Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường: Nghiên cứu mô phỏng số dòng xoáy xâm thực hơi và xâm thực với khí không hòa tan trong nước tính đến hiệu ứng nhiệt động lực học

Chính vì vậy, đề tài cấp Đại học Quốc gia Hà Nội với tiêu đề: “Nghiên cứu mô phóng số dòng xoáy xâm thực hơi và xâm thực với khí không hòa tan trong nước tính tới hiệu ứng nhiệt độnglực

ĐẠI HỌC QUOC GIA HÀ NỘI

BAO CAO TONG KET

KET QUA THUC HIEN DE TAI KH&CN

CAP ĐẠI HỌC QUOC GIA

Tên đề tài: Nghiên cứu mô phỏng số dòng xoáy xâm thực hoi và xâm thực

với khí không hòa tan trong nước tính đên hiệu ứng nhiệt động lực học.

Mã số đề tài: QG.21.32

Chủ nhiệm đề tài: TS Lê Đình Anh

Hà Nội, 2024

Mục lục

PHAN I THONG TIN CHUNG - 22 2 SS£2SEEEEEEEEEEEEE211271211271711211211 11.1 xe, 3

BI TC nẽ se 4-: 3

In ăắa+4313Ð5 3

1.3 Danh sách cha trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài - 2-22 cczccxeccxcee 3

1.4 Đơn vị CHU tFÌ 2¿-©sc2E2EE12211271127112T12T11 T11 TT T1 n1 ng no 3

1.5 Thoi gian i08 3

1.6 Những thay d6i so với thuyết minh ban đầu (nếu có): : 2-©z22s+2cs++csse2 3

1.7 Tổng kinh phi được phê duyệt của đề tài - 22 2 Ss£SEEESEEEEEEE 2112112121212 cre 3

PHAN II TONG QUAN KET QUÁ NGHIÊN CỨU À -22:©25222+c22xcS£xzzzxeerseeee 3

1 Đặt vấn đề :- s2 TH T12 T1 11 T1 T1 H1 1n nay 3

LU i00 0c ã 3

1.2 Ảnh hưởng nhiệt trong xâm thực - 2-2-2522 SE £EE£EEEEEEEE 2112112112121 Lee 4 1.3 Anh hưởng của khí không hòa tan -2-2+©22+22++EE++2EE+SEEEtEEErSEErerkrrrrxrerkrerrree 5 1.4 Ảnh hưởng của xoáy xâm thực - 22 2+©+t2E++£EEEEEEECEEEEEEEEEEEECEEEErrrrrrkrerkrerrree 5 1.5 Phương pháp mô phóng số dòng xâm thực 2-22 2© £+SE2EE£EEEEEECEEEerEerrkrrrkrrex 6

3 Phương pháp nghiên CỨU - G6 5 1 3k9 HH TT Thọ Tu TH HH Hà HH hờ 8

4 Tong kết kết quả nghiên CUU oo ccccccccscssssesssssssesssecssscsssesssecsssessscssseesssessseesseessecesseessecsseeseess 8

F2) /1)008)/)0 0n §

4.2 Mô hình ngưỡng áp suất chuyên pha tính đến ảnh hưởng của xoáy được phát triển 8 4.3 Kết quả mô phồng 2 2 %+SE+EE£EE2EE2EEEE127157171171121121171111111 11111111111 c0 9

5 Đánh giá về các kết qua đã đạt được và kết luận - 2-2 22 E2+EEt2EEeEEEEErErrrkrrrkree 15

6 Tóm tắt kết qua (tiếng Việt và tiếng Anh) o cceccccecsescseessesssessesssesssessesssesseessesssessessesssesseessees 15

6.1 Tiếng Vit cccccceccccccecccesscessesssesssessusssesssecsuessecssessssssecsuessesssssssessesssecssessesssesssessecssecsseesessuecavecses 15

6.2 Tidrng AMM ccccccccsscsssssssssssssessssssssssssssessssssssesssssssscssecsssessuesssecssussssecssessssessiessseessecesseessecsseeess 16

PHAN III SAN PHAM, CONG BO VA KET QUA ĐÀO TAO CUA ĐÈ TÀI 16

3.1 Két QUA MAMIENM CUT oo ceeecenecesecenececessceeseceseesecsaeceeecseeeaeceaeeeaecaeseeeeeeeaeeeaeeeaeees 17 3.2 Hình thức, cấp độ công bố kết quả 2-2 2+ 2+E£+EE+EE£EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEerkrrrerree 17 3.3 KOt Qua nh ẽ 4 19

PHAN IV TONG HOP KET QUA CAC SAN PHAM KH&CN VA DAO TAO CUA DE

PHAN V TINH HINH SỬ DỤNG KINH PHÍ - 2© £EE2EEcEEEESEEEEEEECEExrrrxrrrree 20

PHAN VI KIÊN NGHỊ (vẻ phát triển các kết quả nghiên cứu của dé tài; về quản lý, tổ chức thực hiện ở các cấp) ỖẮẳiúÚẮẮẮ daL.:AagaƑcc,DD 20 PHAN VII PHU LUC 222 £+S<9SE‡SE£EEEEEEEEEEE2E12112112112112111171 111111111 re 20

Phụ lục 1: Phương pháp mô hình đồng nhất, các mô hình tính toán mô phỏng và mẫu code

ngưỡng Gp suất ChUYEN DÏH(H + tk TH TH TH TT HT TT HT TH TH TH HT HH 22

Phụ lục 2: Tài liệu that KHLỈO À KT HT HH TT TT TH Hà HH Hhg

Phu lục 3: Báo cáo kết quả nghiên cứu Mục 3.1

Phu lục 4: Minh chứng bài báo Q2 công bố trên tạp chí khoa học quốc tế theo hệ thong

PHAN I THONG TIN CHUNG

1.1 Tén dé tai: Nghién cứu mô phóng số dòng xoáy xâm thực hơi và xâm thực với khí không

hòa tan trong nước tính đên hiệu ứng nhiệt động lực học

1.2 Mã số: QG.21.32

1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT | Chức danh, học vị, họ và tên Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 |TS Lê Đình Anh Trường Đại học Công nghệ Chủ nhiệm đề tài

Dai học Quoc gia Hà Nội2_ |TS Nguyễn Hoàng Quân Trường Đại học Công nghệ [Thành viên nghiên cứu

Đại học Quoc gia Hà Nội chủ chốt

3 |PGS TS Trương Việt Anh Đại học Bách Khoa Hà Nội [Thành viên nghiên cứu

chủ chôt

4 |HVCH Nguyễn Van Thanh Đại học Bach khoa Ha Nội Học viên cao học/Thành

viên nghiên cứu

1.4 Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội

1.5 Thoi gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 4 năm 2021 đến tháng 4 năm 2023

1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 01 năm

1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 4 năm 2021 đến tháng 12 năm 2023

1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến

của Cơ quan quản lý)

1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 400 triệu đồng.

PHAN II TONG QUAN KET QUÁ NGHIÊN CỨU

1 Đặt vấn đề

1.1 Hiện tượng xâm thực

Xâm thực là hiện tượng sự xuất hiện bọt khí và phát triển (hơi bão hòa/khí không hòa tan) tại nơi

có áp suất cục bộ nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa do tác động của gia tốc dòng chảy Xâm thực thường được thấy trong thiết bị thủy lực như bơm, tua-bin, chân vịt, van điều khiển hoặc cơ cau dẫn dòng trên đường ông Các khối khí xâm thực này di chuyển theo dòng chảy tới nơi có áp suất cao gây hiện tượng

nô, làm tăng nhiệt độ và áp suất cục bộ tại vị trí né của bọt khí lên hang nghìn Ken-vin và at- mốt-phe,làm cho thiết bị thủy lực bị rung động, gây ồn lớn va phá hủy bề mặt chi tiét nhu Hinh 1 [1] Với những

tác động nguy hại cho máy và hệ thống nêu trên, xâm thực luôn là vấn đề quan trọng cần quan tâm

trong thiết kế và vận hành các thiết bị thủy lực, cũng như bởi các tô chức nghiên cứu cao câp nhưNASA, MIT (USA), JAXA (Nhật Bản), các trường đại học công nghệ hàng đầu ở các nước tiên tiến

Các dạng xâm thực phô biến thường gặp như (Hình 2): bóng xâm thực (bubble cavitation), xâm thực

dừng (attached cavitation), mây xâm thực (sheet-cloud cavitation), xoáy xâm thực (vortex cavitation),and siêu xâm thực (supercavitation) [1, 2] Mỗi loại xâm thực gây ảnh hưởng khác nhau lên dòng chảy

và đặc tính làm việc của máy thủy lực Đồng thời, xâm thực cũng chịu sự tác động của các đặc điểmdòng chảy như nhiệt độ, rôi-xoáy, và khí không hòa tan

1.2 Ảnh hưởng nhiệt trong xâm thực

Khi xâm thực xuất hiện, nhiệt ân cho sự hóa hơi được lay từ môi trường chất lỏng xung quanh vị

trí hình thành bọt khí làm giảm nhiệt độ (temperature depression) và áp suất hóa hơi của chất lỏng Do

dó, sự phát triển của các bọt khí hơi bão hòa bị đình trệ và xâm thực suy giảm như trong Hình 3 Hiện

tượng này gọi là hiệu ứng nhiệt động lực học trong xâm thực và có những tính chất sau: giảm nhiệt độ trong khôi bọt khí và giảm kích thước khối khí xâm thực Qua đó, hiệu suất của thiết bị thủy lực có khả

năng được cai thiện Hiệu ứng này đã được chú ý nghiên cứu rộng rãi trong vài thập kỷ gần đây Thực

nghiệm hiệu ứng nhiệt động lực học trong xâm thực được nghiên cứu đầu tiên bởi Stahl và Stepanoff [3] trong bơm vào năm 1956 Năm 1961, Sarosdy và Acosta [4] cho thấy sự khác biệt lớn trong cấu

trúc bọt khí giữa môi trường nước và khí hóa lỏng Freon Hord [5-6] thực hiện một loạt thí nghiệmxâm thực trong vòi phun, hydrofoil tai NASA với ni-to và hi-đờ-rô hóa lỏng, nhằm đáp ứng mục đíchnghiên cứu cho thiết bị đây của tên lửa Phân bố nhiệt độ và áp suất trên đối tượng thí nghiệm được đo

băng các cảm biến nhiệt độ và áp suất tương ứng Franc và các cộng sự [2, 7, 8] so sánh câu trúc xâm thực giữa môi trường nước và khí làm lạnh hóa lỏng R-114 trên bơm So sánh cho thấy, với tac động

của hiệu ứng nhiệt động lực học trong xâm thực, thé tích khối khí xâm thực trong R-1 14 giảm đáng kế khi so sánh với thể tích bọt khí trong nước ở cùng hệ số xâm thực (Hình 4) Nghiên cứu trước đây cho thấy hiệu ứng nhiệt động lực học có thê được bỏ qua cho chất lỏng với nhiệt độ nhỏ hơn rất nhiều nhiệt

độ tới hạn với đặc trưng hệ số nhiệt động lực học > là rất nhỏ [2] Tuy nhiên, tác động của nhiệt lên

xâm thực là đáng ké trong chất lỏng có hệ số nhiệt động lực học Ð` lớn như nước nóng, ni-tơ lỏng,

hy-4

đờ-rô lỏng, Do vậy, ảnh hưởng của nhiệt động lực học lên xâm thực có thể lớn đối với nước ở nhiệt

độ cao và phải được đưa vào nghiên cứu tính toán thiệt kế thiệt bị thủy lực làm việc ở điểu kiện này

Mechanism of Thermodynamic Effect on Cavitation Evaporation

Evaporation occurs

Latent heat

Latent heat is deprived

Temperature degreases

Saturated vapor pressure decreases

Evaporation is suppressed Suppression

: l ⁄

The suppression effect is larger when the freestream temperature closes to critical temperature in each fluid

iN

Hình 3 Đặc tinh cơ học của hiệu ứng nhiệt động lực học lên xâm thực “9!

Hình 4 Tác động của nhiệt động lực học lên kích thước khối bọt khí [2]

1.3 Anh hưởng của khí không hòa tan

Nước là dạng chất lỏng được sử dụng phô biến trong công nghiệp Khác với các loại chất lỏng khác

như khí làm lạnh hóa lỏng, luôn có một hàm lượng khí không hòa tan tồn tại và gần như không thể loại

bỏ hoàn toàn trong nước Hàm lượng khí không hòa tan này có ảnh hưởng không nhỏ tới sự phát triển

của xâm thực Với sự xuất hiện của khí hòa tan trong nước, nó gây khó khăn trong việc phân biệt rõ ràng xâm thực xảy ra do sự hóa hơi của chất lỏng hay do sự khuếch tán của bọt khí không hòa tan (gaseous cavitation) Gia thiết một hàm lượng khí không hòa tan tồn tại trong nước, áp suất của bọt khí lúc này bằng tổng áp suất riêng phần của hơi bão hòa Py va áp suat riéng phan của khí không hòa tan

pa [1, 9] Do vậy, xâm thực do đó có thể xảy ra ở áp suất lớn hơn áp suất hơi bão hòa, nếu hàm lượng

khí là đủ lớn Thêm vào đó, ở nhiệt độ cao, với sự xuất hiện của khí không hòa tan, nhiệt ẩn chuyển pha sẽ bị thay đổi gây ra ảnh hưởng nhất định đến bản chất xâm thực và do vậy cần phải được xem xét đến trong nghiên cứu xâm thực trong môi trường nước ở nhiệt độ cao.

1.4 Anh hưởng của xoáy xâm thực

Xâm thực thường xảy ra trong dòng chảy có số Reynolds cao Đặc điểm của dòng chảy này có tính không ồn định và chứa các xoáy với sự hình thành và vỡ theo chu kỳ của các bọt khí xâm thực Các

nghiên cứu trước đây cho thấy sự tồn tại của dòng xoáy có tác động lớn đến hiện tượng xâm thực

[10-13] Trong đó, áp suất tại tâm xoáy nhỏ hơn nhiều so với áp suất chất lỏng xung quanh (Hình 5).

Bachmann và cộng sự [11] tính toán độ giảm áp suất khoảng 200kPa bên trong lõi xoáy có bán kính

thấy áp suất giảm 91 kPa đối với lõi xoáy 5 mm Ngược lại, Li và các cộng sự [12] đã ước tính mức

giảm áp suất nhỏ hơn nhiều là 3 kPa bên trong lõi xoáy sử dụng mô hình xoáy Rankine Các nghiên

cứu đó cho thấy vùng áp suất thấp trong vùng xoáy của chat long là phức tạp, chưa duoc nghiên cứu

rõ ràng và tác động trực tiếp đến sự hình thành và phát triển của xâm thực

Câu trúc xoáy-xâm thực

Gần đây, một số nghiên cứu đã được thực hiện để tính toán những ảnh hưởng của đặc điểm dòng

chảy đó lên mô phỏng dòng xâm thực Singhal và cộng sự [14] đã tính toán “sự dao động áp suất hỗn

loạn” đối với ngưỡng áp suất thay đôi pha trong xâm thực và áp dụng cho mô phỏng dòng xâm thưc

trên các đối tượng khác nhau Mặc dù mô hình này có thé dự đoán phân bồ áp suất tương, đối sát với

dữ liệu thực nghiệm của dòng xâm thực, áp dụng mô hình này với dòng xâm thực không ôn định vẫn

còn nhiều hạn chế và vẫn chưa được phổ biến trong cộng đồng mô phỏng Áp suất do ứng suất cắt được

thêm vào ngưỡng áp suất thay đổi pha: dé mô phỏng dòng chảy trong vòi phun [15-16] Với dang dong

chảy này, chiều dài đặc trưng là rất ngắn và vận tốc rất lớn, dẫn đến vận tốc cắt lớn hơn so với tác độngcủa xoáy Dựa trên các phát hiện này, Asnaghi và các cộng sự [L7] thêm hiệu ứng tốc độ biến dạng cắt

trong tính toán ngưỡng áp suất thay đôi pha bằng tích tốc độ biến dang và độ nhớt của chat lỏng dé mô phỏng dòng chảy cavitating trên cánh Delft Twistl 1 Kashiwada và Iga [18] đã kết hợp mô phỏng với dòng chảy tầng với các mô hình đao động áp suất khác nhau như mô hình ứng suất Reynolds, mô hình

mô men xoăn Baroclinic, mô hình Q-criteria và mộ hình tốc độ biến dạng Như báo cáo, phân bố hệ số

