Nghiên ứu đặ tính khí động họ và giảm lự ản khí động họ tá động nên ano hở kháh

Phân bố dòng, áp suất tác động lên tàu trên mặt thống, hình ảnh mơ phỏng số với dòng 2 pha sử dụng ANSYS-Fluent .... Thiết kế cano trên phần mềm chuyên dụng Auto Ship, sử dụng mô hình -t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

B GIÁO D Ộ ỤC VÀ ĐÀO TẠ O

-Ninh Công Toán

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CANO CHỞ KHÁCH

LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan đây là nghiên cứu c a riêng tôi Các s li u, k t qu nêu ủ ố ệ ế ảtrong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công b trong các công trình nào ốkhác

i, tháng 9 8

Học viên

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả ủ c a luận văn này, tôi xin gử ờ ảm ơn chân thành và i l i csâu s c nhắ ất đến th y giáo ầ TS Ngô Văn Hệ người đã trực tiếp hướng d n tôi tẫ ận tình và chu đáo để tôi có th hoàn thành luể ận văn này

ng th xin g i l i c n t p th y, cô giáo

Đồ ời tôi cũng ử ờ ảm ơn chân thành đế ậ ể thầ

c a Viủ ện cơ khí động l c, Viự ện đào tạo Sau đạ ọ trường Đại h c, i H c Bách Khoa Hà ọ

Nội đã tận tình d y d , truyạ ỗ ền đạt ki n th c, giúp tôi su t th i gian h c t p và làm ế ứ ố ờ ọ ậluận văn

Cuố ảm ơn gia đình, bạn bè và đồ ệp đã giúp

đỡ ủ, ng h tôi hộ ết lòng, động viên và chia s trong su t th i gian tôi h c t p và làm ẻ ố ờ ọ ậluận văn

i, tháng 9 8

Học viên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tình hình khai thác và sử dụng cano chở khách hiện nay 4

1.2 Một số mẫu cano sử dụng trong nghiên cứu 11

1.3 Lý thuyết về thủy khí động lực và lực cản khí động 14

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH BÀI TOÁN VÀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ CFD 18 2.1 Mô hình bài toán khảo sát đặc tính khí động học cano 18

2.2 Công cụ tính toán mô phỏng số CFD 20

2.3 Các bước thực hiện trong quá trình giải quyết bài toán CFD 26

2.4 Mô hình hóa miền không gian tính toán và chia lưới 27

2.5 M t s mô hình rộ ố ối trong ANSYS FLUENT 34

2.5.1 Mô hình rối một phương trình (one equation turbulence models) 34

2.5.2 Mô hình hai phương trình (two equations model) 36

2.5.3 Mô hình k-epsilon 37

CHƯƠNG III: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC THÂN CANO THÔNG QUA SỬ DỤNG CFD 41

3.1 Quy trình chung thực hiện bài toán mô phỏng số CFD 41

3.2 Mô hình cano sử dụng trong tính mô phỏng số CFD 42

3.3 Thiết kế miền không gian tính toán, chia lưới và đặt điều kiện biên 45

3.4 Kết quả mô phỏng số phân bố áp suất và dòng bao quanh cano 48

3.5 Kết quả CFD về lực cản khí động tác động lên cano 52

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CANO 56

4.1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu giảm lực cản khí động cho cano khách 56

4.2 Ảnh hưởng của hình dáng thân đến đặc tính khí động của cano 58

4.2.1 Mô hình tính toán và các điều kiện khảo sát 58

4.2.2 Kết quả tính toán khảo sát ảnh hưởng của hình dáng thân cano đến đặc tính khí động học 63

4.3 Nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên cano 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

BẢNG GIẢI THÍCH KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cano composite chở khách du lịch đi Cù lao Chàm 5

Hình 1.2 Cano composite chở khách du lịch Hòn Rơm, Phan Thiết 6

Hình 1.3 Cano composite chở khách du lịch đảo Tuần Châu, Quảng Ninh 7

Hình 1.4 Cano composite chở khách du lịch tuyến sông Sài Gòn 8

Hình 1.5 Cano composite cứu hộ của lực lượng công an, quân đội Việt Nam 10

Hình 1.6 Cano chở khách tại cầu cảng đảo Hòn Mun 12

Hình 1.7 Hình ảnh phân bố áp suất và đường dòng bao quanh tàu 17

Hình 2.1 Đường hình dáng thân tàu sử dụng trong nghiên cứu 19

Hình 2.2 Xây dựng mô hình bài toán khảo sát đặc tính khí động học cho cano 20

Hình 2.3 Phân bố dòng, áp suất tác động lên tàu trên mặt thoáng, hình ảnh mô phỏng số với dòng 2 pha sử dụng ANSYS-Fluent 21

Hình 2.4 Ví dụ hình ảnh chia lưới trong ANSYS 28

Hình 2.5 Lưới lục diện bao quanh trụ trong mặt phẳng 2 chiều 30

Hình 2.6 Chia lưới lục diện tự động, sử dụng phương pháp chia lưới 30

Hình 2.7 Chia lưới tự động bao gồm các lớp biên căng cho mô hình phức tạp 33

Hình 3 1 Đường hình dáng tàu hàng 42

Hình 3 2 Thiết kế cano trên phần mềm chuyên dụng Auto Ship, sử dụng mô hình -thân cano trong nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động học với CFD 43

Hình 3 3 Mô hình cano hoàn thiện sử dụng trong nghiên cứu 44

Hình 3.4 Miền không gian tính toán và chia lưới 46

Hình 3.5 Thiết lập các điều kiện tính toán cho bài toán mô phỏng số CFD 47

Hình 3.6 Phân bố áp suất bao quanh thân cano khảo sát tại góc ngóc mũi 0 độ 48

Hình 3.7 Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm 49

Hình 3.8 Phân bố áp suất trên bề mặt thân cano tại góc ngóc mũi 0 độ 49

Hình 3.9 Phân bố áp suất bao quanh thân cano tại góc ngóc mũi 7 độ, vận tốc 5m/s 50

Hình 3.10 Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm 51

Hình 3.11 Phân bố áp suất trên bề mặt diện tích thân cano tại góc ngóc mũi 7 độ, vận tốc 5m/s 51

Hình 3.12 Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, tại góc ngóc mũi 0 độ 53

Hình 3.13 Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, tại góc ngóc mũi 5 độ 53

Hình 3.14 Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, tại góc ngóc mũi 7 độ 54

Hình 4 1 Sự phân bố dòng bao quanh vật thể trụ và hộp theo số Reynolds 57

Hình 4.2 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình tam giác, N1 58

Hình 4.3 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình cong trơn, N2 58

Hình 4.4 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình vat góc, N3 59

Hình 4.5 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình vuông dạng U, N4 59

Hình 4.6 Mô hình cano với các dạng tuyến hình khác nhau N1-N4 sử dụng trong tính toán mô phỏng số CFD 60

Hình 4.7 Miền không gian tính toán và chia lưới thực hiện tính mô phỏng số đặc tính khí động của các mẫu cano khảo sát 62

Hình 4.8 Phân bố áp suất xung quanh các mẫu cano khảo sát ở trạng thái cân bằng, Rn=0,2.106 63

Hình 4.9 Phân bố dòng xung quanh cano ở trạng thái cân bằng, Rn=0,2.106 64

Hình 4.10 Phân bố áp suất xung quanh cano ở trạng thái khai thác có góc ngóc mũi 7 độ, Rn=5.106 65

Hình 4.11 Phân bố dòng xung quanh cano ở trạng thái khai thác với góc ngóc mũi 7 độ, Rn=5.106 66

Hình 4.12 Lực cản khí động tác động lên các mẫu cano khảo sát trong trạng thái cân bằng với góc ngóc mũi 0 độ 67

Hình 4.13 Lực cản khí động tác động lên các mẫu cano khảo sát trong trạng thái khai thác ngóc mũi 7 độ 68

Hình 4.14 Hình dáng mẫu cano mới thay đổi thiết kế thượng tầng mũi 70

Hình 4.15 Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân cano mới N5 tại Rn=0.2x106 71

Hình 4.16 Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân cano mới N5 tại Rn=0.2x106 72

Hình 4.17 Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân cano mới N5 tại Rn=1.7x106 73

