Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Cơ kỹ thuật: Nghiên cứu, ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha

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

Ngành: Cơ kỹ thuật
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 85200101.01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2018


1
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, … và cần không
ngừng nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng của
chúng. Nghiên cứu về động lực học dòng chảy nhiều pha không có/có
chuyển pha rất được quan tâm vì dòng chảy 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. 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 việc nghiên cứu
dòng chảy này cho đến nay vẫn gặp nhiều khó khăn cả trong nghiên cứu
lý thuyết và thực nghiệm cần tiếp tục thực hiện những nghiên cứu sâu sắc
hơn nữa. Những công cụ mô phỏng số góp sức đáng kể trong nghiên cứu
dòng chảy này. Trong đó, OpenFOAM (Open Source Field Operation And
Manipulation) là một công cụ có nhiều ưu điểm, nổi bật nhất 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]. Việc làm chủ 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.
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 đích của luận văn:


2
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 OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng

chảy không có/có chuyển pha qua 2 bài toán: Mô phỏng dòng chảy có
khoang khí/hơi xung quanh vật thể xâm nhập 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.
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.
Chương 1.
TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT


3
THỂ TRONG CHẤT LỎNG CÓ KHOANG KHÍ/HƠI KHÔNG
CÓ/CÓ CHUYỂN PHA
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.
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].

Hình 1.2. Sự hình thành khoang hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể.


4
Bằng các kỹ thuật nhân tạo, 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.

Hình 1.4. Sự hình thành khoang khí nhân tạo trên bề mặt vật thể.

1.1.2. Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi
𝑝∞−𝑃

•

Số khoang (cavitation number) 𝜎 = 0.5𝜌𝑈2𝑐

•

𝑝
−𝑝
Hệ số áp suất 𝐶𝑝 = 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 2 ∞
0.5𝜌𝑈∞
𝜌𝑈 𝑐
Số Reynolds 𝑅𝑒 = 𝜇∞
𝑈∞
Số Froude 𝐹𝑟 = 𝑔𝑐
√
𝐹𝐷
Hệ số cản 𝐶𝐷 =
2𝐴
0.5𝜌𝑈∞

∞

•
•
•

(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)

• Tỉ số blockage: là tỷ lệ giữa đường kính trong ống quan sát với
đường kính đầu dính ướt [9,23]. Giá trị của tỉ số blockage ảnh hưởng

tới số khoang σ nhỏ nhất hệ ống thủy động có thể hình thành dược.
•

𝑄

Hệ số cấp khí 𝐶𝑄 = 𝑈 𝑎𝑖𝑟
𝐷2
∞ 𝑐

(1.6)

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
- 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


5
1.3. Một số ứng dụng hiện nay của dòng chảy khoang khí/hơi
1.3.1. Chân vịt siêu khoang

a)

b)

Hình 1.11. Chân vịt có thiết kế hình dạng cánh đặc biệt (hình a) và cơ chế hình
thành khoang hơi tự nhiên (hình b)

1.3.2. Ngư lôi siêu khoang

a)

b)

Hình 1.12. Ngư lôi VA-111 Shkval sử dụng kỹ thuật hình thành khoang khí
nhân tạo (a – Ngư lôi VA-111 Shkval; b – Đầu tạo khoang khí) [60]

1.3.3. Giảm lực cản cho thân tàu biển

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

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
FD = FD-apsuat+ FD-masat

(1.7)

Vật thể càng có chiều dài lớn so với chiều rộng thì càng có thành phần
lực cản xung quanh lớn.


