Nghiên cứu các đặc tính của dòng chảy bao quanh thân tàu

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CỦA DÒNG
CHẢY BAO QUANH THÂN TÀU”
NGƯỜI THỰC HIỆN:
GV HƯỚNG DẪN:

KS. NGUYỄN TIẾN CÔNG
TS. ĐỖ QUANG KHẢI

HẢI PHÒNG - 2014


Nội dung

1. Xác định đề tài
2. Cơ sở lý thuyết (PT Navier Stokes và phương
pháp VOF giải hệ PT Navier Stokes)
3. Mô hình bài toán nghiên cứu
Thông số ban đầu
Mô hình hình học và chia lưới phần tử
Điều kiện biên và các thiết lập
Kết quả và đánh giá
4. Kết luận và kiến nghị


1. Xác định đề tài
1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Quá trình thiết kế tìm phương án tàu
tối ưu

Quá trình đóng mới tàu

!

Quá trình thử tàu, nghiệm thu


Hướng khắc phục
Trên thế giới

Bể thử mô hình
tàu

Phương pháp số
giải các bài toán
thủy động lực học

Thử nghiệm mô hình
vật lý

Các chương trình: Ansys
Fluent, Flotran,
OpenFOAM...

Phương án tối ưu cuối cùng trước khi đi vào
chế tạo, đóng mới

Trong nước
Việc nghiên cứu về dòng chảy bao quanh thân tàu, cũng như các
bài toán thủy động lực học của tàu vẫn còn hạn chế
Phụ thuộc vào các công thức thống kê như: tính toán sức cản cho

tàu, tính toán hệ số dòng theo, hệ số hút, tính toán vận tốc chất lỏng
sau đuôi tàu phục vụ cho việc tính toán thiết kế thiết bị đẩy, thiết bị
lái…, thiếu tính trực quan, khó kiểm tra được sự đúng đắn và khó
kiểm soát được sai số do sử dụng công thức thống kê.
Chọn đề tài:

“NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CỦA DÒNG CHẢY BAO QUANH
THÂN TÀU”


1.2. Mục đích nghiên cứu
Phân tích trường áp suất,
trường vận tốc của dòng chất
lỏng bao quanh thân tàu

thiết kế tối ưu tàu về mặt thủy
động lực học

Bài toán thiết kế tàu


1.3. Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:

Các đặc tính của dòng chảy
bao quanh thân tàu: áp suất,
vận tốc, sự rối dòng...

Hình dáng vỏ
bao tàu

Phạm vi nghiên cứu:
P,v, đặc tính chảy rối..., sức cản

P,v, đặc tính chảy rối..., sức cản

Tối ưu hình dáng tàu về
mặt thủy động lực học

Bài toán
thiết kế tàu


1.3. phương pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phương pháp số

-

Kết hợp ứng dụng phần mềm ANSYS FLUENT để giải bài
toán nghiên cứu.

1.4. Ý nghĩa khoa học thực tiễn

-

Làm rõ được đặc tính dòng chảy bao quanh thân tàu, phục vụ

cho quá trình tính toán hệ thống thiết bị đẩy, thiết bị lái sau
đuôi tàu
-

Phục vụ bài toán tối ưu hình dáng tàu về mặt động lực học

-

Thay thế được phần nào cho quá trình thử mô hình tàu trong
giai đoạn thiết kế. Qua đó, giảm chi phí và thời gian thiết kế

tàu.


2. Cơ sở lý thuyết
2.1. Hệ phương trình Navier – Stokes
- Phương trình liên tục:

Khối lượng tích lũy của
phần tử lỏng cố định
đang xét

Tỷ lệ giãn nở thể tích
của phần tử lỏng

(2.1.1a)

Sm là thành phần
khối lượng thêm vào
pha chất lỏng đang
xét từ một pha khác
[kg]

Trong đó:
là khối lượng riêng của chất lỏng đang xét [kg/m3]
là vận tốc của chất lỏng [m/s]
là hàm gradient.