Hình 4.18 Lực cản khí động tác động lên thân cano 74

Hình 4.19 Lực cản khí động tác động lên thân cano 75

DANH M C CÁC BỤ ẢNG

Bảng 1 1 Thông số kích thước cơ bản của cano mẫu tham khảo trong nghiên cứu 13

Bảng 3 1 Thông số kích thước cơ bản của tàu 42

Bảng 3 2 Thông số kích thước cơ bản của cano 45

Bảng 3.2 Một số điều kiện tính mô phỏng 47

Bảng 3.3 Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano tại góc ngóc mũi 0 độ 52

Bảng 3.4 Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano tại góc ngóc mũi 5 độ 52

Bảng 3.5 Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano tại góc ngóc mũi 7 độ 54

Bảng 4.1 Thông số kích thước chủ yếu của cano sử dụng trong nghiên cứu 61

Bảng 4.2 Thông số đầu vào và điều kiện tính toán sử dụng trong nghiên cứu 62

Bảng 4.3 Bảng tính các giá trị lực khí động và hệ số lực khí động tác động lên tàu 74

Bảng 4.4 Bảng tính các giá trị lực khí động và hệ số lực khí động tác động lên tàu 75

M Ở ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong quá trình khai thác, v n tậ ải đường th y, nâng cao hi u qu khai thác tàu ủ ệ ả

là vấn đề quan trọng Để thực hiện được vấn đề này, c n thi t ph i gi m tiêu hao ầ ế ả ảnhiên li u ch y tàu Gi m l c c n cho tàu là m t trong nh ng bi n pháp h u ích và ệ ạ ả ự ả ộ ữ ệ ữmang l i nhi u l i ích thi t th c nh t hi n nay Vạ ề ợ ế ự ấ ệ ấn đề nghiên c u gi m l c c n, tiứ ả ự ả ết

ki m nhiên li u hiệ ệ ện đang được nhi u nhà nghiên c u, thi t k và khai thác s dề ứ ế ế ử ụng tàu quan tâm Trước nh ng nhu cữ ầu đó, tác giả ự l a chọn đề tài nghiên c u c tính ứ đặkhí động và gi m l c c n ả ự ả khí động tác động lên cano ch khách nh m nâng cao ở ằ

hi u qu kinh t khai thác ệ ả ế cho tàu

2 L ch s nghiên c u ị ử ứ

Lĩnh vực tính toán l c c n tàu th y ự ả ủ nói chung, cũng như lực cản khí động c a ủtàu nói riêng đã có nhiều tác gi ả trong và ngoài nước quan tâm nghiên c u T ứ ừnhiều năm về trước khi công c h ụ ỗ trợ tính toán chưa phát triển, thì vi c tính toán ệxác định l c c n tàu ch y u d a trên k t qu th c nghiự ả ủ ế ự ế ả ự ệm mô hình tàu Trên cơ sở

k t qu t ng h p nghiên c u nhế ả ổ ợ ứ ững năm gần đây, vớ ựi s phát tri n m nh c a các ể ạ ủcông cụ, phương tiên hỗ trợ tính toán s ố ra đời, tính toán động l c h c ch t l ng ự ọ ấ ỏCFD (Computation al Fluid Dynamic) đã trở thành công c h u d ng trong viụ ữ ụ ệc ước lượng, d ự đoán lực cản tác động lên tàu [15, 16, 17, 18] Ngày nay CFD đã trởthành công c ph biụ ổ ến được nhi u nhà nghiên c u s d ng làm ề ứ ử ụ phương tiện h ỗ trợcho mình trong quá trình thực hiện nghiên c u [5, 6, 7, 10, 11, 12] ứ

Nghiên cứu đặc tính khí động h c và gi m l c cọ ả ự ản khí động tác động lên cano chở khách nói riêng và phương tiện giao thông v n t i nói chung v n ậ ả ẫ là đề tài đặt ra cho nhi u nhà nghiên c u chuyên môn giề ứ ải đáp [7, 10, 11] V i m n lo i tàu khác ớ ỗ ạnhau, c n có các bi n pháp kầ ệ ỹ thuật khác nhau để làm gi m l c cả ự ản tác động lên tàu Giảm đượ ực l c cản tác động lên tàu s giúp ti t kiẽ ế ệm được nhiên li u tiêu hao ệ

chạy tàu, khi đó sẽ góp ph n nâng cao hi u qu ầ ệ ả khai thác tàu Đây cũng chính là vấn

đề đặ t ra c n gi i quy t trong luầ ả ế ận văn này

3 Mục đích nghiên cứu c a luủ ận văn, đối tư ng, phạợ m vi nghiên c u ứ

Mục đích nghiên cứu của đề tài là phân tích, đánh giá đặc tính khí động l c hự ọc tác động lê cano chn ở khách Thông qua các k t qu tính toán mô phế ả ỏng, đề xu t ấ

m t s gi i pháp làm gi m l c c n ộ ố ả ả ự ả khí động tác động lên cano nh m nâng cao hiằ ệu

qu kinh t khai thác cano ả ế

Đối tượng nghiên c u là nghiên c u gi m l c c n ứ ứ ả ự ả khí động tác động lên cano

chở khách nh m nâng cao hi u qu khai thác ằ ệ ả cho cano

Do gi i h n v ớ ạ ề thời gian trong vi c v ệ ẽ thiết k ế cano cũng như ớ ạ, gi i h n v tề ốc

độ máy tính cá nhân, th i gian ch k t qu ờ ờ ế ả chạy mô phỏng, đề tài ch gi i h n phỉ ớ ạ ạm

vi nghiên c u trên mứ ột ẫu cano có thân đơn ả nhất địm gi n nh và h n ch m t s ạ ế ộ ốtrường h p tính toán nghiên c u c th ợ ứ ụ ể

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác gi ả

Tác gi n hành nghiên c u t ng quan v ả tiế ứ ổ ề khí động học ầph n trên mặt nước

của cano, thi t l p mô hình 3D cế ậ ủa cano ch khách ở đã chọn, sau đó sử ụ d ng các bước gi i m t bài toán mô ph ng s ả ộ ỏ ố CFD để ả gi i quy t vế ấn đề đặ t ra C th là, khi ụ ểthi t lế ập xong mô hình 3D tác gi ả đã sử ụ d ng ph n mầ ềm để chia lư i và cu i cùng là ớ ốđưa vào phần mềm ANSYS FLUENT để thi t l p các thông s , ế ậ ố điều ki n biên và ệthực hi n tính toán mô ph ng nhệ ỏ ằm đưa ra các phân b v n t c, áp su t và l c c n ố ậ ố ấ ự ảkhí động tác động lên tàu

Trên cơ sở phân tích k t qu ế ả thu đượ ừ ệc t vi c tính mô ph ng l c cỏ ự ản khí độngtác động lên cano, tác gi ả đã đề xu t m t s ấ ộ ố thay đổi hình dáng thân cano, kh o sát ả

m t s ộ ố trạng thái khai thác khác nhau c a cano ủ sau đó ử ụs d ng ph n m m chuyên ầ ề

dụng ANSYS FLUENT để mô ph ng ỏ đặc tính khí động h c c a cano t i d i tọ ủ ạ ả ốc độkhai thác để xác định l c c n cùng các đự ả ặc tính khí động khác

K t qu mô ph ng s ế ả ỏ ố đưa ra phân bố ậ v n t c, phân b áp su t trên và bao ố ố ấquanh thân trên mặt nước c a cano v i hình dáng thân khác nhau và các tr ng thái ủ ớ ở ạ