6
1.4.2. Sự ăn mòn bề mặt khi vật thể chuyển động ở vận tốc cao
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].
1.5. Tình hình nghiên cứu hiện nay

1.5.1. Nghiên cứu thực nghiệm
1.5.1.1. Những công cụ nghiên cứu thực nghiệm chính
•
•

Kênh/ống thủy động
Hệ bể nước quan sát vật thể di chuyển tự do

1.5.1.2. Một số kỹ thuật hình thành khoang khí nhân tạo

Hình 1.19. Mô tả dòng chảy khoang khí 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)

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

Quan sát khoang khí sử dụng camera tốc độ cao (Phương pháp
quang học)
Phương pháp đo đạc áp suất dòng chảy trong ống quan sát và
trong khoang khí

Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định áp suất bên trong
khoang khí:
- Tính ngược áp suất từ quan hệ của kích thước khoang khí với số


7
xâm thực

- Đo đạc trực tiếp bằng các đầu đo đặt trên bề mặt vật thể
•

Phương pháp đo trường vận tốc dòng chảy bằng phương pháp
PIV

1.5.1.4. Cấu trúc dòng chảy và cơ chế đóng khoang hơi/khí

Hình 1.30. Cấu trúc dòng chảy khi khoang khí/hơi đóng và dòng xoáy phía sau
khoang khí/hơi

1.5.1.5. Hình dạng và kích thước khoang hơi/khí
•

Hình dạng khoang hơi/khí

Hình 1.31. Khoang hơi hình thành với một số dạng thân và đầu vật thể [31].

•

Kích thước khoang hơi/khí
Lc = Dc

CD



ln

1



; Dmax = Dc

CD



; CD = CD0 (1 +  )

(1.9)

1.5.1.6. Sự dãn nở của chất lỏng khi vật thể di chuyển có khoang
hơi/khí


8

Hình 1.33. Quan sát vật thể di chuyển trong nước với vận tốc âm
(Mach=1.03) .

1.5.2. Nghiên cứu lý thuyết
1.5.2.1. Phương trình Rayleigh – Lamb cho động lực học của bọt khí
dạng hình cầu
Trong quá trình hình thành khoang khí/hơi, những bọt khí/hơi nhỏ xuất
hiện và tăng dần kích thước. Phương trình Rayleigh – Lamb cho tốc độ
phát triển của một bọt khí/hơi hình cầu trong dòng chảy được mô tả trong
phương trình (1.10) dưới đây [17,33].
d 2 RB 3  dRB   pB − p  2S

+ 
−
 =
dt 2 2  dt   l  l RB
2

RB

(1.10)

1.5.2.2. Chuyển động của vật thể duới nước khi có khoang khí/hơi
Chuyển động của vật thể được tính toán từ tương tác của các lực và
mô men trong quá trình chuyển động.
1.5.2.3. Các công cụ mô phỏng số
OpenFOAM [40, 43-44], ANSYS Fluent [10, 21], UNCEL code [2526] …
1.5.3. Một số vấn đề nghiên cứu
1.5.3.1. Nghiên cứu thực nghiệm
- Hệ ông thủy động quy mô lớn dòi hỏi chi phí xây dựng cao nên không
nhiều cơ sở nghiên cứu có thể trang bị được.
- Mô hình vật thể nhỏ khó chế tạo, khó đo áp suất nên dù chi phí có
thể thấp hơn nhưng vẫn có nhiều hạn chế.


9
- Cấu trúc dòng chảy và cơ chế hoạt động ở vị trí khoang khí/hơi đóng
lại còn chưa được làm rõ
- Việc quan sát bằng camera chưa phản ánh được đặc điểm ba chiều
trong không gian của khoang hơi/khí
- Hiện nay, việc đo đạc trường vận tốc của dòng chảy có khoang
khí/hơi cơ bản vẫn còn nhiều khó khăn do dòng chảy có tốc độ và mức

