Mô phỏng dòng chất lỏng khi đi qua chân vịt tàu thuỷ bằng ansys fluent

Sử dụng phần mềm ANSYS Fluent để mô phỏng dòng chất lỏng khi đi qua chân vịt tàu thủy. Trong file có kết quả từ lúc dựng mô hình rồi tạo MESH để tính toán được dòng chất lỏng chạy qua khi chân vịt quay.

MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

Mô tả hình học cánh quạt

Hình học cánh quạt được thiết kế mới bằng phần mềm Solidwork chuyên dụng, dựa trên các yêu cầu về hiệu suất và điều kiện vận hành cụ thể Cánh quạt có 4 cánh, đường kính 0.5 mét, và tỷ lệ diện tích mở 0.196 Các thông số hình học chi tiết của cánh quạt được trình bày trong Bảng 1.

Tỉ lệ diện tích mở 0.196

Góc xoắn 10 độ Độ dày tương đối 0.08

Bảng 1 Thông số của cánh quạt

Cánh quạt có mép trước bo tròn và mép sau vát để giảm thiểu nguy cơ xâm thực Bề mặt cánh quạt được thiết kế nhẵn để giảm thiểu ma sát.

Hình 1 Cánh quạt được thiết kế với các thông số trên

Thiết lập miền tính toán

Miền tính toán được thiết lập theo dạng ống bao quanh cánh quạt, với chiều dài 0,2m trước cánh và 0,4m sau cánh nhằm đảm bảo quá trình phát triển của dòng chảy Đường kính của miền là 0,05m.

Hình 2 Các bước thiết lập các công cụ hỗ trợ tính toán và mô phỏng

Các bước thiết lập bao gồm:

 Geometry: Tạo, chỉnh sửa, và nhập mô hình hình học.

 Meshing: Chia lưới mô hình hình học để chuẩn bị cho phân tích.

 Setup: Thiết lập các tham số, điều kiện biên, và tùy chọn cho phân tích.

 Solution: Thực hiện tính toán và giải các phương trình chi phối.

Điều kiện biên tại mặt cắt đầu vào của miền được thiết lập là vận tốc đồng đều 15m/s Trực quan hoá và phân tích kết quả mô phỏng được thực hiện để tìm hiểu thêm về hành vi của dòng chảy và các đặc tính của nó.

Hình 3 Thông số của ống bao quanh cánh quạt trong Ansys Điều kiện biên đầu ra: Áp suất tĩnh bằng áp suất khí quyển được áp dụng tại mặt cắt đầu ra của miền. Điều kiện biên trên bề mặt cánh quạt: Điều kiện biên không trượt được áp dụng trên bề mặt cánh quạt, giả định rằng không có sự trượt tương đối giữa chất lỏng và bề mặt cánh quạt. Điều kiện biên trên tường miền: Điều kiện biên trượt được áp dụng trên tường của miền tính toán, cho phép chất lỏng trượt dọc theo tường.

Chia lưới (Mesh)

Miền tính toán được chia lưới bằng phần mềm Ansys Meshing Lưới không gian 3 chiều không có cấu trúc được tạo ra với các phần tử tetrahedron Lưới được tinh chỉnh gần bề mặt cánh quạt và trong 2 vùng được thiết lập là static domain và rotating domain để nắm bắt chính xác các chi tiết dòng chảy Tổng số phần tử lưới là khoảng hơn 375 triệu và có hơn 70 nghìn nút.

Ngoài ra, để đánh giá được chất lượng của lưới để giúp cho việc tính toán và mô phỏng có độ chính xác cao thì chúng ta dựa vào hai thông số chính: Aspect Ratio vàTarget Skewness.

Hình 4 Thông số Aspect Ratio thu thập được sau khi chia lưới

Giải thích các thông số:

 Aspect Ratio (Tỷ lệ co giãn): Đây là tỷ số giữa cạnh dài nhất và cạnh ngắn nhất của một phần tử lưới.

 Min: Giá trị Aspect Ratio nhỏ nhất trong toàn bộ lưới (1.1594 trong hình).

 Max: Giá trị Aspect Ratio lớn nhất trong toàn bộ lưới (7.6497 trong hình).

 Average: Giá trị Aspect Ratio trung bình của tất cả các phần tử lưới (1.8395 trong hình).

