Nghiên cứu ứng dụng bộ chương trình openfoam trong tính toán động lực học dòng chảy không có có chuyển pha

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN QUANG THÁI

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM
TRONG TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC
DỊNG CHẢY KHƠNG CĨ/CĨ CHUYỂN PHA

LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2018


i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TRANG BÌA PHỤ

NGUYỄN QUANG THÁI

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM
TRONG TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC
DỊNG CHẢY KHƠNG CĨ/CĨ CHUYỂN PHA

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

LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS. TSKH. DƯƠNG NGỌC HẢI

TS. NGUYỄN TẤT THẮNG

HÀ NỘI – 2018


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu tôi đã tham gia.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả

Nguyễn Quang Thái


iii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa, Trường đại
học Cơng 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 cơng việc để tơi hồn thành chương trình Thạc sỹ để

nâng cao trình độ phục vụ cơng 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 tơi hồn thành luận văn này. Tơi 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.


iv
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)

𝑝𝑐

Áp suất bên trong khoang khí/hơi

N/m2

𝑝∞

Áp suất ở dòng vào

N/m2

𝑝𝑣

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

𝑐

Chiều dài đặc trưng

m

Chiều dài lớn nhất của khoang khí/hơi

m

𝑝𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙

Lmax



Độ nhớt động học của hỗn hợp lỏng-khí/hơi

m2/s



Độ nhớt động lực học của hỗn hợp lỏngkhí/hơi

kg/ms

l

Độ nhớt động lực học của chất lỏng

kg/ms

v

Độ nhớt động lực học của hơi

kg/ms

𝐷𝑐𝑎𝑣

Đường kính của đầu dính ướt vật thể

m

Dmax

Đường kính lớn nhất của khoang khí/hơi

m
𝑚/𝑠 2

𝑔

Gia tốc trọng trường

CP

Hệ số áp suất

-

CQ

Hệ số cấp khí

-

CD

Hệ số lực cản

-

𝐶𝐷0

Hệ số lực cản khi 𝜎 = 0

-

𝜌

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng-khí/hơi

kg/m3

ρl

Khối lượng riêng của chất lỏng.

kg/m3

v

Khối lượng riêng của hơi

kg/m3

𝜌

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng-khí/hơi

kg/m3


v
l

Khối lượng riêng của chất lỏng

𝑚˙

Là tốc độ trao đổi khối lượng giữa hai pha

𝐹𝐷

Lực cản

N

𝑇

Nhiệt độ

o

Fr

Số Froude

-

𝜎

Số khoang (cavitation number)

-

Re

Số Reynolds

-

We

Số Weber

-

kg/m3

C

S

Sức căng bề mặt

γ

Tỉ phần thể tích của pha lỏng

A

Tiết diện vng góc với dịng chảy của vật
thể

m2

Vận tốc chất lỏng ở xa điểm đang xét

m/s

𝑈∞
VOF

Volume of Fraction

OpenFOAM

Open Source Field Operation And Manipulation

LES

Large Eddy Simulation

CFD

Computational Fluid Dynamics

PIV

Particle Image Velocity


vi
MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ ............................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .....................................................iv
MỤC LỤC ......................................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................ix
MỞ ĐẦU 1
Chương 1. TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ
TRONG CHẤT LỎNG CĨ KHOANG KHÍ/HƠI .........................................3
1.1. Dịng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong lòng chất lỏng .3
1.1.1. Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vật thể .........................................3
1.1.2. Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi ..............................6
1.2. Một số đặc tính chủ yếu của khoang khí/hơi xuất hiện quanh vật thể chuyển động
trong lòng chất lỏng ..................................................................................................9