áp suất -C, trên cánh NACA0015 được cải thiện bằng cách sử dụng mô hình ứng suất Reynolds và môhình Q-criteria Bernard và cộng sự [19] đã chứng minh mối liên hệ giữa cấu trúc xoáy và đặc điểm

dòng chảy gần biên tường với sự tang ứng suất Reynolds Các nghiên cứu ở trên chỉ ra rằng đặc điểm

của dòng chảy cục bộ, độ nhớt rôi, đặc biệt là xoáy trong dòng chảy có tác động quan trọng đến các

quá trình thay đổi pha và đo đó cần phải được tính đến trong mô phỏng Do đó, sự xuất hiện của cau

trúc xoáy trong dòng chảy sẽ làm thay đổi ngưỡng áp suất chuyển pha trong xâm thực nhưng khôngđược tính đến trong các nghiên cứu trước đây

1.5 Phương pháp mô phỏng số dòng xâm thực

Với những hạn chế trong phương pháp tiếp cận bằng thực nghiệm, xu hướng nghiên cứu hiện nay

dần chuyền sang tìm hiểu và phát triển phương pháp mô phỏng số có thé dự đoán được các đặc tínhnày Xâm thực đặc trưng bởi các tương tác phức tạp giữa sự chuyên pha, trao đổi nhiệt giữa các pha và

sự khéch tán của song áp suất Thời gian đặc trưng cho các hiện tượng trên là khác nhau trải dai từ 10°

3s tới 105 Do vậy, tính toán mô phỏng dòng xâm thực trở nên phức tạp hơn so với dòng 1 pha thông

thường Các thập kỷ gần đây, các nhà khoa học đã phát triển nhiều phương pháp mô phỏng sô cho dòng

nhiều pha nói chung và dòng xâm thực nói riêng, có thể được phân ra làm hai cách tiếp cận chính:phương pháp “2 pha 1 chất long” và phương pháp “2 pha 2 chất lỏng”

Phương pháp “2 pha 2 chất lỏng” tính toán cho các pha một cách riêng biệt Hệ phương trình động

lực học chất lỏng được giải cho từng pha và sự tương tác giữa các pha được mô hình hóa băng các mô

hình riêng biệt như vận tốc trượt tại bề mặt các pha, lực cản hoặc lực nổi Có 2 cách tiếp cận đối VỚI

phương pháp này bao gồm: Eularian-Eularian [20] và Eularian-Lagrangians [21] Cách tiếp cậnEularian-Eularian giải phương trình liên tuc, phương trình mô-men, và phương trình tỉ lệ thé tích cho

từng pha Cách tiếp, cận Eularian-Lagrangians giải phương trình bảo toàn sô lượng bọt khí, phương trình chuyền động gan với từng bọt khí và sự thay đồi thé tích của bọt khí Tuy nhiên phương pháp này

đòi hỏi khối lượng và thời gian tính toán lớn Do vậy phương pháp này thích hợp cho tính toán với số

lượng bọt khí ít và không được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng dòng xâm thực với số lượng bọt khí

lớn

Phương pháp “2 pha | chat lỏng” giải hệ chất lỏng và hơi bão hòa giống như 1 dòng 1 pha Trong

đó, 2 pha giả thiết có cùng vận tốc, áp suất và nhiệt độ Do vậy, hệ phương trình cho 2 pha có thê đơngiản hóa thành hệ phương trình cho dòng 1 pha hỗn hợp Thêm vào đó, phương trình bảo toàn khối

lượng cho pha hơi bão hòa/khí không hòa tan được bổ xung dé tính toán quá trình chuyển pha trongxâm thực Do vậy, phương pháp này giảm thiểu khối lượng và thời gian tính toán hơn nhiều so với

phương pháp “2 pha 2 chất lỏng” và rất phù hợp cho tính toán mô phỏng dòng xâm thực trong côngnghiệp Phương pháp có thé chia thành 2 dang bao gồm: mô hình bắt bề mặt (interface capturing model)

và mô hình đồng nhất (homogeneous model)

Mô hình bắt bề mặt giả thiết có sự chuyên tiếp không liên tục Ở bề mặt phân cách chất lỏng và hơibão hòa/khí Trong mỗi thé tích kiêm soát (control volume), tong tỉ lệ thể tích của các pha bằng 1 Mô

hình Volume of Fluid (VOF) là cách tiếp cận phổ biến ở mô hình bắt bề mặt [22] Mô hình này giải

một phương trình động lượng cho cả 2 pha và kiểm tra tỉ lệ thể tích của từng pha trong toàn bộ khônggian tính toán Tuy nhiên, mô hình VOF đòi hỏi lưới rất mịn dé tính toán chính xác bê mặt phân cáchgiữa 2 pha nên đòi hỏi thời gian tính toán cao [23]

Mô hình đồng nhất (HM) được sử dụng rộng dãi trong tính tóan mô phỏng dòng xâm thực trongcông nghiệp [24, 25] Giống như mô hình VOF, mô hình đồng nhất giải hệ phương trình đơn giản hóadòng 2 pha như với dòng | pha Thêm vào đó, 1 phương trình liên tục của pha hơi bão hòa (phươngtrình tỉ lệ thé tích hoặc tỉ lệ khối lượng) được giải dé tính toán quá trình chuyên pha Sự khác biệt giữa

2 mô hình ở chỗ bề mặt phân cách giữa chất lỏng và hơi bão hòa không phân biệt cụ thé và được giả

thiết hòa trộn lẫn hoàn toàn trong phương pháp mô hình đồng nhất Phương pháp HM đòi hỏi khốilượng và thời gian tính toán nhanh, phù hợp cho việc tính toán và kiểm nghiệm thiết kế các thiết bịthủy lực trong công nghiệp

Chính vì vậy, đề tài cấp Đại học Quốc gia Hà Nội với tiêu đề: “Nghiên cứu mô phóng số dòng

xoáy xâm thực hơi và xâm thực với khí không hòa tan trong nước tính tới hiệu ứng nhiệt độnglực học” mã số GQ.21.32 đã được thực hiện nhằm đưa ra mô hình mô phỏng tính tới tác động của

xoáy lên xâm thực và tích hợp với mô phỏng đồng nhất cho hiệu quả tính toán mô phỏng dòng xâm

thực trong môi trường nước khi tính đến ảnh hưởng của nhiệt và khí không hòa tan.

2 Mục tiêu

- Phát triển chương trình tính toán 2 chiều (2D) và kiểm nghiệm, đánh giá tính hiệu quả của chương trình đo nhóm phát triển trong việc tính toán mô phỏng hiện tượng xâm thực có tính đến ảnh hưởng

của xoáy trong môi trường nước, của nhiệt và của khí không hòa tan

- Đánh giá khả năng của mô hình mô phỏng qua sánh kết quả với thực nghiệm, qua đó phân tích

khả năng áp dụng trong các bài toán thực tế của mô hình tính toán do nhóm nghiên cứu đề xuat

3 Phương pháp nghiên cứu

- Ung dụng mô phỏng số: Mô hình đồng nhất (Homogeneous model) được áp dụng cho mô phỏng

dòng xâm thực (2 pha nước-hơi bão hòa và 3 pha nước-hơi bão hòa-khí không hòa tan) Phương pháptính toán ngoại suy, sai phân hữu hạn (FDM) với thuật giải Harten-Yee second-order upwind Total

Variation Diminishing (TVD) kết hợp thuật giải Strang splitting-time [26] được sử dụng Mô hình

chuyền pha dựa trên phương trình Hezt-Knudsen-Langumur [9, 27] và mô hình k-@ [28] được choncho mô phỏng quá trình chuyền pha trong xâm thực và ảnh hưởng của tối

- Xây dựng hàm tính toán ảnh hưởng của xoáy lên xâm thực: Dựa trên phân tích lý thuyết, đưa

ra ảnh hưởng của biến dạng cắt (shear strain) và xoáy (vorticity) lên giá trị cục bộ của ngưỡng áp suất chuyền pha trong lòng chất lỏng.