 Standard Deviation: Độ lệch chuẩn của các giá trị Aspect Ratio, cho biết mức độ phân tán của chúng so với giá trị trung bình (0.45602 trong hình). Ý nghĩa của thông số Aspect Ratio:

 Aspect Ratio lý tưởng là gần 1, tức là các phần tử lưới có hình dạng gần vuông hoặc đều.

 Aspect Ratio cao cho thấy lưới có các phần tử bị kéo dài hoặc méo mó Điều này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của giải pháp, đặc biệt là trong các vùng có gradient lớn.

2.3.2 Thông số Skewness (Độ lệch)

Hình 5 Thông số Skewness thu thập được sau khi chia lưới Giải thích các thông số trên:

 Skewness (Độ lệch): Đây là một thông số đo độ lệch hình dạng của phần tử lưới so với hình dạng lý tưởng (tam giác đều hoặc tứ diện đều).

 Min: Giá trị Skewness nhỏ nhất trong toàn bộ lưới (3.0135e-005 trong hình).

 Max: Giá trị Skewness lớn nhất trong toàn bộ lưới (0.78875 trong hình).

 Average: Giá trị Skewness trung bình của tất cả các phần tử lưới (0.2259 trong hình).

 Standard Deviation: Độ lệch chuẩn của các giá trị Skewness, cho biết mức độ phân tán của chúng so với giá trị trung bình (0.11954 trong hình). Ý nghĩa của thông số Skewness:

 Giá trị Skewness càng gần 0, phần tử lưới càng gần với hình dạng lý tưởng.

 Giá trị Skewness cao cho thấy phần tử lưới bị méo mó nhiều Điều này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của giải pháp, đặc biệt là trong các vùng có gradient lớn.

2.3.3 Target Skewness (Độ lệch mục tiêu)

 Target Skewness: Đây là một thông số đo độ lệch hình dạng của phần tử lưới so với hình dạng lý tưởng (tam giác đều hoặc tứ diện đều).

 Default (0.9): Giá trị Skewness mục tiêu mặc định trong Ansys là 0.9. Ý nghĩa:

 Giá trị Skewness lý tưởng là 0 Tuy nhiên, trong thực tế, việc đạt được giá trị Skewness bằng 0 cho tất cả các phần tử lưới là rất khó, đặc biệt là đối với các mô hình hình học phức tạp.

Giá trị Skewness mục tiêu mặc định là 0,9 để một số sai lệch nhất định trong hình dạng phần tử lưới có thể được chấp nhận, đồng thời chất lượng lưới vẫn được đảm bảo đủ tốt cho hầu hết các mô phỏng.

 Nodes: Tổng số nút (điểm giao nhau của các cạnh lưới) trong mô hình (70162 trong hình).

 Elements: Tổng số phần tử lưới (tam giác hoặc tứ diện) trong mô hình (375975 trong hình). Ý nghĩa:

 Số lượng nút và phần tử lưới cho biết mức độ chi tiết của lưới.

 Lưới càng chi tiết (nhiều nút và phần tử) thì càng có khả năng nắm bắt chính xác các chi tiết dòng chảy, nhưng cũng đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn hơn.

 Check Mesh Quality: Yes, Errors: Tùy chọn này yêu cầu Ansys kiểm tra chất lượng lưới và báo cáo các lỗi nếu có.

 Smoothing: High: Tùy chọn này yêu cầu Ansys thực hiện làm mịn lưới ở mức cao để cải thiện chất lượng lưới. Điểm tích cực:

Giá trị Skewness trung bình là 0.2259, thấp hơn nhiều so với giá trị mục tiêu mặc định là 0.9, cho thấy phần lớn các phần tử lưới có hình dạng gần với hình dạng lý tưởng, góp phần vào độ chính xác cao của giải pháp.

 Aspect Ratio chấp nhận được: Mặc dù giá trị Aspect Ratio tối đa là 7.6497 có vẻ hơi cao, nhưng giá trị trung bình là 1.8395 vẫn nằm trong phạm vi chấp nhận được cho nhiều mô phỏng CFD.

 Số lượng nút và phần tử lưới lớn: Với 70162 nút và 375975 phần tử, lưới có độ chi tiết tương đối cao, cho phép nắm bắt tốt các chi tiết dòng chảy, đặc biệt là ở các vùng có gradient lớn. Điểm cần lưu ý và cải thiện:

 Skewness tối đa cao: Mặc dù Skewness trung bình thấp, nhưng giá trị

Skewness tối đa là 0.78875 cho thấy vẫn còn một số phần tử lưới bị méo mó đáng kể Những phần tử này có thể nằm ở các vùng có hình học phức tạp hoặc các vùng chuyển tiếp giữa các vùng lưới có mật độ khác nhau Cần kiểm tra kỹ các vùng này và xem xét việc tinh chỉnh lưới để giảm Skewness tối đa nếu cần thiết.

