Nghiên cứu tính toán xâm thực chong chóng bằng phương pháp CFD

Bài viết Nghiên cứu tính toán xâm thực chong chóng bằng phương pháp CFD trình bày kết quả tính toán và mô phỏng hiện tượng xâm thực của mô hình chong chóng Potsdam Propeller Test Case (PPTC) ở 3 điều kiện làm việc khác nhau. Kết quả thu được của nghiên cứu rất gần với kết quả thử mô hình đã được công bố, qua đó khẳng định độ tin cậy của kết quả tính toán và mô phỏng.

TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN XÂM THỰC CHONG CHĨNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD NUMERICAL INVESTIGATION ON PROPELLER CAVITATION BY CFD METHOD HOÀNG THỊ MAI LINH*, NGUYỄN THỊ HẢI HÀ, NGUYỄN THỊ HÀ PHƯƠNG Khoa Đóng tàu, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: linhhtm.dt@vimaru.edu.vn Tóm tắt Mục đích nghiên cứu dự đốn đặc tính thủy động lực học chong chóng bị xâm thực mơ hình ảnh xâm thực bề mặt cánh chong chóng sử dụng phương pháp thủy động lực học tính tốn (CFD) Bài báo trình bày kết tính tốn mơ tượng xâm thực mơ hình chong chóng Potsdam Propeller Test Case (PPTC) điều kiện làm việc khác Kết thu nghiên cứu gần với kết thử mơ hình cơng bố, qua khẳng định độ tin cậy kết tính tốn mơ Từ khóa: Xâm thực, chong chóng, CFD Abstract The main purpose of the study is to predict propeller performance in cavitating condition and simulated features of cavitation on the blades using Computational Fluid Dynamics (CFD) methods The paper presents the results of cavitation modelling for Potsdam Propeller Test Case (PPTC) in different working points Received results in this research agreed with the experimental results fairly well, thereby confirming the reliability of calculation and simulation results Keywords: Cavitation, propeller, CFD Mở đầu Xâm thực tượng phức tạp, gây số vấn đề cho hoạt động chong chóng tàu thủy như: làm ảnh hưởng đến hiệu suất chong chóng, ăn mịn cánh chong chóng, tạo rung động tiếng ồn [1] Để giảm thiểu tác động tiêu cực xâm thực đến hiệu suất chong chóng tốc độ tàu, q trình thiết kế tính tốn dự báo xâm thực số chế độ làm việc 18 Ngày nay, với tốc độ phát triển mạnh mẽ công nghệ máy tính, nghiên cứu xâm thực phương pháp số không đảm bảo độ tin cậy kết mà khẳng định ưu điểm vượt trội tiết kiệm thời gian, giảm chi phí thiết kế, thử nghiệm chế tạo Trong nghiên cứu tượng xâm thực CFD, nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp khác phương pháp phần tử biên (BEM), phương pháp Reynolds - Averaged Navier-Stokes (RANS), phương pháp Detached Eddy Simulations (DES) phương pháp Large Eddy Simulations (LES) Trong nghiên cứu tác giả: Young Kinnas [2], Vaz Bosschers [3] sử dụng phương pháp BEM mô xâm thực dạng cánh chong chóng Nghiên cứu Stefano Gaggero cộng [4] kết hợp phương pháp BEM RANS tính tốn hiệu suất chong chóng, xác định phân bố áp suất vùng xung quanh chong chóng, mơ xâm thực chong chóng nhằm mục đích tối ưu hóa thiết kế chong chóng tàu cao tốc làm tăng hiệu suất giảm xâm thực Để tính tốn hiệu suất chong chóng mơ hình hóa xâm thực dạng mút cánh Naz Yilmaz cộng [1], [5] sử dụng DES, Xin Chang cộng [6] sử dụng phương pháp LES Trong nghiên cứu Artur K Lidtke cộng [7] kết mô xâm thực dạng đám mây chong chóng thu phương pháp RANS; mô xâm thực cánh thủy lực sử dụng phương pháp LES Tuy nhiên kết nghiên cứu hạn chế như: Sai số lớn kết CFD thử mơ hình, cụ thể 8,5%-10,9% [4]; 9%-28% [5]; đưa kết điều kiện làm việc chong chóng [4, 5, 7], vài nghiên cứu không so sánh kết CFD với kết thử nghiệm [6], chưa đề cập đến việc đánh giá chất lượng lưới lớp biên bề mặt chong chóng Trong đó, Việt Nam nghiên cứu xâm thực chong chóng cịn hạn chế Nghiên cứu TS Vũ Văn Duy [8] sử dụng BEM mô xâm thực cánh thủy lực, kết mô xâm thực không so sánh với kết thử nghiệm Trong SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng Các thơng số mơ hình PPTC Thơng số Kí hiệu Kích thước Đơn vị Tỉ số bước r/R=0,7 D 0,25 m 𝑃0,7 /𝐷 1,635 - Tỉ số đĩa 𝐴𝐸 /𝐴0 0,77896 - 𝑐0,7 0,10417 m 𝑑ℎ /𝐷 0,3 - - Phải - Có bước thay đổi - Đường kính Chiều rộng cánh r/R=0,7 Tỉ lệ đường kính củ Số cánh Chiều quay Loại chong chóng Bảng Các trường hợp tính mơ Thơng số Ký hiệu Đơn vị Các trường hợp tính mô TH1 TH2 TH3 Bước tiến tương đối J - 1,019 1,269 1,408 Số vòng quay n vòng/s 24,987 24,986 25,014 Số xâm thực 𝜎𝑛 - 2,024 1,424 2,000 Khối lượng riêng nước 𝜌 kg/m3 997,44 997,44 997,37 Độ nhớt động học nước 𝜈 m2/s 9,337 ∙ 10−7 9,337 ∙ 10−7 9,272 ∙ 10−7 Áp suất bão hòa 𝑃𝑣 Pa 2873 2873 2926 nghiên cứu TS Lê Thị Thái [9], đặc tính thủy động lực học chong chóng xâm thực, phân bố áp suất mặt cánh tính tốn xâm thực dạng chong chóng mơ phương pháp RANS; phân bố áp suất xâm thực cánh thủy lực mô phương pháp RANS LES Trong nghiên cứu [9] kết mô xâm thực chong chóng RANS so sánh với kết thử mơ hình, nhiên sai số kết cịn lớn (trung bình khoảng 13%) Ngoài ra, nghiên cứu chưa đề cập đến chất lượng lưới lớp biên bề mặt chong chóng sau thiết lập lưới, đồng thời tính tốn mơ cho điều kiện làm việc mơ hình Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tiến hành mơ tính tốn xâm thực chong chóng phương pháp CFD với hỗ trợ phần mềm thương mại STAR-CCM+ Bài báo trình bày kết dự đốn đặc tính thủy động lực học chong chóng bị xâm thực hình ảnh xâm thực bề mặt cánh điều kiện làm việc khác Mơ chong chóng xâm thực 2.1 Đặc điểm mơ hình chong chóng nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng mơ hình chong chóng Potsdam Propeller Test Case (PPTC) Mơ hình PPTC sản xuất thử nghiệm bể thử mơ hình SỐ 71 (8-2022) Potsdam, nhằm mục đích cung cấp số liệu thử nghiệm phục vụ cho việc kiểm tra đánh giá kết mơ số Kết thử mơ hình chong chóng PPTC cơng bố hội thảo chế tạo chong chóng Hội nghị quốc tế lần thứ chong chóng tàu biển năm 2011 [10] Hình thể hình dáng chong chóng Bảng đưa thơng số chủ yếu Hình Hình dáng mơ hình chong chóng PPTC 2.2 Các trường hợp tính mơ Bài báo tiến hành nghiên cứu xâm thực chong chóng điều kiện làm việc khác nhau, tương ứng với trường hợp tính tốn mơ trình bày cụ thể Bảng Trong nghiên cứu này, bước thời gian tính tốn thiết lập ∆𝑡 = 10−4 𝑠 (chong chóng quay 0,9°/mỗi bước thời gian ∆𝑡 ) theo khuyến nghị ITTC [11], hệ số thể tích nước 𝛼𝑛ướ𝑐 = 0,2 hệ số thể tích nước bão hịa 𝛼ℎơ𝑖 𝑛ướ𝑐 = 0,8; thơng số khác thiết lập Bảng 19 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ 2.3 Thiết lập tính mơ 2.3.1 Kích thước miền tính tốn điều kiện biên Miền tính tốn mơ xâm thực chong chóng thể Hình Miền tính tốn chia làm hai: Miền tĩnh miền quay Chong chóng đặt đồng trục với lăng trụ miền tính tốn, khoảng cách theo hướng trục từ đầu vào đầu miền tính tốn tới tâm chong chóng 2D 4D dựa theo khuyến nghị đưa ITTC [11] Các điều kiện biên thiết lập sau: Vận tốc đầu vào, áp suất đầu ra, bề mặt miền chất lỏng tính tốn mặt đối xứng, bề mặt chong chóng, củ trục chong chóng tường khơng trượt Miền tính tốn điều kiện biên thể cụ thể Hình ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY tốn học mơ hình vật lý nêu trình bày chi tiết tài liệu phần mềm STAR-CCM+ [13] Hình Giá trị y+ Hình Miền tính tốn điều kiện biên 2.3.2 Tạo lưới Trong mơ xâm thực chong chóng, nhóm tác giả sử dụng loại lưới Miền chất lỏng tính tốn chia thành thể tích hữu hạn loại lưới lục diện, lưới lăng trụ sử dụng để giải lớp biên bao quanh chong chóng lưới bề mặt dùng để chia bề mặt chong