Nghiên cứu đặc tính thủy lực và xâm thực dòng 2d tốc độ cao chảy bao cánh có chiều dầy với biên dạng 1 cung tròn bằng mô phỏng số

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu đặc tính thủy lực xâm thực dịng 2D tốc độ cao chảy bao cánh có chiều dầy với biên dạng cung trịn mơ số NGUYỄN VĂN THANH Thanh.nv211328M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật khí động lực Giảng viên hướng dẫn 1: PGS.TS Trương Việt Anh Chữ ký GVHD Khoa: Cơ khí động lực, Trường Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội Giảng viên hướng dẫn 2: TS Lê Đình Anh Chữ ký GVHD Khoa: Viện Công nghệ Hàng không Vũ trụ, Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội HÀ NỘI, 04/2023 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập ‒ Tự ‒ Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Văn Thanh Đề tài luận văn: Nghiên cứu đặc tính thủy lực xâm thực dịng 2D tốc độ cao chảy bao cánh có chiều dầy với biên dạng cung trịn mơ số Chuyên ngành: Cơ khí động lực Mã số HV: 20211328M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 26/04/2023 với nội dung sau: Đã thống tên đề tài, sử dụng thuật ngữ “túi xâm thực” thay cho “khoang xâm thực” Đã Việt hóa tồn thích tiếng Anh hình ảnh, bảng biểu Đã sửa lỗi soạn thảo Đã cập nhật lại tài liệu tham khảo Đã xếp lại tất phần đánh số phương trình, lề phải Đã xuất lại file ảnh có chất lượng tốt để in ấn Đã chỉnh sửa số nội dung cho phù hợp với phạm vi luận văn Ngày Giáo viên hướng dẫn PGS.TS Trương Việt Anh TS Lê Đình Anh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG tháng năm Tác giả luận văn KS Nguyễn Văn Thanh LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Họ tên học viên: Nguyễn Văn Thanh Ngành: Cơ khí động lực Hệ: Thạc sĩ khoa học Khóa: 2021A Họ tên giáo viên hướng dẫn 1: PGS.TS Trương Việt Anh Họ tên giáo viên hướng dẫn 2: TS Lê Đình Anh Tên đề tài: Nghiên cứu đặc tính thủy lực xâm thực dịng 2D tốc độ cao chảy bao cánh có chiều dầy với biên dạng cung trịn mơ số Mục tiêu đề tài: Xây dựng đặc tính thủy lực xâm thực dòng 2D tốc độ cao chảy bao cánh có chiều dầy với biên dạng cung trịn mơ số Cụ thể, đưa mối tương quan đặc tính thủy lực xâm thực theo góc tới, hệ số xâm thực, độ cong cung, quy luật đắp chiều dầy điều kiện dòng dịng nước có tốc độ cao (Re = 10 ) Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: Phương pháp mô số để mô dòng chảy rối xâm thực chảy bao cánh 2D Đưa đặc tính thủy lực cách cung tròn chiều dầy hữu hạn (chưa kể đến tượng xâm thực) Đưa đặc tính thủy lực cách cung tròn chiều dầy đắp theo quy luật IVGM420 (chưa kể đến tượng xâm thực) Đưa đặc tính thủy lực xâm thực cách cung tròn chiều dầy đắp theo quy luật IVGM420 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) PGS.TS Trương Việt Anh TS Lê Đình Anh LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực đề tài “Nghiên cứu đặc tính thủy lực xâm thực dòng 2D tốc độ cao chảy bao cánh có chiều dầy với biên dạng cung trịn mơ số”, tơi nhận nhiều giúp đỡ, tạo điều kiện tập thể Ban Giám hiệu, Bộ phận Đào tạo Sau Đại học - Phịng Đào tạo, Khoa Cơ khí động lực, giảng viên, cán phòng, ban chức Trường Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội Tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành giúp đỡ Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trương Việt Anh TS Lê Đình Anh – thầy giáo trực tiếp hướng dẫn hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn Đề tài KHCN cấp DHQGHN, Mã số đề tài: QG.21.32 hỗ trợ tơi q trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình thực hồn thành