 Aspect Ratio tối đa cao: Tương tự, giá trị Aspect Ratio tối đa là 7.6497 cũng cần được xem xét kỹ lưỡng Các phần tử lưới có Aspect Ratio cao có thể gây ra sự không ổn định số và ảnh hưởng đến độ chính xác của giải pháp Nếu có thể, nên cố gắng giảm Aspect Ratio tối đa bằng cách tinh chỉnh lưới hoặc sử dụng các kỹ thuật chia lưới nâng cao.

Sự ảnh hưởng của chất lượng lưới đến độ chính xác của giải pháp CFD

 Sai số rời rạc hóa: Khi chuyển từ phương trình vi phân từng phần (mô tả dòng chảy) sang phương trình đại số (trên lưới), sẽ có sai số rời rạc hóa Sai số này phụ thuộc vào chất lượng lưới, với các phần tử lưới méo mó hoặc có tỷ lệ co giãn lớn thường dẫn đến sai số rời rạc hóa lớn hơn.

 Sự hội tụ của giải pháp: Chất lượng lưới kém có thể gây khó khăn cho quá trình hội tụ của giải pháp số, dẫn đến kết quả không chính xác hoặc không ổn định.

 Độ chính xác của các đại lượng đạo hàm: Các đại lượng như gradient vận tốc và áp suất được tính toán dựa trên các giá trị tại các nút lưới Phần tử lưới méo mó có thể làm sai lệch việc tính toán các đại lượng này, ảnh hưởng đến độ chính xác của mô phỏng các hiện tượng vật lý như lực nhớt, truyền nhiệt, và hỗn loạn.

Các tiêu chí đánh giá chất lượng lưới

 Skewness: Đo độ lệch của phần tử lưới so với hình dạng lý tưởng (tam giác đều hoặc tứ diện đều) Skewness thấp (gần 0) là tốt, Skewness cao chỉ ra phần tử méo mó.

 Aspect Ratio: Tỷ số giữa cạnh dài nhất và cạnh ngắn nhất của phần tử Aspect

Ratio lý tưởng gần 1 (phần tử gần vuông hoặc đều) Aspect Ratio cao chỉ ra phần tử bị kéo dài, có thể gây ra sai số số và khó khăn trong việc hội tụ.

 Các tiêu chí khác: Ngoài Skewness và Aspect Ratio, còn có nhiều tiêu chí khác để đánh giá chất lượng lưới như độ mịn, orthogonality (tính trực giao), và sự phân bố kích thước phần tử.

Hình 6 Hình dạng của lưới sau khi thiết lập các thông số

Phương trình và phương pháp giải

Dòng chảy được biểu diễn bởi các phương trình Navier-Stokes 3 chiều, liên tục, không nén được Các phương trình này được giải bằng phương pháp thể tích hữu hạn, trên lưới đã tạo Sơ đồ số bậc hai được dùng để đảm bảo độ chính xác của nghiệm số Mô hình giải là không dừng và ẩn.

Phương trình Navier-Stokes có dạng : δ u i δt + δ δ x j ( u i u j )= δ x δp i

Tại u i là vận tốc chất lỏng, p là áp suất chia cho mật độ ρ,v là độ nhớt động học của chất lỏng và lực khối không xuất hiện rõ ràng, trong đó hạng tử đối lưu của phương trình được thể hiện ở dạng bảo thủ Tiêu chuẩn k - ε là mô hình là một mô hình bán kinh nghiệm dựa trên các phương trình vận chuyển mô hình cho động năng nhiễu loạn (k) và tốc độ tiêu tán của nó ( ε ) Phương trình vận chuyển mô hình chuyển mô hình ε cho là đã được thu được bằng cách sử dụng lý luận vật lý và có ít điểm tương đồng với đối tác chính xác về mặt toán học của nó Trong quá trình suy luận k- ε mô hình, giả định là dòng chảy hoàn toàn hỗn loạn và tác động của độ nhớt phân tử là không đáng kể Tiêu chuẩn k - ε là do đó mô hình chỉ có giá trị đối với dòng chảy hoàn toàn hỗn loạn. Đặc điểm của chân vịt trên mặt nước thông thường được biểu diễn dưới dạng hệ số lực đẩy và mô men xoắn n K T và K Q theo hệ số tiến bộ J trong đó:

Tại T là lực đẩy chân vịt, Q là moment xoắn của chân vịt, ρ là mật độ chất lỏng, n là số vòng quay của cánh quạt mỗi giây, D là đường kính cánh quạt và V A là tốc độ cải tiến Hiệu suất của chân vịt là : η= J

Và sự khác biệt về phần trăm trong kết quả Thực nghiệm (Exp) và CFD được tính toán bằng các phương trình sau:

Tỷ lệ diện tích mở rộng (EAR) là phác thảo cánh quạt được các nhà thiết kế sử dụng phổ biến nhất Nó chuyển đổi mặt cánh quạt từ hình xoắn ốc thành mặt phẳng. Diện tích mở rộng được đưa ra bởi mối quan hệ:

R cdr Ở đây Z là số lượng cánh quạt Để tính diện tích này, đối với hầu hết các mục đích, chỉ cần sử dụng quy trình theo quy tắc Simpson với 11 tọa độ là đủ Tỷ lệ diện tích cánh quạt mở rộng chỉ đơn giản là diện tích cánh quạt mở rộng A E , chia cho diện tích đĩa cánh quạt A 0để cung cấp mối quan hệ A A E

Tỷ lệ này rất quan trọng trong thiết kế cánh quạt và ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều đặc điểm của cánh quạt Hiện tượng tạo bọt có thể giảm đi bằng cách tăng diện tích cánh quạt , nhưng hiệu quả do đó cũng giảm đi Mối quan hệ này đã được nhấn mạnh và minh họa hiệu quả hoạt động trên vùng nước mở của chân vịt tiêu chuẩn MAU so với diện tích mở rộng.

Các thông số và giả định, tùy chọn cho phân tích

 Mật độ chất lỏng (nước biển): 1025 kg/m³

 Dòng chảy được giả định là không nén được và đơn pha.

 Bề mặt cánh quạt được giả định là nhẵn.

 Lực Coriolis và các hiệu ứng nhiệt được bỏ qua Lực Coriolis, còn được gọi là hiệu ứng Coriolis, là một hiện tượng vật lý quan sát được trong các hệ quy chiếu quay Về cơ bản, nó mô tả sự lệch hướng biểu kiến của các vật thể chuyển động trong một hệ quy chiếu quay so với các hệ quy chiếu quán tính (không quay).

General và Models

Hình 7 Thiết lập General ban đầu trước khi tính toán Pressure-Based:

Trong các mô phỏng tàu thủy, chất lỏng thường được giả định là không nén được Phương pháp Pressure-Based thích hợp cho các bài toán dòng chảy không nén được hoặc có độ nén thấp.

 Tính ổn định: Phương pháp này thường ổn định hơn cho các bài toán có sự thay đổi áp suất lớn, đặc biệt là xung quanh chân vịt khi nó quay.

 Dòng chảy không nén được (Incompressible Flow): Đối với hầu hết các mô phỏng tàu thủy, chúng ta giả định rằng nước là chất lỏng không nén được. Phương pháp Pressure-Based rất phù hợp cho các bài toán dòng chảy không nén được hoặc có độ nén thấp.

 Tính ổn định: Phương pháp này thường ổn định hơn cho các bài toán có sự thay đổi áp suất lớn, đặc biệt là xung quanh chân vịt khi nó quay.

 Khung tham chiếu cố định: Trong mô phỏng tàu thủy, chúng ta thường quan tâm đến chuyển động của tàu và chân vịt so với một hệ quy chiếu cố định (ví dụ như bờ sông hoặc đáy biển) Absolute Velocity Formulation sử dụng hệ quy chiếu cố định này, giúp bạn phân tích trực tiếp vận tốc và các lực tác động lên tàu.

 Đơn giản hóa: So với Relative Velocity Formulation (sử dụng hệ quy chiếu di động theo tàu), Absolute Velocity Formulation thường đơn giản hóa việc thiết lập mô phỏng và giải thích kết quả.

Hình 8 Thiết lập Model trước khi tính toán

 Tính phổ biến và hiệu quả: Đây là một trong những mô hình nhiễu loạn

(turbulence model) được sử dụng rộng rãi nhất trong CFD do tính đơn giản, mạnh mẽ và hiệu quả tính toán Nó phù hợp cho nhiều loại dòng chảy, bao gồm cả dòng chảy xung quanh tàu thủy.