- Xây dựng chương trình mô phỏng tính đến ảnh hướng của xoáy lên xâm thực: Xây dựng

chương trình mô phỏng tính toán song song (OpenMP) dong xâm thực sử dụng mô hình đồng nhất trên ngôn ngữ FORTRAN Tích hợp mô hình xoáy xâm thực được phát triển với mô hình đồng nhất cho

mô phỏng dòng xâm thực

- Tinh toán kiểm nghiệm: Chương trình mô phỏng được kiểm nghiệm cho dong không xâm thực

và xâm thực trong môi trường nước với ảnh hưởng của rối- xoáy, khí không hòa tan, và hiệu ứng nhiệt.

Kết quả mô phỏng (phân bố áp suất, hàm lượng thé tích khối xâm thực, ) được so sánh tương quan

với các kết quả thực nghiệm và các kết quả mô phỏng đã được công bố trên tạp chí quốc tế uy tín như dòng chảy qua vật thé đối xứng dang trụ, biên dạng cánh NACA0015 và dong chảy trong vòi phun.

Qua đó, tính kha thi của mô hình mô phỏng được đánh giá

4 Tống kết kết quả nghiên cứu

4.1 Phương pháp mô phỏng

Dòng xâm thực được mô phỏng dựa trên mô hình đồng nhất (homogeneous model) Trong đó, các pha lỏng, hơi bão hòa và khí không hòa tan được giả thiết ở trang thái cân bang động năng và cân bằng nhiệt Do đó, hệ phương trình động lực học chất lưu cho dòng nhiều pha được đơn giản hóa thành hệ

phương trình cho dòng l pha kết hợp phương trình trao đổi khối lượng cho các pha hơi bão hòa hoặcpha khí không hòa tan Cụ thé tham khảo Phụ lục 1

Phương pháp tinh toán ngoại suy (explicit) kết hợp phương pháp Harten-Yee second-order upwind

và phương pháp time-splitting được áp dụng đê giải hệ phương trình động lực học chat lưu cho dòngxâm thực (xem bai báo phụ lục 4, 5 và 6) Mô hình roi k-œ được sử dụng cho tính toán ảnh hưởng củarôi lên đặc tính dòng chảy

4.2 Mô hình ngưỡng áp suất chuyên pha tính đến ảnh hưởng của xoáy được phát triển

Ngưỡng áp suất chuyên pha (SVM) được tính như sau [29]:

P, =P,+P if (1)

Trong đó, py là áp suất hơi bão hòa theo nhiệt độ 7; p là áp suất dao động trong dòng chảy tính đến tác

động của rôi và xoáy trong dòng chảy và được tính như sau:

+a), |Øl>ls Đ)

Trong đó, S (shear strain magnitude) là độ lớn của biến dang cắt của phan tử chất lỏng; Q (vorticity

magnitude) là độ lớn của biến dạng xoáy của phan tử chất lỏng; ¿ là độ nhớt động lực học của chất

lỏng

4.3 Kết quả mô phỏng

4.3.1 Dòng xâm thực qua NACA0015 trong nước ở Tọ=293K

Chương trình mô phỏng với mô hình ngưỡng áp suất chuyên pha ở PT (1) được tính toán kiểm nghiệm cho dòng xâm thực qua vật thê đối xứng dạng trụ và biên dạng cánh NACA0015 ở trong nước

tại nhiệt độ phòng Kết quả mô phỏng được so sánh tương quan với thực nghiệm qua phân bồ áp suất

va thé tích khối khí xâm thực [30] Trong báo cáo này, không gian tính toán với biên dạng NACA0015được thé hiện trong Hình 6 Trong đó, NACA0015 có góc tan (AoA) là 8°, chiều dai dây cung c =

0.115m va nam cach bién vao (inlet) 4c, cách 2 biên trên va dưới (symmetry) Ic và cách biên ra (outlet)

6c Lưới có cau trúc (lưới tực giao) được xây dựng cho mô phỏng Trong đó, lưới được chia dày tại

biên tường nơi có sự thay đổi lớn trong các thông số dòng chảy như bề mặt NACA và vật thé đối xứng dạng trụ Các điều kiện mô phỏng được thê hiện trong Bảng 1 Các kết quả tính toán được trích dẫn từ

tài liệu tham khảo [36]

Bảng 1: Diéu kiện ban đầu cho bài toán trên NACA0015.

Héséx4m Góctấn Van tốc U, Số Re — Apsuat P, Đặc điểm

thực (o ) AoA (°) (m/s) (Pa)

3 44900.0 Không xâm

8 7.74 1.3x10° thực

1.4 98900.0 Xâm thực

Hình 6 Không gian tính toán và lưới có cau trúc xây dung cho mô phỏng

Ảnh hưởng của lưới lên kết quả mô phỏng được khảo sát trên 3 lưới: Lưới 1 (221x70 điểm), Lưới

2 (309x85 điểm) và Lưới 3 (410x100 điểm) Trường hợp không xâm thực với o= 3 được sử dụng cho

tính toán hội tụ lưới Hình 7 so sánh kết quả mô phỏng hệ số áp suất C, phân bồ trên biên dạng NACA

giữa 3 lưới Có thê thấy, kết quả mô phỏng C; là không khác biệt giữa Lưới 2 và Lưới 3 Do vậy Lưới

2 được sử dụng cho tính toán kiểm nghiệm chương trình mô phỏng với mô hình ngưỡng áp suất chuyển

ệ số áp suất Cp

H

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

x/c

Hình 8 Phân bó hệ số áp suất trên biên dạng NACA0015 với o = 1.4.

Với o = 1.4, hiện tượng xâm thực không dừng xảy ra trên biên dạng cánh NACA Do đó, việc tính

toán mô phỏng chính xác các thông sô dòng chảy qua cánh NACA là rất phức tạp Có thể thấy, trong

Hình 8, kết quả mô phỏng với mô hình SVM cho kết quả đường cong áp suất trên bề mặt cánh NACA

có xu hướng gân với phân bố thực nghiệm Kết qua tính toán mô phỏng được cải thiện về độ chính xác

hơn so với kết quả mô phỏng không tính đến ảnh hưởng của xoáy tới ngưỡng áp suất chuyên pha bởiOchiai và các cộng sự [9]

Hình 9 So sánh quá trình hình thành của khối khí xâm thực trên NACA0015 với thực nghiệm.

Hình 9 so sánh kết quả mô phỏng quá trình hình thành va phát triển của khối khí xâm thực áp dụng

mô hình SVM với thực nghiệm Có thể thấy, quá trình hình thành và phát triển của khối khí xâm thực tương đối phù hợp với thực nghiệm Các kết quả trên cho thấy chương trình mô phỏng với mô hình SVM có thé cải thiện độ chính xác trong việc dự đoán đặc tính của dòng xâm thực không dừng.

