NGHIÊN cứu, ỨNG DỤNG bộ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG lực học DÒNG CHẢY KHÔNG có CHUYỂN PHA

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

NGUYỄN QUANG THÁI

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM
TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ CHUYỂN PHA

LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI


2

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

Nguyễn Quang Thái


3

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa, Trường đại
học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy và
đào tạo trong thời gian tôi học tập tại Khoa và tại trường. Tôi cũng xin cảm ơn lãnh
đạo Viện Cơ học đã tạo điều kiện công việc để tôi hoàn thành chương trình Thạc sỹ để
nâng cao trình độ phục vụ công tác nghiên cứu khoa học. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng
biết ơn chân thành tới GS. TSKH. Dương Ngọc Hải và TS. Nguyễn Tất Thắng, những
người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn các
sinh viên thực tập: Nguyễn Phú Phượng, Trần Thị Thu Hương, Trần Khắc Việt và Đỗ
Văn Đạt đã hỗ trợ tôi thực hiện Luận văn này trong thời gian các họ thực tập và làm
Đồ án tốt nghiệp Kỹ sư tại Viện Cơ học.


4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
(Dấu gạch ngang “-” tại mục Đơn vị đo thể hiện tham số không thứ nguyên)

Ký tự

Ý nghĩa

Đơn vị đo (SI)

Áp suất bên trong khoang khí/hơi

N/m2

Áp suất ở dòng vào

N/m2

Áp suất hơi bão hòa

kg/m3

Áp suất tại một vị trí cụ thể

kg/m3

pB

Áp suất trong bọt hơi

N/m2

RB

Bán kính bọt hơi hình cầu

m

L

Chiều dài của vật thể

m

Chiều dài đặc trưng

m

Chiều dài lớn nhất của khoang khí/hơi

m

Lmax

ν

Độ nhớt động học của hỗn hợp lỏngkhí/hơi

m2/s

µ

Độ nhớt động lực học của hỗn hợp lỏngkhí/hơi

kg/ms

µl

Độ nhớt động lực học của chất lỏng

kg/ms

µv

Độ nhớt động lực học của hơi

kg/ms

Dmax

Đường kính của đầu dính ướt vật thể

m

Đường kính lớn nhất của khoang khí/hơi

m

Gia tốc trọng trường
CP

Hệ số áp suất

-

CQ

Hệ số cấp khí

-

CD

Hệ số lực cản

-

Hệ số lực cản khi

-

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng-khí/hơi

kg/m3

ρl

Khối lượng riêng của chất lỏng.

kg/m3

ρv

Khối lượng riêng của hơi

kg/m3

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng-khí/hơi

kg/m3

Khối lượng riêng của chất lỏng

kg/m3

ρl

Là tốc độ trao đổi khối lượng giữa hai pha


5

Fr

Lực cản

N

Nhiệt độ

o

C

Số Froude

-

Số khoang (cavitation number)

-

Re

Số Reynolds

-

We

Số Weber

-

S

Sức căng bề mặt

γ

Tỉ phần thể tích của pha lỏng

A

Tiết diện vuông góc với dòng chảy của vật
thể

m2

Vận tốc chất lỏng ở xa điểm đang xét

m/s

VOF

Volume of Fraction

OpenFOAM

Open Source Field Operation And Manipulation

LES

Large Eddy Simulation

CFD

Computational Fluid Dynamics

PIV

Particle Image Velocity


6

MỤC LỤC

Những bộ giải chuẩn trong nhóm bộ giải tính toán dòng chảy nhiều pha
DANH MỤC CÁC BẢNG