 Dự đoán chính xác: Mô hình này thường đưa ra dự đoán chính xác về các đặc trưng nhiễu loạn quan trọng như động năng nhiễu loạn (k) và tốc độ tiêu tán nhiễu loạn (epsilon), từ đó giúp tính toán chính xác các lực cản và lực đẩy tác động lên tàu.

 Cải thiện độ chính xác: So với mô hình K-epsilon tiêu chuẩn, phiên bản

Realizable có một số cải tiến về mặt toán học, giúp dự đoán chính xác hơn các dòng chảy có xoáy mạnh, độ biến dạng lớn, và sự tách lớp biên Những đặc điểm này thường xuất hiện trong dòng chảy xung quanh chân vịt và thân tàu.

Mô hình Realizable linh hoạt với nhiều loại dòng chảy, bao gồm cả những dòng chảy chuyển tiếp giữa tầng lớp biên và vùng nhiễu loạn tự do, thường gặp trong mô phỏng tàu thủy Tính linh hoạt này giúp mô hình Realizable trở thành một lựa chọn phù hợp để mô phỏng các dòng chảy phức tạp trong các ứng dụng thực tế như mô phỏng tàu thủy.

Near-wall Treatment (Scalable wall functions)

 Tính linh hoạt: Scalable wall functions tự động điều chỉnh để phù hợp với độ phân giải lưới gần thành tàu, cho phép bạn sử dụng lưới thô hơn mà vẫn đảm bảo độ chính xác Điều này giúp tiết kiệm thời gian tính toán đáng kể, đặc biệt là đối với các mô hình tàu thủy phức tạp.

 Khắc phục nhược điểm: So với các phương pháp xử lý thành tàu khác (như standard wall functions), scalable wall functions ít bị ảnh hưởng bởi các sai số do lưới không đủ mịn gần thành tàu, đặc biệt là ở những vùng có độ cong lớn hoặc sự thay đổi đột ngột về hình dạng.

Cell Zone Conditions (Điều kiện vùng Cell)

2.9.1 Rotating domain mesh (Miền lưới xoay)

Hình 9 Thiết lập tùy chọn rotatingdomain_mesh Material Name

Trong trường hợp mô phỏng chân vịt tàu thủy thì chúng ta sẽ chọn water-liquid vì môi trường hoạt động của chân vịt ở dưới nước và việc lựa chọn material name này rất quan trọng vì nó quyết định các tính chất vật lý của môi trường sẽ được sử dụng trong mô phỏng như mật độ (Density), độ nhớt (Viscosity) và tính nén được

Mesh motion Đối với việc mô phỏng chân vịt của tàu thủy thì trong phần rotating domain mesh, chúng ta sẽ chọn Mesh Motion cho phép lưới tính toán xoay theo chân vịt trong quá trình tính toán Thêm vào đó, việc chọn Mesh Motion giúp cho việc mô phỏng chính xác và nắm bắt các hiệu ứng động bởi vì khi chân vịt tương tác với chất lỏng xung quanh tạo ra lực đẩy, lực cản và các xoáy phức tạp và các hiệu ứng động như thay đổi áp suất, vận tốc và xoáy theo thời gian.

Trong phần này, chúng ta sẽ chú ý hướng tọa độ mà chúng ta đang mô phỏng cho vật thể để thiết lập chuẩn xác Cụ thể, đối với mô phỏng chân vịt của tàu thủy thì nhóm sẽ chọn theo trục Z như đã thiết lập từ ban đầu bên phần Geometry.

Rotating velocity cho phép chúng ta có thể thiết lập tốc độ quay của chân vịt. Thêm vào đó, việc thiết lập này rất quan trọng để mô phỏng chính xác tương tác giữa chân vịt và chất lỏng xung quanh, từ đó tính tính lực đẩy và các hiệu ứng động khác. 2.9.2 Stationary domain mesh

Hình 10 Thiết lập tùy chọn Stationarydomain_mesh

Material Name Đối với phần Stationarydomain_mesh chúng ta sẽ chọn water-liquid bởi vì vùng này sẽ giả lập môi trường chất lỏng xung quanh chân vịt.

