Dự đoán lực cản cho mô hình tàu KVLCC2 sử dụng phần mềm STAR-CCM+

Bài viết Dự đoán lực cản cho mô hình tàu KVLCC2 sử dụng phần mềm STAR-CCM+ trình bày dự đoán lực cản cho mô hình tàu chở dầu KVLCC2 khi chuyển động đều trên nước tĩnh bằng phương pháp số (CFD) với sự trợ giúp của phần mềm STAR-CCM+.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 9, 2020 DỰ ĐỐN LỰC CẢN CHO MƠ HÌNH TÀU KVLCC2 SỬ DỤNG PHẦN MỀM STAR-CCM+ PREDICTION OF KVLCC2 RESISTANCE USING STAR-CCM+ Nguyễn Thị Hà Phương, Nguyễn Thị Hải Hà Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam; phuongnth.dt@vimaru.edu.vn Tóm tắt - Trong báo này, nhóm tác giả dự đốn lực cản cho mơ hình tàu chở dầu KVLCC2 chuyển động nước tĩnh phương pháp số (CFD) với trợ giúp phần mềm STAR-CCM+ Trường dòng chảy bao quanh thân tàu mô sử dụng phương trình Navier–Stokes với số Reynolds trung bình (RANSE) Mơ hình vật lý sử dụng thể tích chất lỏng (VOF) mơ hình dịng rối k-; Ảnh hưởng lưới đến kết mơ phân tích dựa việc lựa chọn lưới với độ mịn khác nhau; Lực cản tổng tàu so sánh với kết thử mơ hình bể thử công bố Với sai số nhỏ 3%, kết thu cho thấy độ tin cậy cao phần mềm STAR-CCM+ phương pháp số toán mơ tính tốn lực cản tàu nước tĩnh Abstract - In this paper, the authors focus on predicting ship resistance of tanker model KVLCC2 in calm water by CFD method using software STAR-CCM+ The flow around the ship is simulated using RANSE The physics model - Volume of Fluid (VOF) and k- turbulent model are set; The effects of grids on simulation result are analysed based on choosing different grids; The numerical total resistance of vessel is compared with available experimental result With the deviation of total drag around 3%, the result shows a high accuracy of this software as well as numerical method in the field of simulating ship resistance in calm water Từ khóa - Lực cản tàu thủy; RANSE; động lực học tàu thủy; Phương pháp số (CFD); nước tĩnh Key words - Ship resistance; Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations (RANSE); ship hydrodynamics; Computational Fluid Dynamics (CFD); calm water Giới thiệu Trong thiết kế tàu thủy, việc dự đốn lực cản cho tàu đóng vai trị vơ quan trọng liên quan đến việc lựa chọn động cho tàu thiết kế đạt vận tốc theo yêu cầu chủ tàu Ở giai đoạn thiết kế ban đầu, tính tốn lực cản xác cho phép nhà thiết kế dự đốn cơng suất máy chính, từ lên phương án lựa chọn động cho phù hợp Có nhiều phương pháp để tính tốn lực cản tàu, bên cạnh phương pháp lý thuyết sử dụng công thức kinh nghiệm nhà nghiên cứu đưa từ lâu phương pháp thử nghiệm mơ hình bể thử, CFD ngày áp dụng rộng rãi Cùng với phát triển mạnh mẽ phần mềm CFD, phương pháp số coi lựa chọn tốn chi phí thời gian đảm bảo độ xác phù hợp Phương pháp tiếp cận RANSE (hay Phương trình Navier–Stokes với số Reynolds trung bình) sử dụng phổ biến để tính tốn dịng chảy nhớt thiết kế tàu, mức độ xác dự đốn mức độ mà chúng phụ thuộc vào mơ hình dòng rối nghiên cứu nhà khoa học So với nước giới, nghiên cứu mô lực cản phương pháp số nước ta hạn chế, chưa khai thác nhiều phần mềm CFD Bên cạnh số phần mềm mô CFD thông dụng Ansys Fluent hay Open Foam, STAR-CCM+ phần mềm thương mại sử dụng rộng rãi cho kết mô với độ tin cậy cao tốn lực cản Vì vậy, báo tác giả tiến hành dự