7

DANH MỤC HÌNH VẼ

8

MỞ ĐẦU
Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội của con người đặt ra những vấn đề đòi hỏi các
phải sử dụng những phương tiện, thiết bị làm việc trên mặt và trong lòng nước, ví dụ
như tàu thủy, chân vịt, tàu lặn, … Vấn đề nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu
tiêu thụ năng lượng của các phương tiện, thiết bị như vậy cũng được đặt ra và quan
tâm trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Trong đó, nghiên cứu về động lực học
dòng chảy nhiều pha không có/có chuyển pha là lĩnh vực rất được quan tâm vì dòng
chảy xung quanh các phương tiện, thiết bị nêu trên thường là dòng chảy nhiều pha
(chứa cả pha lỏng, pha khí/hơi, …). Trong dòng chảy nhiều pha, khoang khí/hơi có thể
xuất hiện (theo cách nhân tạo hoặc tự nhiên) ở những điều kiện dòng chảy thích hợp,
khi đó, dòng chảy được gọi là dòng chảy có khoang khí/hơi. Tại Việt Nam, một số
nghiên cứu bước đầu về dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh các vật thể chuyển
động trong lòng chất lỏng cũng đã được thực hiện trong một số trường hợp [1-8, 1314,53,56,57]. Khi có khoang khí/hơi bao bọc bề mặt các thiết bị trong dòng chảy, lực
cản do ma sát giữa bề mặt thiết bị với chất lỏng xung quanh có thể giảm đáng kể (có
thể giảm 90%), nhiều thiết bị có thể di chuyển với vận tốc cao mà tiêu thụ ít nhiên liệu
hơn [31]. Vì vậy, dòng chảy có khoang khí/hơi đang được quan tâm nghiên cứu và ứng
dụng hiện nay ở cả trên thế giới và Việt Nam.
Do sự phức tạp của các hiện tượng trong dòng chảy có khoang khí/hơi, những
hiểu biết về cơ chế xảy ra và duy trì khoang khí/hơi trong dòng chảy vẫn còn rất nhiều
hạn chế. Trong dòng chảy có khoang khí/hơi, nhiều hiện tượng phức tạp xảy ra, chẳng
hạn như sự trộn lẫn các pha với nhau, sự chuyển đổi giữa các pha với nhau, hoặc sự
xuất hiện các khoang khí/hơi, sự rối của dòng chảy… [17, 31, 47, 49, 68]. Vì thế, việc
nghiên cứu dòng chảy này cho đến nay vẫn gặp nhiều khó khăn cả trong nghiên cứu ly
thuyết và thực nghiệm. Để ứng dụng dòng chảy có khoang khí/hơi trong các lĩnh vực
khoa học, kỹ thuật nhiều hơn, cần tiếp tục thực hiện những nghiên cứu sâu sắc hơn

nữa.
Những công cụ mô phỏng số góp sức đáng kể trong những nghiên cứu về dòng
chảy có khoang khí/hơi bên cạnh những phương pháp thực nghiệm. Trong đó,
OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation) là một công cụ có
nhiều ưu điểm như chia sẻ mã nguồn chương trình có thể can thiệp, có nhiều bộ giải và
có tài liệu hướng dẫn cho phép thực hiện những nghiên cứu số về dòng chảy với
những khả năng mạnh mẽ. Trong đó, ưu điểm nổi bật nhất của OpenFOAM là cho
phép người dùng được can thiệp vào mã nguồn để hoàn thiện các mô hình có sẵn và
phát triển những mô hình tính toán mới phục vụ nhu cầu cụ thể của các nghiên cứu
[35,37]. Đây cũng là ưu điểm của lớn OpenFOAm so với các phần mềm thương mại
như FLUENT, CFX, … thường không có phép can thiệp chương trình. Việc làm chủ


9

được OpenFOAM sẽ giúp thực hiện những nghiên cứu sâu sắc về động lực học dòng
chảy nói chung và dòng chảy không có/có chuyển pha hay dòng chảy có khoang
khí/hơi nói riêng bằng những mô hình tính toán có sẵn hoặc những mô hình tính toán
hoàn thiện hơn hoặc phát triển mới. Vì vậy, học viên lựa chọn đề tài của Luận văn là
“Nghiên cứu, ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học
dòng chảy không có/có chuyển pha”.
Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu của Luận văn là làm chủ bộ chương trình OpenFOAM nhằm phục vụ
nghiên cứu và ứng dụng các đặc điểm động lực học dòng chảy không có/có chuyển
pha
Nội dung nghiên cứu
-

Nghiên cứu tổng quan các vấn đề về dòng chảy không có/có chuyển pha.
Nghiên cứu tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM.

