Nghiên cứu về xâm thực trong chảy bao profil cánh bằng phương pháp số482

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -  - VŨ VĂN DUY NGHIÊN CỨU XÂM THỰC TRONG CHẢY BAO PROFIL CÁNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ Chuyên ngành: Kỹ thuật máy Thiết bị thủy khí Mã số: 62 52 16 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học : PGS TS Nguyễn Thế Mịch : TS Nguyễn Thế Đức Hà Nội, 2009 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận án NCS Vũ Văn Duy ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, tác giả nhận quan tâm, giúp đỡ lớn sở đào tạo trường Đại học Bách khoa Hà Nội, quan trường Đại học Hàng hải Việt Nam, nhà khoa học, đồng nghiệp người thân Tác giả xin chân thành cảm ơn giúp đỡ chuyên môn thầy cô Bộ mơn Máy Tự động thuỷ khí, trường Đại học Bách khoa Hà Nội; phịng Mơ phỏng, Viện Cơ học Việt Nam; Viện Dầu khí Việt Nam Đặc biệt cảm ơn thầy giáo hướng dẫn trực tiếp thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thế Mịch Thầy giáo TS Nguyễn Thế Đức Cảm ơn giúp đỡ Viện Bơm Thiết bị thuỷ lợi – Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành phần thực nghiệm Cảm ơn động viên giúp đỡ nhiều mặt bạn bè, người thân gia đình suốt thời gian hoàn thành luận án Tác giả luận án i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ac Diện tích cánh chân vịt BCT Bánh công tác BEM Phương pháp phần tử biên c Chiều dài dây cung Cp Hệ số phân bố áp suất CD Hệ số lực cản CL Hệ số lực nâng Cm Hệ số mơ men CT Chương trình d Đường kính F Lực khối đơn vị f Tần số (H z) Hs Chiều chìm đến trục chân vịt ∆h Cột áp chống xâm thực hw Tổn thất lượng g Gia tốc trọng trường (m/s2) k Hệ số hoà tan K Hệ số loãng l Chiều dài túi xâm thực lD Chiều dài tính từ gốc tới điểm bắt đầu tách thành LDV Laser Doppler Velocimetry MTL Máy thủy lực MTLCD Máy thủy lực cánh dẫn n Số vòng quay (vịng/phút) vi N Cơng suất NPSH Độ dự trữ xâm thực N tl Công suất thủy lực P Áp suất (N/m2) pa Áp suất khí p bh Áp suất bão hòa chất lỏng pp Phương pháp p∞ Áp suất dịng vào từ xa vơ Q Lưu lượng t Thời gian (s) u Vận tốc theo phương ox V Vận tốc tuyệt đối (m/s) V tb Vận tốc trung bình dịng chảy v Vận tốc theo phương oy VA Vận tốc tiến chân vịt V a1 Vận tốc phát sinh theo hướng tiến tàu Vk Thể tích khí hồ tan điều kiện thường Vn Thể tích nước Vp Vận tốc tiến tàu V T1 Vận tốc phát sinh theo phương vng góc với hướng tiến tàu w Vận tốc theo phương oz z Độ cao so với mặt chuẩn α Hệ số điều chỉnh động φ Thế xáo trộn Φ Thế tổng ν Hệ số nhớt động học vii σ Số xâm thực ρ Khối lượng riêng chất lỏng γ Trọng lượng riêng chất lỏng η Hiệu suất (%) η ck Hiệu suất khí η0 Hiệu suất thể tích η tl Hiệu suất thủy lực viii MỤC LỤC Lời nói đầu i Lời cam đoan ii Mục lục iii Bảng viết tắt vi Mở đầu Chương Tổng Quan 1.1 Một số phương pháp tính tốn dịng chảy bao 1.1.1 Phương pháp hỗn hợp dòng rối 1.1.1.1 Lý thuyết chung dòng rối 1.1.1.2 Một số kỹ thuật mơ 1.1.2 Phương pháp xốy 11 1.1.3 Phương pháp phần tử biên (BEM) 14 1.2 Một số kết nghiên cứu xâm thực chảy bao profile cánh 15 1.