độ rối lớn. Ngay cả phương pháp PIV cũng mới chỉ nghiên cứu dòng chảy
rối phía sau khoang khí/hơi.
1.5.3.2. Nghiên cứu lý thuyết
- Tính nén được thường phải bỏ qua trong các nghiên cứu, hầu hết các
nghiên cứu chưa quan tâm đến trường hợp chuyển động ở vận tốc trên âm
(vận tốc âm trong nước trên 1400m/s)
- Tính toán CFD bài toán chuyển động của vật thể trong dòng chảy có
khoang khí đặt ra vấn đề về tối ưu hóa về cả lưới tính toán và phương
pháp tính do chuyển động của vật thể ở vận tốc lớn, cấu trúc dòng chảy
phức tạp: nhiều pha, nhiễu động lớn, tính nén cần phải được xem xét kỹ
lưỡng….
- Các mô hình dòng chảy rối tại phần khoang khí/hơi đóng lại và sóng
(wake) phía sau còn chưa được kiểm chứng do thiếu dữ liệu thực nghiệm.
Chương 2.
TỔNG QUAN VỀ BỘ CHƯƠNG TRÌNH MÃ NGUỒN MỞ
OPENFOAM
2.1. Lược sử sự phát triển của OpenFOAM
2.1.1. OpenFOAM là gì?
OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation)
là phần mềm nguồn mở hàng đầu cho CFD, thuộc sở hữu của Quỹ
OpenFOAM và phân phối độc quyền theo Giấy phép Công cộng (GPL)
cho phép người dùng tự do sửa đổi và phân phối lại OpenFOAM và đảm
bảo tiếp tục sử dụng miễn phí trong các điều khoản của giấy phép. Các


10
phiên bản OpenFOAM được kiểm nghiệm độc lập ở một số bài toán bởi
ESI Group [35,37]. Các thư viện của OpenFOAM được xây dựng dựa
trên nền tảng lập trình hướng đối tượng của ngôn ngữ C++ để cú pháp
của các chương trình giải các phương trình vi phân từng phần sẽ gần giống

với phương trình được giải quyết.
𝜕ρU
+ 𝛻.ϕU − 𝛻.𝜇𝛻U= − 𝛻𝑝
𝜕𝑡

(2.1)

Solve
(
fvm::ddt(rho, U) + fvm::div(phi, U) - fvm::laplacian(mu, U)
= - fvc::grad(p)
);
Hình 2.2. Mã nguồn hướng đối tượng giải phương trình (2.1) trong
OpenFOAM

2.1.2. Sự ra đời và phát triển của OpenFOAM
OpenFOAM được tạo ra bởi Henry Weller vào năm 1989 dưới tên
"FOAM" ở Imperial College, London và được phát hành bởi OpenOffice
của Henry Weller, Chris Greenshields và Mattijs Janssens vào 12/2004.
Kể từ đó, OpenFOAM đã tiếp tục được quản lý và phát triển với các phiên
bản mới được phát hành ra công chúng mỗi năm.
Vào ngày 8/8/2011, OpenCFD đã được Silicon Graphisc
International (SGI) mua lại. Đồng thời, bản quyền của OpenFOAM được
chuyển giao cho Quỹ OpenFOAM, một tổ chức phi lợi nhuận mới thành
lập, quản lý OpenFOAM và phân phối nó cho công chúng. Vào
12/9/2012, Tập đoàn ESI đã công bố việc mua lại OpenCFD Ltd từ SGI.
Trong năm 2014, Weller và Greenshields rời ESI Group và tiếp tục
phát triển và quản lý OpenFOAM, thay mặt Quỹ OpenFOAM, tại CFD
Direct. CFD Direct phát triển OpenFOAM với định danh dựa trên

11
chuỗi (ví dụ 5.0), trong khi nhóm ESI phát triển độc lập phiên bản
OpenFOAM với định danh theo ngày phát hành (v1806).
2.1.5. Một số phần mềm và giao diện GUI có tích hợp với OpenFOAM
•
•
•
•

•
HELYX-OS[15]
•
iconCFD[20]
•
SimFlow[50]
•
FEAToll [16]

SimScale[51]
SwiftBlock[38]
SwiftSnap[39]
VisualCFD[36]