đốn lực cản cho mơ hình tàu chở dầu KVLCC2 chuyển động nước tĩnh sử dụng phần mềm STAR-CCM+ Thông số mơ hình tàu Tàu KVLCC2 thiết kế Viện Nghiên cứu Tàu Cơng trình ngồi khơi Hàn Quốc (Korea Research Institute for Ships and Ocean Engineering, MOERI) vào năm 1997 với mục đích thử nghiệm CFD [1] Để thuận tiện cho việc so sánh với kết thử mơ hình, tàu sử dụng báo tàu chở dầu KVLCC2 với tỷ lệ thu nhỏ 1:58 (Hình 1) [2] Các thơng số kích thước tàu KVLCC2 đưa Bảng Hình Mơ hình tàu KVLCC2 Bảng Thơng số chủ yếu tàu Tàu mẫu Mơ hình (1:58) Chiều dài hai đường vng góc (LPP) (m) 320,0 5,5172 Chiều rộng (B) (m) 58,0 1,0 Chiều chìm (D) (m) 30,0 0,5172 Mớn nước (T) (m) 20,8 0,3586 Vận tốc thiết kế (V) (m/s) 7,974 1,047 Thông số Số Froude (Fn) 0,142 0,142 Diện tích mặt ướt (m2) 27194 8,0838 Thể tích chiếm nước (m3) 312621 1,6023 Hệ số béo (CB) 0,8098 0,8098 Nguyễn Thị Hà Phương, Nguyễn Thị Hải Hà Cơ sở lý thuyết Trường dòng chảy bao quanh thân tàu mô tả hai phương trình bản: Phương trình liên tục (1) phương trình Navier–Stokes (2) u  w (1) + + =0 x y z u u u u p  2u  2u  2u +u + +w =− + ( + + ) t x y z  x x y z     p  2  2  2 +u + +w =− + ( + + ) t x y z  y x y z (2) w w w w p 2w 2w 2w +u + +w =− − g + ( + + ) t x y z  z x y z Trong đó:  =  /  - độ nhớt động học chất lỏng; u, , w – vận tốc hạt chất lỏng theo thời gian t; p – áp suất Trong báo này, nhóm tác giả sử dụng phương pháp tiếp cận RANSE hay gọi phương trình Navier– Stokes với số Reynolds trung bình Đây phương pháp sử dụng rộng rãi để tính tốn mơ dịng rối Phương trình Navier–Stokes với số Reynolds trung bình (RANSE) phương trình chuyển động dịng chất lỏng tính trung bình theo thời gian Như biết, chất động lực học chất lỏng tính tốn giải phương trình chuyển động chất lỏng với điều kiện biên cho trước Dòng chảy bao quanh thân tàu phương trình bảo tồn khối lượng, mô men lượng, biết đến phương trình Navier-Stockes Các phương trình Navier - Stokes mơ tả xác dịng chảy cách giả sử chất lỏng hoạt động trình liên tục phần tử rời rạc Việc phân tách phương trình Navier-Stokes thành phương trình RANS cho phép mơ dịng chảy giống với thực tế [3] Trong phương pháp RANSE, dòng chảy giả thiết không nén ba thành phần vận tốc biểu diễn vận tốc rối dao động nhanh quanh vận tốc trung bình chậm (6 thành phần ứng suất Reynolds) Quá trình mô tả tăng lên vận tốc chất lỏng xuất xoáy nước [4] Giả thiết làm đơn giản hóa phương trình Navier-Stokes phương trình nhận gọi phương trình Navier– Stokes với số Reynolds trung bình Hiện nay, kỹ thuật RANSE sử dụng rộng rãi để giải toán động lực học chất lỏng, cụ thể dự đốn lực cản tàu thủy, mơ tương tác chong chóng thân tàu toán liên quan thuộc lĩnh vực khác Trong tốn này, phương trình RANSE giải sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Đây phương pháp sử dụng để giải phương trình đạo hàm riêng ứng dụng nhiều toán động lực học chất lỏng Bản chất phương pháp rời rạc hóa phương trình đạo hàm riêng phức tạp, đưa chúng dạng phương trình đại số có dạng đơn giản Phương pháp phân chia miền chất lỏng thành phần tử thể tích riêng biệt (phần tử lưới), sau giải phương trình RANS định luật bảo tồn phần tử lưới Độ xác mô chủ yếu xác định lưới chia mơ hình dịng rối [3] Thiết lập mơ lực cản nước tĩnh Tính tốn lực cản mơ hình tàu KVLCC2 