Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy.

Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy.

LỜI CẢM ƠN Luận văn tiến sỹ – NCS Lê Thị Thái, chuyên ngành Cơ chất lỏng – với đề tài “Nghiên cứu tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy” hoàn thành thời gian quy định bốn năm đạt đƣợc kết đề Nội dung thực luận văn giúp nâng cao khả tự nghiên cứu trình ứng dụng phát triển khoa học kỹ thuật Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Quang TS Lê Thanh Tùng, ngƣời hƣớng dẫn trực tiếp cho tơi làm hồn thành nội dung đề tài Những lời khuyên, hƣớng dẫn bổ ích thầy định hƣớng giúp tiếp cận tốt với nội dung đề tài Tôi xin cảm ơn Thầy Cơ Viện Cơ Khí Động Lực, mơn thuộc Viện Cơ Khí Động Lực tạo điều kiện tra cứu tài liệu, đóng góp ý kiến cho tơi hồn thành tốt luận văn Xin cảm ơn trung tâm thí nghiệm xâm thực trƣờng Đại học Đại dƣơng quốc gia, Đài Loan tạo hội cho đƣợc thực nghiệm Hà Nội, ngày 30 tháng 07 năm 2013 Nghiên cứu sinh Lê Thị Thái LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn tiến sỹ đề tài “Nghiên cứu tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy” tự thực đồng thực dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Lê Quang TS Lê Thanh Tùng Để hoàn thành luận văn này, dùng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo mà không dùng tài liệu khác Khơng có chép, gian lận kết công trình nghiên cứu khác Hà Nội, ngày 30 tháng 07 năm 2013 Nghiên cứu sinh Lê Thị Thái MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Phần mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan 1.1 Tổng quan tƣợng xâm thực 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Bản chất vật lý xâm thực 1.1.3 Điều kiện xuất xâm thực 1.1.4 Phân loại xâm thực 1.2 Tổng quan phƣơng pháp số dự đoán xâm thực 1.2.1 Phƣơng pháp số 1.2.2 Phƣơng pháp mặt nâng 1.2.3 Phƣơng pháp phần tử biên 1.2.4 Phƣơng pháp EULER, RANS dòng hai pha 1.3 Một số kết nghiên cứu xâm thực thiết bị đẩy tàu thủy 1.4 Phạm vi áp dụng đề tài 5 13 13 16 18 23 25 27 Chƣơng 2: Nghiên cứu, khảo sát dòng chảy bao chân vịt tàu thủy 29 2.1 Chân vịt đặc tính làm việc chân vịt tàu thủy 30 2.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn 2.2.1 Mơ tả vấn đề 2.2.2 Phƣơng trình tổng quát dòng 2.2.3 Các điều kiện biên 2.2.4 Các điều kiện biên bề mặt xâm thực 2.3 Khảo sát dòng chảy bao chân vịt phƣơng pháp số 2.3.1 Mơ hình tính tốn 32 32 34 35 37 45 45 2.3.2 Mơ hình hình học miền tính tốn 2.2.3 Kết tính tốn số 2.4 Kết luận Chƣơng 3: Nghiên cứu, mơ dịng xâm thực qua chân vịt 3.1 Hiện tƣợng xâm thực thiết bị đẩy 3.2 Nghiên cứu số mơ hình xâm thực 2D 3.2.1 Sử dụng phƣơng pháp LES 3.2.2 Sử dụng phƣơng pháp RANS 48 48 55 56 56 57 57 65 3.3 Nghiên cứu số mơ hình xâm thực 3D 3.3.1 Tính tốn dịng qua chân vịt tàu thủy 75 75 3.3.2 Tính tốn dịng qua hệ thống chân vịt – bánh lái 3.4 Kết luận 80 84 Chƣơng 4: Khảo sát thực nghiệm đặc tính xâm thực chân vịt 4.1 Khảo sát dạng thiết bị phục vụ cho thực nghiệm 4.1.1 Thử nghiệm mặt thoáng 4.1.2 Thử nghiệm thiết bị đẩy 4.1.3 Các thử nghiệm xâm thực 4.2 Xây dựng mơ hình thử nghiệm 4.2.1 Đặt vấn đề 4.2.2 Bài tốn xây dựng mơ hình 4.3 Phƣơng án thực nghiệm 4.3.1 Giới thiệu phƣơng pháp thực nghiệm 4.3.2 Thiết lập chƣơng trình thực nghiệm 4.3.3 Kếtluận Kết luận kiến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC : Code chƣơng trình tính tốn số mơ hình xâm thực 2D phƣơng pháp LES 85 85 85 88 92 94 94 95` 96 96 99 103 104 106 109 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU A : Diện tích bề mặt cánh Ac : Diện tích vùng xâm thực Cw : Hàm mặt cong siêu xâm thực Cx, Cy, Cz : Hệ số lực theo phƣơng x,y,z CL, CD : Hệ số lực nâng, hệ số lực cản 3D Cl, Cd : Hệ số lực nâng, hệ số lực cản 2D Cp : Hệ số áp suất D : Đƣờng kính chân vịt F(s1,s2,s3,t) : Hàm mô tả bề mặt xâm thực F(ξ,η) : Hàm mô tả cong 2D F : Vector lực G(x,x) : Hàm Green’s J : Bƣớc tƣơng đối chân vịt KT : Hệ số lực KQ : Hệ số mômen M : Vector mômen O : Thứ tự cƣờng độ Q = Mx : Mô men mô men quay R : Bán kính chân vịt C = бΩ : Lớp biên trƣờng dòng SB : Bề mặt ƣớt vật thể SC : Bề mặt xâm thực SBC : Bề mặt giao xâm thực vật thể Sw : Bề mặt dòng theo Swc : Bề mặt giao dòng theo xâm thực T : Lực đẩy (u,v) : Thành phần vận tốc tiếp tuyến pháp tuyến V = (vx,vy,vz): Vận tốc tổng dịng VC : Thể tích xâm thực VO : Vận tốc dòng tự VS : Vận tốc dịch chuyển vật thể Vg : Vận tốc lƣới Vm : Vận tốc trung bình dịng theo Vw(x,y,z) : Vận tốc không ảnh hƣởng VRef : Vận tốc tham chiếu VS1, VS2, VS3 : Thành phần vận tốc hệ thống tham chiếu không trực giao VU1, VU2, VU3 : Thành phần vận tốc hệ thống tham chiếu trực giao X = (X,Y,Z) : Khung tham chiếu không gian cố định g : Trọng lực g : Hàm ngầm định cho bề mặt siêu xâm thực (i,j,k) : Vector vận tốc đơn vị xâm thực tham chiếu cho vật thể cố định lC : Chiều dài xâm thực n Tốc độ vòng quay P : Áp suất PV : Áp suất PRef : Áp suất tham chiếu r : Vector khoảng cách rf : Khoảng cách điểm đƣờng cong tuyến tính tham chiếu SO : Chiều dài cung điểm tách xâm thực (S1,S2,S3) : Hệ tọa độ không trực giao t : Thời gian * t : Thời gian đặc trƣng đối lƣu (t1,t2,t3) : Vector đơn vị (u1,u2,u3) : Hệ tọa độ tham chiếu trực giao gắn với bề mặt dạng cong tuyến tính V : Vận tốc nhiễu loạn X = (x,y,z) : Hệ tọa độ tham chiếu cho vật thể cố định X = (x,r,θ) : Hệ tọa độ cực Δ : Biến, loại kích cỡ (2D) Γ = - Δ : Hồn lƣu Ω : Trƣờng dịng bên ngồi ⃗ : Vận tốc góc α : Góc tới δ : Chiều dài điểm kết thúc xâm thực η : Chiều dày xâm thực η0 : Hiệu suất chân vịt ηω : Chiều dài siêu xâm thực  : Thế nhiễu  : Độ cong λ : Bƣớc sóng ω : Tần số góc θ : Góc t1 t2 ρ : Mật độ nƣớc ζ : Số xâm thực  : Trọng lƣợng riêng nƣớc Vl Vv : Thể tích pha lỏng : Thể tích pha Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU LÝ DO NGHIÊN CỨU, MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI Khái niệm xâm thực trở thành quen thuộc chuyên môn nghiên cứu hệ thống thiết bị đẩy Ngƣời quan sát thấy đốm trắng khơng khí lọt qua thủy tinh nghiên cứu vịng xốy (Newton 1704) Nhƣng phải đến phát xuất bọt khí chân vịt làm giảm tốc độ tàu thủy (Reynolds 1873, Barnaby Pasons 1893), nghiên cứu hình thành xâm thực bắt đầu đƣợc quan tâm Năm 1895, tên “Xâm thực – Cavitation’ đƣợc nhà khoa học thức đặt tên cho tƣợng xuất bọt khí hay khoang rỗng lịng chất lỏng có suy giảm áp suất cục dƣới áp suất bão hòa Hệ thống thiết bị đẩy làm việc chất lỏng có khả bị xâm thực Quan sát trình xâm thực xảy cánh dƣới dạng tập hợp nhiều profil thấy q trình xâm thực thơng thƣờng nhƣ sau: Ban đầu bọt khí nhỏ xuất đầu cánh, vùng bọt khí xâm chiếm khơng đáng kể Chân vịt tiếp tục quay, bọt khí theo đuổi tách khỏi mặt đầu cánh lơ lửng chất lỏng thời gian ngắn Khi chân vịt quay với tốc độ giới hạn định tƣợng sủi bọt bao trùm mặt hút cánh bọt khí từ liên tục Nếu vận tốc quay vận tốc tịnh tiến chân vịt tăng lên nữa, tƣợng sủi bọt có khả lây sang mặt đẩy Khi xâm thực phát triển thiết bị dẩy tàu thủy, điều kiện làm việc ổn định thiết bị thƣờng bị phá vỡ gây cân bằng, suy giảm hiệu suất suất, gây rung động tiếng ồn Đặc biệt, tƣợng ăn mịn xâm thực xảy mãnh liệt phá hủy bề mặt chi tiết Mỗi dạng thiết bị, điều kiện làm việc hay chất lỏng làm việc khác nhau, xâm thực xảy cƣờng độ trạng thái hoàn toàn khác Bài toán xâm thực trở nên phức tạp có ảnh hƣởng nhiệt độ, hàm lƣợng khí khó hịa tan, hoạt chất hóa học,… địi hỏi phải nghiên cứu mang tính liên ngành Sự phong phú, đa dạng chịu ảnh hƣởng nhiều tham số khiến cho việc nghiên cứu xâm thực vấn đề khó khăn thú vị nhà khoa học Mặt khác để tiến hành thực nghiệm xâm thực hệ thống thiết bị đẩy tàu thủy cần xây dựng giá thí nghiệm chuyên dụng, camera quan sát tốc độ cao (triệu ảnh/giây) thiết bị đo Lời mở đầu đồng Do tác giả luận án lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy” áp dụng cho tốn nghiên cứu điển hình xâm thực hệ thống thiết bị đẩy tàu thủy Phƣơng pháp mơ số động lực học dịng chảy đƣợc áp dụng nghiên cứu, phân tích đặc tính xâm thực.Kết lý thuyết đƣợc kiểm nghiệm kết thực nghiệm Những kết luận án hƣớng tới ứng dụng vào thực tế cơng nghiệp đóng tàu nhƣ xây dựng sở liệu xâm thực cho dạng chân vịt phổ biến nƣớc ta Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Việc nghiên cứu tƣợng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy có ý nghĩa khoa học, ứng dụng vào việc xây dựng sở lý thuyết cho trình thiết kế sản phẩm, tạo điều kiện thuận lợi cho nhà thiết kế phân tích, lựa chọn chế độ hoạt động chân vịt thiết kế Kết đề tài có ý nghĩa thực tiễn áp dụng cho việc dự báo hình thành xâm thực bề mặt chân vịt, đặc tính động lực học đánh giá hiệu suất làm việc tƣơng ứng số chế độ vận hành khác Các nội