2.2. Cấu trúc của chương trình OpenFOAM

Hình 2.3. Cấu trúc tổng thể của bộ chương trình OpenFOAM

2.2.1. Các nhóm bộ giải chuẩn
•

•
•
•
•

Basic CFD codes:
Incompressible flow:
Compressible flow:
Multiphase flow:
Direct numerical simulation
(DNS):
• Combustion:

• Heat transfer và buoyancydriven flows:
• Particle-tracking flows:
• Discrete methods:
• Electromagnetics:
• Stress analysis of solids:
• Finance:

Hầu hết các chương trình tính toán dòng chảy trong OpenFOAM sử
dụng một trong các thuật toán PISO (Pressure-Implicit Split-Operator),
SIMPLE tương tự các phần mềm CFD khác, hoặc một sơ đồ kết hợp của
cả hai sơ đồ trên PIMPLE.


12
2.2.2. Công cụ tiện ích
2.2.2.1. Các nhóm công cụ tiện ích
Bộ chương trình OpenFOAM cũng có sẵn nhiều công cụ phục vụ các

công việc mô hình hóa và tính toán động lực học dòng chảy CFD, dưới
đây là những nhóm công cụ có sẵn:
•
•
•
•
•

Pre-processing:
Mesh generation:
Mesh conversion:
Mesh manipulation:
Post-processing:

•
•
•
•
•

Post-processing data converters:
Surface mesh tools:
Parallel processing:
Thermophysical-related utilities:
Miscellaneous utilities:

2.2.2.2. Môt số công cụ chuyển đổi định dạng lưới
Môt số công cụ chuyển đổi định dạng lưới: fluentMeshToFoam,
starToFoam, gambitToFoam, ideasToFoam, cfx4ToFoam
2.2.3. Lưới tính toán và các loại điều kiện biên được sử dụng trong

OpenFOAM
2.2.3.1. Lưới tính toán sử dụng trong OpenFOAM
Lưới tính toán sử dụng cho OpenFOAM là lưới 3D với các phần tử ô
lưới có hình dạng khối. OpenFOAM có sẵn công cụ chia lưới khối
blockMesh cho các lưới đơn giản. Đối với các bài toán có dạng biên hình
học phức tạp, công cụ snappyHexMesh cho phép tạo lưới phù hợp với
biên dạng của bài toán.
2.2.3.2. Các loại điều kiện biên cơ bản sử dụng trong OpenFOAM
Các loại điều kiện biên cơ bản sử dụng trong OpenFOAM:
-

fixedValue
fixedGradient
zeroGradient

-

calculated
mixed
fixedValue/ fixedGradient
directionMixed


13
2.2.4. Tổ chức dữ liệu mô hình hóa mô phỏng
Để giải một bài toán động lực học dòng chảy, các chương trình
và thư viện của OpenFOAM được tổ chức thành một case thư mục. Hình
2.7 dưới đây mô tả tổ chức dữ liệu của một case thư mục.

Hình 2.7. Tổ chức dữ liệu mô hình hóa mô phỏng

2.3. Khả năng và các ưu, nhược điểm của OpenFOAM
2.3.1. Các khả năng tính toán của OpenFOAM
OpenFOAM chứa một thư viện cơ sở lớn, cung cấp các khả năng cốt
lõi của chương trình:
•
Tensor và các toán tử tính toán
•
Rời rạc hóa phương trình vi phân từng phần bằng cách
sử dụng một cú pháp con người dễ đọc hiểu
•
Giải được của hệ phương trình tuyến tính
•
Giải được của phương trình vi phân thường
•
Tự động song song hóa các tính toán nâng cao
•
Hỗ trợ lưới động
•
Các mô hình vật lý tổng quát
Các ứng dụng được viết bằng cú pháp cấp cao được giới thiệu bởi
OpenFOAM, nhằm mục đích tái tạo cú pháp toán học thông thường. Có
hai loại ứng dụng tồn tại:
•
Bộ giải: thực hiện tính toán thực tế để giải quyết một vấn
đề cơ học liên tục cụ thể.