thực phần mềm STAR-CCM+ vận tốc V = 1,047 (m/s) tương ứng với số Froude Fr = 0,142 Vì mơ hình tàu có hình dạng đối xứng qua mặt phẳng dọc tâm nên mô nửa thân tàu để giảm thời gian tính tốn Bể thử ảo thiết lập có kích thước đủ rộng để tránh phản xạ nước từ thành bể tác động đến mơ hình tàu làm ảnh hưởng đến kết tính tốn (Hình 2) Kích thước bể thử ảo lấy phụ thuộc vào chiều dài mơ hình tàu, trường hợp bể thử ảo có kích thước 2,5 L tính từ cuối thành bể, L tính từ mũi đầu thành bể, 0,5 L tính từ mặt thống đến mặt bể, 0,75 L tính từ mặt thoáng đến đáy bể 1,5 L chiều rộng nửa bể Hình Kích thước bể thử ảo Hình Thiết lập lưới khu vực khác Đối với tốn mơ tàu nước tĩnh, lựa chọn loại lưới sau: Lưới bề mặt (surface mesh) sử ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 9, 2020 dụng để chia bề mặt thân tàu thành bề mặt hữu hạn; Lưới khối (volume mesh) sử dụng để chia miền chất lỏng tính tốn thành phần tử thể tích hữu hạn; Lưới lăng trụ (prism layer) lưới dạng khối sử dụng bề mặt tiếp giáp với bề mặt thân tàu để giải dòng chảy nhớt bao quanh thân tàu Khi thiết lập thông số lưới, chia lưới mịn khu vực cần thiết để giảm số lượng lưới, từ giảm thời gian tính tốn Đối với toán dự đoán lực cản, cần tăng số lượng lưới khu vực mũi, đuôi tàu số khu vực bao quanh thân tàu để bắt hình ảnh dịng chảy rõ thu kết lực cản xác (Hình 3) Phân tích độ hội tụ lưới thực cách thiết lập loại lưới: Lưới thô (427796 phần tử lưới), lưới trung bình (840650 phần tử lưới), lưới mịn (1185415 phần tử lưới) Dạng biên thiết lập cho thành bể thử ảo bề mặt bao quanh mơ hình tàu mơ tả Hình Bảng Trong đó, L – chiều dài mơ hình (m); V – vận tốc mơ hình (m/s); t – bước thời gian (s) Theo đó, bước thời gian lựa chọn thử 0,04 s Kết thảo luận Sau thiết lập thông số tiến hành chạy mô phỏng, phần mềm STAR-CCM+ quan sát hình ảnh trực quan vết Kelvin mặt thoáng tự (Hình 5) Có thể thấy, hình ảnh thu từ mơ hồn tồn phù hợp với hình ảnh thực tế Điều chứng tỏ kết lực cản thu có độ tin cậy cao Bảng Dạng biên cho biên miền tính tốn Tên biên Dạng biên Inlet (Dòng chảy vào) Velocity Inlet (Vận tốc vào) Outlet (Dòng chảy ra) Pressure Outlet (Áp suất ra) Side (Cạnh bể) Symmetry Plane (Mặt phẳng đối xứng) Symmetry (Mặt phẳng đối xứng) Symmetry Plane (Mặt phẳng đối xứng) Top (Thành trên) Velocity Inlet (Vận tốc vào) Bottom (Đáy bể) Velocity Inlet (Vận tốc vào) Thân tàu (boong, thân, đi) Wall (Tường) Hình Vết Kelvin tàu KVLCC2 vận tốc Fr = 0,142 Để thu giá trị lực cản với độ xác cao cần kiểm tra độ hội tụ lưới Kết lực cản với kiểm tra độ hội tụ lưới đưa Bảng Bảng Kết tính lực cản vận tốc Fr = 0,142 Số phần tử lưới, phần tử Lực cản tổng, RT(N) 427796 20,645 Lưới trung bình 840650 20,242 Lưới mịn 1185415 20,240 Loại lưới Lưới thơ Hình Thiết lập dạng biên cho biên miền tính tốn Để mơ lực cản, nhóm tác giả sử dụng mơ hình vật lý nhiều pha thể tích chất lỏng (VOF) Đây mơ hình sử dụng để giải toán hai nhiều pha Cụ thể, toán lực cản cần thiết lập hai pha: Nước khơng khí Ngồi ra, lựa chọn mơ hình dịng rối cho phương trình RANSE mơ hình k-, mơ hình dịng rối sử dụng rộng rãi ứng dụng phương pháp số tính hội tụ nhanh khơng cần nhiều nhớ máy tính Trong tốn mơ trường dịng chảy bao quanh thân tàu, mơ hình k- cho kết dự đốn tốt mơ hình dịng rối khác Một yếu tố