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài 21 Chương Cơ sở lý thuyết xâm thực chảy bao profile cánh 23 2.1 Những vấn đề chung xâm thực cánh dẫn 23 2.1.1 Khái niệm 23 2.1.2 Điều kiện xuất xâm thực 24 2.1.3 Phân loại xâm thực 25 2.2 Những vấn đề chảy bao profile cánh 2.2.1 Một số phương trình chủ đạo 28 28 iii 2.2.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến xâm thực chảy bao profile cánh 28 2.2.3 Ảnh hưởng xâm thực MTLCD 33 Chương Mô xâm thực cục chảy bao profile cánh 35 3.1 Đặc điểm xâm thực cục 35 3.2 Chương trình tính tốn dịng khơng xâm thực bao quanh profil cánh phương pháp phần tử biên (CT1) 40 3.2.1 Mơ hình thuật tốn CT1 40 3.2.2 Phân tích kết 42 3.3 Chương trình tính tốn dịng xâm thực bao quanh profil cánh phương pháp phần tử biên (CT2) 44 3.3.1 Mơ hình thuật tốn CT2 44 3.3.2 Phân tích kết 47 3.4 Khảo sát tính bất ổn định túi xâm thực 56 3.4.1 Một số bước phần mềm Fluent 56 3.4.1.1 Đặt vấn đề 56 3.4.1.2 Một số ý đặt điều kiện cho tốn 57 3.4.2 Phân tích kết Chương Mơ dịng xâm thực bánh cơng tác MTLCDHT 59 62 4.1 Phương pháp xác định kích thước túi xâm thực cục bánh công tác MTLCD hướng trục 62 4.1.1 Tính tốn theo CT2 62 4.1.2 Tính tốn Fluent 65 4.2 Tính tốn cụ thể 68 4.2.1 Tính tốn cụ thể CT2 68 4.2.2 Tính tốn cụ thể Fluent 70 4.3 Kiểm chứng thực nghiệm 72 4.3.1 Mơ hình tốn 73 4.3.2 Một số thiết bị 74 iv 4.3.2.1 Buồng bánh công tác 74 4.3.2.2 Đèn chiếu nháy theo tần số 77 4.3.2.3 Máy quay máy chụp hình 77 4.3.2.4 Thiết bị đo áp suất lưu lượng 77 4.3.3 Đánh giá sai số 78 4.4 Phân tích kết 82 Kết luận hướng nghiên cứu 92 Tài liệu tham khảo 95 Phụ lục 100 Phụ lục chương 100 Phụ lục chương 102 4a Kích thước mẫu bơm tính tốn 102 4b Một số hệ thống thí nghiệm xâm thực giới 104 4c Một số kết khác tính tốn số bánh cơng tác 111 v MỞ ĐẦU Hiện tượng “xâm thực” nói chung vấn đề khó, việc nghiên cứu địi hỏi cơng phu tốn Từ năm 80 kỷ trước nhiều tác giả tiên phong nghiên cứu vấn đề chủ yếu theo phương pháp thực nghiệm Tuy kết công bố minh chứng rõ nét cho việc nghiên cứu lý thuyết Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, đặc biệt tiến vượt bậc Công nghệ thông tin, năm gần nhiều tác giả tập trung nghiên cứu vấn đề xâm thực phương pháp số Nhiều phương pháp tính tốn dòng chảy vấn đề xâm thực đưa ngày hoàn thiện Các dạng khác xâm thực tính tốn mơ với độ xác cao so sánh với thực nghiệm Việc kết hợp nghiên cứu số thực nghiệm thể rõ tính ưu việt tiết kiệm thời gian, kinh tế đặc biệt khai thác vấn đề nghiên cứu rộng hơn, sâu Xâm thực chảy bao profile cánh vấn đề nhiều tác giả quan tâm kết nghiên cứu có phạm vi ứng dụng lớn, điển hình lĩnh vực máy thuỷ lực cánh dẫn (như: bơm cánh dẫn, tua bin, chân vịt tàu thuỷ…) Trong năm gần có