chóng thành phần tử hữu hạn Lưới lớp biên gần bề mặt chong chóng làm mịn với mức độ khác nhau, đặc biệt bề mặt cánh, chân cánh mép cánh nhằm mục đích mơ hình hóa xác dịng chảy Số lớp lưới lăng trụ thiết lập 25 lớp, độ cao lớp lưới lăng trụ tính từ bề mặt chong chóng tính gần ∙ 10−7 m, giá trị y+ đảm bảo nhỏ (xem Hình 3) Sau thiết lập lưới thu tổng số phần tử lưới 9,60 triệu phần tử Hình biểu diễn kết tạo lưới 2.3.3 Lựa chọn mơ hình vật lý Nghiên cứu sử dụng phương pháp CFD dựa phương trình RANS cho dịng chảy khơng ổn định để tính tốn dịng chảy bao quanh chong chóng ứng dụng phần mềm STAR-CCM+ Ứng suất Reynold giải mơ hình SST K-Omega (Shear Stress Transport K-Omega) theo [12] mơ hình SST K-Omega giải lớp biên hiệu mơ hình K-Epsilon Trong tính tốn mơ lựa chọn mơ hình xâm thực SchnerrSauer, áp dụng mơ hình đa pha đồng phương pháp thể tích chất lỏng (VOF) để mơ pha nước nước dòng chảy xâm thực Phương trình 20 Hình Kết tạo lưới Kết tính mơ Kết tính tốn đặc tính thủy động lực học mơ hình chong chóng PPTC điều kiện xâm thực sử dụng phương pháp CFD cho trường hợp tính mơ đưa Bảng 3, kết tính CFD so sánh với kết thử mô hình Bảng cho thấy, kết tính tốn CFD tương đối phù hợp với kết thử mô hình Sai lệch kết CFD kết thử nghiệm không 6% So sánh với kết tính tốn mơ hình chong chóng PPTC phương pháp số nghiên cứu Naz Yilmaz cộng [5], sai số tính nằm khoảng 9% - 28% Như vậy, giá trị thu từ nghiên cứu có sai số thấp hơn, hay nói cách khác kết tính tốn nhóm tác giả đưa đáng tin cậy Phân bố áp suất bề mặt cánh chong chóng thể Hình Đối với trường hợp 1, vùng áp suất thấp bề mặt cánh tập trung chân cánh mép đạp Ở trường hợp 2, áp suất thấp phát triển từ chân cánh tới cánh Còn trường hợp 3, áp suất thấp phân bố phần chân cánh mép đạp Hình so sánh kết mơ hình ảnh xâm thực bề mặt cánh chong chóng PPTC phương pháp số với kết thử mơ hình SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Trường hợp 1: J = 1,019; 𝜎𝑛 = 2,024 Trường hợp 2: J = 1,269; 𝜎𝑛 = 1,424 Trường hợp 3: J = 1,408; 𝜎𝑛 = 2,000 Hình Phân bố áp suất bề mặt cánh a) b) Trường hợp 1: J = 1,019; 𝜎𝑛 = 2,024 a) b) Trường hợp 2: J = 1,269; 𝜎𝑛 = 1,424 a) b) Trường hợp 3: J = 1,408; 𝜎𝑛 = 2,000 Hình So sánh hình ảnh xâm thực kết mô CFD kết thử mơ hình a) Mơ CFD, b) Kết thử mơ hình [14] trường hợp mơ nêu Kết so sánh cho thấy tương đồng vị trí xuất xâm thực, cụ thể mép cánh chân cánh; xu hướng phát triển xâm thực giống mô thử nghiệm Trong trường hợp (J=1,019, 𝜎𝑛 =2,024) hình ảnh xâm thực chân cánh thu từ mơ có nhiều tương đồng với kết thử, xâm thực mép đạp kết mô vượt mức so với kết thử Với J=1,269, 𝜎𝑛 = 1,424 SỐ 71 (8-2022) trường hợp 2, kết mô xâm thực mút cánh chân cánh hoàn toàn giống với kết thử; đồng thời mô phần xâm thực dạng bong bóng, nhiên khơng phát triển rộng khắp mặt cánh kết thử nghiệm Ở trường hợp (J=1,408; 𝜎𝑛 =2,000), mơ thu hình ảnh xâm thực chân cánh phù hợp với kết thử; mô xâm thực mép đạp không phát triển đến gần mút cánh kết thử mơ hình 21 TẠP CHÍ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng So sánh kết đặc tính thủy động lực học chong chóng xâm thực tính tốn CFD kết thử mơ hình TH Kết J 1,019 1,269 1,408 CFD ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ Kết thử mơ hình [10] Sai số, % KT 0,388 0,374 10KQ 0,973 0,970 0 0,647 0,625 KT 0,207 0,206 10KQ 0,614 0,631 -3 0 0,683 0,660 KT 0,144 0,136 10KQ 0,482 0,489 -1 0 0,656 0,624 Kết luận Nghiên cứu áp dụng thành cơng phương pháp CFD vào tính tốn hiệu suất chong chóng xâm thực mơ hình hóa xâm thực bề mặt cánh Kết tính CFD thu gần với kết thử nghiệm (sai số dao động khoảng từ 0% đến 6%) Kết mơ hình ảnh xâm thực mặt cánh chong