14
•

Tiện ích: chúng được sử dụng để chuẩn bị lưới, thiết lập
các trường hợp mô phỏng, xử lý các kết quả, và để thực hiện các hoạt
động khác hơn là giải quyết vấn đề đang được kiểm tra.
Mỗi ứng dụng cung cấp các khả năng cụ thể: ví dụ, ứng dụng gọi là
blockMesh được sử dụng để tạo các mắt lưới từ một tệp đầu vào do người
dùng cung cấp, trong khi một ứng dụng khác gọi là icoFoam giải các
phương trình Navier – Stokes cho dòng chảy phân tầng, không nén được.
2.3.2. Những ưu, nhược điểm của OpenFOAM
Nhìn chung, ưu nhược điểm của bộ chương trình OpenFOAM so với
các phần mềm thương mại có thể được tóm tắt trên bảng dưới đây
Bảng 2.1. So sánh tính năng của OpenFOAM và CFD thương mại

Tên sản phẩm

CFD thương
mại (FLUENT)

OpenFOAM

Phương pháp

FVM

FVM

Công cụ chia
lưới, hiển thị
kết quả

Có

Có

Giao diện

Giao diện cửa
sổ dễ dung

Khó dùng vì phải qua dòng
lệnh

Tính toán
nhiều pha

Có

Có

Tính toán song
song

Có

Có

Can thiệp mã
nguồn

Không

Có

Phí bản quyền
cao

Có

Không mất phí


15
Phát triển
chương trình
tính

Do nhà sản
xuất phát hành

Do người dùng hoặc thừa
hưởng từ cộng đồng sử dụng
OpenFOAM tự phát triển

Hiện trạng
Việt Nam

Tương đối phổ
biến

Ít sử dụng vì khó sử dụng hơn

2.4. Áp dụng minh họa khả năng của bộ chương trình OpenFOAM
trong tính toán động lực học dòng chảy
2.4.1. Đặt bài toán
Cho một đoạn ống có độ dài D2 =1.5(m) có độ rộng D1=1.5m, đoạn
ống thay đổi tiết diện cách đầu vào 1 đoạn 0.5(m), tiết diện sau của ống
là 0.5 (m), và sau khi thu hẹp 0.5m tiết diện lại là 1.5m.
Vận tốc của dòng chất lỏng là U (1,0,0) m/s chảy đều theo phương x
với độ lớn Ux =1(m/s). Ngoài ra áp suất tại đầu ra p= 0 bar.
• Các phương trình áp dụng
- Phương trình liên tục: ∇̇.U = 0
- Phương trình áp suất cho dòng không nén được: ∇2p = 0
• Điều kiện biên
- Vận tốc của dòng vào là U = (1,0,0) m/s
- Áp suất của dòng ra là p = 0 bar
Sử dụng bộ giải icoFoam: bộ giải dùng cho các dòng chảy tầng không
nén được và ổn định.
2.4.2. Dựng lưới tính toán

Hình 2.8. Sơ đồ điều kiện biên của bài toán và sự bố trí của cá đỉnh, khối lưới
(block)


16
2.4.4. Chạy chương trình tính toán, hiển thị kết quả

Hình 2.14. Hình ảnh thể hiện đường
đi của dòng chảy.

Hình 2.15. Phân bố của áp suất p.