1.3. Một số ứng dụng hiện nay của dòng chảy khoang khí/hơi.......................................9
1.3.1. Chân vịt siêu khoang .......................................................................................9
1.3.2. Ngư lôi siêu khoang ......................................................................................10
1.3.3. Giảm lực cản cho thân tàu thủy ....................................................................10
1.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của vật thể dưới nước ........................ 11
1.4.1. Lực cản đối với vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng........................... 11
1.4.2. Sự ăn mòn bề mặt khi vật thể chuyển động ở vận tốc cao ............................ 11
1.5. Tình hình nghiên cứu hiện nay ...............................................................................12
1.5.1. Nghiên cứu thực nghiệm ...............................................................................12
1.5.2. Nghiên cứu lý thuyết .....................................................................................21
1.5.3. Một số vấn đề nghiên cứu .............................................................................23
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ BỘ CHƯƠNG TRÌNH MÃ NGUỒN MỞ OPENFOAM
......................................................................................................................25
2.1. Lược sử sự phát triển của OpenFOAM ..................................................................25
2.1.1. OpenFOAM là gì?.........................................................................................25
2.1.2. Sự ra đời và phát triển của OpenFOAM ......................................................26
2.1.5. Một số phần mềm và giao diện GUI có tích hợp với OpenFOAM ...............26
2.2. Cấu trúc của chương trình OpenFOAM .................................................................27
2.2.1. Các nhóm bộ giải chuẩn ...............................................................................27
2.2.2. Cơng cụ tiện ích ............................................................................................29
2.2.3. Lưới tính tốn và các loại điều kiện biên được sử dụng trong OpenFOAM 29
2.2.4. Tổ chức dữ liệu mơ hình hóa mơ phỏng .......................................................32


vii
2.3. Khả năng và các ưu, nhược điểm của OpenFOAM ...............................................33
2.3.1. Các khả năng tính tốn của OpenFOAM .....................................................33
2.3.2. Những ưu, nhược điểm của OpenFOAM ......................................................34
2.4. Áp dụng minh họa khả năng của bộ chương trình OpenFOAM trong tính tốn động
lực học dịng chảy ...................................................................................................36

2.4.1. Đặt bài tốn ..................................................................................................36
2.4.2. Dựng lưới tính tốn.......................................................................................36
2.4.3. Điều kiện biên và điều kiện đầu ....................................................................38
2.4.4. Chạy chương trình tính tốn, hiển thị kết quả ..............................................38
Chương 3. ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TỐN
ĐỘNG LỰC HỌC DỊNG CHẢY KHƠNG CĨ/CĨ CHUYỂN PHA .......41
3.1. Một số bộ giải dịng chảy hai pha khơng có/có chuyển pha của OpenFOAM .......41
3.1.1. Giới thiệu một số bộ giải có sẵn trong bộ cài đặt của OpenFOAM .............41
3.1.2. Lựa chọn bộ giải phù hợp để phục vụ tính toán của luận văn .....................41
3.2. Ứng dụng OpenFOAM trong tính tốn động lực học dịng chảy hai pha nước - khơng
khí khơng có chuyển pha quanh vật thể xâm nhập vào nước .................................42
3.2.1. Các phương trình cơ bản ..............................................................................42
3.2.2. Mơ hình tính tốn động lực học dịng chảy mơ phỏng sự xâm nhập nước của
vật thể sử dụng OpenFOAM ..........................................................................................44
3.2.3. Kết quả tính tốn ...........................................................................................46
3.2.4. Nhận xét chung .............................................................................................51
3.3. Ứng dụng OpenFOAM trong tính tốn động lực học dịng chảy hai pha có chuyển
pha quanh vật thể chuyển động trong lịng chất lỏng .............................................52
3.3.1. Các phương trình cơ bản ..............................................................................52
3.3.2. Mơ hình hóa mặt phân tách lỏng - hơi bằng phương pháp VOF .................53
3.3.3. Mơ hình hóa q trình rối bằng phương pháp LES......................................53
3.3.4. Mơ hình hóa q trình chuyển pha ...............................................................53
3.3.5. Mơ hình tính tốn động lực học dịng chảy sử dụng OpenFOAM ................54
3.3.6. Kết quả tính tốn ...........................................................................................56
3.3.7. Nhận xét chung .............................................................................................58
KẾT LUẬN ...................................................................................................................59
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN
VĂN .............................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................61
PHỤ LỤC