dung nghiên cứu đề tài góp phần củng cố luận khoa học cho trình thiết kế, sử dụng hiệu vào khai thác tàu Việc ứng dụng tính tốn mơ máy tính phƣơng pháp tiên tiến cho phép tiết kiệm thời gian thiết kế, giảm kinh phí đầu tƣ cho chế tạo thử nghiệm ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Các tiêu, thơng số động lực học dịng chảy ảnh hƣởng chúng đến hình thành xâm thực thơng số đặc tính chân vịt yêu cầu quan trọng trình nghiên cứu, Để thực nội dung đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu số vấn đề sau:  Nghiên cứu tƣợng xâm thực xuất chân vịt hoạt động  Nghiên cứu phƣơng pháp tính tốn số đƣợc ứng dụng tốn dịng qua chân vịt khơng xâm thực có xâm thực  Thiết lập tốn dịng qua chân vịt phƣơng pháp khác nhƣ phƣơng pháp RANS, LES phƣơng pháp truyền thống thiết kế chân vịt tàu thủy Lời mở đầu  Thiết lập chƣơng trình thực nghiệm để khảo sát đặc tính xâm thực chân vịt tàu thủy So sánh kết mô số với thực nghiệm PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Nghiên cứu đƣợc thực dựa sở lý thuyết học chất lỏng lý thuyết cánh Tác giả xây dựng mơ hình tính tốn khác để mơ dịng xâm thực không xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy thông qua phần mềm ANSYS Fluent dựa tảng Computational Fluid Dynamics (CFD) xây dựng đặc tính chân vịt, dự đoán, đánh giá xâm thực chân vịt ảnh hƣởng đến hiệu suất làm việc chân vịt Nghiên cứu thực nghiệm đƣợc tiến hành cho mẫu chân vịt mơ hình phịng thí nghiệm xâm thực chuyên ngành tàu thủy, trƣờng Đại học Đại dƣơng Quốc gia, Đài Loan Kết thực nghiệm kiểm chứng cho tốn lý thuyết mơ BỐ CỤC LUẬN ÁN Luận án bao gồm phần mở đầu, phần kết luận-kiến nghị bốn chƣơng: Chương 1.Tổng quan Trình bày khái quát tƣợng xâm thực, trình bày khái quát phƣơng pháp số dự đoán xâm thực sở thống kê tổ chức ITTC Phân tích, đánh giá số cơng trình nghiên cứu có tác giả nƣớc ngồi có liên quan đến đề tài luận án Từ nêu vấn đề tồn vấn đề mà luận án tập trung nghiên cứu, giải Chương 2.Nghiên cứu, khảo sát dòng chảy bao chân vịt tàu thủy Giới thiệu chân vịt tàu thủy thơng số đặc tính làm việc chân vịt Thiết lập sở lý thuyết tính tốn để sở khảo sát dịng chảy qua chân vịt tàu thủy phƣơng pháp số Kết toán đƣa nhận định khả làm việc chân vịt với chế độ hoạt động khác Chương Nghiên cứu, mơ dịng xâm thực qua chân vịt tàu thủy “UBlendingFactor", runTime.timeName(), mesh, IOobject::NO_READ, IOobject::NO_WRITE fvc::interpolate(gamma) # include "createPhi.H" Inforho2(); const dimensionedScalar& pSat = twoPhaseProperties->pSat(); // Need to store rho for ddt(rho, U) volScalarField rho IOobject "rho", runTime.timeName(), mesh, IOobject::READ_IF_PRESENT, IOobject::AUTO_WRITE gamma*rho1 + (scalar(1) - gamma)*rho2, gamma.boundaryField().types() rho.oldTime(); label pdRefCell = 0; scalar pdRefValue = 0.0; setRefCell(pd, mesh.solutionDict().subDict("PISO"), pdRefCell, pdRefValue); Info