quan trọng định độ xác kết mơ số bước thời gian tính toán Theo khuyến cáo Tổ chức bể thử quốc tế (ITTC) [5], với mơ hình dịng rối k- bước thời gian xác định theo công thức: t = 0,005 ~ 0,01L / V (3) Với loại lưới khác thiết lập, lực cản thu khác Thực tế cho thấy, lưới mịn giá trị lực cản xác Tuy nhiên, độ hội tụ lưới xác định đến độ mịn định, giá trị lực cản không thay đổi Việc lựa chọn số lượng phần tử lưới phù hợp làm tăng độ tin cậy kết mô đồng thời giảm tối đa thời gian tính tốn Từ kết thu được, thấy lưới phù hợp trường hợp lưới trung bình với 840650 phần tử, tương ứng với lực cản tổng RT = 20,242 (N) Bảng So sánh kết tính sức cản theo CFD kết thử mơ hình Đại lượng Giá trị Vận tốc, V (m/s) 1,047 Lực cản tổng theo CFD, RT (N) 20,242 Lực cản tổng theo thử nghiệm mơ hình, RT (N) 19,710 Sai số (%) 2,66 Để kiểm tra độ xác kết mơ phỏng, lực cản mơ hình thu phần mềm STAR-CCM+ so sánh với kết thử nghiệm mơ hình bể thử Nguyễn Thị Hà Phương, Nguyễn Thị Hải Hà 10 công bố [6] Kết cho thấy sai số hai phương pháp không đáng kể (2,66 %) So sánh kết dự đoán sức cản theo CFD kết thử mơ hình trình bày Bảng Hướng phát triển nghiên cứu thời gian tới ứng dụng phần mềm CFD vào tốn mơ trường dịng chảy sau thân tàu tàu có gắn chong chóng mơ hình tàu khác Kết luận Trong báo này, nhóm tác giả dự đốn thành cơng lực cản cho mơ hình tàu KVLCC2 sử dụng phần mềm STAR-CCM+ Việc áp dụng phương trình RANSE kết hợp với mơ hình dịng rối k- cho hình ảnh trường dịng chảy phù hợp thực tế Kết mô lực cản phương pháp số không lệch nhiều so với kết thử nghiệm mơ hình với sai số 3% Qua đó, khẳng định độ tin cậy phần mềm STAR-CCM+ việc ứng dụng mơ tốn thủy động lực học tàu thủy Tuy nhiên, báo mang tính chất giới thiệu ứng dụng phần mềm STAR-CCM+ vào dự đốn lực cản cho mơ hình tàu chưa gắn chong chóng giá trị vận tốc định TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Larsson, L., et al., Numerical ship hydrodynamics: an assessment of the Gothenburg 2010 workshop, Springer, 2013 [2] http://www.simman2008.dk/KVLCC/KVLCC2/kvlcc2_geometry.html [3] Molland, A F., et al., Ship resistance and propulsion, Cambridge university press, 2017 [4] Larsson, L and H Raven, Ship resistance and flow (Principles of naval architecture series), Alexandria, VA: SNAME, 2010 [5] ITTC, R P and R Procedures, Guidelines: Practical Guidelines for Ship CFD Applications, ITTC Report 7: 02-03, 2011 [6] Kim, W.J., Van, S.H and Kim, D.H., "Measurement of flows around modern commercial ship models", Exp in Fluids, Vol 31, 2001, pp 567-578 [7] Userguide STAR-CCM+ Version 12.0.2, CD-Adapco (BBT nhận bài: 19/6/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 24/9/2020) ... hình tàu khác Kết luận Trong báo này, nhóm tác giả dự đốn thành cơng lực cản cho mơ hình tàu KVLCC2 sử dụng phần mềm STAR-CCM+ Việc áp dụng phương trình RANSE kết hợp với mơ hình dịng rối k- cho. .. STAR-CCM+ việc ứng dụng mô toán thủy động lực học tàu thủy Tuy nhiên, báo mang tính chất giới thiệu ứng dụng phần mềm STAR-CCM+ vào dự đoán lực cản cho mơ hình tàu chưa gắn chong chóng giá trị... tốn lực cản mơ hình tàu KVLCC2 thực phần mềm STAR-CCM+ vận tốc V = 1,047 (m/s) tương ứng với số Froude Fr = 0,142 Vì mơ hình tàu có hình dạng đối xứng qua mặt phẳng dọc tâm nên mô nửa thân tàu