luận văn TĨM TẮT Luận văn thạc sĩ trình bày nội dung: “Nghiên cứu đặc tính thủy lực xâm thực dịng 2D tốc độ cao chảy bao cánh có chiều dầy với biên dạng cung trịn mơ số” Để thực nội dung này, tác giả nghiên cứu sở lý thuyết dòng chảy bao, dòng chảy xâm thực, lý thuyết tính tốn động lực học lưu chất (CFD), phương pháp tính tốn cách cung trịn (phương pháp Voznhexenxki - Pekin), mơ hình số dịng chảy rối dịng chảy xâm thực Sau đó, xây dựng phương pháp mơ dịng chảy rối dòng chảy xâm thực tốc độ cao chảy bao biên dạng cánh 2D Phương pháp mô số tiến hành gồm bước sau: Tiến hành xây dựng mơ hình hình học, miền tính tốn, đánh giá hội tụ lưới, xác định mơ hình rối, mơ hình xâm thực phù hợp thông qua kiểm chứng với thông số thực nghiệm, nghiên cứu khác có điều kiện dịng vào Sau thực bước có phương pháp số phù hợp, tiếp tục tiến hành mơ dịng chảy qua biên dạng cánh nghiên cứu Tất tính tốn thực phần mền Ansys Fluent 19.1 Các kết nghiên cứu tổng hợp xử lý dạng bảng biểu đồ thị Kết luận văn phù hợp với vấn đề đặt Kết góp phần bổ sung sở liệu cho trình thiết kế máy cánh dẫn, vừa tính thực tiễn cấp thiết, đóng góp cho ngành máy thủy khí phát triển định hướng cơng nghiệp hóa đất nước Hướng phát triển đề tài (nếu có) khảo sát đánh giá rộng ảnh hưởng tính chất vật lý mơi chất làm việc nồng độ khí hịa tan, nhiệt độ mơi chất đến đặc tính thủy lực, đặc tính xâm thực cánh 2D Bên cạnh đó, ứng dụng kết nghiên cứu để phát triển mẫu máy bơm hướng trục tỷ tốc cao nhằm nâng cao khả chống xâm thực chất lượng thủy lực máy Tác giả luận văn KS Nguyễn Văn Thanh MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG .17 DANH MỤC KÍ HIỆU 18 LỜI MỞ ĐẦU 21 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Phạm vi ứng dụng cách cung tròn 1.2 Một số nghiên cứu nước liên quan đến đề tài 1.3 Một số nghiên cứu phương pháp mô dòng chảy rối chảy bao biên dạng cánh 2D 1.4 Một số nghiên cứu phương pháp mơ dịng chảy xâm thực 1.5 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu đề tài 1.6 Mục tiêu luận văn .9 1.7 Nội dung luận văn 1.8 Phương pháp nghiên cứu 1.9 Đối tượng phạm vi nghiên cứu .10 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Đặc tính thủy lực dòng chảy bao quanh cánh 2D 11 2.2 Lý thuyết dòng chảy xâm thực đặc tính xâm thực cánh 2D [39] 11 2.2.1 Hiện tượng xâm thực 11 2.2.2 Xâm thực dòng chảy thực 13 2.2.3 Hệ số xâm thực – Cavitation Number .15 2.2.4 Phân loại xâm thực Hydrofoil .16 2.2.5 Tính chất dịng xâm thực chảy bao biên dạng Hydrofoil 18 2.3 Lý thuyết mô số động lực học lưu chất CFD mơ hình số mơ tượng rối xâm thực cánh 2D 28 2.3.1 2.3.2 Tổng quan CFD [40] 28 Cơ sở lý thuyết tính tốn CFD 30 2.3.3 Các mơ hình rối 37 2.3.4 Mơ hình xâm thực 43 2.4 Phương pháp thiết kế cánh dạng đường nhân cung tròn bơm hướng trục (phương pháp Voznhexenxki - Pekin) [5] 44 2.4.1 Cơ sở lí thuyết phương pháp tích phân Voznhexenxki - Pekin 44 2.4.2 Nội dung tính tốn cánh cơng tác theo phương pháp Voznhexenski - Pekin 51 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH THỦY LỰC CÁNH CUNG TRỊN CĨ CHIỀU DẦY HỮU HẠN VÀ CHIỀU DẦY ĐẮP THEO QUY LUẬT IVGM420 62 3.1 Xây dựng biên dạng hình học, miền tính tốn đánh giá hội tụ lưới 62 3.1.1 Các dạng hình học 62 3.2 3.3 3.1.2 Xây dựng miền tính tốn chia lưới ICMCFD 64 3.1.3 Điều kiện biên tính toán 65 3.1.4 Đánh giá hội tụ lưới 66 Xây dựng phương pháp mơ dịng chảy rối 67 3.2.1 Thiết lập mô hình tường thuật giải cụ thể cho mơ hình rối 67 3.2.2 Kết lựa chọn mơ hình rối 68 Đặc tính thủy lực tính chất dịng chảy cách cung trịn có chiều dầy hữu