Hình 2.16. Phân bố độ lớn vận tốc trong miền tính toán

Nhận xét
Nhìn chung, các kết quả mô phỏng thể hiện đúng đặc tính dòng chảy
quanh biên vật thể theo lý thuyết
Kết quả thu được của mô hình tính toán cho thấy khả năng áp dụng
của OpenFOAM trong các tính toán động lực học dòng chảy.
Chương 3.
ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH
TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ
CHUYỂN PHA
3.1. Một số bộ giải dòng chảy hai pha không có/có chuyển pha của
OpenFOAM
3.1.1. Giới thiệu một số bộ giải có sẵn trong bộ cài đặt của
OpenFOAM
Một số bộ giải có sẵn trong bộ cài đặt của OpenFOAM:

cavitatingFoam; interFoam; interDyMFoam;
ChangeFoam; InterphaseChangeDyMFoam

interphase-


17
3.1.2. Lựa chọn bộ giải phù hợp để phục vụ tính toán của luận văn
Đối với bài toán tính toán động lực học dòng chảy không có chuyển
pha, nghiên cứu sử dụng bộ giải interFoam để nghiên cứu dòng chảy xung
quanh một vật thể xâm nhập nước.
Đối với bài toán tính toán động lực học dòng chảy có chuyển pha,

nghiên cứu sử dụng bộ giải interPhaseChangeFoam để nghiên cứu dòng
chảy xung quanh một vật thể đang chuyển động nhanh trong lòng nước
với khoang hiện diện xung quanh bề mặt.
3.2. Ứng dụng OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy
hai pha nước - không khí không có chuyển pha quanh vật thể xâm
nhập nước
Trong nghiên cứu này, mô hình tính toán mô phỏng 2D cho dòng chảy
hai pha lỏng – khí được xây dựng.
3.2.1. Các phương trình cơ bản
3.2.1.1 Hệ phương trình Navier - Stokes cho hỗn hợp dòng chảy hai
pha không nén được
Hệ phương trình Navier - Stokes cho hỗn hợp dòng chảy hai pha không
nén được gồm hai phương trình (3.1) và (3.2) [33]:
3.2.1.2. Phương pháp VOF (Volume of Fluid)
Phương pháp VOF thường được áp dụng trong mô hình hóa mặt phân
tách lỏng – khí với tỉ phần thể tích γ của pha lỏng trong một thể tích kiểm
tra được định nghĩa như theo biểu thứu (3.6):
𝛾=

𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔
𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔 + 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑘ℎí

(3.6)


18
3.2.1.3. Mô hình tính toán rối
Dòng chảy rối được mô hình hóa theo phương pháp mô phỏng xoáy
lớn LES (Large Eddy Simulation) được áp dụng nhiều trong mô phỏng
dòng chảy rối khoang khí [40,44].

3.2.2. Mô hình tính toán động lực học dòng chảy mô phỏng sự xâm
nhập nước của vật thể sử dụng OpenFOAM
Bộ giải interFoam hoạt động theo sơ đồ thuật toán PIMPLE được chọn.
Công cụ chia lưới blockMesh của OpenFOAM được sử dụng để dựng lưới.

Hình 3.1. Sơ đồ điều kiện biên
mô hình tính toán.

Hình 3.2. Lưới tính toán của mô hình
tính toán.

3.2.3. Kết quả tính toán
3.2.3.1. Các trường hợp tính toán mô phỏng
Trong nghiên cứu này, sự xâm nhập nước của hai vật thể: vật thể tiết
diện tròn và vật thể dạng thanh dài đầu phẳng (có kích thước theo tỉ số
chiều dài = 10 x đường kính) được mô phỏng.
Vận tốc dòng chảy được lấy bằng với vận tốc của vật thể khi va chạm
với mặt thoáng của nước và không đổi theo thời gian với các giá trị V =
1.72 m/s, 2.17m/s và V = 3.10 m/s.
Bước thời gian là t = 1x10-6 s.
3.2.3.2. So sánh kết quả mô phỏng sự với quan sát thực nghiệm sự
xâm nhập nước của vật thể


19

Hình 3.3. So sánh kết quả mô phỏng (hình bên phải) với quan sát thực nghiệm
(bên trái) sự va chạm của vật thể với mặt thoáng với trường hợp V=1.72m/s (a)
và V=2.17 m/s (b).