4.3.2 Dòng xâm thực trong vòi phun với nước ở Tọ > 373K

Chương trình mô phỏng với mô hình SVM được kiểm nghiệm cho mô phỏng dòng xâm

bởi Abuaf và các cộng sự [31] được thể hiện trong Hình 10 Dựa trên khảo sát ảnh hưởng của lưới, lưới

với 241x60 điểm và khoảng cách không thứ nguyên từ lớp lưới đầu tiên đến biên tường 30 < y* < 400

được chọn cho mô phỏng Tại biên vào, áp suất Pin và nhiệt độ Tin được sử dung; áp suất Pow được sử

dụng cho biên ra Điều kiện biên không trượt và đoạn nhiệt được sử dụng cho thành của vòi phun

(No-slip wall) Điều kiện biên trượt được áp dụng cho trục đối xứng (Axis) của vòi phun Ap suat hoi bao

hòa p,(7) được tinh dựa trên nhiệt độ cục bộ 7 trong dòng chảy Ngưỡng áp suất chuyên pha ø„ (7)

được tính toán theo PT (1) và (2) Điều kiện tính toán được thé hiện chỉ tiết trong Bảng 2

Hình 10 Thông số của vòi phun và lưới mô phỏng

Bảng 2 Thông số điều kiện mô phỏng

No-slip wall

400

-0.2 ~0.1

Trường hợp BNL133 BNL296Pin [kPa] 349.00 764.90

Hình 11 so sánh phân bố giá trị trung bình tỉ lệ thể tích khối khí xâm thực ø và áp suất trong voi

phun với ket quả thực nghiệm của Abuaf Có thê thay phân bô áp suat cho boi mô phỏng là tương đông

với thực nghiệm Trong đó, áp suât giảm nhanh từ đâu vào của vòi phun đên phan họng phun (throat)

12

và duy trì giá trị gần như không đổi trong vùng khuếch tán do xâm thực xuất hiện Tương tự, kết quả

mô phỏng tỉ lệ thê tích khôi khí xâm thực cũng cho thây sự tương đông với thực nghiệm Sự khác biệtgiữa dir liệu thực nghiệm và dữ liệu mô phỏng có thê là do sai sô trong quá trình đo đạc thực nghiệm

Hình 12 Đô thị đường bao của tỉ lệ thể tích pha hơi (a), áp suất (b), số Mach (c) và nhiệt độ (d) bên

trong voi phun Abuaf ở trường hợp BNL133

Đặc trưng của giá trị trung bình tỉ lệ thê tích khối khí xâm thực theo thời gian (a), áp suất (b), số

Mach (c), và nhiệt độ (d) trong vòi phun ỏ ở trường hợp BNL133 được thé trong Hình 12 Quá trình xâm

thực xuất hiện đầu tiên tại họng vòi phun trước khi di chuyền vào vùng khuếch tán Tương ứng với sự

phát triển của xâm thực, áp suất trong dòng chảy giảm dần từ đầu vào, đạt giá trị nhỏ nhất tại họng

phun và duy trì giá trị gần như không đổi vùng khuếch tán như trong Hình 11 Số Mach tăng nhanh sauhọng vòi phun và đạt giá trị lớn nhất là 0.6 trong hầu hết vùng khuếch tán, nơi có sự tồn tại của khối

khí xâm thực Dưới tác động của sự hóa hơi của nước, nhiệt độ bắt đầu giảm từ họng vòi phun tới lối

ra Nhiệt độ thấp nhất được quan sát thấy trên biên tường gần lối ra, nơi tỉ lệ thé tích khối khí xâm thực

đạt giá trị lớn Phân bố áp suất, số Mach, tỉ lệ khối khí xâm thực là tương đối tương đồng với thực

nghiệm và kết quả mô phỏng không tính đến ảnh hưởng của xoáy do vùng khuếch tán của vòi phun

hóa hơi hoàn toàn

Bang 3 So sảnh giữa thời gian đặc trưng dòng chảy t và thời gian nhiệt đặc trưng Tn

Sự suy giảm 2 ; Ễ Cao

xâm thực ngược/Thâp ngược/Thâp

Bảng 3 cho thấy tỉ lệ giữa thời gian đặc trưng dong chảyz và thời gian nhiệt đặc trưng 7 của dòng

chảy trong vòi phun Trong đó, z= D„/U„ va tm được tính toán theo đề xuất của Yoshida và các cộng

sự [32] Ở đây, Din = 25 là đường kính họng phun va Uy là vận tốc dòng nước qua họng phun Ti lệ

thời gian đặc trưng z /z7„ (non-dimensional time scale) dat giá trị nhỏ với Tin < 373K ở o= 0.98 va

với Tin < 400K ở o = 0.92, khi đó có hiệu ứng suy giảm xâm thực là nhỏ hoặc hiệu ứng ngược xuất

hiện Quan trọng hơn, hiện tượng này xảy ra ngay cả khi nhiệt độ rất cao Tin = 400K tại o = 0.92 Sự

suy giảm khối khí xâm thực trở nên rõ ràng khi tỉ lệ thời gian đặc trưng đủ lớn trong nghiên cứu này

Có thể thấy, sự suy giảm nhiệt độ do xâm thực có thê xảy ra ở bat kỳ nhiệt độ nao, tuy nhiên sự suy thé

tích khối khí xâm thực phụ thuộc vào không chỉ nhiệt độ của nước, cơ chế dong chảy, mà còn phụ thuộc

vào tỉ lệ thời gian đặc trưng của dòng chảy

4.3.3 Dòng xâm thực qua NACAO0015 trong nước với ảnh hưởng của nhiệt và khí không hòa tan

Trong mục này, dòng xâm thực qua biên dạng cánh NACA0015 dựa trên thực nghiệm của Cervone

[33] và các cộng sự được sử dụng cho nghiên cứu ảnh hưởng của khí không hòa tan lên xâm thực

Không gian tính toán được xây dựng tương tự như trong Hình 6 Biên dạng NACA0015 có độ dài cung

c= 115 mm và được đặt ở khoảng cách 4c từ lối vào và 6c từ lối ra Khoảng cách giữa hai biên tường trên và dưới là 120 mm Lưới có cau trúc với 17,150 điểm lưới được tạo cho mô phỏng với giá trị trung bình của y* = 36 ~ 38 trên NACA0015 và 2 biên tường Cụ thê điều kiện tính toán mô phỏng được cho

ở Bảng 4.

Bảng 4: Điêu kiện ban dau cho bài toán trên NACA0015.

Hệsốxâm Géctan Vận tốc Uo SốRe Nhiệt độ To Đặc điểm

thực (0) AOA (°) (m/s) (K)

1.5 5 8 1.3e+6 343 Xâm thực

Với điều kiện biên, ở biên vào, vận tốc Uo, tỉ lệ thé tích khối khí xâm thực a = 0.001, nhiệt độ To,

cường độ TÔI T= 2% và tỉ lệ độ nhớt roi 7 = 2000 [34] được sử dụng Tỉ lệ khôi lượng khí không hòatan trong khôi khí xâm thực Dzo được tính từ phương trình (3)

R,(o — p,Œ))

Daạy=———— 9—“~———.,

Ap suất tinh po được khai báo ở biên ra dựa theo hệ số xâm thực ova nhiệt độ của nước 7ø Điều kiện

biên không trượt và đoạn nhiệt được sử dụng cho các biên tường

Hình 13(a) thé hiện phân bố hệ số áp suất trung bình -C, trên NACA0015 bởi chương trình mô phỏng với mô hình SVM Các kết quả mô phỏng sử dụng mô hình đồng nhất cân bằng (Homogeneous

equilibrium model — HEM) không có khí không hòa tan cũng được tính toán dé khảo sát anh hưởng

của khí không hòa tan lên đặc điểm của xâm thực [35] Có thể thấy kết quả mô phỏng là tương đồng

với thực nghiệm Tuy nhiên, tỉ lệ thể tích khối khí xâm thực đầu vào với mô hình SVM nhỏ hơn giá tri

được sử dụng trong mô hình HEM Qua đó, cho thấy sự tồn tại của khí không hòa tan tạo ra hiện tượng

xâm thực mạnh hơn Chú ý rằng, kết quả tính toán khi tính thêm ảnh hưởng của xoáy và không xoáylên ngưỡng áp suất chuyền pha là không có sự khác biệt rõ ràng trong trường hợp này, do xâm thực

bám tường xuất hiện

So sánh tại vùng đầu cánh x/c < 0.2 cho các giá trị hệ số áp suất riêng phần cho p” va hệ số ngưỡng

áp suất chuyên pha cho p„(7)” cho thấy: hệ số dp suat riêng phan cho p * lớn hơn hệ số ngưỡng áp suất

chuyên pha cho p,(7)” Sự khác biệt lớn giữa p* và p(T)" cho thay tỉ khối pha khí Dz chiếm tỉ trọng lớn

14

trong khối khí xâm thực Hệ số áp suất riêng phan cho p” là là rất lớn ở gần về phía đầu cánh, do vậy, quá trình xâm thực sẽ diễn ra nhanh hơn và xuất hiện sớm hơn trường hợp không có khí không hòa tan

ở mô hình HEM Điều này có thê thấy rõ trong Hình 13(b), mô tả xâm thực tại vị trí đầu cánh trong hai

mô hình SVM và HEM Vị trí của xâm thực di chuyển gân hơn về phía đầu cánh ở mô hình SVM Cáckết quả trên cho thấy ảnh hưởng của khí không hòa tan dẫn đến sự khác biệt trong vi trí xâm thực tam

trên cánh NACA khi so sánh với trường hợp bỏ qua khí không hòa tan.