Phương trình động lượng:
(2.1.1b)
Đạo hàm theo thời
gian của động
lượng phần tử lỏng

Các thành phần
ngoại lực

Trong đó:
p là áp suất tĩnh [N/m2]
𝜌𝑔; 𝐹 là trọng lực và ngoại lực tác dụng [N]
𝜏 là ten sơ ứng suất

𝜇 là độ nhớt động lực học của chất lỏng [kg.m-1.s-1]


Phương trình năng lượng

(2.1.1c)

Nội
năng

Động năng và
nhiệt năng
phát sinh

Năng lượng nhận được
từ nguồn nhiệt

Năng lượng do có
tương tác hóa học
của các phân tử
vật liệu đang xét


Hệ phương trình Navier – Stokes viết cho chất lỏng
không nén được
Nếu như xét thêm đến giả thiết về tính không nén được
và giả sự độ nhớt của chất lỏng là hằng số, phương trình
động lượng sẽ được viết như sau (theo dạng vectơ):
(2.1.1d)

là gradient vận tốc
là gradient áp suất
Phương trình liên tục sẽ được viết như sau :
(2.1.1e)

2.2. Phương pháp số giải hệ phương trình Navier Stokes
2.2.1. Các phương pháp số
- Volume of Fluid method(VOF) – Phương pháp thể tích chất lỏng
- Finite difference method(FDM) – phương pháp sai phân hữu hạn

- Finite volume method(FVM) – phương pháp thể tích hữu hạn
- Finite element method(FEM) – phương pháp phần tử hữu hạn
- Spectual methods – phương pháp phổ
- Boundary element method(BEM) – phương pháp phần tử biên
- Particle methods – phương pháp phân tử


2.2.2. Phương pháp thể tích chất lỏng (VOF – Volume of
Fluid Method)
Mô hình bài toán VOF giải quyết các bài toán hai hoặc nhiều
pha, mỗi pha được gọi là pha thành phần. Thể tích mỗi pha
thành phần được đặc trưng bởi hệ số:
+ αq = 0: Vùng nghiên cứu là vùng rỗng, không chứa chất
lỏng pha thứ qth.
+ αq = 1: Vùng nghiên cứu chứa 100% chất lỏng pha thứ qth.
+ 0 < αq < 1: Vùng nghiên cứu gồm chất lỏng thuộc pha thứ

qth và 1 hoặc nhiều các pha thành phần khác.


Phương trình phân chia thể tích
Với pha thứ qth, phương trình có dạng sau: [1]
(3.2.2a)
là khối lượng chất lỏng dịch chuyển từ pha p sang pha q.

là khối lượng chất lỏng dịch chuyển từ pha q sang pha p.
ρq

là tỷ trọng của pha q.
là năng lượng nguồn, đặc trưng cho tương tác hóa học, hay các điều kiện

của dòng chảy bên trong hoặc ngoài.
hệ số thành phần thể tích của pha qth.

V

Thể tích của vùng [m3]

Uf

Thông lượng thể tích xuyên qua mặt đang xét, phụ thuộc vào hướng của

vận tốc [m3.s-1]


Phương trình phân chia thể tích

Phương trình phân chia thể tích sẽ không được giải cho
pha cơ sở. Với pha này, hệ số thể tích sẽ được tính toán

dựa trên phương trình sau: [1]
𝑛

𝛼𝑞 = 1
𝑝=1

(3.2.2b)


Lực mặt và liên kết với biên ngoài

Mối liên hệ giữa áp suất của hai phần tử lỏng tiếp xúc
nhau:

(3.2.4a)
Trong đó:

σ là hệ số lực mặt [N/m2];
R1 ;R2 là bán kính cong của hai mặt cong thuộc hai phần tử

lỏng tiếp xúc nhau đang xét [m];
p1; p2 là áp suất của hai phần tử lỏng ở hai bên của mặt tiếp
xúc [Pa]


Lực mặt
Lực mặt có thể viết theo nhóm của sự thay đổi áp suất qua
mặt đang xét. Lực này có thể viết như là lực khối theo công
thức sau, được thêm vào trong phương trình động lượng: [1]