CHƯƠNG I: T NG QUAN NGHIÊN C U Ổ Ứ

1.1 Tình hình khai thác và sử dụng cano chở khách hiện nay

Ngày nay n n kinh t ề ế Việt Nam đang bước vào một giai đoạn mới, giai đoạn

h i nh p m nh m vào n n kinh t khu vộ ậ ạ ẽ ề ế ực cũng như trên thế ớ gi i Song song với

vi c h i nh p c a n n kinh t thì ngành hàng h i Việ ộ ậ ủ ề ế ả ệt Nam đã và đang giữ ộ m t vai trò h t s c quan tr ng trong viế ứ ọ ệc lưu thông hàng hóa, giao lưu chính trị, khoa học

k ỹ thuật, b o v ả ệ chủ quyền biển đảo thiêng liêng c a t qu c cùng v i ti n trình hòa ủ ổ ố ớ ế

nh p chung c a các thành ph n kinh t khác Trong các chậ ủ ầ ế ức năng đó không thểkhông k t i vai trò to l n cể ớ ớ ủa ngành đóng tàu Việt Nam m t ngành công nghi– ộ ệp mũi nhọn được Đảng và Nhà nước ch n là m t trong nh ng ngành công nghi p ọ ộ ữ ệhàng đầu làm động l c cho s phát tri n chung c a n n kinh t Vi t Nam trong th ự ự ể ủ ề ế ệ ế

k m ỷ ới

Việt Nam là m t qu c gia bi n, có m t n a biên gi i giáp v i bi n t phía ộ ố ể ộ ử ớ ớ ể ừĐông Nam và Tây Nam bao gồm trên 3.260 km b bi n, trên 3000 ờ ể nghìn đả ớo l n

nh khác nhau tr i dài t B c vào Nam v i nhi u v trí phù h p cho s hình thành ỏ ả ừ ắ ớ ề ị ợ ự

và phát tri n m t h ể ộ ệ thống du l ch bi n hiị ể ện đại Đây là những tiềm năng to lớn mang tính ch t chiấ ến lược để chúng ta đẩy m nh phát tri n kinh t bi n Bên c nh ạ ể ế ể ạ

đó, với th m nh c a mế ạ ủ ột nước v i nhi u danh nam th ng c nh n i tiớ ề ắ ả ổ ếng như Vịnh

H Long, Du lạ ịch các đảo, sông h g n b khác t các t nh mi n bồ ầ ờ ừ ỉ ề ắc đến các t nh ỉmiền nam của đất nước Vấn đề đặ t ra c n phát tri n d ch v chuyên ch khách du ầ ể ị ụ ở

l ch luôn là v n ị ấ đề được nhi u c p ngành quan tâm Phát triề ấ ển đội tàu ch khách c ở ỡ

nh , cano ch ỏ ở khách đã được chú trọng quan tâm t nhiừ ều năm về trước

Du lịch biển đảo ngày càng trở thành một xu hướng và động lực mới, với nhiều tiềm năng ở Việt Nam Thực tế cũng cho thấy, với lượng khách đến tăng nhiều trong những năm qua và luôn chiếm khoảng 70% tổng khách du lịch cả nước,

Về mặt hành chính, 28 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương là các địa phương có biển, với diện tích tự nhiên là 126.747 km2, dân số (năm 2010) là 37,2 triệu người, bằng 38,2% diện tích tự nhiên và 41,1% dân số cả nước Bên cạnh đó, lãnh thổ vùng đất ven biển, vùng biển và hệ thống các đảo, nơi diễn ra du lịch biển đảo và vùng ven biển tập trung tới 7/13 di sản thế giới ở Việt Nam; 6/8 các khu dự trữ sinh quyển; nhiều vườn quốc gia, các khu bảo tồn thiên nhiên…

Hình 1.1 Cano composite chở khách du lịch đi Cù lao Chàm

Ngoài ra, từ bao đời nay, biển đảo không chỉ là nơi cung cấp nguồn sống, mà còn là không gian để cộng đồng người Việt tạo lập nên một nền văn hóa biển đảo, với những di sản văn hóa đặc sắc Đó là hệ thống di tích lịch sử văn hóa liên quan -đến môi trường biển, hệ thống thần linh biển, những bậc tiền bối có công trong công cuộc chinh phục biển, xác lập và thực thi chủ quyền quốc gia trên biển ; các lễ hội dân gian của cư dân miền biển; tín ngưỡng, phong tục tập quán liên quan đến biển; văn hóa sinh kế, văn hóa cư trú, văn hóa ẩm thực, diễn xướng dân gian, tri thức bản địa Ðây chính là nguồn tài nguyên giàu có để phát triển du lịch biển đảo bền vững

Hình 1.2 Cano composite chở khách du lịch Hòn Rơm, Phan Thiết

N m b t th m nh trên, th i gian qua, nhi u khu du l ch bi n tiắ ắ ế ạ ờ ề ị ể ềm năng đã được quy hoạch và đầu tư phát triển như: bãi biển Sầm Sơn (Thanh Hóa); bãi biển Non Nước, M ỹKhê (Đà Nẵng); v nh Nha Trang, v nh Cam Ranh (Khánh Hòa); bãi ị ị

biển Mũi Né (Bình Thuận); bãi biển Vũng Tàu (Bà Rị Vũng Tàu) Việt Nam đã hình thành 3 trung tâm du lịch biển có sức hút với khách quốc tế, gồm vịnh Hạ Long (Quảng Ninh), Đà Nẵng, Nha Trang (Khánh Hòa) với những cơ sở lưu trú

hiện đại 4 5 sao, có thể đón những đoàn khách đến nghỉ dưỡng và phát triển du lịch MICE (du lịch hội nghị, hội thảo) Cùng với việc đầu tư xây dựng hạ tầng du lịch, nhiều dịch vụ giải trí, thể thao biển đã được đưa vào hoạt động như: chèo thuyền du lịch, kéo dù bằng ca nô, lướt ván, đua thuyền, bóng đá, bóng chuyền bãi biển… Đặc biệt, loại hình ngắm biển bằng dù lượn, khinh khí cầu, máy bay mô hình (ở biển Nha Trang, Đà Nẵng) hay bằng máy bay trực thăng (ở vịnh Hạ Long) đang được rất nhiều khách du lịch yêu thích

-Hình 1.3 Cano composite chở khách du l ch đảị o Tu n Châu, Qu ng Ninhầ ả

Với sự đầu tư mạnh mẽ về cơ sở hạ tầng cùng các dịch vụ giải trí, du lịch biển đã thu hút hàng triệu lượt khách đến thăm quan và nghỉ dưỡng mỗi năm Hoạt động du lịch biển đảo hiện chiếm khoảng 70% hoạt động của ngành du lịch Việt Nam Các sản vật địa phương liên quan đến biển cũng theo đó mà phát triển thành thương hiệu, đậm dấu ấn địa phương, góp phần đáng kể vào việc phát triển sản phẩm gắn với các tour du lịch Có thể kể đến một số sản phẩm nổi tiếng như: nước

mắm Phú Quốc, chả mực Hạ Long, tỏi Lý Sơn, yến sào Nha Trang, mật ong rừng Cát Bà Việc du lịch biển, đảo Việt Nam có lượng du khách lớn, đã khiến các nhà đầu tư nước ngoài tăng cường đầu tư vào lĩnh vực này Đến năm 2015, đầu tư nước ngoài trong lĩnh vực du lịch biển, đảo đã có ở 23 tỉnh/thành phố của cả nước, chiếm trên 70% số các dự án đầu tư trong lĩnh vực du lịch Trong đó có một số dự án lớn như: Dự án của tập đoàn Platinum Dragon Empire (Mỹ) phát triển khu du lịch vui chơi giải trí tại Bà Rịa Vũng Tàu với số vốn lên đến 550 triệu USD; dự án đầu tư -của Tập đoàn Rockingham (Anh) xây dựng khu du lịch nghỉ dưỡng biển cao cấp và các khu vui chơi giải trí, trường đua ô tô 1.000 ha tại Phú Quốc, quy mô dự án lên đến 1 tỷ USD… Du lịch biển phát triển cũng góp phần thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành kinh tế khác; tạo thêm nhiều việc làm cho xã hội dải ven biển, nơi hiện

có khoảng 21,2 triệu người trong độ tuổi lao động và góp phần bảo đảm an ninh - quốc phòng, bảo vệ môi trường biển

Hình 1.4 Cano composite chở khách du l ch tuyến sông Sài Gònị

Việc phát triển mạnh mẽ của du lịch biển đảo trong những năm qua, đã mang lại cơ hội xóa đói giảm nghèo, cải thiện đời sống của người dân ở vùng ven biển nhiều địa phương trong cả nước Song theo đánh giá của các chuyên gia, kết quả này vẫn chưa tương xứng với tiềm năng lớn của du lịch biển, đảo Việt Nam Thực

tế cho thấy, du lịch biển, đảo ở Việt Nam vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế như: Dịch

vụ du lịch còn thiếu, nghèo nàn; sản phẩm du lịch biển chưa đa dạng; an ninh trật tự

và việc quản lý giá tại một số khu, điểm du lịch chưa đảm bảo; quy hoạch của nhiều bãi biển đẹp đã bị phá vỡ, phát triển manh mún và khó điều chỉnh… Nhằm khắc phục những hạn chế cũng như tạo sức bật cho du lịch biển, đảo, Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch đã phê duyệt đề án “Phát triển du lịch biển, đảo và vùng ven biển Việt Nam đến năm 2020” Mục tiêu của đề án là đến năm 2020, du lịch biển sẽ trở thành động lực của kinh tế biển Việt Nam, góp phần đưa nước ta trở thành quốc gia mạnh về biển, làm giàu từ biển và bảo đảm vững chắc chủ quyền quốc gia trên biển, đảo, góp phần quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa, làm cho đất nước giàu mạnh Đề án cũng đề ra mục tiêu vào năm 2020, du lịch biển thu hút