nhiều nghiên cứu máy thuỷ lực cánh dẫn nhằm giảm kích thước máy mà đạt cơng suất lớn, vấn đề làm giảm đáng kể chi phí sản xuất cơng trình kèm Để đạt điều đòi hỏi số vòng quay đặc trưng máy phải cao, nghĩa dòng chảy bao quanh cánh bánh cơng tác có tốc độ lớn, điều kiện thuận lợi để xuất xâm thực Mà tượng xâm thực xuất ảnh hưởng xấu tới hoạt động máy hiệu suất giảm, rung, ồn, ăn mòn cánh…Như việc nghiên cứu cải tiến máy thuỷ lực cánh dẫn theo hướng tăng số vịng quay đặc trưng phải đơi với việc nghiên cứu xâm thực để hạn chế tới mức thấp xuất hay ảnh hưởng xấu chúng tới máy Các thơng số hệ thống là: - Kích thước buồng làm việc x 0,8 x 0,8 - Vận tốc lớn 20 (m/s) - Dải áp suất – 400 (kPa) • Hệ thống thí nghiệm xâm thực Potsdam Model Basin Hình ảnh hệ thống sơ đồ nguyên lý thể qua hình sau: Hình 4b.11: Hình ảnh sơ đồ hệ thống thí nghiệm xâm thực Potsdam Model Basin Các thơng số hệ thống: - Loại: K15AC (Kempf & Remmers, Hamburg) - Bánh công tác: 100kW; 360 min-1 ; Di = 1078 mm - Kích thước buồng thử: test 600 x 600 mm test 850 x 850 mm - Vận tốc max 12 m/s - Áp suất từ -0,93 bar đến 1,2 bar (theo áp suất dư) Các chức chính: - Kiểm tra trường dịng chân vịt - Kiểm tra xâm thực, ăn mòn xâm thực - Đo xung áp tiếng ồn - Đo vận tốc ống Pitot LDV - Đo xung lực mômen lực vặn cánh 112 4c Một số kết khác tính tốn số bánh cơng tác Với bơm hướng trục (các kích thước thơng số vận hành theo mẫu bơm làm thực nghiệm) Hình 4c1: Mơ hình bơm tính tốn số hóa Hình 4c2: Phân bố áp suất tĩnh bầu cánh theo số liệu thiết kế 113 Hình 4c3: Phân bố áp suất tĩnh mặt trụ r/R=0.9 Hình 4c4: Phân bố áp suất bầu cánh cho số vòng quay 200rad/s 114 Hình 4c5: Phân bố áp suất mặt trụ r/R = 0,9 cho số vịng quay 200rad/s Hình 4c6: Đường dòng mặt trụ r/R=0,9 trường vận tốc mặt dọc trục 115 Với chân vịt có ống đạo lưu THƠNG SỐ CHÂN VỊT A Đương kính:D = 1m Tỉ số bước:H/D = 0.945 Tỉ số mặt đĩa S 0/S = 0.55 Số cánh:z = Chiều quay: phải Số vòng quay: n = 500v/p Khối lượng: G = 95kg Vật liệu: Đồng thau măng gan cấp (HBsC1) Hình 4c7: Hình ảnh hai mẫu chân vịt dùng để mơ Hình 4c8: Phân bố áp suất tĩnh cánh củ chân vịt 116 Hình 4c9: Phân bố áp suất tĩnh theo mặt dọc trục mạt trụ r/R=0,9 chân vịt Hình 4c10: Phân bố vận tốc mặt dọc trục chân vịt hình ảnh xốy đỉnh cánh 117 Sơ đồ khối chương trình tính tốn (CT2) Đọc tham số hình học profil Đọc tham số tính tốn Khơng thoả mãn ĐKXT cục Xác định vận tốc áp suất biên Nếu thoả mãn ĐKXT cục Đưa kết Cp , CL , Cm Thực vòng lặp Newtonrapson để xác định hình dạng túi Kết quả: hình dạng profil kèm túi xâm thực, C p, CL, Cm 118 Mơ đun chương trình program blm implicit none c c c c c c c low order boundary element method base on Constant-Potential Panel Approach element lifting airfoil in 2-d incompressible flow integer ista,iend real lsta,lcav,lamda,qc,abig,nuy,sl,st,fsf common /cav/ ista,iend,lsta,lcav,lamda,qc,abig,nuy,sl,st,fsf(300) real