chóng phù hợp với kết thử mơ hình So với số kết nghiên cứu khác xâm thực mơ hình PPTC CFD, kết nghiên cứu xác sai số so với kết thử nghiệm nhỏ Kết nghiên cứu áp dụng để tính tốn dự đốn xâm thực chong chóng; đồng thời sở để nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu xâm thực, ăn mòn, rung động tiếng ồn sinh xâm thực chong chóng Symposium on Cacitation CAV2006, Wageningen, The Netherlands [4] Stefano Gaggero, Giorgio Tani, Diego Villa, Michele Viviani, Pierluigi Ausonio, Piero Travi, Giovanni Bizzarri, Francesco Serra (2017), Efficient and multi-objective cavitating propeller optimization: An application to a high-speed craft, Journal Ocean Research, Vol.64, pp.31-57 [5] Naz Yilmaz, Mahdi Khorasanchi, Mehmet Atlar (2017), An Investigation into Computational Modelling of Cavitation in a Propeller’s Slipstream, Fifth International Symposium on Marine Propulsion smp’17, Espoo, Finland [6] Xin Chang, Jian Hu, Yingzhu Wang, Weipeng Zhang (2019), Wang Zhao, Tip vortex prediction for contrarotating propeller using large eddy simulation, Journal Ocean Engineering, Vol.194 [7] Artur K Lidtke, Victor F Humphrey, Stephen R Turnock (2015), Feasibility study into a computational approach for marine propeller noise and cavitation modelling, Journal Ocean Engineering [8] Vũ Văn Duy (2014), Nghiên cứu tính bất ổn định xâm thực cục profile cánh, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, Số 40, tr.19-23 [9] Lê Thị Thái (2013), Nghiên cứu tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy, Luận án Tiến sĩ học chất lỏng, Mã số: 62442201, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Lời cảm ơn [10] Heinke, H.-J (2011), Potsdam Propeller Test Case (PPTC), Cavitation Tests with the Model Propeller VP1304, Report 3753, Potsdam Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số: DT21-22.23 [11] ITTC (2014), ITTC- Recommended Procedures and Guidelines, 7.5-03-03-01 TÀI LIỆU THAM KHẢO [12] Sebastian Kowalczyk, Judyta Felicjancik (2016), Numerical and experimental propeller noise investigation, Journal Ocean Engineering [1] Naz Yilmaz, Mehmet Atlar, Mahdi Khorasanchi (2019), An improved Mesh Adaption and Refinement approach to Cavitation Simulation (MARCS) of propellers, Journal Ocean Engineering, Vol.171, pp.139-150 [2] Young Y.L., Kinnas S.A (2001), A BEM for the prediction of unsteady midchord face and/ or back propeller cavitation, Journal Fluid Engineering, Vol.123(2), pp.311-319 [3] Vaz G., Bosschers J (2006), Three dimentional sheet cavitation on marine propellers using a boundary element method, Sixth International 22 [13] SIEMENS (2020), Simcenter STAR-CCM+ Documentation, Version 2020.2 [14] SMP’11 Workshop on Cavitation and Propeller Performance (2011), Potsdam Propeller Test Case (PPTC), Cavitation Tests with the Model Propeller VP1304, Case 2.3, Second International Symposium on Marine Propulsors, Hamburg, Germany Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 22/3/2022 10/4/2022 16/4/2022 SỐ 71 (8-2022) ... đốn đặc tính thủy động lực học chong chóng bị xâm thực hình ảnh xâm thực bề mặt cánh điều kiện làm việc khác Mơ chong chóng xâm thực 2.1 Đặc điểm mơ hình chong chóng nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng... 2926 nghiên cứu TS Lê Thị Thái [9], đặc tính thủy động lực học chong chóng xâm thực, phân bố áp suất mặt cánh tính tốn xâm thực dạng chong chóng mơ phương pháp RANS; phân bố áp suất xâm thực cánh... 0,489 -1 0 0,656 0,624 Kết luận Nghiên cứu áp dụng thành công phương pháp CFD vào tính tốn hiệu suất chong chóng xâm thực mơ hình hóa xâm thực bề mặt cánh Kết tính CFD thu gần với kết thử nghiệm