22 triệu lượt khách quốc tế, 58 triệu lượt khách nội địa, tổng thu từ du lịch biển đạt 200.000 tỷ đồng Các chuyên gia cũng nhận định, việc chú trọng đẩy mạnh phát triển du lịch biển đảo là một định hướng đúng đắn, phù hợp với thế mạnh của ngành

du lịch Việt Nam và mang ý nghĩa đặc biệt trong việc khẳng định và bảo vệ chủ quyền lãnh thổ đất nước Tuy nhiên, để du lịch biển đảo phát triển bền vững, tương xứng với tiềm năng và tạo được thương hiệu riêng thì ngoài việc phải khắc phục những hạn chế đã tồn tại nhiều năm qua, cần có sự đầu tư và quản lý một cách chiến lược cả về cơ sở vật chất, dịch vụ và con người cho các trung tâm du lịch biển đảo

đã được xác định Đặc biệt, cần phát huy yếu tố văn hoá của từng địa phương trong phát triển du lịch biển để tạo dấu ấn riêng và thu hút khách du lịch quay trở lại nhiều lần

Có thể thấy rõ rằng, với tiềm năng lớn mạnh như trên đã phân tích cho thấy

sự cần thiết của một đội tàu, cano dịch vụ chở khách du lịch cũng như vận tải trên các vùng lãnh thổ của nước ta hiện nay Có thể thấy cano chở khách đã được khai

thác nhiều nơi, trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong khai thác dịch vụ du lịch, chơ khách, vận tải hàng hóa giữa các cảng biển, đảo ven bờ, sông hồ, cano cứu hộ, tuần tra …tùy theo mỗi lĩnh vực khác nhau mà cano chở khách được sử dụng tương ứng

Hình 1.5 Cano composite c u h c a lứ ộ ủ ực lượng công an, quân đội Vi t Namệ

1.2 Một số mẫu cano sử dụng trong nghiên cứu

Trong nghiên c u, thi t k và phát tri n tàu th y nói chung, c n thi t phứ ế ế ể ủ ầ ế ải hướng đến một đối tượng nghiên c u c th , g n vứ ụ ể ắ ới điều ki n khai thác c th ệ ụ ểTrong nghiên c u này, nhứ ằm hướng đến vi c nâng cao hi u qu khai thác cho cano ệ ệ ảchở khách trên tuyến đường ra đảo Hòn Mun, tác gi t p trung nghiên c u liên quan ả ậ ứ

đến cano ch khách trên tuy n này ở ế

Đảo Hòn Mun, n m v ằ ề phía Đông Nam của Thành ph Nha Trang, cách b ố ờkho ng 12 km ả Hòn Mun có t ng diổ ện tích là 160 km2, trong đó 122 km2 là diện tích m t bi n, 38 kmặ ể 2 là t ng di n tích cổ ệ ủa các hòn đảo Theo th ng kê, trên th giố ế ới

có kho ng 2.000 loài san hô và sinh v t bi n thì Hòn Mun ả ậ ể ở đã có tới 1.500 loài, trong đó đã tìm thấy 340 trong t ng s ổ ố hơn 800 loài san hô cứng trên th gi i Với ế ớ

độ sâu dưới 18m, thì không còn cảnh đẹp của san hô, nhưng có rất nhiều hang động

Có nh ng hang sâu 10 15m, phữ – ải dùng đèn để quan sát nh ng sinh v t biữ ậ ển chuyên s ng trong bóng tố ối như tôm, mực, tôm hùm, cá đuối…Quỹ độ ng v t hoang ậ

dã th giế ới đánh giá đây là khu vực có đa dạng sinh h c b c nh t t i Vi t Nam Hòn ọ ậ ấ ạ ệMun là m t trong nhộ ững hòn đảo thơ mộng nh t trong h ấ ệ thống đảo c a Nha Trangủ ,

n m v ằ ề phía Đông Nam của đảo Bồng Nguyên (nơi có Hồ cá Trí Nguyên), cách

c ng Cả ầu Đá 10 km (khoảng 45 phút đi tàu) Được g i là Hòn Mun vì phía ọĐông Nam của đảo có nh ng mữ ỏm đá nhô cao, vách dựng hi m tr t o thành hang ể ở ạđộng, đặc biệt đá ở đây đen tuyền như gỗ mun, r t hi m th y nhấ ế ấ ở ững nơi khác Nơi đây còn nổi ti ng là m t trong nhế ộ ững “thủy cung” giàu và đẹp nh t c a bi n ấ ủ ể Đông Nam Á

Với đặc điểm ch y u v dòng hủ ế ề ải lưu và thời tiết như sau: Do địa th cế ủa

đảo r t g n v i dòng hấ ầ ớ ải lưu nóng từ phía xích đạo đưa tới nên thích h p vợ ới điều

ki n phát tri n c a san hô và nhi u lo i sinh v t bi n nhiệ ể ủ ề ạ ậ ể ệt đới cũng về đây quầ ụn t

Do đó, Hòn Mun có rạn san hô và h sinh v t biệ ậ ển đa dạng, đây là khu bả ồo t n bi n ểđầu tiên và duy nh t c a ấ ủ Việt Nam hiện nay, đã đượ Quỹ Độc ng v t hoang dã Th ậ ế

gi i ớ (WWF) đánh giá là khu vực đa dạng sinh học biển bậc nhất ở Việt Nam

Đảo Hòn Mun ch u ị tác động của gió mùa nhưng cường độ không m nh l m ạ ắ

T ừ tháng 10 đến tháng 3 năm sau hướng gió ch o là Bủ đạ ắc, Đông Bắc T tháng 4 ừđến tháng 9 hướng gió là Đông, Đông Nam Nhiệt độ trung bình là 26oC , dao động trong kho ng 24-ả 29oC, nhiệt độ ít thay đổi và ấm áp quanh năm Tháng có nhiệt độcao là tháng 6,7 và 8 Tháng có nhiệt độ thấp là tháng 12 và 1 Lượng mưa trung bình khoảng 1450mm Mùa mưa bắt đầ ừu t tháng 9 và k t thúc vào tháng 12, vế ới

lượng mưa cao nhất vào tháng 11 Mùa khô bắt đầ ừu t tháng 1 và k t thúc vào tháng ế

7, 8 với lượng mưa thấp nh t vào tháng 2 ấ

V i m t s c u c ng phớ ộ ố ầ ả ục vụ chở khách ra đảo Hòn Mun như sau:

- C ng cả ầu đá: Cách đảo Hòn Mun khoảng hơn 10 km

- Bến đỗ Hòn Một: Cách đảo Hòn Mun kho ng 4,3km ả

- Bến đỗ Hòn Tắm: Cách đảo Hòn Mun kho ng 5,6 km ả

- Bến đỗ Hòn Miễu: Cách đảo Hòn Mun kho ng 7 km ả

Hình 1.6 Cano chở khách t i cầạ u cảng đảo Hòn Mun

01

Canô

du lịchPompano

Tàu tuần tra H790

Tàu du lịch Hoàng Lâm

H Long 01 ạChiều dài l n ớ

nh ất (Lmax) m 6,3 7,0 8,50 12,0 Chiều dài thi t ế

1.3 Lý thuyết về thủy khí động lực và lực cản khí động

Khí động l c h c là ự ọ lĩnh vực nghiên c u v dòng ch y c a ch t khíứ ề ả ủ ấ , được nghiên cứu đầu tiên b i George Cayley vào ở thập niên 1800 "Khí động h c" là mọ ột nhánh của động l c h c chự ọ ất lưu nghiên cứu chuyển động của không khí, đặc bi t là ệkhi nó tương tác với một đối tượng di chuy n ể Khí động học đã thường được s ử

dụng đồng nghĩa với khí động l c, v i s khác bi t là kự ớ ự ệ hí động l c áp dự ụng đố ới i vdòng ch y nén Tìm hi u v s chuyả ể ề ự ển động của không khí (thường được g i là mọ ột trường dòng ch y) xung quanh mả ột đối tượng cho phép tính toán các l c, mô men ự

lực tác động lên đối tượng Giải pháp cho các vấn đề khí động l c h c dự ọ ẫn đến các tính toán v tính ch t khác nhau c a dòng chề ấ ủ ảy, như ậ v n tốc, áp su mất, ật