Hình 13 Phân bố hệ số áp suất trong mô phỏng số (a) và vị trí xuất hiện xâm thực (b) trên NACA với

hai mô hình SVM và HEM

5 Đánh giá về các kết quả đã đạt được và kết luận

- Đề tài nghiên cứu đã đưa ra được mô hình ngưỡng áp suất chuyên pha tính được tác động của

xoáy và rồi lên xâm thực.

- Mô hình ngưỡng áp suất được tích hợp với mô hình đồng nhất cho mô phỏng dòng xâm thực.

- Kết quả mô phỏng dong xâm thực với mô hình ngưỡng áp suất chuyên pha mới cho kết quả có xu hướng bám sát thực nghiệm hơn kết quả mô phỏng đã công bố trước đây Kết quả mô phỏng phù hợp với thực nghiệm và có thé mô phỏng được hiện tượng xâm thực cho các đối tượng thường gặp trong công nghiệp như vật thé đối xứng dangjt ru, biên dạng cánh NACA và vòi phun ở dưới tác động của

nhiệt độ và khí không hòa tan

- Kết quả cho thay khả năng áp dụng của mô hình mô phỏng cho tính toán kiểm nghiệm đặc tính

làm việc của các thiết bị thủy lực thực tế

6 Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

6.1 Tiếng Việt

Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu đặt ra trong thuyết minh đã được duyệt Cụ thê là nhóm nghiên

cứu đã đã đưa ra được chương trình mô phỏng dòng xâm thực dựa trên mô hình đồng nhất cho môphỏng dòng xâm thực Mô hình ngưỡng áp suất chuyền pha SVM tính đến ảnh hưởng của xoáy và rối

lên xâm thực được phát triển và tích hợp vào chương trình mô phỏng

Chương trình mô phỏng đã được kiểm nghiệm cho các thiết bị thủy lực thông dụng như vật thê đốixứng dang trụ, biên dang cánh NACA0015, vòi phun trong môi trường nước ở các điều kiện nhiệt độ

khác nhau và dưới tác động của khí không hòa tan Kết quả mô phỏng được so sánh tương quan với

kết quả thực nghiệm về hệ số phân bồ áp suất, tỉ lệ thé tích khối khí xâm thực,.

Mô hình ngưỡng áp suất chuyền pha SVM tính đến ảnh hưởng của xoáy và rối cho kết quả sát với

thực nghiệm hơn kết quả đã công bố trước đây về cả phân bố áp suất và quá trình phát triển của khốikhí xâm thực trên vật thể đối xứng dạng trụ, biên dạng NACA0015 ở điều kiện nhiệt độ phòng Các

kết quả mô phỏng cũng cho sự tương đồng với thực nghiệm cho dòng xâm thực trong vòi phun và trên

cánh NACA0015 trong nước ở nhiệt độ cao và với tac động của khí không hòa tan

Khảo sát cho thấy, yếu tố nhiệt có tác động lớn lên sự suy giảm nhiệt độ cũng như thể tích khối khí xâm thực Trong đó, sự suy giảm khối khí xâm thực không chỉ chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ của nước

và cơ chế dòng chảy, mà còn phụ thuộc vào tỉ lệ thời gian đặc trưng của dòng chảy

Khảo sát cho thấy mối quan hệ mật thiết giữa khí không hòa tan với đặc điểm xâm thực Khí không

hòa tan tồn tại trong nước dẫn đến sự khác biệt trong vị trí xâm thực Cùng với tác động của nhiệt độ,khí không hòa tan sẽ tăng tốc quá trình xâm thực Do đó, xâm thực dễ dàng hình thành hơn và pháttriển sớm hơn so với khi không xét đến khí không tan

Kết quả mô phỏng cho thấy tính khả thi của chương trình mô phỏng trong việc tính toán thiết kế và

khảo sát đặc tính làm việc của các thiết bị thủy lực thường gặp trong công nghiệp Tuy nhiên, chươngtrình hiện tại vẫn chỉ đang giới hạn trong tính toán 2 chiều (2D) Do vậy, các nghiên cứu tiếp theo cần

được thực hiện cho tính toán 3 chiều (3D) dé có thé đánh giá một cách toàn diện chương trình môphỏng

6.2 Tiếng Anh

The project has achieved its objectives in the approved proposal Specifically, the research teamhas simulation program based on the homogeneous model A threshold saturated vapor pressure model,accounting the effect of vortex and turbulence, was developed and implemented to the simulationprogram succesfully

The simulation code was validated for some popular hydraulic devices such as the NACA0015

hydrofoil, converging-diverging nozzle in water at different working conditions likes temperature

variation and with the non-condensation gas The numerical results were quantitatively compared withthe available experimental data such as the distribution of pressure coeficient, cavitation voidfraction,

The present simulation program satisfactorily predicted the experimenta data such as pressurecoeficient and the development of the cavitation void fraction on the axissymmetric body andNACAOO015 at room temperature A better result was obtained in comparision with the previousnumeical data without accounting the effect of vortex on cavitation Moreover, a good agreement withmeasurement data was also obtained for the cavitation flow through a nozzle and NACA0015 hydrofoil

at various conditions of temperature and the exist of non-condensation gas

Numerical analysis showed that the thermodynamic effetc has significant impact on the cavitationsuch as the temperature and cavitation suppression In that, the cavitatation suppression is influencednot only on the temperature of water and flow mechanism but also on the characteristic thermal timescale

Numerical analysis indicated a relationship between the non-condensation gas and cavitatation Thenon-condensation gas influenced the cavitation inception Combining with the effect of temperature,

non-condensation gas speeds up the cavitation process, leading to an earlier evaporation compared to

that without the non-condensation gas

The present study showed a potential application of the present simulation code for analyzing the

performance of the hydraulic devices However, the limitation is that the present study was done forthe two-dimensional problems Thus, a three-dimensional simulation needs to be conducted in the nextresearch to justify the applicability of the present code fully

16

PHAN III SAN PHAM, CONG BO VA KET QUA DAO TẠO CUA DE TÀI

3.1 Kết quả nghiên cứu

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật

TT Tên sản phẩm

Đăng ký Đạt được

1 Chương trình tinh toán số mô | Kêt quả mô phỏng dự đoán Đạt

phỏng xâm thực (không công được kết quả thực nghiệm (ví (phụ lục kèm theo)

bồ - không chuyển giao) Kiểm du phân bồ hệ sé áp suất, kích a

nghiệm chương trình tính toán | thước xâm thyc, )

xâm thực trong môi trường

nước thông qua so sánh kết quả tương quan với kết quả thực nghiệm đã được công bố

- Báo cáo về ảnh hưởng của

khí không hoa tan lên đặc tính,

cầu trúc xoáy xâm thực trongnước

- Báo cáo về hiệu ứng nhiệt

động lực học lên sự phát triển

của xoáy xâm thực ở các nhiệt

độ khác nhau

2 Báo cáo khả năng áp dụng mô Đạt

hình tính toán do nhóm nghiên (Phụ lục kèm theo)

cứu đê xuât trong tính toán

thiết kế các thiết bị thủy lực.