Những bộ giải chuẩn trong nhóm bộ giải tính tốn dịng chảy nhiều pha


viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Tỉ lệ thành phần lực cản của một số dạng vật thể ......................................... 11
Bảng 2.1. So sánh tính năng của OpenFOAM và FLUENT .........................................35
Bảng 3.1. Một số bộ giải chuẩn trong nhóm bộ giải tính tốn dịng chảy nhiều pha của
OpenFOAM .................................................................................................41


ix
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Khoang khí/hơi hình thành khi quả cầu đi từ khơng khí vào nước ................3
Hình 1.2. Sự hình thành khoang khí/hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể. .................4
Hình 1.3. Biểu đồ pha ......................................................................................................4
Hình 1.4. Sự hình thành khoang khí/hơi nhân tạo trên bề mặt vật thể ...........................5
Hình 1.5. Cấu trúc dịng chảy rối quanh vật thể trong dịng chảy chuyển pha có khoang
khí/hơi (kết quả thực nghiệm và mơ phỏng số) .............................................5
Hình 1.6. Khoang khí/hơi ở những số khoang khác nhau ..............................................6
Hình 1.7. Hệ số áp lực trên bề mặt vật thể trụ có đầu dạng phẳng.................................7
Hình 1.8. Giá trị số khoang thấp nhất đạt được trong dịng chảy có khoang khí/hơi nhân
tạo hình thành trong ống thủy động ...............................................................8
Hình 1.9. Quan hệ giữa hệ số cấp khí và số khoang ......................................................8
Hình 1.10. Chân vịt với những lỗ nhỏ trên bề mặt để hình thành khoang khí/hơi nhân
tạo ...................................................................................................................9
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) .................................................................10
Hình 1.12. Ngư lơi 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) ..........................10

Hình 1.13. Khoang khí/hơi giúp giảm lực cản dưới thân tàu .......................................10
Hình 1.14. Mơ hình ống thủy động kích cỡ lớn của Hải quân Mỹ................................ 13
Hình 1.15. Mơ hình hệ ống thủy động tại Viện Cơ học xây dựng năm 2016 ...............13
Hình 1.16. Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi trong chất lỏng Ukraina (1990) ....14
Hình 1.17. Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi từ không khí vào nước ở Trung Quốc
(2014) ...........................................................................................................14
Hình 1.18. Hệ thí nghiệm quan sát quỹ đạo chuyển động của vật tại Việt Nam (IMECH,
2014) ............................................................................................................14
Hình 1.19. Mơ tả dịng chảy khoang khí/hơi hình thành theo các cách khác nhau (a –
Khác nhau về vị trí lỗ phun; b – Khác nhau về hướng dịng khí được phun ra)
......................................................................................................................15
Hình 1.20. Sơ đồ mơ tả một hệ thiết bị quan sát khoang khí/hơi sử dụng camera........15
Hình 1.21.Hình ảnh khoang khí/hơi thu được từ hai camera có tốc độ 60fps (hình trên)
và 1000fps (hình dưới) .................................................................................16
Hình 1.22. Minh họa bố trí ống đo áp suất trong khoang khí/hơi gần đầu vật thể tạo
khoang khí/hơi .............................................................................................17
Hình 1.23. Khối vật thể tạo khoang khí/hơi có đầu dính ướt 5mm và có ống đo áp suất
......................................................................................................................17
Hình 1.24. Vị trí miệng ống đo áp suất khoang khí/hơi tại đầu vật thể tạo khoang khí/hơi
......................................................................................................................17
Hình 1.25. Bố trí cột lỏng đo áp suất ống quan sát .......................................................18


x
Hình 1.26. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đo đạc PIV ...........................................18
Hình 1.27. Vùng rối được đo đạc bằng phương pháp PIV ............................................19
Hình 1.28. Kết quả phân tích PIV trong nghiên cứu của Wornik..................................19
Hình 1.29. Cấu trúc dịng chảy tại vị trí đóng khoang khí/hơi nhân tạo và độ lệch của
trục do trọng trường .....................................................................................19
Hình 1.30. Cấu trúc dịng chảy khi khoang khí/hơi đóng và dịng xốy phía sau khoang