Hình 3.4. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm sự xuất hiện và đóng kín
của khoang khí quanh vật thể tiết diện tròn với trường hợp vận tốc V=2.17m/s

Hình 3.5. So sánh kết quả mô phỏng với quan sát thực nghiệm sự xuất hiện và
đóng kín của khoang khí quanh một thanh dài đầu phẳng với trường hợp vận
tốc V = 3.10 m/s.

3.2.3.3. Ảnh hưởng của vận tốc và hình dạng vật thể đến sự xâm nhập
nước của vật thể


20

Hình 3.6. Ảnh hưởng của vận tốc di chuyển và hình dạng của vật thể.

3.2.4. Nhận xét chung
Sử dụng tính tương đối của chuyển động, mô hình tính toán mô phỏng
đã được xây dựng với bộ giải chuẩn interFoam dựa trên phương pháp
VOF cho dòng chảy hai pha, kết hợp với mô hình rối LES và lưới
blockMesh của OpenFOAM. Hình dạng của mặt phân tách nước – không
khí, sự xuất hiện, đóng kín và biến mất của khoang khí thu nhận được phù
hợp tốt với quan sát thực nghiệm đã công bố. Sự ảnh hưởng của vận tốc
và hình dạng vật thể cũng đã được xem xét thông qua so sánh sự xâm
nhập nước qua 4 giai đoạn: va chạm với mặt thoáng, xuất hiện, đóng kín
và biến mất của khoang khí khi vật thể xâm nhập nước của 2 dạng vật thể
ở một số vận tốc xâm nhập khác nhau.
3.3. Ứng dụng OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy
hai pha có chuyển pha quanh vật thể chuyển động trong lòng chất
lỏng

21
3.3.1. Các phương trình cơ bản
Dòng chảy hai pha có chuyển pha quanh vật thể chuyển động nhanh
trong nước được mô tả bởi hệ phương trình Navier-Stokes cho hỗn hợp
dòng chảy hai pha không nén được tương tự như mục 3.2.1.
3.3.2. Mô hình hóa mặt phân tách lỏng - hơi bằng phương pháp VOF
Mặt phân tách giữa hai pha lỏng và hơi được mô hình hóa bởi phương
pháp VOF. Trong đó, tỉ phần thể tích γ của pha lỏng trong một thể tích
kiểm tra được định nghĩa theo biểu thức (3.15):
𝛾=

𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔
𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔 + 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 ℎơ𝑖

(3.15)

3.3.3. Mô hình hóa quá trình rối bằng mô phỏng xoáy lớn (LES)
Mô hình LES cho dòng chảy khoang hơi được áp dụng tương tự mục
3.2.1.3 của luận văn.
3.3.4. Mô hình hóa quá trình chuyển pha
Các tính toán dòng chảy có chuyển pha của báo cáo này sử dụng bộ
giải interPhaseChangeFoam được OpenFOAM cung cấp kết hợp với sử
dụng mô hình tính toán rối LES. Mô hình trao đổi khối lượng của Kunz
được áp dụng.
3.3.5. Mô hình tính toán động lực học dòng chảy sử dụng OpenFOAM
3.3.5.1 Miền tính toán và điều kiện biên

Hình 3.7. Sơ đồ điều kiện biên của mô hình tính toán

22
3.3.5.2. Lưới tính toán của mô hình

a)

b)

c)

Hình 3.8. Lưới tính toán: a - Lưới 3D được dựng; b, c - lưới bề mặt và gần biên
cứng của quả cầu.