độ và nhiệt độ, như là các hàm c a không gian và th i gian Khi hiủ ờ ểu được các tính chất này c a chủ ất khí, người ta có th tính toán chính xác hay x p x ể ấ ỉ các ự và l c các mômen l c lên h ự ệ thống dòng chảy Việc s dử ụng khí động h c thông qua phân ọtích toán h c, x p x ọ ấ ỉ thực nghiệm và gió đường h m th nghiầ ử ệm là cơ sở khoa h c ọ[1, 2, 3]

Khí động h c có th đư c chia thành hai loọ ể ợ ại như khí động h c bên ngo i biên ọ ạ

và khí động h c n i biên ọ ộ Khí động h c ngo i biên v ọ ạ ề cơ bản là nghiên c u v dòng ứ ềchảy xung quanh các v t th r n hình d ng khác nhau ậ ể ắ ạ Đánh giá thang máy, máy bay, dòng ch y c a không khí qua mả ủ ột lưỡi tuabin gió hay sóng xung kích hình thành ở phía trước mũi của m t tên l a là ví d v ộ ử ụ ề khí động h c ngo i biên Khí ọ ạ

động h c n i biên bao g m vi c nghiên c u các lu ng không khí thông qua m t ọ ộ ồ ệ ứ ồ ộđộng cơ phả ựn l c ho c thông qua m t đư ng ặ ộ ờ ống điều hòa không khí [1, 2, 3] Khí động l c hự ọc cũng có thể được phân lo i theo t s v n t c c a dòng ch y ạ ỉ ố ậ ố ủ ả

so v i v n t c âm thanh Môn hớ ậ ố ọc được xem là dướ ậ ối v n t c âm thanh n u các vế ận

tốc đều nh ỏ hơn vận t c âm thanh là siêu thanh, và c c siêu thanh n u v n tố ự ế ậ ốc nhanh hơn vậ ốn t c âm thanh nhi u l n ề ầ

Trong tính toán động l c h c ch t lự ọ ấ ỏng CFD, các phương trình cơ bản được

s d ng và giử ụ ải theo các phương pháp cụ thể khác nhau Trong công c mô ph ng ụ ỏ

s ố thương mại như ANSYS-FLUENT phương pháp ph n t ầ ử thể tích được s dử ụng

để ả gi i bài toán Trong ph n này, m t s ầ ộ ố phương trình cơ bản lý thuy t v th y khí ế ề ủ

H ệ phương trình chủ đạ o có th ể được viết dư i dạng véctơ như sau:ớ

Với các véc tơ W,F,G lần lượt đư c đợ ịnh nghĩa như sau:

2 2

2

ˆ

z

uy

ux

ux

pz

uwy

uvx

uut

2 2

2

ˆ

z

vy

vx

vy

pz

vwy

vvx

vut

2 2

2

ˆ

z

wy

wx

wz

pz

wwy

wvx

wut

(1-2)

- Điều ki n biên tệ ạ ầi đ u vào: V(x=0,y)=V∞

- Điều ki n biên tệ ạ ầi đ u ra: pout =p∞ =pa

- Áp suất tại các biên của vùng tính toán: p= p∞

- Điều kiện biên không trượt trên toàn bộ ề ặt mô hình tính toán b m :

Trong quá trình chuyển động, l c cự ản tác động lên tàu được phân thành 2 loại chính: m t là xu t phát t ph n thân tàu ti p xúc vộ ấ ừ ầ ế ới môi trường nước gây ra, hai là

l c c n do ph n thân tàu ti p xúc v i không khí gây ra Trong luự ả ầ ế ớ ận văn này, tác giả

đề ậ c p nghiên c u l c c n ứ ự ả khí động tác động lên phân thân tàu phía trên mặt nước Thành ph n l c cầ ự ản này được g i là l c cọ ự ản khí động hay l c c n gió hay l c cự ả ự ản không khí

Lực này tác động vào tàu có phương ổt ng hợp theo phương chuyển động của tàu, ph ụthuộc vào hướng gió và có độ ớ l n ph ụthuộc vào di n tích mệ ặt hứng gió c a ủtàu, h s cệ ố ản khí động và bình phương của v n t c tuyậ ố ệt đối gi a dòng khí và tàu ữ

H s cệ ố ản khí động ph ụ thuộ ấc r t nhiều vào hình dáng khí động, độ trơn ủ c a b ề

m t v và các góc c nh cặ ỏ ạ ủa thân tàu Lực khí động ảnh hưởng lớn đến chất lượng

động l c h c, an toàn trong quá trình v n t i c a tàu Khi nghiên c u ự ọ ậ ả ủ ứ ảnh hưởng c a ủ

lực khí động tác động lên tàu theo quan điểm động l c hự ọc, người ta tách l c khí ự

động thành 3 thành ph n chính: Thành phầ ần có phương song song vớ ề ặi b m t đư ng ờchính là l c c n gióự ả Đây được coi là thành ph n chính c a lầ ủ ực khí động vì tàu chuyển động theo phương này nên vận t c tuyố ệt đối gi a dòng khí và ữ tàu là lớn

nhất Đối với thượng t ng tàu có s h ầ ự ạ thấp đột ng t phía sau s t o xoáy l c cho ộ ẽ ạ ốdòng khí và làm tăng hệ ố ả s c n không khí svà ẽ có h s c n không khí lệ ố ả ớn hơn so

với các hình dáng thượng t ng khác V nguyên t c này, các nhà thi t k s n tầ ề ắ ế ế ẽ tiế ới

việc thiết kế để biên dạng tàu có hình dáng khí động nh t có th ấ ể

Hình 1 Hình 7 ảnh phân b áp su t và đường dòng bao quanh tàu ố ấ

Thành phần có phương vuông góc với mặt thoáng sẽ tạo lực nâng nếu hướng của lực lên phía trên Điều này làm giảm chiều chìm cho tàu gây ra lắc dọc tàu nếu lực không ổn định Lực theo phương này phụ thuộc khá nhiều vào bề mặt của phần thân tàu tiếp xúc với nước Thành phần có phương ngang sẽ gây mất ổn định hướng cho tàu Thành phần lực này thường là nhỏ nhất do tính đối xứng của tàu, trừ khi chúng ta đi vào vùng giông bão hay góc hướng gió thay đổi

Trong tính toán lực khí động bao g m hai thành ph n l c c n và l c nâng tác ồ ầ ự ả ự

động lên v t th ậ ể nói chung, người ta thường ng d ng công th c v l c c n và l c ứ ụ ứ ề ự ả ựnâng như sau:

(1- 4)

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH BÀI TOÁN VÀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ CFD

2.1 Mô hình bài toán khảo sát đặc tính khí động học cano

Trong đề tài nghiên cứu của luận văn này, vấn đề nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động học thân cano chở khách được thực hiện Với giới hạn của nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận văn, bài toán đi nghiên cứu khảo sát phần thân phía trên mặt nước của cano trong quá trình khai thác Khi đó vấn đề tác động của dòng khí đến thân cano trong quá trình vận hành được nghiên cứu Theo nghiên cứu trên thế giới liên quan đến khí động học thân tàu thì việc xem xét nghiên cứu bài toán có thể thực hiện theo các bài toán với mô hình khảo sát khác nhau như: khảo sát thân tàu với toàn bộ thân tàu di chuyển trên mặt nước; khảo sát đặc tính khí động thân tàu với phần thân phía trên mặt nước khi đó coi như bề mặt nước là thành cứng không chuyển động Trong bài toán này, tùy theo phương pháp và quá trình thực hiện mà có những ảnh hưởng khác nhau đến kết quả nghiên cứu nhất định Trong quá trình nghiên cứu bằng thực nghiệm thì quá trình thực nghiệm mô hình cũng có thể thực hiện theo hai phương pháp tương tự như trên Với mô hình bài toán khảo sát toàn tàu thì việc thực nghiệm sẽ được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu thân tàu tại trạng thái tĩnh nhất định nhằm đo, ước lượng được các thành phần lực khí động tác động lên thân tàu tương ứng trạng thái đó Việc thực hiện thực nghiệm này tương tự với trường hợp nghiên cứu phần thân tàu phía trên mặt nước, tuy nhiên trong quá trình thực nghiệm có yếu tố ảnh hưởng của bề mặt nước đến thân tàu Mô hình thực nghiệm khác là sử dụng toàn bộ thân tàu di chuyển tự do trên mặt nước, phương pháp này thực hiện thực nghiệm khá phức tạp và đòi hỏi nhiều yếu tố khác nhau trong quá trình thực nghiệm Thông thường quá trình nghiên cứu thực nghiệm không thực hiện theo cách này Việc thực nghiệm còn có thể thực hiện theo mô hình xét phần trên mặt nước của tàu trong ống thổi với nền cứng, mô hình thí nghiệm

này tương tự bài toán khảo sát đặc tính khí động học của tàu với phần trên mặt nước của tàu, không tính đến phần thân tàu bên dưới