khí/hơi. .........................................................................................................20
Hình 1.31. Khoang khí/hơi hình thành với một số dạng thân và đầu vật thể. ...............20
Hình 1.33. Khoang khí/hơi với đầu dính ướt dạng đặc biệt ..........................................20
Hình 1.33. Quan sát vật thể di chuyển trong nước với vận tốc âm (Mach=1.03) .........21
Hình 1.34. Mơ tả một vật thể 3D trong hệ khơng gian Đề các......................................22
Hình 1.35. Mơ phỏng CFD dịng chảy quanh vât thể di chuyển từ khơng khí vào trong
nước bằng ANSYS Fluent ............................................................................23
Hình 1.36. Mơ phỏng dịng chảy khoang khí/hơi quanh một vật thể tạo khoang khí/hơi
nhân tạo bằng cơng cụ UNCEL code ...........................................................23
Hình 2.1. Chương trình OpenFOAM đang làm việc trong chế độ cửa sổ lệnh.............25
Hình 2.2. Mã nguồn hướng đối tượng giải phương trình (2.1) trong OpenFOAM .......25
Hình 2.3. Cấu trúc tổng thể của bộ chương trình OpenFOAM .....................................27
Hình 2.4. Sơ đồ thuật tốn PIMPLE ..............................................................................28
Hình 2.5 Hình dạng của phần tử lưới với cách đánh số các đỉnh tương ứng ................30
Hình 2.6. Lưới Block và snappy của OpenFOAM ........................................................31
Hình 2.7. Tổ chức dữ liệu mơ hình hóa mơ phỏng ........................................................32
Hình 2.8. Sơ đồ điều kiện biên của bài toán và sự bố trí của các đỉnh, khối lưới (block)
......................................................................................................................36
Hình 2.9. Phân khai báo tọa độ các đỉnh (verticals) ......................................................37
Hình 2.10. Khai báo thơng tin các khối (blocks)...........................................................37
Hình 2.11. Khai báo các mặt biên (boundary) ...............................................................37
Hình 2.12. Khai báo điều kiện đầu của áp suất .............................................................38
Hình 2.13. Khai báo điều kiện đầu của vận tốc .............................................................38
Hình 2.14. Hình ảnh thể hiện đường đi của dịng chảy. ................................................38
Hình 2.15. Phân bố của áp suất p. .................................................................................39
Hình 2.16. Phân bố độ lớn vận tốc trong miền tính tốn...............................................39
Hình 2.17. Phân bố vận tốc theo phương x (Ux) ...........................................................39
Hình 2.18. Phân bố vận tốc theo phương y (Uy) ...........................................................40
Hình 2.19. Phân bố vận tốc theo phương z (Uz) ...........................................................40
Hình 3.1. Sơ đồ điều kiện biên mơ hình tính tốn. ........................................................45

Hình 3.2. Lưới tính tốn của mơ hình tính tốn. ...........................................................46
Hình 3.3. So sánh kết quả mơ 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). ............................................................................................47


xi
Hình 3.4. So sánh kết quả mơ phỏng với thực nghiệm sự xuất hiện và đóng kín của
khoang khí/hơi quanh vật thể tiết diện tròn với trường hợp vận tốc V=2.17m/s
......................................................................................................................48
Hình 3.5. So sánh kết quả mơ phỏng với quan sát thực nghiệm sự xuất hiện và đóng kín
của khoang khí/hơi quanh một thanh dài đầu phẳng với trường hợp vận tốc
V = 3.10 m/s. ................................................................................................ 48
Hình 3.6. Ảnh hưởng của vận tốc di chuyển và hình dạng của vật thể. ........................50
Hình 3.7. Sơ đồ điều kiện biên của mơ hình tính tốn ..................................................54
Hình 3.8. Lưới tính tốn: a - Lưới 3D được dựng; b, c - lưới bề mặt và gần biên cứng
của quả cầu. ..................................................................................................55
Hình 3.9. Đánh giá ảnh hưởng của lưới tính .................................................................56
Hình 3.10. Khoang khí/hơi quanh quả cầu ở các số σ = 1.0, 0.5, 0.36 và 0.2 ..............56
Hình 3.11. Khoang khí/hơi quanh quả cầu ở các thời điểm t = 0.35ms (a – khoang khí/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 khí/hơi tạo thành bọt hơi nhỏ hơn) với σ = 0.36 .............................57