pi,pi2inv common /num/ pi,pi2inv real cosalf,sinalf common /alf/cosalf,sinalf real alpha real xx real ff EXTERNAL func2 real func2 real tol real sigma real x1,x2,rtbis tol=1.0e-05 ista=99 lamda=0.1 abig=0.5 nuy=1.0 pi=3.1415926585 pi2inv=.5/pi c OPEN(7,FILE="pcpan_out.txt") write(*,*) ' input lsta (starting point of cavity)' read(*,*)lsta write(*,*) ' input alpha in degrees' read(*,*)alpha write(*,*) ' input sigma (cavitation number)' read(*,*)sigma c 119 write(*,*)"lsta =",lsta write(*,*)"alpha=",alpha qc=sqrt(1.0+sigma) write(*,*)"sigma=",sigma,"~qc=",qc pause if (alpha.gt.90) go to 200 c cosalf=cos(alpha*pi/180.) sinalf=sin(alpha*pi/180.) pause call input_body_pcpan2 x1=0.1 x2=0.9 xx=rtbis(func2,x1,x2,0.001) write(*,*)"xx=",xx pause'call func2' ff=func2(xx) write(*,*) "xx=",xx," ff=",ff pause "Update_Sc2" call update_sc2 pause 'Begin tinh_phisc' call tinh_phisc call veldis_pcpan call fandm 200 stop end 120 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ Vũ Văn Duy, Nguyễn Thế Đức, Nguyễn Thế Mịch 2005 Phương pháp tính tốn dịng xâm thực chiều Tạp chí Nơng nghiệp & Phát triển nơng thơn Số 58 Vũ Văn Duy, Nguyễn Thế Mịch 2006 Xác định túi xâm thực cục cánh 2D phương pháp phần tử biên Tuyển tập Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ kỹ thuật & Tự động hóa Vũ Văn Duy 2006 Sử dụng phầ mềm Fluent để phân tích dịng chảy bao quanh hydrofoil Tạp chí Khoa học – Cơng nghệ Hàng hải Số Vũ Văn Duy, Nguyễn Thế Đức, Nguyễn Thế Mịch 2007 Mơ vùng xâm thực dịng bao quanh profil cánh phương pháp phần tử biên Tuyển tập hội Cơ học toàn quốc lần thứ VIII Vũ Văn Duy, Bùi Trọng Tùng 2007 Một số kết ứng dụng phần mềm Fluent nghiên cứu dòng chảy qua chân vịt tàu thủy Tạp chí Khoa học – Công nghệ Hàng hải Số 10 Nguyễn Thế Mịch, Phạm Văn Thu, Vũ Văn Duy 2006 Một số kết tính tốn loại bơm có N s lớn khả xâm thực cao Tạp chí Tài nguyên nước Số năm 2006 Nguyễn Thế Mịch, Nguyễn Phú Hùng, Vũ Văn Duy, Dương Tuấn Anh 2007 Ứng dụng CFD vào nghiên cứu làm mát thành buồng cháy tua bin động máy bay Tuyển tập cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học thuỷ khí tồn quốc Nguyen The Mich, Nguyen The Duc, Vu Van Duy 2008 A Numerical Simulation Study of Partial Cavitation on Axial Tubomachines The 3rd South East Asian Technical University Consortium (SEATUC) Symposium 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Hữu Chí 1973 “Cơ học chất lỏng ứng dụng” tập NXB-ĐHTHCN [2] Lê Danh Liên, Võ Sỹ Huỳnh 1977 “Lý thuyết cánh” NXB-ĐHTHCN [3] Trần Sỹ Phiệt, Vũ Duy Quang 1978 “Thủy khí động lực kỹ thuật” Tập NXB-ĐHTHCN [4] Võ Sỹ Huỳnh, Nguyễn Thị Xuân Thu 2004 “Tua bin nước” NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [5] Lê Xn Hịa, Nguyễn Thị Bích Ngọc 2005 “Lý thuyết thực hành Bơm-Quạt-Máy nén” NXB Đà Nẵng [6] Lê Quang 1996 “Tính tốn dịng chảy xâm thực phương pháp điểm kỳ dị” Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc Cơ kỹ thuật [7] Lê Quang 2002 “Những vấn đề nảy sinh q trình mơ hình hóa dịng chảy có xâm thực phần” Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc Cơ kỹ thuật [8] Nguyễn Thế Mịch 1996 “Phân tích đặc trưng xâm thực phim cực nhanh” Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc Cơ kỹ thuật [9] Nguyễn Thế Mịch 2001 “Tối ưu hóa việc chọn thơng số bơm hướng trục NPSH loại nhỏ” Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc Cơ kỹ thuật 97 [10] Nguyễn Thế Mịch 2003 “Một số kết thực nghiệm áp suất trung bình bao quanh profil cánh chế độ xâm thực không xâm thực” Tuyển tập hội nghị khoa học toàn quốc kỹ thuật Trang 335-340 [11] Nguyễn Thế Đức 2004 “Một lược đồ ẩn cho tính tốn dịng khơng nén với thuật toán nén giả” Tuyển tập Hội nghị Cơ học Thủy khí tồn quốc [12] Trần Cơng Nghị 2001 “Lý thuyết tàu thuỷ (tập 3: Thiết kế chân vịt tàu thuỷ)” NXB đại học Quốc gia thành phố HCM 2001 [13] Phạm Hồng Giang 2002 “Phương pháp phần tử biên” Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [14] Võ Sỹ Huỳnh, Lê Danh Liên 2002 “Đặc điểm kết cấu tính tốn chân vịt siêu xâm thực ứng dụng kỹ thuật tàu thủy” Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học tồn quốc Tạp chí Nơng nghiệp & Phát triển nông thôn Số 58 [15] Lê Thị Minh Nghĩa, Nguyễn Anh Thi, Phạm Minh Vượng 2000 “Nghiên cứu dòng hai chiều bao quanh vật cản phương pháp số thực nghiệm” Tuyển tập Hội nghị khoa học tồn quốc Cơ học Thủy khí [16] Lê Thị Minh Nghĩa, Nguyễn Vĩnh Tân 2002 “Tính dịng hai chiều phương pháp kết hợp mơ hình chất lỏng lý tưởng chất lỏng nhớt” Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc Cơ học toàn quốc [17] Hồng Thị Bích Ngọc 2002 “Đặc điểm phân bố áp suất dịng chảy bao profil cánh khí động hàng khơng profil cánh máy thủy khí” Tuyển tập cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí cơng nghệ 98 [18] Hồng Thị Bích Ngọc 1999 “Lý thuyết lớp biên” Giáo trình trường Đại học Bách khoa Hà Nội [19] Lê Quang 2002 “Những vấn đề nảy sinh mơ hình hóa dịng chảy có xâm thực phần” Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học toàn quốc Tiếng Anh [20] Nguyen The Duc Park.W.G 2003 “Numerical Simulation of Air Flow and Gas Dispersion around Obstacles ” Processdings of the th Asia Computational Fluid Dynamics Conference Busan Pp210-217 [21] Nguyen The Mich 1992 “Partial Cavitaty Closures Kinematics of Partial Cavitation” The intrnational symposium cavitation and erosion in hydrostructure and hydromachinery Najing, China [22] Peter Hunter, Andrew Pullan 2003 “FEM/BEM” Department of Engineering Science the University of Auckland New Zealand [23] Kinas S, Fine.n 1993 “A numerical nonlinear analysis of the flow around two-and three-dimension partially cavitating hydrofoils” Journal of Fluid Mechanics, 254, Septemper Trang 151-181 [24] Press W H., Teukolsky P A., Vetterling