Tương tự như rotatingdomain_mesh thì chúng ta sẽ dựa vào hệ trục tọa độ ban đầu mà chúng sẽ thiết lập hướng của chất lỏng và cụ thể trong mô phỏng chân vịt này thì nhóm chọn trục z theo hệ trục tọa độ mà nhóm đã thiết lập bên phần Geometry. lập hệ quy chiếu

Thiết lập Boundary conditions (Điều kiện biên)

2.10.1 Điều kiện đầu vào (Inlet)

Hình 11 Thiết lập điều kiện biên đầu vào

 Mô phỏng dòng chảy đến chân vịt: Điều kiện biên này được sử dụng để mô phỏng tốc độ và hướng của dòng nước khi nó đi vào khu vực lưới tính toán trước khi tiếp cận chân vịt Điều này cho phép bạn điều khiển chính xác tốc độ dòng chảy, từ đó đánh giá hiệu quả của chân vịt trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

Khi sử dụng điều kiện biên velocity inlet, bạn cung cấp tốc độ của dòng chảy tại cửa vào của mô phỏng Điều này mô phỏng thực tế hơn vì nó phản ánh điều kiện hoạt động của chân vịt, bao gồm tốc độ tàu hoặc dòng chảy từ các nguồn khác.

2.10.2 Điều kiện đầu ra (Outlet)

Hình 12 Thiết lập điều kiện biên đầu ra

 Mô phỏng điều kiện áp suất xung quanh tàu: Pressure outlet thường được sử dụng để mô phỏng áp suất môi trường xung quanh tại điểm mà nước rời khỏi lưới tính toán Điều này giúp mô phỏng thực tế áp suất mà chân vịt gặp phải khi nó tạo ra lực đẩy.

 Duy trì áp suất môi trường: Việc đặt pressure outlet giúp đảm bảo rằng áp suất ở lối ra khớp với điều kiện môi trường hoặc bất kỳ điều kiện áp suất nào cần thiết, điều này quan trọng để tính toán chính xác lực đẩy và hiệu quả của chân vịt.

Report Definitions

Hình 13 Thiết lập báo cáo về lực đẩy của chân vịt

 Đây là tên đã đặt cho lực này Trong trường hợp này, theo dõi lực đẩy (thrust) tạo ra bởi cánh quạt (propeller).

 Danh sách này hiển thị tất cả các vùng có sẵn trong mô hình trên.

Selected Regions (marked) are the areas where the force will be calculated and reported In the figure, the selected regions are: bottom_mesh, propellerboat_mesh, side_mesh, top_mesh, wall-15, and wall-16.

 Bạn có thể sử dụng trường này để lọc danh sách các vùng dựa trên tên của chúng.

 Per Zone: Nếu được chọn, báo cáo sẽ hiển thị lực tác dụng lên từng vùng riêng biệt Nếu không được chọn, báo cáo sẽ hiển thị tổng lực tác dụng lên tất cả các vùng đã chọn.

 Average Over (Time Steps): 1 - Số bước thời gian mà lực sẽ được tính trung bình Trong trường hợp này, lực sẽ được tính trung bình trên mỗi bước thời gian.

 X, Y, Z: (0, 0, 1) - Đây là vectơ đơn vị chỉ phương của lực mà bạn muốn báo cáo Trong trường hợp này, bạn đang quan tâm đến lực theo hướng Z (thường là hướng thẳng đứng).

 Các nút này cho phép bạn thêm các tệp hoặc biểu đồ để lưu trữ và hiển thị kết quả báo cáo lực.

 Report File: Nếu được chọn, kết quả báo cáo lực sẽ được ghi vào một tệp.

 Report Plot: Nếu được chọn, kết quả báo cáo lực sẽ được hiển thị dưới dạng biểu đồ.

 Frequency: 1 - Tần suất ghi dữ liệu báo cáo (mỗi bao nhiêu bước thời gian).

8 Print to Console: Nếu chọn, kết quả báo cáo lực sẽ được in ra màn hình console.

9 Create Output Parameter: Nếu chọn, một tham số đầu ra sẽ được tạo để lưu trữ giá trị lực Tham số này có thể được sử dụng trong các phân tích hoặc tối ưu hóa tiếp theo.

10 OK, Compute, Cancel, Help: Các nút tiêu chuẩn để áp dụng các thay đổi, tính toán ngay lập tức báo cáo lực, hủy bỏ các thay đổi hoặc truy cập trợ giúp.