3.2 Hình thức, cấp độ công bố kết quả

Tình trạng Ghi dia chỉ và Đánh

(Đã in/ chấp nhận in/ đã | cảm ơn sự tài giá Sản phẩm nộp don/ đã được chap trợ của chung

TT nhận đơn họp lệ/ đã được DHQGHN (Dat,

cấp giấy xác nhận SHTT/| đúng quy định | khôngxác nhận sử dụng sản đạp)

phẩm) Công trình công bố trên tap chí khoa học quốc tê theo hệ thống ISI/Scopus 1.1 lAnh Dinh Le, Linh Le Ngoc, Anh} Đã xuất ban This research | Dat

Truong Viet, Hung The Tran has been done

[Assessment of Flow Fluctuation under thePressure Models for Simulating the research projectCavitating Flow Technical Physics| QG.21.32” A

Letters 2022; 48(4), Study on

10.21883/TPL.2022.04.53487.19136, NumericalIST Q3 Simulation of

the Vortex RingCavitation in

Water with

ThermodynamicEffect andConcentration

Air“of VietnamNation

University,Hanoi

1.2 |Anh Dinh Le, Hung The Tran.) Da xuất ban This research | Dat

Improvement of Mass Transfer Rate has been doneModeling for Prediction of Cavitating under theFlow Journal of Applied Fluid research project

Mechanics, 2022, 15(2), pp 551-561, QG.21.32 “A

DOI: 10.47176/jafm.15.02.33231, ISI Study on

Q2 (tại thời điểm công bố) Numerical

Simulation ofthe Vortex RingCavitation in

Water with

Considerationof

Thermodynamic

Effect and

Concentration

Air” of VietnamNation

University,Hanoi

1.3 |Anh Dinh Le, Long I N., Quan N H.,} Da xuat ban This research | Dat

Anh, T V Numerical Simulation of|

Hot Water Flashing Flow in aConverging - Diverging Nozzle In:

Le, AT., Pham, VS., Le, MQ., Pham,

HL (eds) The AUN/SEED-Net Joint

Regional Conference in|

Transportation, Energy, and|

1-19-has been doneunder the

research project

QG.21.32 “AStudy onNumerical

Simulation ofthe Vortex Ring

Cavitation in

Water with

Considerationof

Thermodynamic

Effect and

ConcentrationAir” of VietnamNation

18

2 Sách chuyên khảo được xuất bản hoặc ký hợp đồng xuất bản mạ

= Dang ký sở hữu tri tuệ

4 Bai báo quốc tế không thuộc hệ thông ISI/Scopus

5 JBài báo trên các tạp chí khoa học của DHQGHN, tạp chí khoa học chuyên ngành

quốc gia hoặc báo cáo khoa học đăng trong kỷ yếu hội nghị quốc tế

6_ |Báo cáo khoa học kiến nghị, tư vấn chính sách theo đặt hang của đơn vi sử dụng

7 |Kết quả dự kiến được ứng dụng tại các cơ quan hoạch định chính sách hoặc cơ sở

ứng dụng KH&CN

3.3 Kết quả đào tạo

Thời gian và kinh phí | Công trình công bo liên quan

TT Họ và tên tham gia đề tài (Sản phâm KHCN, luận án, Đã bảo vệ

(số tháng/số tién) luận văn)

Nghiên cứu sinh

1

Hoc vién cao hoc

1_| Nguyễn Văn Thanh | 9 tháng / 74.5 triệu đồng Luận văn Đã bảo vệ

Ghi chú:

Gửi kèm bản phoío trang bìa luận án/ luận văn/ khóa luận và bằng hoặc giấy chứng nhận

nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành công luận an/ luận văn;

Cột công trình công bố ghỉ như mục II l.

PHAN IV TONG HỢP KET QUÁ CÁC SAN PHAM KH&CN VÀ ĐÀO TAO CUA DE TÀI

TT Sản phẩm Số lượng | Số lượng đã

đăng ký | hoàn thành

1 | Bài báo công bồ trên tạp chí khoa học quốc tế theo hệ thông 02 03

ISI/Scopus (Téi thiéu

01 bai Q2trở lên)

2 | Sách chuyên khảo được xuất bản hoặc ký hợp đồng xuất

bản

3_ | Đăng ký sở hữu trí tuệ

4_| Bài báo quốc tế không thuộc hệ thông ISI/Scopus

5 | Số lượng bài báo trên các tạp chí khoa học của DHQGHN,

tạp chí khoa học chuyên ngành quốc gia hoặc báo cáo khoa học đăng trong kỷ yêu hội nghị quốc gia/quéc tế

6 | Báo cáo khoa học kiến nghị, tư vấn chính sách theo đặt hàng

của đơn vị sử dụng

7 | Kết quả dự kiến được ứng dụng tại các cơ quan hoạch định

8 | Dao tạo/hỗ trợ đào tạo NCS

9 | Dao tạo thạc sĩ 01 01

PHAN V TINH HÌNH SỬ DỤNG KINH PHÍ

Kinh phí Kinh phí

TT Nội dung chỉ được duyệt | thực hiện | Ghi chú

(triéu đông) (triéu đồng) A_| Chỉ phí trực tiếp

1 | Thuê khoán chuyên môn 370 370

2 | Nguyên, nhiên vật liệu, cây con

hiện ở các cấp)

PHAN VII PHU LUC

- Phụ lục 1: Phương pháp mô hình đồng nhất, các mô hình tính toán mô phỏng và mẫu chương trình

tính ngưỡng áp suât chuyên pha

- Phụ lục 2: Tài liệu tham khảo

- Phụ lục 3: Báo cáo kết quả nghiên cứu Mục 3.1

- Phụ lục 4: Minh chứng bài báo Q2 công bó trên tạp chí khoa học quốc tế theo hệ thống ISI/Scopus

- Phụ lục 5: Minh chứng bài báo Q3 công bô trên tạp chí khoa học quoc tệ theo hệ thông ISI/Scopus

- Phụ lục 6: Minh chứng bài báo Q4 công bô trên tạp chí khoa học quôc tê theo hệ thông ISI/Scopus

- Phụ lục 7: Minh chứng sản phẩm đào tạo

- Phụ lục 8: Biên bản nghiệm thu năm thứ nhất đề tài

Phụ lục 1: Phương pháp mô hình đồng nhất, các mô hình tính toán mô ô phỏng và mẫu code Hgưỡng

áp suất chuyển pha

Phương pháp tính toán mô phỏng số dựa trên mô hình nhiều pha đồng nhất (Homogeneous

model

Gia thiết trong khối bọt khí xâm thực tém tại cả hơi bão hòa và khí không hòa tan Trong đó, hơi

bão hòa và khí không hòa tan giả thiệt thỏa mãn các điêu kiện như khí lý tưởng Do đó, khôi lượng

riêng của hơi bão hòa và khí không hòa tan được tính bởi [9],

=p,RT (1.1)

P, =P,R,T- (1.2)

Với py là áp suất hơi bão hòa va pa là áp suất riêng phần của khí không hòa tan Bên cạnh đó, 7 và ø là

nhiệt độ và khối lượng riêng của từng chat R là hệ số tự do của chất khí Trong các phương trình trên,

a và v thé hiện cho khí không hòa tan và hơi bão hòa Khối lượng riêng của khối khí xâm thực được

tính như sau,

Ø,=Ø,+/Ø,›P=Pp,+Pp,=Ø,R,T (1.3)

Với Ñ; tính toán bởi,

®,=qd—D,)R,+D,R, (1.4)

Trong đó, g thé hiện cho khối khí xâm thực va Da = pa/pg tỉ khối của khí không hòa tan trong khối khí

xâm thực Khôi lượng riêng của môi chat nước p; được tính bởi phương trình Tamman [9],

p+D,

Ø) —KŒ+T) (1.5)

Với ¡ thé hiện cho môi chất là nước Mối quan hệ giữa tỉ lệ khối lượng khối khí xâm thực và tỉ lệ thé

tích khôi khí xâm thực được cho bởi,

-ô -ô -ôy -ô na a ar ay ay) Oy uy PP on)

Trong đó, ứng suất nhớt được cho bởi,

Với, w= (1-a)(1+2.50)ui+ afte và ¿ trong phương trình (1.9) và (1.10) là độ nhớt phân tử va độ nhớt

rối của môi chất; « = (1- art Akg and Ki: = e„/0.9 là hệ sô truyền nhiệt phân tử va độ nhớt truyền nhiệt

do rối Dai lượng m và m* ala tốc độ ngưng tụ và hóa hơi trong xâm thực; cp = (1- -Y)cpi + Yepg là nhiệt

dung riêng đăng á áp của hôn hợp Trong đó, ký hiệu ¢ dthé hiện cho ảnh hưởng của rối Các hệ số tự do

trong mô hình rối , Ø, /”, ø và Øo CÓ thể tham khảo trong sách của Wilcox [28] Các thông sé nhiét

động lực học chat lỏng của các chất được tham khảo từ kho dữ liệu của NIST Từ đó, thông số nhiệtđọng lực học của khối khí xâm thực được xác định như sau,

Mô hình hóa quá trình chuyển pha

Mô hình chuyền pha trong xâm thực được mô hình hóa theo 2 mô hình tùy theo có hay không có

sự hiện diện của khí không hòa tan Trong đó, mô hình không có khí không hòa tan được ký hiệu là mô

hình HEM.