W T Flannery B P 1992 “Numerical Recipes in Fortran” The Art of Sciencific Computing, Cambridge University Press, New York, USA [25] Shen.Y & Dimotakis P 1989 99 “The influence of surface cavitation on hydrodynamic forces” Proceedings 22 nd ATTC St Johns [26] Padamanabhan Krishnaswamy 2000 “Flow modelling for partially cavitating hydrofoils” PhD thesis, Technical university of Denmark [27] J Bore’e 2006 “Turbulence Course” ENSMA [28] Ugo Piomelli 2002 “Large-eddy and direct simulation of turbulent flow” College Park Maryland USA [29] O Coutier-Delgosha and J-F Devillers 2003 “A joint experimental and numerical study of mechanisms associated to instability of partial cavitation on two-dimensional hydrofoil” CAV2003 Osaka Japan [30] Yoshinori Saito, Ichiro Nakamori and Toshiaki Ikohagi 2003 “Numerical analysis of unsteady behavior of cloud cavitation around a NACA0015 foil” CAV2003 Osaka Japan [31] Masashi Fukaya, Tomoyoshi Okamura, Yoshiaki Tamura and Yoichiro Matsumoto 2003 “Prediction of cavitation perfermance of axial flow pump by using numerical cavitating flow simulation with bubble flow model” CAV2003 Osaka Japan [32] Robert F Kunz, Todd A Kaday, Jules W Lindau, Leonard J Peltier 2003 “ Unsteady RANS and Detached eddy simulation of cavitation flow over a hydrofoil” CAV2003 Osaka Japan [33] G Wuibaut, G Bois 2006 “Optical PIV and LDV comparisons of internal flow investigations in 100 SHF impeller” International journal of rotating machinery Page 1-9 [34] J.Pierre Franc, J.Marie Michel 2004 “Fundamentals of Cavitation” Kluwer academic publishers Dordrecht / Boston / London Tiếng Pháp [35] J.M.Michel 1984 “Cavitation et hydrodynanique des ecoulements rapides” Institut National Polytechnique de Grenole [36] Nguyễn Thế Mịch 1986 “Fermeture de poches de cavitation partielle: Cinematique-Pressions a la paroi” These Grenoble Các trang web [37] www.Tutorgig.com (05/2005) [38] www.Ntnu.no (08/2006) [39] www.Sintef.no (05/2005) [40] www.ksri.ru (05/2005) [41] www.cerimes.education.fr (08/2007) [42] www.vti.mod.gov.yu (07/2005) [43] www.mech.sharif.edu (06/2005) [44] www.shi.samsung.co.kr (07/2007) [45] www.dt.navy.mil (06/2005) [46] www.pumps.org (05/2006) 101 ... dịng chảy bao profil cánh ta hình thành lên mơ hình chung xâm thực chảy bao profil cánh sau: Vùng xâm thực Hình 2.9: Mơ hình xâm thực chảy bao profil cánh Trên mơ hình chung xâm thực chảy bao profil. .. 1.2 Một số kết nghiên cứu xâm thực chảy bao profile cánh 15 1.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài 21 Chương Cơ sở lý thuyết xâm thực chảy bao profile cánh 23 2.1 Những vấn đề chung xâm thực cánh dẫn 23... việc nghiên cứu thực nghiệm tác giả chủ yếu thể phương pháp nghiên cứu thu kết bước đầu 22 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ XÂM THỰC TRONG CHẢY BAO PROFIL CÁNH Trong chương đề cập tới vấn đề chung xâm thực