Hình 14 Thiết lập báo cáo về moment của chân vịt Các thông số:

 Đây là tên bạn đặt cho báo cáo mô-men này Trong trường hợp này theo dõi mô-men xoắn (torque) tạo ra bởi cánh quạt (propeller).

 Moment Coefficient: Nếu được chọn, báo cáo sẽ hiển thị hệ số mô-men.

 Moment: Nếu được chọn (như trong ảnh), báo cáo sẽ hiển thị giá trị mô- men.

 Per Zone: Nếu được chọn, báo cáo sẽ hiển thị mô-men tác dụng lên từng vùng riêng biệt Nếu không được chọn, báo cáo sẽ hiển thị tổng mô-men tác dụng lên tất cả các vùng đã chọn.

 Average Over (Time Steps): 1 - Số bước thời gian mà mô-men sẽ được tính trung bình Trong trường hợp này, mô-men sẽ được tính trung bình trên mỗi bước thời gian.

 Danh sách này hiển thị tất cả các vùng có sẵn trong mô hình của bạn.

 Các vùng được chọn (có dấu tích) là những vùng mà mô-men sẽ được tính toán và báo cáo Trong ảnh, các vùng được chọn là: bottom_mesh, propellerboat_mesh, side_mesh, top_mesh, wall-15 và wall-16.

 Bạn có thể sử dụng trường này để lọc danh sách các vùng dựa trên tên của chúng.

 X, Y, Z: (0, 0, 0) - Đây là tọa độ của điểm mà bạn muốn tính mô-men quanh nó Trong trường hợp này, mô-men được tính quanh gốc tọa độ (0, 0, 0).

 X, Y, Z: (0, 0, 1) - Đây là vectơ đơn vị chỉ phương của trục mà bạn muốn tính mô-men quanh nó Trong trường hợp này, bạn đang quan tâm đến mô- men quanh trục Z (thường là trục thẳng đứng).

 thrust-propeller-rfile - Tên tệp mà kết quả báo cáo mô-men sẽ được ghi vào.

 thrust-propeller-rplot - (Hiện tại không có biểu đồ nào được tạo)

 Report File: Nếu được chọn (như trong ảnh), kết quả báo cáo mô-men sẽ được ghi vào một tệp.

 Report Plot: Nếu được chọn, kết quả báo cáo mô-men sẽ được hiển thị dưới dạng biểu đồ.

 Frequency: 1 - Tần suất ghi dữ liệu báo cáo (mỗi bao nhiêu bước thời gian).

Trong trường hợp này, dữ liệu sẽ được ghi sau mỗi bước thời gian.

11 Print to Console: Nếu được chọn (như trong ảnh), kết quả báo cáo mô-men sẽ được in ra màn hình console.

12 Create Output Parameter: Nếu được chọn (như trong ảnh), một tham số đầu ra sẽ được tạo để lưu trữ giá trị mô-men Tham số này có thể được sử dụng trong các phân tích hoặc tối ưu hóa tiếp theo.

13 Ok, Compute, Cancel, Help: Các nút tiêu chuẩn để áp dụng các thay đổi, tính toán ngay lập tức báo cáo mô-men, hủy bỏ các thay đổi hoặc truy cập trợ giúp.

Thiết lập Initialization

Hình 15 Thiết lập solution Initialization Đối với phần thiết lập Initialization thì chúng ta sẽ chọn Hybrid Initialization với một số lý do sau đây:

Khởi tạo nhanh và hiệu quả:

 Hybrid Initialization sử dụng một phương pháp lai giữa khởi tạo theo phương pháp truyền thống (Standard Initialization) và việc giải hệ phương trình cân bằng cho toàn bộ miền tính toán Điều này giúp tạo ra trường vận tốc và áp suất ban đầu gần đúng, dẫn đến việc giải phương trình hội tụ nhanh hơn.

Cải thiện độ ổn định của mô phỏng:

Phương pháp thiết lập điều kiện ban đầu tốt hơn đặc biệt quan trọng đối với các bài toán phức tạp như mô phỏng dòng chảy qua chân vịt, nơi sự ổn định và độ chính xác của điều kiện ban đầu là rất quan trọng Do đó, mô phỏng có xu hướng ổn định hơn, tránh được các vấn đề về hội tụ sớm.

Thích hợp với các bài toán phức tạp:

 Khi mô phỏng dòng chảy qua chân vịt, thường có sự chuyển động phức tạp và tương tác giữa dòng chảy và bề mặt chân vịt Hybrid Initialization tạo ra các trường vận tốc và áp suất ban đầu mà phù hợp hơn với sự phân bố dòng chảy thực tế, điều này rất cần thiết trong các bài toán phức tạp như vậy.

