Ứng dụng phương pháp lọc kalman hiệu chỉnh bài toán vật thể chuyển động dưới nước

Ứng dụng phương pháp lọc kalman hiệu chỉnh bài toán vật thể chuyển động dưới nước Ứng dụng phương pháp lọc kalman hiệu chỉnh bài toán vật thể chuyển động dưới nước Ứng dụng phương pháp lọc kalman hiệu chỉnh bài toán vật thể chuyển động dưới nước Ứng dụng phương pháp lọc kalman hiệu chỉnh bài toán vật thể chuyển động dưới nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TÙNG ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP LỌC KALMAN HIỆU CHỈNH BÀI TOÁN VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG DƢỚI NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TÙNG ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP LỌC KALMAN HIỆU CHỈNH BÀI TOÁN VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG DƢỚI NƢỚC Ngành: Cơ kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 8520101.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN TẤT THẮNG Hà Nội – 2018 LỜI CAM Tôi xin cam đoan luận văn “Ứng dụng phương pháp lọc Kalman hiệu chỉnh toán vật thể chuyển động nước c ng tr nh nghiên c u c a ản th n i s h ng n c a TS N ễn Tất Thắng C c tài li u đ c s ng đ u c ngu n gốc r ràng đ c ghi ph n tài li u tham khảo Số li u t nh to n k t c a luận văn hoàn toàn trung th c N u sai tơi xin ch u hồn tồn tr ch nhi m c c h nh th c k luật c a nhà tr ng Tác giả Nguyễn Văn Tùng LỜI CẢM Tôi xin chân thành cảm ơn th y, c gi o tham gia giảng dạy đào tạo th i gian học tập khoa Cơ học kỹ thuật Tự động h a, trư ng Đại học Công ngh – ĐHQG HN Đặc bi t tơi xin bày tỏ lịng bi t ơn ch n thành tới TS Nguyễn Tất Thắng cộng tận tình hướng dan, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Tác giả Nguyễn Văn Tùng MỤC MỞ ĐẦU Chƣơng – Tổng quan chuyển động môi trƣờng nƣớc vật thể dạng mảnh 1.1 Đặc điểm chuyển động vật thể dạng mảnh có hi u ứng khoang rỗng 1.1.1 Ngu n gốc, ản chất hi u ứng khoang rỗng 1.1.2 Hi u ứng khoang rỗng vật thể dạng mảnh di chuyển nước .4 1.1.3 ạng chuyển động vật thể dạng mảnh khoang rỗng 1.2 Tình hình nghiên cứu v chuyển động nước vật thể dạng mảnh 1.2.1 C c nghiên cứu điển hình v chuyển động nước vật thể với hi u ứng khoang rỗng c c t c giả nước 1.2.2 C c nghiên cứu điển hình v chuyển động nước vật thể với hi u ứng khoang rỗng c c t c giả nước 10 Chƣơng – Mơ hình mơ tả chuyển động vật thể môi trƣờng nƣớc có khoang rỗng xuất 12 2.1 Mơ hình động lực học vật thể chuyển động khoang rỗng 12 2.2 Mơ hình động lực học dòng chảy (nước) xung quanh vật thể 16 2.2.1 Mơ hình dịng hỗn hợp (Mixture model) 16 2.2.2 Mơ hình dịng chảy rối Realizable k – ε 17 2.2.3 Mơ hình khoang rỗng (Cavitation model) 19 Chƣơng – Ứng dụng phƣơng pháp lọc Kalman vào toán vật thể chuyển động dƣới nƣớc có xuất khoang rỗng 20 3.1 Giới thi u v phương ph p lọc Kalman 20 3.1.1 Phương ph p lọc Kalman cổ điển 20 3.1.2 Phương ph p lọc Kalman phi tuyen 22 3.2 Ket hợp lọc Kalman SEIK với ANSYS Fluent 27 3.3 Mơ hình mơ ANSYS Fluent 29 3.3.1 Xây dựng lưới tính tốn 29 3.3.2 Thiet lập ANSYS Fluent 31 Chƣơng – Kết tính tốn với mơ hình số kết hợp .35 4.1 Vận tốc chuyển động khoang rỗng vật thể 35 4.1.1 So sánh với giá trị tham khảo giả định 35 4.1.2 So sánh với thực đo liên t c 36 4.1.3 So sánh với thực đo gi n đoạn 37 4.2 Ket mô hình thành khoang rỗng bao quanh vật thể 38 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 44 PHỤ LỤC .45 DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TT TÊN GỌI KÝ HIỆU / CHỮ VIẾT TẮT ĐƠN VỊ Tiet di n đau mũi vật thể A mm2 Góc trục dọc vật thể trục dọc khoang