hạn 69 3.3.1 Đặc tính thủy lực cánh cung trịn có chiều dầy hữu hạn .70 3.3.2 Đặc tính dịng chảy cánh cung trịn có chiều dầy hữu hạn 70 3.4 Đặc tính thủy lực tính chất dịng chảy cách cung trịn có chiều dầy đắp theo mẫu IVGM420 73 3.4.1 Đặc tính thủy lực cánh cung trịn có chiều dầy đắp theo mẫu IVGM420 73 3.4.2 Đặc tính dịng chảy cánh cung trịn có chiều dầy đắp theo mẫu IVGM420 79 3.5 Kết luận 87 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH XÂM THỰC CÁNH CUNG TRỊN CĨ CHIỀU DẦY ĐẮP THEO QUY LUẬT IVGM420 89 4.1 Xây dựng phương pháp mơ dịng xâm thực tốc độ cao chảy bao biên dạng cánh 2D 89 4.1.1 Thiết lập thuật giải điều kiện biên tính tốn 89 4.1.2 Kết thảo luận 91 4.2 Đặc tính xâm thực 95 4.2.1 Một số kết luận đặc tính xâm thực mẫu cách cung trịn có chiều dầy đắp theo mẫu IVGM420 95 4.2.2 Một số ảnh hưởng chiều dầy đến tính chất xâm thực 96 4.2.3 4.3 Các dạng xâm thực xuất cách cung tròn 97 Kết luận chương 118 CHƯƠNG KẾT LUẬN 120 5.1 Kết luận 120 5.2 Hướng phát triển đề tài 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 123 PHỤ LỤC 127 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ứng dụng bơm hướng trục Hình 1.2 Ứng dụng máy nén hướng trục Hình 1.3 Ứng dụng tuabin Savonius Hình 1.4 Ứng dụng quạt ly tâm Hình 2.1 Phân bố lực biên dạng cánh 11 Hình 2.2 Biểu đồ pha [39] 12 Hình 2.3 Andrews-isotherms [39] 12 Hình 2.4 Các dạng xâm thực Hydrofoil [37] 17 Hình 2.5 Dịng chảy bao profine [37] 18 Hình 2.6 Các dạng xâm thực Re = 2x10 mặt biên dạng cánh hình trịn plano [39] .20 Hình Dịng chảy ngược (re-entrant jet) [39] .22 Hình 2.8 Hành vi khơng ổn định điển hình túi xâm thực, phát triển dòng chảy ngược tan rã định kỳ đám mây xâm thực [39] .22 Hình 2.9 Dịng chảy xâm thực qua Hydrofoil, dòng chảy ngược .22 Hình 2.10 Cơ chế dịng siêu xâm thực [39] .24 Hình 2.11 Tách thành dịng siêu thâm thực chảy qua vật thể có cạch sắc (a) vật thể có tường trơn chu [39] 24 Hình 2.12( a) tách thành khơng tiếp tuyến (b) tách thành tiếp tuyến [39] 24 Hình 13 Ảnh hưởng ứng suất bề mặt đến điểm tách thành [39] 25 Hình 2.14 Chiều dài túi xâm thực không thứ nguyên với áp suất tương đối túi xâm thực theo tọa độ logarit nêm đối xứng kênh bề mặt tự [Michel 1973] ba giá trị độ sâu chìm h [39] 27 Hình 2.15 Ứng dụng CFD hàng không 30 Hình 2.16 Ứng dụng CFD otô 30 Hình 2.17 Ứng dụng CFD máy cánh 30 Hình 2.18 Ứng dụng CFD xây dựng 30 Hình 2.19 Sơ đồ lưới profin mỏng vơ phân bố xốy đường nhân [5] 46 Hình 2.20 Đồ thị biểu diễn quan hệ Δα βo [5] o [5] 49 Hình 2.21 Các đường cong biểu diễn quan hệ phụ thuộc L* vào bước lưới tương đối T/L góc đặt [5] 50 Hình 2.22 Đồ thị xác định bổ sung độ cong tính tới ảnh hưởng chiều dầy profin [5] [5] Hình 2.23 Biểu đồ quan hệ Hình 2.24 Biểu đồ quan hệ ൌ 50 53 53 ns=f(KHtư) [5] Hình 2.25 Biểu đồ để xác định độ mau tối thiểu cho phép lưới cánh [5] 54 Hình 26 Biểu đồ xác định độ mau lưới cánh tiết diện trung bình [5] 57 Hình 2.27 Sơ đồ tiết diện kinh tuyến bánh công tác [5] 58 Hình 2.28 Sơ đồ xác định thơng số hình học cung tương đương [5] 60 Hinh 3.1 Biên dạng hình học NACA4412 [53] 62 Hinh 3.2 Cấu trúc hình học cánh CAβo [5] x 63 Hinh 3.3 Cấu trúc hình học cánh CA420βo [5] xδy y 63 Hinh 3.4 Tổng hợp hình học tính tốn cánh CA420βo [5] xδy y 64 Hình 3.5 Tính tốn chiều cao lớp biên ban đầu online.com/Tools/yplus.php) (https://www.cfd- Hình 3.6 Miền tính tốn cánh CAβo [5] x 65 65 Hình 3.7 Miền tính tốn cánh NACA4412 65 Hình 3.8 Miền tính tốn cánh CAβo [5] 48δy 66 Hình 3.9 Miền tính tốn cánh CA420βo [5] xδy y 66 Hình 3.10 Đánh giá hội tụ lưới 69