A Mô hình xâm thực với khí không hòa tan Ở mô hình này, quá trình chuyên pha được mô hình hóa

dựa trên phươn trình của Herz-Knudsend-Langumuir equation [9],

Cla = ay" max(0,p,Œ) - p)

B Mô hình xâm thực bo qua khí không hoa tan (HEM) Mô hình nay bỏ qua ảnh hưởng của khí không

hòa tan với D„ = 0 và khối khí xâm thực chỉ bao gồm hơi bão hòa Hệ phương trình đọng lực học chất

lỏng được rút gon cho dòng 2 pha không nén được nước — hơi bão hòa bằng cách xóa bỏ phương trình

(9-f) Bên cạnh đó, quá trình chuyền pha giải thiết là cân bằng giua hóa hơi và ngưng tụ [24, 29] Để

mô hình hóa sự xâm thực, áp suất cục bộ trong dòng chat lỏng được cho bằng ngưỡng áp suất hơi bão

hòa p,(7)”, được tính bởi mô hình của Tsuda [29].

Trong báo cáo có sử dụng các thông tin thảo luận/Irích dân/hình anh/sé liệu từ tài liệu tham khảo [36 ],

[37], [38] với sự đông ý của các tác giả

Mẫu code mô hình xâm thực và ngưỡng áp suất chuyển pha

CALL TURSORT

C$OMP PARALLEL DO DEFAULT(SHARED) PRIVATE(LJ,CR,

*sqrt(2.*UX**2+2.*VY**2+(UY+VX)*#*2) A3=(CMYUM+CMYUT(,J))*ABS(VX-UY)

IF((A3/A2).GT.1.)THEN

PADD(LJ)=A2+A3 PADD1(,J)=A2+A3 ELSE

PADD(LJ)=A2 PADD2(,J)=A2

ENDIE

PV(,J)=PSAT+PADD(,J) CR=DA(LJ)*CRA+(1.-DA(LJ)*CRV PPV(LJ)=(1.-DA(LJ))*CRV*P(LJ)

/(DA(,J)*CRA+(1.-DA(,J))*CRV)

Al=SQRT(2.*PAI*CR*T(LJ) ROUL=(P(,J)+PC)/CK/(T(,J)+TC) ROUG= P(,J)/CR/Tđ,))

SO(1,LJ)= 0.0

SO(2,LJ)= 0.0 SOG,LJ)= 0.0 SO(4,LJ)=-AJ(,J)*(SE(,J)+0.8*SC(1,J))*CLH/CP SOG,LJ)= AJ(,J))*(SE(,J)+SCđ,)))

SO(6,LJ)= 0.0 SO(7.LD= AJ(,J)*SK(q,J)

!//Present vortex-shear pressure Model

25

SO(@,IJ)= A1(,)*SD(])

SOE( LJ)=SE(1,J) SOC( I,J)=abs(SC(I,J)) ENDDO

Phụ lục 2: Tài liệu tham khảo

[1] Brennen, C E., 1974, “Cavitation and Bubble Dynamics,” Concepts ETI Inc and Oxford Science

Publications

[2] Franc J P, Michel J M “Fundamentals of Cavitation” Kluwer Academic Publishers, ISBN

1-4020-2233-6.

[3] Stahl, H A., and Stepanoff, A J., 1956, “Thermodynamic Aspects of Cavitation in Centrifugal

Pumps,” ASME J Basic Eng., 78, 1691-1693

[4] Sarosdy, L R., and Acosta, A J., 1961, “Note on Observations od Cavitation in Different Fluids,”

ASME Winter Annual Meeting, pp 60-WA-83, New Your

[5] Hord, J., 1972, “Cavitation in Liquid Cryogens I - Venturi,” NASA Report No NASA CR-2054

[6] Hord, J., 1973, “Cavitation in Liquid Cryogens II - Hydrofoil,” NASA Report No NASA

CR-2156.

[7] Franc, J-P., Rebattlet, C., and Coulon, A., 2004, “An Experimental Investigation of Thermal

Effects in a Cavitating Inducer,” ASME J of Fluids Eng., 126, pp 716-723

[8] Franc, J-P et al., 2010, “Thermodynamic Effect on a Cavitating Inducer—Part II: On-Board

Measurements of Temperature Depression Within Leading Edge Cavities”, ASME J of Fluids

Eng., 132, pp 021304-1

[9] Ochiai, N., Iga, Y., Nohmi, M., and Ikohagi, T., 2010, “Numerical Prediction of Cavitation Erosion

Intensity in Cavitating Flows around a Clark Y 11.7% Hydrofoil,” Journal of Fluid Science and

Technology, Vol 5, No 3.

[10] Rambod, E., Beizaie, M., Shusser, M., Milo, S., and Gharib, M (1999) A physical model

describing the mechanism for formation of gas micro-bubble in patients with mitral mechanicalheart valve Ann Biomed Eng 27, 774-92

[11] Bachmann, C., Kini, V., Deutsch, S., Fontaine, A A., and Tarbell, J M (2002) Mechanism of

cavitation and the formation of stable bubbles on the Bjork-shiley monotrut prosthetic heart

valve J Heart Valve Dis 11, 105-13 [12] Li, C.-P., Chen, S.-F., and Lo, C.-W (2012) Role of vortices in cavitation formation in the flow

at the closure of a bileaflet mitral mechanical heart valve J Artif Organs 15, 57-64[13] Garam, K., Cheong, C., and Seol, H (2020) Numerical Investigation of Tip-Vortex Cavitation

Noise of an Elliptic Wing Using Coupled Eulerian-Lagrangian Approaches Applied Sciences

10, 5897 [14] Singhal, A., Athavale, M., Li, H., and Jiang, Y (2002) Mathematical Basis and Validation of the

Full Cavitation Model ASME J Fluids Eng., 124(3)

[15] Martynov, S (2005) Numerical simulation of the cavitation process in Diesel fuel injector Ph.D

thesis, The University of Brighton

[16] Som, S., Aggarwal, S K., El-Hannouny, E M., and Longman, D E (2010) Investigation of

nozzle flow and cavitation characteristic in a diesel injector J Eng Gas Turbine Power 132(4)

[17] Asnaghi, A., Feymark, A., and Bensow, R E., (2017) Improvement of cavitation mass transfer

modeling based on local flow properties Int J Multiphase Flow 93, 142-157

[18] Kashiwada, S., and Iga, Y (2015) Consideration of a Phase Change Model based on Apparent

Phase Equilibrium Journal of Physics: Conference Series 656, 012129[19] Bernard, P S., Thomas, J M., and Handler, R A (2006) Vortex dynamics and the production

of Reynolds stress Journal of Fluid Mechanics 253, 385-419

[20] Weixing Y, Schnerr G H.” Numerical Simulation of Two-Phase Flow in Injection Nozzle:

Interaction of Cavitation and External Jet Formation” J Fluids Engineering, November 2003,

Vol 125, 963-969

[21] Giannadakis E, Gavaises M, Arcoumanis C “Modelling of Cavitation in Diesel Injector

Nozzles” Journal of Fluid Mechanics, Vol 616(1), pp 153-193, 2008

27