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, … 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 dịng chảy
nhiều pha khơng có/có chuyển pha là lĩnh vực rất được quan tâm vì dịng 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, dịng chảy
được gọi là dịng chảy có khoang khí/hơi. Tại Việt Nam, một số nghiên cứu bước đầu
về dịng 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, 13-14,53,56,57]. 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, dịng
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 dịng 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 dịng chảy này cho đến nay vẫn gặp nhiều khó khăn cả trong nghiên cứu lý thuyết
và thực nghiệm. Để ứng dụng dịng 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 dịng
chảy có khoang khí/hơi bên cạnh những phương pháp thực nghiệm. Trong đó,
OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation) là một cơng 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 hồn thiện các mơ hình có sẵn và phát triển những mơ

hình tính tốn 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 khơng có phép can thiệp chương trình. Việc làm chủ được OpenFOAM sẽ giúp
thực hiện những nghiên cứu sâu sắc về động lực học dịng chảy nói chung và dịng chảy


2
khơng có/có chuyển pha hay dịng chảy có khoang khí/hơi nói riêng bằng những mơ
hình tính tốn có sẵn hoặc những mơ hình tính tốn hồn 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 tốn động lực học dịng chảy khơng 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 dịng chảy khơng có/có chuyển pha
Nội dung nghiên cứu
-

Nghiên cứu tổng quan các vấn đề về dịng chảy khơng 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 tốn
động lực học dịng chảy khơng có/có chuyển pha thơng qua hai bài tốn: Mơ
phỏng dịng 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 dịng chảy khơng có/có chuyển pha và tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở
OpenFOAM. Sau đó, các tính tốn mơ phỏng số được thực hiện để nghiên cứu ứng dụng

bộ chương trình mã nguồn mở trong tính tốn động lực học dịng chảy khơng 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
Ngồi phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục cơng 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 tốn động lực
học dịng chảy khơng 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 tốn mơ phỏng thủy động lực học của dịng chảy
nhiều pha.


3
Chương 1
TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ TRONG
CHẤT LỎNG CĨ KHOANG KHÍ/HƠI
1.1. Dịng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong lịng 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 ngồi khơng khí.

Hình 1.1. Khoang khí/hơi hình thành khi quả cầu đi từ khơng 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 thống và đi sâu vào lịng 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 khơng 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 khơng ngưng
tụ từ dưới bề mặt vật thể vào chất lỏng [17, 31, 49,58-59].
Trong dịng 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
lịng chất lỏng q 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].


4

Hình 1.2. Sự hình thành khoang khí/hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể.
Q trình hóa hơi do giảm áp đến áp suất hơi bão hòa nêu trên là q trình sơi 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 khơng đổi thì sẽ dẫn tới sự sơi
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 dịng 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.


5
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 hịa nên khơng địi 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 xốy rối cuốn trơi 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] mơ tả phần nào hình ảnh
dịng chảy rối quanh vật thể trong q trình hình thành khoang khí/hơi qua mơ phỏng số

và quan sát thực nghiệm.

Hình 1.5. Cấu trúc dịng chảy rối quanh vật thể trong dịng chảy chuyển pha có khoang
khí/hơi (kết quả thực nghiệm và mô phỏng số)
Cho đến nay, các nguyên lý cơ học của dịng 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].