Hình 2.1 Đường hình dáng thân tàu s d ng trong nghiên c u ử ụ ứ

Trong nghiên cứu này, bài toán được thực hiện nghiên cứu với phần trên mặt nước của cano, với mô hình nghiên cứu giới hạn chỉ xét phần phía trên mặt nước, không kể đến ảnh hưởng của mặt thoáng trong quá trình cano chuyển động Khi đó

mô hình bài toán được thực hiện nghiên cứu tương tự trường hợp thực nghiệm mô hình tàu với phần trên mặt nước được đặt trong ống thổi khí động để khảo sát các đặc tính khí động học của tàu

Hình 2.2 Xây d ng mô hình bài toán khự ảo sát đặc tính khí động h c cho cano ọ

Trên cơ sở xây dựng mô hình khảo sát đặc tính khí động học cho cano, bài toán sẽ được thực hiện khảo sát các đặc tính khí động học cho cano với công cụ tính toán mô phỏng số CFD

2.2 Công cụ tính toán mô phỏng số CFD

CFD là cụm từ viết tắt của Computation Fluid Dynmaic, tính toán động lực học chất lỏng Việc ứng dụng công cụ phương pháp số và máy tính, các nhà tính toán đã phát triển lên những chương trình tính toán động lực học chất lỏng nói chung Một trong những hhướng chính của CFD là ứng dụng các công cụ mô phỏng

số CFD trong việc giải các bài toán thực tế Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng chương trình mô phỏng số ANSYS – Fluent để thực hiện việc nghiên cứu của mình

ANSYS Fluent là một phần mềm với những khả năng mô hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy được áp dụng trong công nghiệp Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình hóa với đối tượng nghiên cứu rộng Phần mềm ANSYS là một công cụ mạnh để mô phỏng và phân tích được sử dụng trên toàn thế giới Nó bao gồm gói các chương trình bên trong để tính toán, trong luận văn này tác giả chỉ sử dụng các phần Meshing nhằm tạo mô hình để tính và modul Fluid dynamics – Fluent để mô phỏng trạng thái tàu chạy và

sử lí kết quả

Hình 2.3 Phân b dòng, áp suố ất tác động lên tàu trên m t thoáng, hình nh mô ặ ả

ph ng s v i dòng 2 pha s d ng ANSYS-Fluent ỏ ố ớ ử ụ

➢ ANSYS Fluent có khả năng mô hình hóa các mô hình vật lý cần thiết cho các

mô hình dòng chảy, rối, truyền nhiệt, và phản ứng trong các dạng hình học phức tạp

➢ ANSYS Fluent được viết bằng ngôn ngữ lập trình C và là phần mềm mô phỏng

sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method-FVM)

➢ ANSYS Fluent cung cấp sự chia lưới hoàn toàn linh hoạt, bao gồm cả khả năng giải quyết các vấn đề dòng chảy sử dụng lưới không cấu trúc Hỗ trợ các loại lưới bao gồm 2D tam giác, tứ giác, 3D tứ diện, lục giác, kim tự tháp, hình nêm, đa diện

và lưới hỗn hợp (lưới lai) ANSYS Fluent cũng cho phép ta làm tinh hay thô lưới dựa trên giải quyết dòng chảy Sau khi lưới đã được đọc vào trong ANSYS Fluent, tất cả các thao tác còn lại được thực hiện bên trong ANSYS Fluent Những thao tác này bao gồm các điều kiện biên, định nghĩa thuộc tính chất lưu, thực thi giải pháp, tinh chỉnh lưới, hậu xử lý và hiển thị kết quả

Các b gi i trong ANSYS Fluent dộ ả ựa trên phương pháp thể tích h u h n: ữ ạ

➢ Vùng chất lỏng được phân ly thành hữu hạn tập hợp các thể tích điều khiển

➢ Các phương trình bảo toàn (vận chuyển) tổng thể cho khối lượng, động lượng, năng lượng, hình thái được giải quyết trên tập hợp các thể tích điều khiển này

➢ Các phương trình vi phân từng phần liên tục (các phương trình chủ đạo) được rời rạc thành hệ các phương trình đại số tuyến tính mà máy tính có thể giải được

Hai bộ ả gi i sẵn có trong ANSYS Fluent:

Bộ giải dựa trên áp suất: coi động lượng và áp suất (hoặc áp suất hiệu chỉnh)

là các biến chính Các thuật toán liên kết áp suất vận tốc được bắt nguồn từ tái định - dạng phương trình liên tục

Trong bộ giải dựa trên áp suất có hai thuật toán được sử dụng:

Thuật toán độc lập: Giải áp suất hiệu chỉnh và động lượng một cách liên tục

Thuật toán liên kết: Giải áp suất và động lượng đồng thời

Bộ giải dựa trên mật độ: Các phương trình liên tục, động lượng, năng lượng,

và chất đều được giải dưới dạng vector Áp suất đạt được qua phương trình trạng thái Các phương trình vô hướng bổ sung được giải theo cách riêng Bộ giải dựa trên mật độ có thể chạy tường minh hoặc ẩn

Implicit: dùng phương pháp điểm ẩn Gauss Seidel đối xứng khối để giải các biến.- Explicit: dùng phương pháp tích phân tường minh thời gian đa bước Runge-Kutta

-Trong c hai b giả ộ ải này, trường v n tậ ốc thu đượ ừ các phương trình mô c t men V i b ớ ộ giả ựi d a trên mật độ thì các phương trình liên tục được s dử ụng để thu được trường mật độ trong khi đó trư ng áp su t s ờ ấ ẽ thu đượ ừ phương trình trạc t ng thái

B ng vi c s d ng m t trong hai b gi i này, ANSYS Fluent s gi i quyằ ệ ử ụ ộ ộ ả ẽ ả ết các phương trình tích phân chủ đạo như: phương trình bảo toàn khối lượng, b o ảtoàn mô men, bảo toàn năng lượng và các đại lượng vô hướng khác như rối, dòng

ph n ng Trong c hai b gi i dả ứ ả ộ ả ựa trên phương pháp khối điều khiển đều bao gồm quy trình tính toán như sau:

➢ Phân chia miền tính toán thành những thể tích rời rạc sử dụng lưới tính toán

➢ Tích phân các phương trình chủ đạo theo các thể tích riêng lẻ để xây dựng hệ phương trình đại số đối với các biến rời rạc phụ thuộc như: vận tốc, áp suất, nhiệt

độ và các đại lượng vô hướng

➢ Tuyến tính các phương trình rời rạc và giải quyết hệ phương trình tuyến tính

và cập nhật các giá trị của các biến phụ thuộc

Hai b gi i s d ng quy trình r i r c hóa gi ng nhau (th tích hộ ả ử ụ ờ ạ ố ể ữu

hạn),nhưng cách tiếp cận để tuyến tính hóa và gi i quyết các phương trình rờ ạả i r c là khác nhau

L a ch n b gi i: ự ọ ộ ả

• Bộ giải dựa trên áp suất sử dụng thuật toán độc lập (Pressure-based solver): áp dụng cho phạm vi rộng các chế độ dòng chảy vận tốc nhỏ, không nén được tới dòng chảy vận tốc lớn, nén được Bộ giải này cần ít bộ nhớ hơn và cho phép sự linh hoạt trong những thủ tục giải