Chạy tính toán trong set up

Hình 16 Set up các thông số tính toán Run Calculation (chạy tính toán) Đây là cửa sổ cài đặt các thông số liên quan đến quá trình chạy giải mô phỏng trong Ansys Fluent.

Time Advancement (Tiến trình thời gian)

Phần này kiểm soát cách mô phỏng xử lý thời gian.

 Type: Fixed - Cho biết mô phỏng sẽ sử dụng bước thời gian cố định.

 Method: User-Specified - Chỉ định các thông số liên quan đến bước thời gian. Parameters (Các tham số)

 Number of Time Steps: 200 - Tổng số bước thời gian trong mô phỏng.

 Time Step Size [s]: 1 - Kích thước của mỗi bước thời gian, tính bằng giây.

Trong trường hợp này, mỗi bước thời gian là 1 giây.

 Max Iterations/Time Step: 20 - Số lần lặp tối đa cho mỗi bước thời gian.

Fluent sẽ cố gắng giải các phương trình tại mỗi bước thời gian cho đến khi đạt

 Reporting Interval: 1 - Tần suất ghi dữ liệu kết quả vào file Trong trường hợp này, dữ liệu sẽ được ghi sau mỗi bước thời gian.

 Profile Update Interval: 1 - Tần suất cập nhật thông tin về tiến trình giải. Options (Các tùy chọn)

 Extrapolate Variables: Nếu được chọn, Fluent sẽ ngoại suy các biến tại biên dựa trên các giá trị bên trong miền tính toán Tùy chọn này có thể hữu ích trong một số trường hợp, nhưng cũng có thể gây ra sự không ổn định nếu không được sử dụng cẩn thận.

 Report Simulation Status: Nếu được chọn, Fluent sẽ hiển thị thông tin về tiến trình giải trên màn hình.

Solution Processing (Xử lý giải pháp)

 Data Sampling for Time Statistics: Nếu được chọn, Fluent sẽ thu thập dữ liệu thống kê theo thời gian trong quá trình giải.

 Data File Quantities : Cho phép chọn các đại lượng cụ thể để ghi vào file dữ liệu.

Solution Advancement (Tiến trình giải).

 Calculate: Nút nhấn để bắt đầu chạy

THẢO LUẬN VÀ KẾT QUẢ

Mục tiêu nghiên cứu

 Mục tiêu chính của nghiên cứu."Nghiên cứu này đã sử dụng mô phỏngCFD để đánh giá hiệu suất của một thiết kế cánh quạt tàu biển mới và so sánh nó với các thiết kế truyền thống."

Tóm tắt phương pháp

Áp dụng phương pháp mô phỏng bằng phần mềm Ansys Fluent, sử dụng mô hình hỗn loạn k-omega SST và lưới điện toán không cấu trúc, nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng chi tiết về hiệu suất khí động lực học của hệ thống cánh quạt gió.

Trình bày kết quả chính

Mô phỏng cung cấp cái nhìn sâu sắc có giá trị về hiệu suất của thiết kế, cho phép các kỹ sư tối ưu hóa hiệu quả và giảm thiểu rủi ro Các chỉ số hiệu suất chính (KPI) như lực đẩy, mô-men xoắn và hiệu suất được theo dõi chặt chẽ và phân tích để xác định hiệu suất của một thiết kế so với các thiết kế khác Ví dụ, kết quả mô phỏng có thể chỉ ra rằng thiết kế cánh quạt mới có hiệu suất cao hơn 10% so với thiết kế truyền thống ở tốc độ tàu 20 hải lý/giờ.

Rút ra kết luận

Thiết kế cánh quạt mới đã chứng minh được hiệu suất vượt trội so với thiết kế truyền thống, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về cavitation và độ ồn Hiệu suất của cánh quạt mới đã được so sánh với các thiết kế khác và dữ liệu thực nghiệm, cho thấy hiệu suất hoạt động cao hơn đáng kể.

Đề xuất

 Nếu nghiên cứu của bạn có đề xuất các cải tiến hoặc hướng nghiên cứu tiếp theo, hãy tóm tắt chúng ở đây Ví dụ: "Dựa trên kết quả mô phỏng, đề xuất thay đổi hình dạng mép sau của cánh quạt để giảm thiểu nguy cơ