rỗng θ rad H số cản cx, k H số cản vật hình đĩa cx0 Đường kính đau mũi vật thể dc mm Đường kính khoang rỗng Dca mm Số khoang rỗng σ Tổng chieu dài vật thể L mm Chieu dài phan đau vật thể L1 mm 10 Chieu dài phan thân vật thể L2 mm 11 Chieu dài khoang rỗng Lca mm 12 Mật độ nước ρl kg/m3 13 Mật độ nước ρv kg/m3 14 Áp suất bão hịa pv Pa 15 Áp suất mơi trường xa vơ p∞ Pa 16 Vận tốc dịng chảy V m/s DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ Hình – iểu đo pha (phas ) chất lỏng .3 Hình – òng chảy bao quanh pro il Hình 1.1.3 – Mơ tả khoang rỗng q trình chuyển động vật thể dạng mảnh Hình 1.1.4 – Hình dáng khoang rỗng [18] Hình 1.1.5 – Hình dạng elip khoang rỗng Hình 1.1.6 – ạng chuyển động vật thể khoang rỗng Hình 1.2.1 – Mơ hình nghiên cứu R Rand et al Hình 1.2.2 – Ket tính toán quãng đường vận tốc vật thể theo mơ hình [19] 10 Hình 1.2.3 – H số áp suất Cp vật thể hình trụ đau phẳng đau bán cau 11 Hình 1.2.4 – H thống thí nghi m vật thể sử dụng vi c khảo sát .11 Hình 2.1.1 – Các trục vật thể h quy chieu quán tính 12 Hình 2.1.2 – Chieu dài dính ướt vật thể 13 Hình 2.1.3 – Hình dạng khoang rỗng .15 Hình 3.1.1 – Sơ đo hoạt động lọc Kalman cổ điển 22 Hình 3.2.1 – Sơ đo vận hành mơ hình số ket hợp 28 Hình 3.3.1 – Vật thể nghiên cứu toán 30 Hình 3.3.2 – Mơ hình 2D nửa đối xứng 30 Hình 3.3.3 – Lưới tính tốn .30 Hình 3.3.4 – Thiet lập chung 31 Hình 3.3.5 – Thiet lập mơ hình dịng chảy .31 Hình 3.3.6 – Kích hoạt mơ hình cavitation .32 Hình 3.3.7 – Nạp thư vi n UDF vào ANSYS Fluent 32 Hình 3.3.8 – Thiet lập Inlet Outlet .33 Hình 3.3.9 – Thiet lập Operating Pressure .33 Hình 3.3.10 – Thiet lập giải thời gian tính 34 Hình 4.1.1 – Ket tính tốn vận tốc chuyển động vật thể U(t) 36 Hình 4.1.2 – Ket tính tốn vận tốc chuyển động vật thể U(t) 37 Hình 4.1.3 – Ket tính tốn vận tốc chuyển động vật thể U(t) 37 Hình 4.2.1 – Đường đong mức khoang rỗng thời điểm t = 0.0001 (s) 38 Hình 4.2.2 – Đường đong mức khoang rỗng thời điểm t = 0.0005 (s) 38 Hình 4.2.3 – Đường đong mức khoang rỗng thời điểm t = 0.001 (s) 39 Hình 4.2.4 – Đường đong mức khoang rỗng thời điểm t = 0.0015 (s) 39 Hình 4.2.5 – Đường đong mức khoang rỗng thời điểm t = 0.002 (s) 40 Hình 4.2.6 – So sánh ket mơ với thực nghi m [8] 40 MỞ ĐẦU Vật thể chuyển động nước nói chung tốn phức tạp, có tham gia dịng chảy nhieu pha Dịng chảy nhieu pha với q trình chuyển pha chất lỏng chưa lĩnh vực dễ dàng nghiên cứu Để giải quyet toán ve Cơ học chất lỏng nói chung dịng chảy nhieu pha nói riêng, phương pháp thủy khí động lực tính tốn (CFD) phương pháp sử dụng phát triển rộng rãi Phương pháp CF thuộc nhóm phương pháp số, giúp kỹ sư, nhà nghiên cứu có phân tích chi tiet ve dịng chảy chất lỏng, đưa định hướng thí nghi m, Khi vật thể có dạng mảnh (slender body) di chuyển với vận tốc lớn (≥ 50m/s) môi trường nước, hi n tượng khoang rỗng (supercavitation) xuất hi n mà phan nước (dạng lỏng) xung quanh vật thể chuyển hóa thành dạng (khí) Lớp nước (khí) bao bọc hau het vật thể (ngoại trừ phan đau mũi) khien cho lực cản môi trường giảm nhieu Nhờ có khoang rỗng (cavity) tạo mà vật thể di chuyển quãng đường xa Các nghiên cứu ve vật thể chuyển động nước từ lâu nhieu nhóm nghiên cứu the giới nghiên cứu ứng dụng Ở Vi t Nam, vấn đe mẻ Các nghiên cứu có ngồi nước ve vật thể chuyển động nước chia thành hướng chính: - - Nghiên cứu lý thuyet:  Nghiên cứu ve hi n tượng khoang rỗng: ảnh hưởng hình dạng vật thể đen xuất hi n khoang rỗng; dạng khoang rỗng; hình dạng, kích thước khoang rỗng [19]; xâm thực cánh quạt máy bơm, cánh chân vịt tàu, [6]  