6
1.1.2. Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi
• Số khoang (cavitation number) 𝜎
Số khoang 𝜎 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 𝜎 được xác định
bởi biểu thức (1.1) dưới đây:
𝜎=

𝑝∞−𝑃𝑐
2
0.5𝜌𝑈∞

(1.1)

Trong đó: 𝑝∞ - áp suất chất lỏng ở dòng vào; 𝑝𝑐 - áp suất bên trong khoang
khí/hơi; 𝜌 - khối lượng riêng của chất lỏng; U - vận tốc chất lỏng ở dịng vào
Hình 1.6 dưới đây [45] mơ 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 𝐶𝑝 là tham số không thứ nguyên được xác định bởi biểu thức (1.2)
dưới đây:
𝐶𝑝 =

𝑝𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 − 𝑝∞
2
0.5𝜌𝑈∞

(1.2)

Trong đó: 𝑝𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 - 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.


7

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 𝑐 - chiều dài đặc trưng ; μ - độ nhớt động lực học của chất lỏng:
𝑅𝑒 =

𝜌𝑈∞ 𝑐
𝜇

(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.
𝐹𝑟 =

𝑈∞

(1.4)

√𝑔𝑐

• Hệ số cản CD
Hệ số cản được xác định bởi các biểu thức (1.5) dưới đây sau với 𝐹𝐷 là lực cản;
A là tiết diện vng góc với dịng chảy của vật thể:
𝐶𝐷 =

𝐹𝐷
2𝐴
0.5𝜌𝑈∞

(1.5)

• 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.

8

Hình 1.8. Giá trị số khoang thấp nhất đạt được trong dịng 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 dịng khí cung cấp vào dòng chảy.
𝐶𝑄 =

𝑄𝑎𝑖𝑟
𝑈∞ 𝐷𝑐2

(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.

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


9
1.2. Một số đặc tính chủ yếu của khoang khí/hơi xuất hiện quanh vật thể chuyển
động trong lịng chất lỏng
• Diện tích tiếp xúc của bề mặt vật với chất lỏng và chất lỏng thấp hơn so với
khi khơng 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 khơng 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
Q 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 dịng 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 dịng 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]).


10

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 lơi siêu khoang
Ngư lơi 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 q trình phóng (xem Hình
1.12 dưới đây [60]).

a)

b)

Hình 1.12. Ngư lơi VA-111 Shkval sử dụng kỹ thuật hình thành khoang khí/hơi nhân
tạo (a – Ngư lơi 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


11
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 lịng chất lỏng:
FD = FD-apsuat+ FD-masat

(1.7)

Trong q 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 mịn 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 mịn do xâm thực khơng thể loại bỏ hoàn toàn.
Ngày nay, những ứng dụng của dịng 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].


12
1.5. Tình hình nghiên cứu hiện nay
1.5.1. Nghiên cứu thực nghiệm
Việc nghiên cứu thực nghiệm dịng chảy khoang khí có vai trị quan trọng trong
việc tìm hiểu đo đạc dịng 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
ý muốn. Những số liệu đo đạc thực nghiệm sẽ giúp bổ sung, kiếm chứng những kết quả
nghiên cứu lý 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 thơng số của dịng 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 dịng chảy có khoang khí.
1.5.1.1. Những công cụ nghiên cứu thực nghiệm chính
Để nghiên cứu hệ dịng 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 dịng 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 cơng
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 mơ hình ống thủy động đã được sử dụng
làm thí nghiệm quan sát dịng chảy. Mơ hình này có độ cao tương đương một tịa nhà 10
tầng, có máy bơm tuần hồn chạy bởi một động cơ 14000 Hp (1Hp = 0.736 kW) [58].
Hình 1.15 là mơ hình thí nghiệm cỡ nhỏ được xây dựng tại Viện Cơ học, Việt Nam năm
2016.


13

Hình 1.14. Mơ hình ống thủy động kích cỡ lớn của Hải qn Mỹ

Hình 1.15. Mơ 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 phịng 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 dịng 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. Ngồi ra, việc điều khiển dịng chảy cần phải phù hợp và hạn
chế những ảnh hưởng do hệ đường ống, máy bơm gây ra.
• 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 ngồi khơng khí vào chất lỏng. Cần
phải sử dụng những camera tốc độ cao để ghi lại chuyển động và sự hiện diện của khoang