• Bộ giải dựa trên áp suất sử dụng thuật toán liên kết (Pressure-based couple solver): được áp dụng cho hầu hết các dòng chảy một pha, lời giải tốt hơn so với bộ giải Pressure based solver tiêu chuẩn Không áp dụng được với các dòng đa pha -(Eulerian), các trường hợp lưu lượng khối tuần hoàn và NITA Bộ nhớ cần gấp 1.5 – 2 lần so với phương pháp giải độc lập

• Bộ giải dựa trên mật độ (Density-based couple solver): áp dụng khi mối quan hệ liên kết mạnh mẽ hoặc phụ thuộc lẫn nhau giữa các đại lượng khối lượng riêng, năng lượng, động lượng và chất

Trong ph n m m Ansys có 5 thu t toán có s n ầ ề ậ ẵ như sau:

• Semi-Implicit Method (SIMPLE): được mặc định sẵn, tính toán mạnh mẽ

• SIMPLE-Consistent (SIMPLEC): cho phép hội tụ nhanh hơn với những bài toán đơn giản (ví dụ: dòng chảy tần không sử dụng mô hình vật lý nào cả)

• Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO): dùng cho các bài toán dòng không ổn định hoặc có lưới chứa các phần tử có độ méo cao hơn mức trung bình

• Fractional Step Method (FSM): sử dụng cho dòng chảy không ổn định, có đặc tính tương tự như PISO

• Couple: đây là bộ giải liên kết

Vấn đề về rời rạc hóa sử dụng trong ANSYS Fluent bao gồm:

➢ Rời rạc hóa theo không gian

Trong Fluent, các biến được giải ở tâm các ph n t lưầ ử ới (các thể tích điều khi n) ểCác phương pháp nội suy cho toán hạng đối lưu:

• First-Order Upwind: dễ hội tụ nhất và chỉ chính xác cấp 1

• Second-Order Upwind: cho độ chính xác cấp 2, cần thiết cho lưới tri/tet hay khi dòng chảy không thẳng hàng với lưới, sự hội tụ xảy ra chậm

• MUSCL: sơ đồ rời rạc đối lưu cấp 3 cho lưới không cấu trúc, chính xác hơn trong

Các phương pháp nội suy Gradients:

• Gradient của các biến cần thiết để đánh giá khuếch tán thông lượng, các đạo hàm vận tốc, và cho các sơ đồ rời rạc bậc cao

• Gradient của các biến ở tâm phần tử có thể được tính theo 3 phương pháp:

o Green-Gauss Cell-Based: sức mạnh tính toán kém nhất; lời giải có thể có lỗi khuếch tán

o Green –Gauss Node-Based: mức tính toán/chính xác cao hơn; giảm thiểu lỗi khuếch tán và được khuyên dùng cho lưới không cấu trúc

o Least-Squares Cell-Based: phương pháp mặc định; có độ chính xác và tương tự Node-Based Gradients và mức tính toán kém hơn

Trong Ansys Fluent phương pháp Gradient được ch n mọ ặc định là Squares Cell- Based.Phương pháp Green Gauss Node Based không sử ụ d ng cùng

Least-với lưới đa giác

Các phương pháp nội suy cho áp su t: ấ

Các sơ đồ ộ n i suy cho tính toán áp su t t i b m t các ph n t khi dùng b gi i dấ ạ ề ặ ầ ử ộ ả ựa trên áp suất như sau:

• Standard: được mặc định sẵn; độ chính xác giảm đối với dòng có thành phần gradient áp suất vuông góc bề mặt lớn (nhưng không nên áp dụng khi có những thay đổi áp suất quá lớn trong dòng chảy sơ đồ PRESTO được áp dụng thay - thế)

• PRESTO: dùng cho dòng chảy có xoáy lớn, những dòng chảy có gradient áp suất quá lớn (môi trường rỗng, mô hình quạt…) hoặc trong các miền có độ cong lớn

• Linear: áp dụng khi các lựa chọn khác dẫn đến sự khó hội tụ hoặc không tuân theo các quy luật vật lý

• Second-Order: áp dụng cho dòng nén được; không thích hợp cho môi trường rỗng, bơm, quạt…hoặc mô hình đa pha VOF( Volume of fraction)/Mixture

• Body Force Weighted: áp dụng khi lực khối lớn, ví dụ như sự đối lưu tự nhiên có

số Ra lớn hay khi dòng chảy có độ xoáy lớn

➢ Rời rạc hóa theo thời gian

Đố ới v i mô ph ng tr ng thái không d ng (ph thu c vào thỏ ở ạ ừ ụ ộ ời gian), các phương trình ch o phủ đạ ải đượ ờ ạc r i r c hóa theo c không gian và th i gian S r i r c hóa ả ờ ự ờ ạtheo thời gian đối với các phương trình phụ thuộc vào th i gian là gi ng h t vờ ố ệ ới trường h p tr ng thái d ng R i r c theo thợ ạ ừ ờ ạ ời gian liên quan đến phép l y tích phân ấ

c a m i s hủ ọ ố ạng trong phương trình vi phân trên một bước th i gian ờ  t Trong sơ

đồ ờ ạ r i r c hóa theo th i gian có phép l y tích phân theo th i gian n và phép l y tích ờ ấ ờ ẩ ấphân theo th i gian hi n ờ ệ

2.3 Các bước thực hiện trong quá trình giải quyết bài toán CFD

Trong quá trình th c hi n nghiên c u vự ệ ứ ới CFD, thông thường c n thi t phầ ế ải thực hiện theo các bước như sau: Đặt vấn đề, Gi i quyếả t vấn đề và Đánh giá kết

qu ả

a) Đặt vấn đề

T nhu c u th c ti n c n gi i quy t các vừ ầ ự ễ ầ ả ế ấn đề mà chúng ta đặt ra vấn đề cho bài toán c a mình, t ủ ừ đó đi tìm lời gi i cho chúng Ví d v bài toán mô ph ng CFD ả ụ ề ỏcho một con tàu, người thi t k c n tính toán m t s thông s ế ế ầ ộ ố ố liên quan đến các vấn

đề mà con tàu s g p ph i khi chẽ ặ ả ạy như hệ ố s ma sát, h s c n, h s ệ ố ả ệ ố đàn hồ ủi c a

v t liậ ệu, độ ền Ngườ b i thi t k t ra câu h i, v i d ng hình hế ế đặ ỏ ớ ạ ọc như trong bản thiế ế thì đã tối ưu chưa? ứt k ng suất sinh ra có vượt quá gi i h n cho phép không? ớ ạ

có đảm bảo độ ề b n và an toàn không? T ừ đó, người thi t k cế ế ần tính toán được các thông s u vào, và c n ph i tìm nh ng thông s u ra nào cho bài toán CFD ố đầ ầ ả ữ ố đầ

c a mình ủ

b) Giải quyết vấn đề

Đây chính là phần quan trong nh t, nhi m v trung tâm c a bài toán CFD Nó ấ ệ ụ ủ

gồm ba giai đoạn là : Pre-Processing, Processing, và Post-Processing

Pre-Processing là giai đoạn chu n b gi i quyẩ ị để ả ết bài toán CFD, đó là xây

d ng mô hình hình h c c a v t th , r i r c hóa vự ọ ủ ậ ể ờ ạ ấn đề ằng các điể b m r i r c hay ờ ạcòn gọi là các lưới điểm.Phương pháp rờ ại r c ph i đả ảm bảo được các yêu c u v kh ầ ề ảnăng làm việc của máy tính, đảm bảo độ chính xác và h i t cộ ụ ủa phương pháp tính.Sau khi đã xây dựn được lưới tính toán, chúng ta ti n hành l a ch n các ế ự ọphương pháp tính Ở mỗi lĩnh vực c th , Cụ ể FD có các phương trình, hệ phương trình c ụ thể để ả gi i quy t bài toán thu c phế ộ ạm vi lĩnh vực đó Tuy nhiên các phương trình mô t ả bài toán đều có d ng tích phân, ho c vi phân không tuy n tính r t phạ ặ ế ấ ức

t p M i loạ ỗ ại phương trình đòi hỏi nh ng thông s tữ ố ối thiểu, đủ để có th gi i và cho ể ả

lời giải, đó là các điều kiện đầu, điều kiện biên, điều ki n khép kín ệ

Processing là giai đoạn tính toán được th c hi n, vự ệ ấn đề còn lại đó là can thiệp vào các đại lượng th sinh (xu t phát t t h p các biứ ấ ừ ổ ợ ến cơ sở trong h ệ phương

trình) Ở giai đoạn này chúng ta quyết định s d ng các giử ụ ải pháp nào cho phương pháp tính để đả m bảo được một phương án tối ưu cho các yêu cầu v th i gian tính ề ờtoán, khả năng tính toán và độ chính xác c a lờủ i gi i.ả