Fvol 



 ij

 i i k j  j   j  j ki i

1
( i   j )
2
là hệ số lực mặt giữa hai phần tử i và j [N/m2]
là hệ số thể tích của hai phần tử i và j.
là tỷ trọng của hai phần tử i và j tương ứng
[kg/m3]
ki,j là bán kính cong tại mặt tiếp xúc của hai phần tử i
và j [m]
pairij ,i  j


Lực mặt trong trường hợp bài toán có hai pha

Khi đó: ki = kj và
Dẫn đến:

Liên kết với biên ngoài
Hướng của vận tốc
Gọi θw là góc tiếp xúc của vận tốc chất lỏng tại bờ, véc
tơ pháp tuyến cạnh bờ sẽ là: [1]
(3.2.4i)
𝑛 = 𝑛w . 𝑐os𝜃w + 𝑡w . sin𝜃w
Trong đó: 𝑛w và 𝑡w là véc tơ pháp tuyến và tiếp tuyến
của vận tốc chất lỏng với bờ.

Độ lớn của vận tốc được quy định theo độ nhám của bờ

Up, yp là vận tốc, chiều cao của tâm của ô phần tử
kề sát với bờ.
E là hệ số thực nghiệm, mặc định là 9,793
là áp suất tiếp của tường.
là tỷ trọng của chất lỏng.
1/k là độ dốc nghiêng của tường.
u* là thành phần cản vận tốc của tường do ma sát,
được định nghĩa:
kp biểu thị hệ số năng lượng của dòng chảy rối
là hằng số, theo thực nghiệm bằng 0.09


Độ lớn của vận tốc được quy định theo độ nhám của bờ

CS là hằng số nhám

Ks là độ cao của nhám lấy tương đương với độ cao
của mô cát trong thí nghiệm về tương tác giữa bờ cát
(bãi biển) và dòng chảy của Nikuradse
là độ nhớt động học của chất lỏng


3. Mụ hỡnh bi toỏn nghiờn cu
m ặt n- ớ c tĩ
nh

tà u d i c huyển vớ i vận tố c : v(m / s)

n- ớ c

Dũng chy
tnh
mặt n- ớ c tĩ
nh

tàu đứng yê n

v(m/s)

n- ớ c

Bi toỏn tu
chy trờn
súng

v(m/s)


3.1. Thông số mô hình
Tàu chở dầu
Chiều dài lớn nhất(Loa)

Tàu thực đơn vị Mô hình đơn vị
90

m

0.9

m

Chiều dài giữa hai đường vuông góc(Lpp)

84.3

m

0.843

m

Chiều rộng(B)

17.5

m

0.175

m

Chiều cao mạn(D)

8

m

0.08

m

Chiều chìm(d)

6

m

0.06

m

Hệ số béo thể tích(CB)

0.765

Trọng tải

4900

0.765
T

T

Tốc độ lớn nhất

13

knots 0.66878

m/s

Tốc độ trung bình

12

knots 0.61733

m/s


3.2. Thông số ban đầu
Thông số của nước:
Nước ngọt, tỷ trọng: ρ = 998.2 [kg/m3]
Nhiệt dung riêng: Cp = 4182 [J/kg.k]
Hệ số dẫn nhiệt: 0.6 [w/m.k]
Độ nhớt động học: 0.001003 [kg/m.s]
Thông số không khí:
Tỷ trọng: ρ = 1.225 [kg/m3]
Nhiệt dung riêng: Cp = 1006.43 [J/kg.k]
Hệ số dẫn nhiệt: 0.0242 [w/m.k]
Độ nhớt động học: 1.7894.10-5 [kg/m.s]
Vận tốc tính toán:
Tàu mô hình di chuyển với vận tốc 0.617333 [m/s],
ứng với vận tốc 12 [knots] của tàu thực.


3.3. Mô hình hình học và chia lưới phần tử

Bản vẽ tuyến hình tàu: