung cấp vận tốc;
(2) Bể chứa chất lỏng........................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 2 Sơ đồ khối thuật toán mô hình tính toán khoang hơiError! Bookmark
not defined.
Hình 3. 3 Sơ đồ mô tả mô hình mô phỏng tính toán khoang hơi 2D ..........Error!
Bookmark not defined.
Hình 3. 4 Mô hình 2D và kích thước vật thể dạng đầu phẳng . Error! Bookmark
not defined.
Hình 3. 5 Mô hình 2D và kích thước vật thể dạng đầu bán cầuError! Bookmark
not defined.
Hình 3. 6 Mô hình 2D và kích thước vật thể dạng đầu nón .... Error! Bookmark
not defined.

Hình 3. 7 Mô hình lưới tính toán cho vật thể đầu dính ướt dạng phẳng .....Error!
Bookmark not defined.
Hình 3. 8 Mô hình lưới tính toán cho vật thể đầu dính ướt dạng bán cầu. Lưới
tính toán gồm 29073 phần tử loại Quadrilateral Cell ....... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3. 9 Lưới tính toán cho mô hình vật thể đầu dạng côn góc 45o. Lưới tính
toán gồm 39062 phần tử loại Quadrilateral Cell .Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 10 Sơ đồ mô hình mô phỏng tính toán khoang hơi 3DError! Bookmark
not defined.
Hình 3. 11 Mô hình 3D vật thể dạng đầu phẳng Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 12 Mô hình 3D vật thể dạng đầu bán cầu ............ Error! Bookmark not
defined.
Hình 3. 13 Mô hình 3D vật thể dạng đầu nón .....Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 14 Mức độ bao phủ bề mặt vật thể của khoang hơi theo vận tốc....Error!
Bookmark not defined.


6
Hình 3. 15 Ảnh hưởng của cỡ lưới với σ = 0.3, σ = 0.5.... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3. 16 Khoang hơi với các vật thể có đầu dính ướt dạng phẳng, dạng bán
cầu và côn góc 45o ở
....Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 17 Phân bố hệ số áp lực trên những vật thể có dạng đầu dính ướt khác
nhau .................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 18 Phân bố hệ số áp lực trên vật thể đầu dạng phẳng với σ = 0.3, σ = 0.5
........................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 19 Phân bố hệ số áp lực trên vật thể đầu dạng bán cầu với σ = 0.2, σ =
0.3, σ = 0.4 và σ = 0.5......................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 20 Phân bố hệ số áp lực trên vật thể đầu dạng côn với (a) σ = 0.3; (b) σ

= 0.4 và (c) σ = 0.5 ...........................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 21 Tọa độ trọng tâm vật thể đầu phẳng và vật thể đầu bán cầu.....Error!
Bookmark not defined.
Hình 3. 22 Phân bố tỉ phần thể tích pha hơi quanh vật thể đầu phẳng .......Error!
Bookmark not defined.
Hình 3. 23 Phân bố tỉ phần thể tích pha hơi quanh vật thể đầu bán cầu......Error!
Bookmark not defined.
Hình 3. 24 Phân bố tỉ phần thể tích pha hơi quanh vật thể đầu nón ............Error!
Bookmark not defined.
Hình 3. 25 Mức độ bao phủ bề mặt của vùng hơi quanh các vật thể .........Error!
Bookmark not defined.
Hình 3. 26 So sánh quãng đường đi được của các vật thể với V0=70m/s....Error!
Bookmark not defined.
Hình 3. 27 Vận tốc của các vật thể ....................Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 28 Giá trị số xâm thực của các trường hợp vật thểError! Bookmark not
defined.


7

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Bảng hình dạng và kích thước đầu vật cản mô hình 2D...............Error!
Bookmark not defined.
Bảng 2. Điều kiện dòng chảy của mô hình 2D tính toán khoang hơi .........Error!
Bookmark not defined.
Bảng 3. Bảng hình dạng và kích thước đầu vật cản mô hình 3D...............Error!
Bookmark not defined.
Bảng 4. Điều kiện dòng chảy của mô hình 3D tính toán khoang hơi .........Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5. Các cỡ lưới được xét ảnh hưởng tới khoang hơi. Error! Bookmark not

defined.
Bảng 6. So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu được công bốError! Bookmark
not defined.