Xây dựng mơ hình động lực học mơ tả, dự đoán chuyển động vật thể di chuyển nước hi n tượng khoang rỗng xảy [12, 14, 17] Nghiên cứu thực nghi m:  Xây dựng h thí nghi m đo đạc chuyển động vật thể có hi n tượng khoang rỗng xuất hi n [20] Các nghiên cứu thực nghi m chủ yeu hướng đen mục đích kiểm chứng ket nghiên cứu lý thuyet (tính tốn, mơ số, ) Tuy nhiên vi c tien hành thí nghi m có chi phí tốn nên khó thực hi n nhieu lan, với đieu ki n nghiên cứu cịn nhieu khó khăn nước o đó, để giúp cho vi c tính tốn, mơ số ve mặt lý thuyet trở nên sát với thực nghi m hơn, ta can sử dụng thêm phương pháp hi u ch nh tốn học cho mơ hình lý thuyet từ số li u đo đạc Phương pháp lọc Kalman (Kalman filter) – số phương pháp hi u ch nh có độ xác cao sử dụng luận văn Phương pháp lọc Kalman bắt đau phát triển vào năm 960 nhà thống kê R.E Kalman [10, 11] công cụ sử dụng phổ bien thống kê toán học lý thuyet hi u ch nh Phương pháp lọc Kalman nghiên cứu ứng dụng chương trình tính dự báo mưa Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn ên cạnh đó, phương pháp lọc Kalman nghiên cứu ứng dụng tốn lan truyen nhiễm nước mặt [7] nhóm nghiên cứu lũ lụt Vi n Cơ học Vi c nghiên cứu áp dụng phương pháp tính tốn hi n đại giúp mơ hình mơ tả mức độ lan truyen nhiễm gan với thực đo hơn; trình dự báo mưa lũ, đieu hành liên ho chứa xác Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả đe xuất vi c ứng dụng phương pháp lọc Kalman ket hợp với phương pháp CF để hi u ch nh q trình tính tốn vận tốc chuyển động vật thể dạng mảnh đong thời mô xuất hi n khoang rỗng vật thể di chuyển môi trường nước Sự ket hợp kỳ vọng giúp giảm thiểu sai số q trình tính toán đong thời thể hi n tương tác chuyển động vật thể dòng chảy xung quanh Luận văn chia thành chương bên cạnh phan Mở đau, Ket luận danh sách Tài li u tham khảo Nội dung chương sau: - Chương : Giới thi u ve tổng quan chuyển động môi trường nước vật thể dạng mảnh - Chương : Giới thi u ve mô hình lý thuyet mơ tả chuyển động vật thể mơi trường nước có khoang rỗng xuất hi n - Chương 3: Trình bày ve ứng dụng phương pháp lọc Kalman vào toán vật thể dạng mảnh chuyển động mơi trường nước có xuất hi n khoang rỗng - Chương 4: Trình bày ket luận văn Chƣơng – Tổng quan chuyển động môi trƣờng nƣớc vật thể dạng mảnh 1.1 Đặc điểm chuyển động vật thể dạng mảnh có hiệu ứng khoang rỗng 1.1.1 Ng ồn gốc, ản chất củ hiệu ứng khoang rỗng Hi u ứng khoang rỗng (supercavitation) có nguon gốc từ hi n tượng xâm thực (cavitation) chất lỏng [6 Th o đó, bọt khí bắt đau xuất hi n môi trường chất lỏng đong nhất, bọt khí phát triển tri t tiêu th o đặc trưng khác phụ thuộc vào đặc điểm dòng chảy chất vật lý chất lỏng Hình 1.1.1 mơ tả biểu đo Pha chất lỏng [6 Th o đó, đường cong phân chia chất lỏng thành pha: rắn, lỏng khí Điểm Tr gọi Triple Point, pha rắn, lỏng chất lỏng ton Hình 1.1.1 – iểu đo pha (phase) chất lỏng Quan sát biểu đo cho thấy: nhi t độ không đổi Tf, áp suất chất lỏng giảm xuống đen giá trị tới hạn áp suất bão hịa pv(Tf) phan chất lỏng chuyển đổi từ pha lỏng sang pha dan đen hình thành bọt khí Các bọt khí phát triển di chuyển tới vùng áp suất cao chất lỏng, sau thu nhỏ lại với tốc độ cao, cao tốc độ phát triển cuối bien Sự bien nhanh chóng bọt khí thường k m th o tieng nổ li ti tác động vào be mặt vật thể có chất lỏng làm phá vỡ cấu trúc be mặt gây nên ăn mịn Ví dụ: ăn mịn cánh quạt chân vịt, cánh quạt máy bơm nước, turbin,… [6 Hi n tượng gọi xâm thực Đieu ki n vật lý để xảy hi n tượng xâm thực thể hi n ví dụ dịng chảy bao quanh profile ngập nước hình 1.2