3.3.5.3. Bộ giải interPhaseChangeFoam
Bộ giải interPhaseChangeFoam cũng sử dụng thuật toán PIMPLE
tương tự bộ giải interFOAM.
3.3.5.4. Đánh giá sự hội tụ của lưới
Kết quả trên Hình 3.9 cho thấy lựa chọn lưới tính 210x80x80 là phù
hợp, vì khi tăng số ô lưới kết quả tính cơ bản vẫn không thay đổi.
3.3.6. Kết quả tính toán
3.3.6.1. So sánh với quan sát thực nghiệm

Hình 3.10. Khoang hơi quanh quả cầu ở các số σ= 1.0, 0.5, 0.36, 0.2

3.3.6.2. Sự tương quan giữa sự xuất hiện của các xoáy rối và sự thay
đổi của hình dạng khoang hơi


23

Hình 3.11. Khoang hơi quanh quả cầu ở các thời điểm t = 0.35ms (a – khoang
hơi chưa bị xoáy rối tác động), 2.45ms (b – xoáy rối xuất hiện làm thay đổi
hình dạng bề mặt phân tách lỏng - hơi) và 2.85ms (c – xoáy rối cuốn hơi khỏi
khoang hơi tạo thành bọt hơi nhỏ hơn) với σ = 0.36

3.3.7. Nhận xét chung
Những kết quả tính toán thu nhận về hình dạng của khoang hơi phù
hợp với kết quả của các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã được
công bố. Các kết quả mô phỏng cho thấy khả năng ứng dụng OpenFOAM
trong nghiên cứu động lực học của dòng chảy có chuyển pha. Đồng thời,
phân tích trong báo cáo đã cho thấy các xoáy rối có tác động ảnh hưởng
trực tiếp đến sự không ổn định cả về hình dạng và kích thước khoang hơi.


24
KẾT LUẬN
Trong thời gian quy định, học viên đã thực hiện các nội dung nghiên
cứu và đạt được những kết luận chung, bao gồm:
Đã tìm hiểu và nắm bắt một số điểm chung về tình hình nghiên cứu,
ứng dụng của dòng chảy không có/có chuyển pha. Những kết quả tổng
quan về dòng chảy không có/có chuyển pha thu được làm nền tảng để
thực hiện việc ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong các nội dung
khác của Luận văn.
Đã tìm hiểu về bộ chương trình OpenFOAM, cấu trúc chương trình và
những ưu nhược điểm và khả năng của bộ chương trình trong tính toán
động lực học dòng chảy và áp dụng tính toán cho một số trường hợp.
Những kết quả thu được cho thấy OpenFOAM là một công cụ có nhiều
ưu điểm đối với việc nghiên cứu động lực học dòng chảy bằng phương
pháp mô phỏng số, trong đó, ưu điểm nổi bật nhất là khả năng cho phép
người dung can thiệp vào những chương trình, phát triển để hoàn thiện

các mô hình có sẵn hoặc thử nghiệm những mô hình tính toán mới.
Trong Luận văn đã trình bày một số ứng dụng bộ chương trình
OpenFOAM trong nghiên cứu động lực học dòng chảy không có/có
chuyển pha. Các tính toán mô phỏng số đã được trình bày để nghiên cứu
động lực học dòng chảy hai pha quanh các vật thể khi xâm nhập vào nước
(không có chuyển pha) và khi đang chuyển động trong lòng nước (có
chuyển pha). Những kết quả mô phỏng trường áp suất và vận tốc của dòng
chảy quanh các vật thể đã được thể hiện bằng công cụ ParaView tích hợp
sẵn với OpenFOAM.
Trong việc xây dựng mô hình tính toán, việc ghép nối bộ giải dòng
chảy rối LES với bộ giải dòng chảy hai pha có chuyển pha
interPhaseChangFoam (chưa ghép nối với bộ giải dòng rối) đã được thực
hiện để phục vụ nghiên cứu của luận văn. Các kết quả nghiên cứu phù
hợp với các kết quả đã công bố.
Các kết quả nghiên cứu của Luận văn đã được thể hiện trong các công
bố mà tác giả có tham gia thực hiện trong thời gian học tập.