Post-Processing là giai đoạn tr c quan và x lý k t quự ử ế ả Sau khi giai đoạn Processing hoàn t t, toàn b d u cấ ộ ữ liệ ủa bài toán được ghi l i thành d u s , nh ạ ữ liệ ố ịphân, mã hóa trên c ng c a máy tính Chúng ta hoàn toàn có th x ổ ứ ủ ể ử lý chúng đểthu đượ ờc l i gi i cho bài toán c a mình ả ủ

b) Đánh giá kết quả

Phần này chúng ta so sánh k t qu vế ả ừa tìm được v i các k t qu ớ ế ả thực nghiệm

và l i gi i s hờ ả ố ọc và để làm tiêu chuẩn điều chỉnh cho phương pháp giả ủi c a mình

Đố ới các bài toán đơn giải v n mà th c nghi m có th ự ệ ể đưa ra kết qu chính xác, các ả

l i gi i toán hờ ả ọc cũng có kết qu chính xác thì k t qu cả ế ả ủa chúng ta cũng phải trùng

kh p ho c trong ph m vi sai s ớ ặ ạ ố chấp nhận được, n u sai s ế ố vượt quá gi i h n cho ớ ạphép thì lúc này chúng ta phải điều ch nh th ỉ ế nào để có k t qu chính xác nhế ả ất Đối

v i bài toán ph c t p thì th c nghi m và l i gi i s rớ ứ ạ ự ệ ờ ả ố ất khó khăn để đưa ra được kết

qu ả chính xác, CFD có ưu thế hơn ở trường h p này N u m t vợ ế ộ ấn đề ph c t p mà ứ ạ

c ả ba phương pháp trên đều không đưa ra được kết luận chính xác thì c ả ba phương pháp cùng đi nghiên cứu sâu v mề ột đặc tính c th ụ ể nào đó, CFD lấy l i gi i c a hai ờ ả ủlĩnh vực còn lại làm tiêu chí đánh giá kết qu c a mình ả ủ

2.4 Mô hình hóa miền không gian tính toán và chia lưới

Mô hình hóa mi n không gian tính toán c n thiề ầ ết và chia lưới là m t trong ộ

nh ng ph n quan tr ng nh t cữ ầ ọ ấ ủa bài toán mô ph ng kỏ ỹ thu Có quá nhi u ph n t ật ề ầ ửlưới khi n vi c gi i bài toán tr nên lâu và nế ệ ả ở ếu lưới quá thưa thì cũng dẫn đến các

k t qu ế ả thiếu chính xác ANSYS Meshing cung c p m t công c ấ ộ ụ chia lưới để cân

b ng nh ng yêu c u v m t kằ ữ ầ ề ặ ỹ thuật này, để thu được lướ ối t t cho m i bài toán mô ỗ

ph ng theo cách t ỏ ự động nh t có th K ấ ể ỹ thuật chia lưới trong ANSYS được xây

d ng d a trên nh ng công c ự ự ữ ụ chia lướ ối t t nh t hi n nay.Nh ng khía c nh m nh m ấ ệ ữ ạ ạ ẽ

c a các công c ủ ụ chia lưới này được tích h p vào trong mợ ột môi trường duy nhất để

t o ra nh ng kh ạ ữ ả năng chia lưới m nh m nhạ ẽ ất có thể

Hình 2 Ví d2 ụ hình nh cả hia lưới trong ANSYS

Môi trường chia lưới có tính t ng cao có th d dàng t o ra các lo i lư i: ự độ ể ễ ạ ạ ớ

Lướ ứ ệi t di n

Lướ ụi l c di n ệ

Lớp biên căng lăng trụ

L p biên cớ ăng lục giác

Lõi lục giác Lưới Đ -Các thích nghi v t th ề ậ ểCut cell Cartesian

Các môi trường v t lý khác nhau yêu c u các cách ti p c n v ậ ầ ế ậ ề lưới khác nhau.Các mô phỏng động l c h c dòng ch y yêu cự ọ ả ầu lưới có chất lượng cao c v ả ềhình d ng lạ ẫn độ mượt khi có s ự thay đổ ề kích thưới v c Các mô ph ng v ỏ ề cơ học

k t c u thì c n s dế ấ ầ ử ụng lưới hi u qu vì th i gian th c hi n s ệ ả ờ ự ệ ẽ tăng lên khi số lượng

ph n t lầ ử ớn Chia lưới trong ANSYS cho phép thi t l p v ế ậ ề môi trường vật lý để

ch c chắ ắ ằng ngườn r i dùng s dử ụng đúng loại lưới v i tớ ừng mô ph ng c ể ỏ ụth

Công c ụ chia lưới trong ANSYS Workbench được thi t k v i nh ng tiêu chí ế ế ớ ữchính:

1 Khả năng tham số hóa: t o ra các tham s ạ ố điều khi n h ể ệ thống

2 Tính ổn định: Các c p nhậ ật mô hình luôn được th c hi n thành công trong ự ệ

6 Kiến trúc tương thích: Hệ thống m , có th g n thêm m t ti n trình riêng ở ể ắ ộ ế

biệt: CAD trung gian, chia lưới trung gian, b giộ ải trung gian v.v…

B ng cách tích h p công ngh ằ ợ ệ chia lướ ối t t nh t vào trong quá trình mô ph ng, ấ ỏANSYS Meshing đã cung cấp m t giộ ải pháp chia lưới toàn di n và hi n qu ệ ệ ả

Phương pháp chia lưới lục diện

Công nghệ ANSYS Meshing cung cấp các phương pháp đa dạng để tạo ra lưới sáu mặt thuần túy hoặc lưới sáu mặt đa số (hex dominant) Kiểu lưới, chất lượng lưới -mong muốn và thời gian thực hiện quá trình chia lưới phụ thuộc vào độ phức tạp của mô hình,vì vậy ANSYS Meshing đã cung cấp một giải pháp mềm dẻo Tự động

tạo ra lưới lục diện hoặc hex dominant một cách nhanh chóng, hoặc tạo ra lưới lục diện có sự kiểm soát chặt chẽ, cho giải pháp tối ưu hiệu quả và chính xác

-Hình 2.3 Lưới ục diện l bao quanh tr trong mụ ặt phẳng 2 chi u ề

Hình 2.4 Chia lưới lục di n t ng, s dệ ự độ ử ụng phương pháp chia lưới

Phương pháp chia lướ ựitr c giao

o Phương pháp chia lưới này t o ra t l phạ ỉ ệ ần trăm phầ ửn t lư i l c di n cao trong ớ ụ ệtrường xa, để nhận được chính xác các k t qu dòng ch t lỏng ế ả ấ

o Được đặt trên b m t, các ki u ph n t h n hề ặ ể ầ ử ỗ ợp được s dử ụng cho phép lướ ại t o

ra các phầ ử ớn t lư i phù h p v i các chi ti t vềợ ớ ế hình d ng ạ

o Các ph n t b m t có th ầ ử ề ặ ể được “bơm căng” tạo ra lớp lăng trụ tròn ho c l c diặ ụ ện

để ắ b t đư c các vùng ợ ảnh hưởng vật lý (tường bao)

o Tạo ra lướ ụi l c di n nhanh chóng v i thi t lệ ớ ế ập người dùng t i thi u khi n cho ố ể ếphương pháp chia lưới này phù h p v i các mô hình hình h c ph c t p trong mô ợ ớ ọ ứ ạ

phỏng tính toán động lực học dòng chảy (CFD)

Chia lưới m t cong t ng ặ ự độ

o Các v t th có th uậ ể ể ốn cong đượ ự độc t ng nh n dậ ạng và chia lưới với lướ ục i l

di n khi có th ệ ể

o Thiết lập tăng cạnh và m t ghép n i/ ánh x đư c th c hiặ ố ạ ợ ự ệ ự độn t ng

o Các đường d n uẫ ốn cong đượ ự độc t ng tìm th y cho các mi n/v t th trong các ấ ề ậ ể

Chia lưới m t cong m ng ặ ỏ

o Phương pháp chia lưới này nhanh chóng tạo ra lướ ụi l c di n cho các chi ệ tiết