Tiến hành ứng dụng bộ chương tình mã nguồn mở OpenFOAM trong tính toán
động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha thông qua hai bài toán: Mô
phỏng dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể xâm nhập vào nước và
vật thể đang chuyển động nhanh trong lòng chất lỏng.
Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng hai phương pháp nghiên cứu chính: Phương pháp tổng hợp,
phân tích tài liệu và Phương pháp thí nghiệm số. Bằng phương pháp tổng hợp, phân
tích tài liệu khoa học Luận văn thực hiện, nghiên cứu tổng quan về tính toán thủy động
lực học dòng chảy không có/có chuyển pha và tổng quan về bộ chương trình mã nguồn
mở OpenFOAM. Sau đó, các tính toán mô phỏng số được thực hiện để nghiên cứu ứng
dụng bộ chương trình mã nguồn mở trong tính toán động lực học dòng chảy không
có/có chuyển pha quanh một vật thể xâm nhập nước và một vật thể đang chuyển động
trong lòng chất lỏng.
Bố cục của luận văn
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục công trình khoa học của tác giả liên
quan đến Luận văn và Tài liệu tham khảo, Luận văn có 3 Chương:
•

Chương 1. Tổng quan một số vấn đề chuyển động của vật thể trong chất
lỏng có khoang khí/hơi
• Chương 2. Tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM
• Chương 3. Ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động
lực học dòng chảy không có/có chuyển pha
Phần Phụ lục đề cập tên và ứng dụng của những bộ giải chuẩn có sẵn trong
OpenFOAM phục vụ cho các tính toán mô phỏng thủy động lực học của dòng chảy
nhiều pha.


10

Chương 1
TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ TRONG
CHẤT LỎNG CÓ KHOANG KHÍ/HƠI
1.1. Dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong lòng chất
lỏng
1.1.1. Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vật thể
Hình 1.1 dưới đây [59] minh họa khoang khí/hơi tự nhiên hình thành quanh một
quả cầu kim loại được thả vào nước từ bên ngoài không khí.

Hình 1.1. Khoang khí/hơi hình thành khi quả cầu đi từ không khí vào nước
Khoang chứa khí này được hình thành ngay từ khi quả cầu bắt đầu tiếp xúc với
mặt thoáng của nước do sự chiếm chỗ của không khí tại vùng không gian trống mà vật
thể tạo ra sau khi xuyên qua mặt thoáng và đi sâu vào lòng chất lỏng. Tại vùng này,
khoang chứa khí được lấp đầy bởi không khí và hơi nước sinh ra do sự giảm áp tới áp
suất hơi bão hào của chất lỏng xung quanh vật thể [12, 17,27,31]. Do khoang này chứa
cả khí và hơi nên Luận văn gọi chung là Khoang khí/hơi. Khoang khí/hơi được hình
thành mà không có tác động trực tiếp của con người đối với khí bên trong khoang
thường được gọi là khoang khí/hơi tự nhiên (water entry cavity hoặc natural cavity) để
phân biệt với khoang khí/hơi nhân tạo thường được hình thành bằng cách bơm khí
không ngưng tụ từ dưới bề mặt vật thể vào chất lỏng [17, 31, 49,58-59].
Trong dòng chảy có khoang khí/hơi, vùng chất lỏng tại lớp biên rối của dòng
chảy ở gần bề mặt vật thể xảy ra sự giảm áp tới áp suất hơi bão hòa của vùng chất lỏng
gần bề mặt vật thể [12,17]. Nếu khoang khí/hơi hình thành khi vật thể đang di chuyển
trong lòng chất lỏng quá trình hình thành khoang khí/hơi được biểu diễn trong Hình
1.2 dưới đây. Chất lỏng ở áp suất hơi bão hòa xảy ra sự chuyển pha và hình thành nên
những bọt hơi và sau đó là các miền hơi do các bọt hơi kết hợp với nhau bao bọc vật
thể. Để sự giảm áp đủ lớn để đạt đến áp suất hơi bão hòa, vận tốc tương đối giữa dòng
chảy và vật thể thường lớn hơn nhiều so với trường hợp vật thể xâm nhập nước qua
mặt thoáng [17].

11

Hình 1.2. Sự hình thành khoang khí/hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể.
Quá trình hóa hơi do giảm áp đến áp suất hơi bão hòa nêu trên là quá trình sôi ở
nhiệt độ thường [12,17]. Hình 1.3 dưới đây [17] mô tả biểu đồ pha của một vật liệu.
Theo đó, khi nhiệt độ tăng lên trong chất lỏng với áp suất không đổi thì sẽ dẫn tới sự
sôi do nhiệt độ (boiling) và sự hóa hơi của chất lỏng xảy ra.