8

MỞ ĐẦU
 Cơ sở khoa học và thực tiễn
Nghiên cứu, tính toán các tham số dòng chảy quanh vật thể có xuất hiện
khoang hơi của vật chuyển động ngập trong nước là bài toán có nhiều ứng dụng
trong thực tế. Khoang hơi rất khó hình thành và tính ổn định không cao. Ngoài
một vài tác hại của khoang hơi đến vật thể như ăn mòn, gây tiếng rung ồn, …
thì sự xuất hiện của khoang hơi mang đến những lợi ích đáng kể như giảm cản,
nhớt. Một trong các ứng dụng được đề cập nhiều nhất của khoang hơi là giảm
lực cản nhằm mục đích tiết kiệm nhiên liệu, tăng tính ổn định và chiều dài quãng
đường đi cho vật thể. Vì vậy, tính toán kích thước khoang hơi và các tham số
dòng chảy có khoang hơi đóng vai trò lớn trong việc thiết kế các thiết bị chuyển
động dưới nước để vận tốc vật đạt được tối ưu nhất và tốn ít nhiên liệu nhất.
Để thực hiện đo đạc thực tế hay tiến hành thí nghiệm đối với một mô hình
khoang hơi là rất khó khăn. Do việc thiết kế, điều kiện tự nhiên hay trang thiết bị
ở nước ta còn khá khiêm tốn. Vì vậy, để nghiên cứu khoang hơi, sử dụng mô
phỏng số là một phương pháp khả thi với nhiều ưu điểm: dễ thực hiện, chi phí
không tốn kém, nghiên cứu được dưới nhiều dạng mô hình vật thể và điều kiện
dòng chảy khác nhau. Ngoài ra, mô phỏng số còn cung cấp các số liệu để việc
kiểm chứng kết quả thực nghiệm được chính xác hơn.
Từ lâu trên thế giới, đo đạc khoang hơi đã được các nhà khoa học thực
hiện bằng nhiều phương pháp. Lâu đời nhất là mô hình ống thủy động, được chế
tạo để tạo khoang hơi và quan sát khoang hơi. Bên cạnh đó là nghiên cứu lý
thuyết điển hình của Leonard Euler (1754). Sau này nhờ sự phát triển của công

nghệ, bài toán về khoang hơi được mô phỏng số bằng nhiều công cụ mô phỏng
và tính toán.
 Mục tiêu
- Xây dựng được mô hình thí nghiệm số sử dụng ANSYS Fluent để mô
phỏng hiện tượng khoang hơi với nhiều hình dạng đầu cản khác nhau.
- Bước đầu mô phỏng chuyển động tự do của vật thể có vùng hơi bao
quanh. Tính toán kích thước khoang hơi và các tham số dòng chảy có
xuất hiện khoang hơi.
 Mục đích
So sánh kết quả thực hiện mô phỏng của luận văn với các kết quả đã được
các nhà khoa học trên thế giới công bố để đưa ra mô hình mô phỏng tính toán
khoang hơi chính xác nhất.


9
 Nội dung nghiên cứu
- Bước đầu nghiên cứu tổng quan các vấn đề lý thuyết liên quan đến sự
hình thành khoang hơi khi vật chuyển động trong chất lỏng.
- Đi sâu tìm hiểu về mô phỏng số hiện tượng khoang hơi.
- Tìm hiểu các mô hình và phương pháp giải trong ANSYS Fluent. Sử
dụng Fluent để mô phỏng bài toán vật thể chuyển động trong nước.
Sau đó, tổng hợp các kết quả để phân tích các ảnh hưởng liên quan đến
sự hình thành khoang hơi. So sánh với các kết quả đã được công bố để
tạm thời đưa ra mô hình và hình dạng đầu vật thể tối ưu nhất cho thiết
kế vật thể chuyển động trong nước.
 Bố cục của luận văn
Luận văn bao gồm các phần:
MỞ ĐẦU
Chƣơng 1. TỔNG QUAN
Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ HIỆN TƢỢNG

TẠO KHOANG HƠI
Chƣơng 3. ÁP DỤNG ANSYS FLUENT ĐỂ NGHIÊN CỨU HIỆN
TƢỢNG TẠO KHOANG HƠI
KẾT LUẬN
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO


10

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN VĂN
1. Duong Ngoc Hai, Nguyen Tat Thang, Nguyen Quang Thai, Truong Thi
Phuong, Luu Vu Phuong Thao, Le Minh Thanh and Nguyen Trong
Tuan (2014), "Simulation of supercavitating flow around a highspeed
moving object in water using Ansys Fluent", Proceedings of the 3rd
International Conference on Engineering Mechanics and Automation
(ICEMA3), Hanoi, October 15-16, 2014.
2. Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Trương Thị Phượng, Nguyễn
Quang Thái, Lƣu Vũ Phƣơng Thảo, Lê Minh Thành (2015). “Đo đạc
thực nghiệm khoang khí quanh vật thể đi vào nước”. Tuyển tập báo cáo
khoa học Hội nghị Khoa học kỹ thuật đo lường Toàn Quốc VI, trang 740747.
3. Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Trương Thị Phượng, Nguyễn
Quang Thái, Lƣu Vũ Phƣơng Thảo (2015). “Mô phỏng vùng xâm thực
bao quanh vật thể chuyển động tự do dưới nước”. Tuyển tập Hội nghị
Khoa học kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam. Tiểu ban Công nghệ thông tin, Điện tử, Tự động hóa và
Công nghệ Vũ trụ, trang 77-84.
4. Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Nguyễn Quang Thái, Trương Thị
Phương, Lƣu Vũ Phƣơng Thảo (2015), “Bước đầu mô phỏng chuyển
động tự do của vật thể có vùng xâm thực bao quanh sử dụng ANSYS

Fluent”. Tuyển tập Công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí toàn
quốc năm 2015.


11

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG VIỆT
[1] Vũ Văn Duy, Nguyễn Thế Đức, Nguyễn Thế Mịch (2007), “Mô phỏng
vùng xâm thực trong vùng bao quanh profil cánh bằng phƣơng pháp
phần tử biên”, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học thủy khí toàn
quốc lần thứ 8, tập 3, Cơ học Thủy khí, Hà Nội, tr. 77-84
[2] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Nguyễn Quang Thái, Trương Thị
Phương, Lưu Vũ Phương Thảo (2015), “Bƣớc đầu mô phỏng chuyển động
tự do của vật thể có vùng xâm thực bao quanh sử dụng ANSYS Fluent”.
Tuyển tập Công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc năm
2015
[3] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Trương Thị Phượng, Nguyễn
Quang Thái, Lưu Vũ Phương Thảo, Lê Minh Thành (2015). “Đo đạc thực
nghiệm khoang khí quanh vật thể đi vào nƣớc”. Tuyển tập báo cáo khoa
học Hội nghị Khoa học kỹ thuật đo lường Toàn Quốc VI, trang 740-747
[4] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Nguyễn Quang Thái, Trương Thị
Phương, Lưu Vũ Phương Thảo, Lê Minh Thành (2015), “Mô phỏng vùng
xâm thực bao quanh vật thể chuyển động tự do dƣới nƣớc”. Hội nghị
Khoa học kỷ niệm 40 năm ngày thành lập Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam,
Hà Nội
[5] Nguyễn Anh Sơn, Trần Thu Hà, Dương Ngọc Hải (2014), “Super cavity
model of slender body moving fast in water”, Hội nghị Cơ học kỹ thuật
toàn quốc, Kỷ niệm 35 năm Viện Cơ học, Hà Nội
TIẾNG ANH

[6] I. Nesteruk (2012), “Supercavitation – Advances And Perspectives”,
A Collection Dedicated To The 70 th Jubilee Of Yu. N. Savchnko, Springer
[7] Jean-Pierre Franc, Jean-Marie Michel (2004), “Fundamentals of
Cavitation”, Grenoble Sciences
[8] Knapp R. Daily J. and Hammit F. (1970), “Cavitation” McGraw-Hill,
New-York, NY, USA
[9] Kunz R. F., Boger, D. A., Chyczewski, T. S., Stinebring, D. R. and
Gibeling, H. J. (1999). “Multi-phase CFD Analysis of Natural and


12
Ventilated Cavitation about Submerged Bodies”, Proc. 3rd ASME/JSME
Joint Fluid Engineering Conference, Paper FEDSM, pp 99-7364
[10] Rand, R., Pratap, R., Ramani, D., Cipolla, J., Kirchner, I. (1997),
“Impact dynamics of a Super cavitating underwater projectile”,
Proceedings of DETC’97-ASME, DETC97/VIB-3929
[11] Rouse, H. , and Mc.Nown, J. S. (1948) “Cavitation and pressure
Distribution, Head Forms at zero angle of yaw”, Studies in engineering
Bulletin 32, State University of Iowa
[12] Singhal A.K., Vaidya N. and Leonard A. D. (1997),
“Multi-Dimentional Simulation of Cavitating Flows Using a PDF Model
for Phase Change”, ASME FED Meeting, Paper No. FEDSM, Vancouver,
Canada, pp 97-3272
[13] Snyder, D. O., Koutsavdis, E. K., and Anttonen, J. S. R (2003),
“Transonic store separation using unstructured CFD with dynamic
meshing”. Technical Report AIAA-2003-3913. 33 rd AIAA Fluid Dynamics
Conference and Exhibit American Institute of Aeronautics ans Astronautics,
Florida
[14] T. H. Shih, W. W. Liou, A. Shabbir, Z. Yang, J. Zhu, “A new
eddy-viscosity model for high Reynolds number turbulent flows – Model

development and validation”, Computers Fluids. 24(3), 1995, pp. 227-238
[15] Worthing ton A. M. and Cole R. S. (1987), “Impact with a liquid
surface, studied by the aid of íntantaneeous photography”, Philosophical
Transactions of the Royal Society of London A