Hình 1.3. Biểu đồ pha
Tuy nhiên, khi nhiệt độ không đổi, việc giảm áp suất trong chất lỏng cũng dẫn tới
sự chuyển pha từ lỏng sang hơi được gọi là sự tạo khí hơi (cavitation). Đây chính là
quá trình dẫn tới sự hình thành khoang khí/hơi tự nhiên xung quanh vật thể chuyển
động trong chất lỏng [17].
Để có thể làm xuất hiện khoang khí/hơi ở các điều kiện áp suất và nhiệt độ chưa
cho phép sự hóa hơi xảy ra đủ để hình thành khoang khí/hơi, bằng các kỹ thuật nhân
tạo (chủ yếu là bơm khí không ngưng tụ vào chất lỏng xung quanh vật thể), một
khoang khí/hơi có thể được tạo ra xung quanh các vật thể đang chuyển động trong
lòng chất lỏng được gọi là khoang khí/hơi nhân tạo [17, 31]. Lượng khí không ngưng
tụ này có xu hướng bám lại bề mặt vật thể tại những khu vực dòng chảy phía ngay sau
bề mặt vật thể (nơi có áp suất thấp hơn trong dòng chảy xung quanh vật thể) và hình
thành nên một túi khí. Sự hình thành khoang khí/hơi nhân tạo có điểm tương tự với
khoang khí/hơi tự nhiên.


12

Hình 1.4 dưới đây [49] minh họa sự hình thành khoang khí/hơi bởi cách bơm khí
không ngưng tụ vào những vùng áp suất thấp hơn trong chất lỏng để hình thành nên

những túi khí xung quanh bề mặt vật thể.

Hình 1.4. Sự hình thành khoang khí/hơi nhân tạo trên bề mặt vật thể
Do khoang khí/hơi nhân tạo được hình thành ở điều kiện sự giảm áp chưa đạt
tới áp suất hơi bão hòa nên không đòi hỏi vận tốc của dòng chảy lớn như đối với khí tự
nhiên [17]. Trong nhiều trường hợp, khoang khí/hơi nhân tạo được tạo ra để hỗ trợ các
phương tiện chuyển động với lực ma sát với chất lỏng xung quanh thấp hơn cho đến
khi đủ nhanh để hình thành nên khoang khí/hơi tự nhiên nhờ sự hóa hơi của chất lỏng
[31, 59-60]
Khi khoang khí/hơi xuất hiện, hình dạng của khoang khí/hơi thay đổi liên tục do
bị các xoáy rối cuốn trôi một phần lượng hơi bên trong khoang ra ngoài, làm xuất hiện
những bọt hơi nhỏ hơn dẫn tới kích thước của khoang khí/hơi giảm đi. Sự thay đổi
hình dạng và kích thước của khoang khí/hơi dẫn tới diện tích tiếp xúc với chất lỏng
của bề mặt vật thể thay đổi liên tục, kết quả là lực cản do ma sát của chất lỏng và
chuyển động của vật thể không ổn định [9, 11, 22]. Hình 1.5 dưới đây [11] mô tả phần
nào hình ảnh dòng chảy rối quanh vật thể trong quá trình hình thành khoang khí/hơi
qua mô phỏng số và quan sát thực nghiệm.

Hình 1.5. Cấu trúc dòng chảy rối quanh vật thể trong dòng chảy chuyển pha có khoang
khí/hơi (kết quả thực nghiệm và mô phỏng số)
Cho đến nay, các nguyên ly cơ học của dòng chảy rối có khoang khí/hơi xuất
hiện xung quanh vật thể chuyển động dưới nước vẫn chưa được hiểu rõ hết và là vấn
đề đang được quan tâm [9, 11, 44, 62-63, 22].
1.1.2. Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi
• Số khoang (cavitation number)

Số khoang là tham số không thứ nguyên thường được sử dụng trong các so sánh
đồng dạng của nhiều nghiên cứu về dòng chảy có khoang khí/hơi. Số được xác định
bởi biểu thức (1.1) dưới đây:

13

(1.1)
Trong đó: - áp suất chất lỏng ở dòng vào; - áp suất bên trong khoang khí/hơi;
- khối lượng riêng của chất lỏng; U∞ - vận tốc chất lỏng ở dòng vào
Hình 1.6 dưới đây [45] mô tả khoang khí/hơi hình thành được ở các số khoang
khác nhau với hai dạng đầu dính ướt phẳng và bán cầu.

Hình 1.6. Khoang khí/hơi ở những số khoang khác nhau
• Hệ số áp suất CP

Hệ số áp suất là tham số không thứ nguyên được xác định bởi biểu thức (1.2)
dưới đây:
(1.2)
Trong đó: - áp suất của chất lỏng tại một vị trí cụ thể được khảo sát.
Hệ số áp suất thường được dùng để mô tả phân bố áp suất không thứ nguyên trên
bề mặt vật thể. Hình 1.7 dưới đây [14] mô tả phân bố của áp suất qua hệ số Cp. Trong
đó, ta có thể thấy, giá trị Cpmin=- σ và phần đồ thị nằm ngang mô tả cho vùng bề mặt
vật thể bị bao phủ bởi khoang khí.


14

Hình 1.7. Hệ số áp lực trên bề mặt vật thể trụ có đầu dạng phẳng
• Số Reynolds Re

Số Reynolds là tham số không thứ nguyên được xác định bởi biểu thức (1.3)
dưới đây với - chiều dài đặc trưng ; - độ nhớt động lực học của chất lỏng:
(1.3)

• Số Froude Fr

Khi xem xét ảnh hưởng của lực trọng trường, số Froude Fr thường được áp dụng.
Biểu thứ (1.4) dưới đây xác định số Fr với g là gia tốc trọng tường và c là chiều dài
đặc trưng của vật thể hoặc chiều dài của khoang khí.
(1.4)
• Hệ số cản CD

Hệ số cản được xác định bởi các biểu thức (1.5) dưới đây sau với là lực cản; A
là tiết diện vuông góc với dòng chảy của vật thể:
(1.5
)


15
• Tỉ số blockage

Tỉ số blockage là tỷ lệ giữa đường kính trong của ống quan sát của hệ kênh thủy
động với đường kính đầu dính ướt của vật mẫu [9,23]. Giá trị của tỉ số blockage ảnh
hưởng tới số khoang σ nhỏ nhất hệ ống thủy động có thể hình thành được. Hình 1.8
dưới đây [23] mô tả sự ảnh hưởng của tỉ số tỉ số blockage đối với σmin.

Hình 1.8. Giá trị số khoang thấp nhất đạt được trong dòng chảy có khoang khí/hơi
nhân tạo hình thành trong ống thủy động
• Hệ số cấp khí CQ

Hệ số cấp CQ ảnh hưởng đến kích thước khoang khí/hơi hình thành khí được
tính theo công thức (1.6) dưới đây thể hiện lượng khí được cấp vào dòng chảy [9, 17,
22-23, 31, 49, 62]. Trong đó, Qair là lưu lượng của dòng khí cung cấp vào dòng chảy.
(1.6)

Thay đổi hệ số cấp khí giúp đạt được kích thước khoang khí/hơi ở các điều kiện
số khoang khác nhau. Hình 1.9 dưới đây [18] thể hiện kết quả quan sát của Wornik về
kích thước khoang khí/hơi tương ứng với số khoang và hệ số cấp khí khác nhau. Ở
đây, số khoang đươc xác định từ kích thước khoang khí/hơi thu được.


16

Hình 1.9. Quan hệ giữa hệ số cấp khí và số khoang


17

1.2. Một số đặc tính chủ yếu của khoang khí/hơi xuất hiện quanh vật thể chuyển
động trong lòng chất lỏng
• Diện tích tiếp xúc của bề mặt vật với chất lỏng và chất lỏng thấp hơn so với

khi không có khoang khí/hơi
Khoang khí/hơi bao quanh bề mặt vật thể làm giảm thiểu diện tích tiếp xúc giữa
bề mặt vật rắn với chất lỏng ban đầu, dẫn tới lực ma sát tác dụng lên vật thể giảm so
với khi không có khoang khí/hơi [17, 31]. Đối với những vật thể có chiều dài tương
đối lớn so với kích thước chiều rộng, đặc tính này của khoang khí/hơi có ích trong việc
giảm lực ma sát. Ngoài ra, sự suất hiện của khoang khí/hơi đủ lớn bao bọc những cấu
trúc kém bền vững trên bề mặt vât thể có thể giúp hạn chế sự phá hủy cấu trúc này do
sự ăn mòn của chất lỏng.
• Sự biến mất của khoang khí/hơi có thể sinh ra xung áp lực lớn trong chất

lỏng tại vị trí khoang khí/hơi đóng kín
Quá trình đóng kín hoặc biến mất khoang khí/hơi có thể sinh ra những xung áp
lực lớn, có thể lên tới cỡ hàng trăm bar [17]. Những xung áp lực này gây nên tiếng ồn

khi dòng chảy có khoang khí/hơi. Đặc tính này đã được ứng dụng trong việc kích hoạt
cơ chế kích nổ của một số loại thủy lôi dưới nước bằng xung áp lực do khoang khí/hơi
sinh ra.

1.3. Một số ứng dụng hiện nay của dòng chảy khoang khí/hơi
1.3.1. Chân vịt siêu khoang
Một số mẫu chân vịt với thiết kế hình thành khoang khí/hơi tự nhiên và khoang
khí/hơi nhân tạo đã được thiết kế để tận dụng lợi ích của dòng chảy có khoang khí/hơi.
Hình 1.10 dưới đây [54] minh họa cho hai mẫu chân vịt được thiết kế

Hình 1.10. Chân vịt với những lỗ nhỏ trên bề mặt để hình thành khoang khí/hơi nhân
tạo
Một loại chân vịt với hình dạng đặc biệt cũng được phát triển nhằm hình thành
nên khoang khí/hơi tự nhiên trong quá trình chuyển động (xem Hình 1.11 dưới đây
[58]).


18

a)

b)

Hình 1.11. Chân vịt có thiết kế hình dạng cánh đặc biệt (hình a) và cơ chế hình thành
khoang khí/hơi tự nhiên (hình b)
1.3.2. Ngư lôi siêu khoang
Ngư lôi VA-111 Shkval do Nga chế tạo hiện nay là ngư lôi có tốc độ nhanh nhất
thế giới nhờ ứng dụng kỹ thuật tạo khoang khí/hơi trong quá trình phóng (xem Hình
1.12 dưới đây [60]).

a)

b)

Hình 1.12. Ngư lôi VA-111 Shkval sử dụng kỹ thuật hình thành khoang khí/hơi nhân
tạo (a – Ngư lôi VA-111 Shkval; b – Đầu tạo khoang khí)
1.3.3. Giảm lực cản cho thân tàu thủy
Trong một số trường hợp, khoang khí/hơi có thể giúp giảm lực cản do ma sát
của thân tàu với chất lỏng xung quanh. Với khả năng giảm lực cản bề mặt đáng kể,
khoang khí/hơi nhân tạo đang được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong việc giảm
lực cản cho thân tàu với những túi khí lớn dưới đáy tàu (xem Hình 1.13 dưới đây).

Hình 1.13. Khoang khí/hơi giúp giảm lực cản dưới thân tàu


19

1.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của vật thể dưới nước
1.4.1. Lực cản đối với vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng
Lực cản FD tác dụng lên vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng gồm hai
thành phần: lực cản do chênh áp (FD- apsuat) và lực cản do ma sát (FD-masat). Trong đó, lực
cản chênh áp xuất hiện do chênh lệch áp suất giữa hai điểm phía trước và phía sau của
bề mặt vật thể trên phương chuyển động. Lực cản do ma sát xuất hiện do sự tiếp xúc
của chất lỏng và bề mặt vật thể. Biểu thức (1.7) dưới đây biểu thị lực cản tổng FD tác
dụng lên vật thể khi chuyển động trong lòng chất lỏng:
(1.7
)

FD = FD-apsuat+ FD-masat

Trong quá trình chuyển động dưới nước, với những hình dạng khác nhau, lực
cản do áp suất và lực cản do ma sát có thể chiếm tỉ lệ khác nhau. Bảng 1.1 dưới đây
mô tả về mức độ ảnh hưởng của các thành phần lực cản ở một số dạng vật thể đơn
giản.
Bảng 1.1. Tỉ lệ của các thành phần lực cản so với lực cản tổng FD của dòng chảy tác
dụng lên một số dạng vật thể
Dạng vật thể

Tỉ lệ % lực
cản thành
phần so với
lực cản tổng
%FD- apsuat/FD
%FD- masat/FD

0%

~10%

~90%

100%

~90%

~10%

100%
0%

Từ bảng 1.1 ta có thể thấy, vật thể càng có chiều dài lớn so với chiều rộng thì
càng có thành phần lực cản xung quanh lớn. Trong thực tế, rất nhiều phương tiện hay
vật thể di chuyển dưới nước đều có chiều dài lớn tương đối lớn so với kích thước của
vật thể. Do vậy, giải quyết được vấn đề giảm lực cản xung quanh sẽ giúp ích đáng kể
cho việc giảm tiêu hao nhiên liệu cũng như điều khiển chuyển động của các vật thể
hay phương tiện làm việc dưới nước.
1.4.2. Sự ăn mòn bề mặt khi vật thể chuyển động ở vận tốc cao
Ở những ứng dụng có vận tốc tương đối giữa chất lỏng và vật thể, sự ăn mòn do
xâm thực diễn ra mạnh có thể làm hư hại đáng kể tới cấu trúc hay bề mặt của vật thể
[17]. Để hạn chế xảy ra ăn mòn, việc tối ưu bề mặt sẽ giúp giảm bớt nhưng không thể
triệt để vì ngày nay, các phương tiện làm việc dưới nước ngày càng gia tăng về tốc độ
di chuyển nên nguy cơ về ăn mòn do xâm thực không thể loại bỏ hoàn toàn.


20

Ngày nay, những ứng dụng của dòng chảy có khoang khí/hơi sẽ có tác dụng giúp
giảm thiểu ảnh hưởng của lực cản, cũng như ăn mòn do xâm thực xảy ra [17].


21

1.5. Tình hình nghiên cứu hiện nay
1.5.1. Nghiên cứu thực nghiệm
Việc nghiên cứu thực nghiệm dòng chảy khoang khí có vai trò quan trọng trong
việc tìm hiểu đo đạc dòng chảy khoang khí và những yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng,
kích thước, khả năng hình thành cũng như làm sao để điều khiển được khoang khí như
y muốn. Những số liệu đo đạc thực nghiệm sẽ giúp bổ sung, kiếm chứng những kết
quả nghiên cứu ly thuyết và mô phỏng số. Để đo đạc thực nghiệm dòng chảy khoang
khí, các vật thể tạo khoang khí thường được đặt trong ống thủy động. Nhờ đó, có thể

đo đạc được các tham số dòng chảy một cách đầy đủ và dễ dàng. Các thông số của
dòng chảy được quan tâm chủ yếu là: tốc độ dòng chảy, lưu lượng dòng khí phun vào,
áp suất trong chất lỏng, áp suất trong khoang khí và kích thước khoang khí. Để đo đạc
được những thông số này, phương pháp đo đạc thích hợp cần phải được áp dụng. Các
mục dưới đây trình bày một số công cụ nghiên cứu hiện nay và phương pháp đo đạc có
thể áp dụng cho dòng chảy có khoang khí.
1.5.1.1. Những công cụ nghiên cứu thực nghiệm chính
Để nghiên cứu hệ dòng chảy có khoang khí/hơi quanh vật thể chuyển động dưới
nước, hai công cụ chính được sử dụng là Kênh hay Ống Thủy động và Bể quan sát vật
chuyển động. Kênh/ống thủy động được dùng cho các nghiên cứu mà vật thể sẽ được
gắn cố định vào phần ống quan sát của hệ, chất lỏng sẽ được máy bơm đẩy đi và hình
thành nên dòng chảy quanh vật thể. Trong khi đó, với bể quan sát. Chất lỏng sẽ được
đổ đầy bể quan sát và vật thể được bắn đi bằng các loại máy phóng khác nhau. Mỗi
công cụ có một diểm mạnh riêng cho từng trường hợp nghiên cứu. Dưới đây trình bày
một số hệ thí nghiệm đang được sử dụng hiện nay.
•

Kênh/ống thủy động

Hình 1.14 [58] và 1.15 dưới đây là một số mô hình ống thủy động đã được sử
dụng làm thí nghiệm quan sát dòng chảy. Mô hình này có độ cao tương đương một tòa
nhà 10 tầng, có máy bơm tuần hoàn chạy bởi một động cơ 14000 Hp (1Hp = 0.736
kW) [58]. Hình 1.15 là mô hình thí nghiệm cỡ nhỏ được xây dựng tại Viện Cơ học,
Việt Nam năm 2016.


22

Hình 1.14. Mô hình ống thủy động kích cỡ lớn của Hải quân Mỹ

Hình 1.15. Mô hình hệ ống thủy động tại Viện Cơ học xây dựng năm 2016
Ưu điểm của phương pháp này là kiểm soát được vận tốc. Mặt khác nhược điểm là
khá cồng kềnh và phức tạp, kinh phí tốn kém, khó nghiên cứu được trong phòng thí
nghiệm nhỏ, phải sử dụng máy bơm công suất lớn và vật thể chỉ gắn cố định.
Đối với các hệ ống thủy động, việc nghiên cứu dòng chảy có khoang khí/hơi có ưu
điểm là dễ quan sát, theo dõi sự biến đổi của khoang khí/hơi do vật thể không di
chuyển. Tuy nhiên, khi nghiên cứu những ứng xử của vật thể khi chuyển động trên quỹ
đạo thì sẽ gặp nhiều khó khăn. Ngoài ra, việc điều khiển dòng chảy cần phải phù hợp
và hạn chế những ảnh hưởng do hệ đường ống, máy bơm gây ra.


23
•

Hệ bể nước quan sát vật thể di chuyển tự do

Để có thể nghiên cứu ứng xử của vật thể và khoang khí/hơi khi vật thể di chuyển
trong chất lỏng. Những hệ bể nước đã được sử dụng. Trong những hệ bể nước này, vật
thể sẽ được bắn đi theo phương ngang (xem Hình 1.16 dưới đây [31]) hoặc phương
thẳng đứng (xem Hình 1.17 dưới đây [21]). Thông thường, trong các hệ bể nước này,
vật thể được bắn đi và di chuyển một cách tự do trong chất lỏng và hiện tượng nghiên
cứu thường là khoang khí/hơi tự nhiên khi vật thể đi từ ngoài không khí vào chất lỏng.
Cần phải sử dụng những camera tốc độ cao để ghi lại chuyển động và sự hiện diện của
khoang khí/hơi xung quanh vật thể. Dưới đây là một số hệ bể nước đã được xây dựng
tại một số nước trên thế giới.

Hình 1.16. Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi trong chất lỏng Ukraina (1990)

Hình 1.17. Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi từ không khí vào nước ở Trung
Quốc (2014)

24

Hình 1.18. Hệ thí nghiệm quan sát quỹ đạo chuyển động của vật tại Việt Nam
(IMECH, 2014)
Với các hệ bể nước, chất lỏng đứng yên và vật thể chuyển động nên các yếu tố
của dòng chảy trong ống thủy động được hạn chế. Tuy nhiên, vận tốc di chuyển của
vật thể lớn nên tốc độ ghi hình của camera ảnh hưởng rất nhiều tới dữ liệu quan trắc
được. Ngoài ra, để quan sát được chuyển động ba chiều của vật thể, cần phải sử dụng
tối thiểu 2 camera trở lên. Chi phí của camera tốc độ cao là một vấn đề phải xem xét
khi xây dựng những hệ thí nghiệm như vậy.
1.5.1.2. Một số kỹ thuật hình thành khoang khí/hơi nhân tạo
Một số nghiên cứu đã quan tâm đến các cách hình thành khoang khí/hơi khác
nhau. Hình 1.19 a) [49] và b) [22] dưới đây minh họa một số cách tạo khoang khí/hơi
đã được nghiên cứu trong một số nghiên cứu.
a)

b)
Hình 1.19. Mô tả dòng chảy khoang khí/hơi hình thành theo các cách khác nhau (a –
Khác nhau về vị trí lỗ phun; b – Khác nhau về hướng dòng khí được phun ra)


25

1.5.1.3. Những phương pháp đo đạc các tham số dòng chảy có khoang khí/hơi
•

Quan sát khoang khí/hơi sử dụng camera tốc độ cao (Phương pháp quang học)

Camera là công cụ quan trọng trong việc quan sát các chuyển động đặc biệt là sự
xuất hiện rất nhanh của khoang khí. Camera được sử dụng pha rất phổ biến trong các
nghiên cứu thực nghiệm [6, 9, 11, 14, 22, 31] (như ví dụ ở Hình 1.20 dưới đây [22]).

Hình 1.20. Sơ đồ mô tả một hệ thiết bị quan sát khoang khí/hơi sử dụng camera
Do miền quan sát là dòng hai pha khí – nước, hệ quang học cần phải sử dụng đèn
chiếu sáng để camera thu được hình ảnh pha khí rõ nét nhất. Camera đặt thẳng góc với
phương ngang. Video ghi lại được phân tách thành các ảnh riêng biệt. Từ các ảnh riêng
biệt, sử dụng các công cụ phân tích ảnh để xác định vận tốc trung bình, kích thước
khoang khí và quỹ đạo chuyển động của vật.
Khi sử dụng camera, tốc độ ghi hình của camera sẽ ảnh hưởng đáng kể đến dữ
liệu quan sát. Hình 1.21 dưới đây [62] thể hiện sự khác nhau giữa kết quả quan sát từ
hai camera có tốc độ 60fps và 1000fps.

Hình 1.21.Hình ảnh khoang khí/hơi thu được từ hai camera có tốc độ 60fps (hình trên)
và 1000fps (hình dưới)