Nghiên cứu mô phỏng số động lực học mẫu tàu đánh cá thực nghiệm m 1317a

Từ các trình bày nêu trên, có thể nhận thấy mục tiêu chính của đề tài này là nghiên cứu mô phỏng số động lực học và dựa trên cơ sở đó để tính sức cản tàu thủy nhằm xây dựng phương pháp t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng số động lực học

mẫu tàu đánh cá thực nghiệm M.1317A” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và

chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này

Nha Trang, ngày tháng năm 2015

NGUYỄN THANH BÌNH

iv

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý phòng ban trường Đại học Nha Trang, khoa Kỹ thuật giao thông, khoa Sau đại học đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài Qua đây bản thân xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến PGS TS Trần Gia Thái, người thầy đã hướng dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu và tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy tôi, cảm ơn tập thể chi cục Khai thác và Bảo vệ nguồn lợi thủy sản Quảng Ngãi, cảm ơn sự giúp

đỡ, động viên và chia sẻ của tất cả các học viên lớp CHCKĐL 2013 và CHCKĐL

2014 trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Nha Trang

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, người vợ yêu quý của tôi và tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện

đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết sức mình, song chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Bản thân tôi rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận

tình từ quý thầy và các bạn

NGUYỄN THANH BÌNH

v

MỤC LỤC

Lời cam đoan iii

Lời cảm ơn iv

Mục lục v

Danh mục ký hiệu ix

Danh mục chữ viết tắt xi

Danh mục bảng xii

Danh mục hình xiii

Danh mục đồ thị xvi

Trích yếu luận văn xviii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 PHẦN TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do thực hiện đề tài 2

1.2 Tình hình nghiên cứu đối với vấn đề đặt ra trong đề tài 3

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 3

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 4

1.3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu 5

1.3.1 Mục tiêu và mục đích nghiên cứu của đề tài 5

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu 5

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 5

1.3.3.1 Nghiên cứu lý thuyết 5

1.3.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm 6

1.3.4 Nội dung nghiên cứu 6

1.3.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 7

1.4 Tổng quan về phần mềm Autoship 7

vi

1.5 Tổng quan về phần mềm Ansys Fluent 9

1.5.1 Giới thiệu chung về phần mềm Ansys Fluent 9

1.5.2 Khả năng của Ansys Fluent 12

1.5.3 Các bước giải trong Ansys Fluent 16

1.5.3.1 Mô hình hình học 17

1.5.3.2 Chia lưới 17

1.5.3.3 Thiết lập bài toán và giải trong Ansys Fluent 19

1.5.3.4 Kiểm tra sự hội tụ 20

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21

2.1 Lý thuyết CFD 21

2.1.1 Khái quát về lý thuyết CFD 21

2.1.2 Các phương trình chủ đạo của CFD 22

2.2 Lý thuyết về điều kiện biên 25

2.2.1 Khái niệm điều kiện biên 25

2.2.2 Vai trò của điều kiện biên trong mô phỏng số 25

2.2.3 Một số dạng điều kiện biên 26

2.2.3.1 Điều kiện biên kiểu vật lý 26

2.2.3.2 Điều kiện biên toán học 27

2.2.4 Các dạng điều kiện biên trong Ansys 28

2.2.4.1 Kiểu biên Inlet 29

2.2.4.2 Kiểu biên Outlet 29

2.2.4.3 Kiểu biên Opening 30

2.2.4.4 Kiểu biên Wall 30

2.2.4.5 Kiểu biên Symmetry 31

2.3 Lưới chia trong bài toán CFD 32

2.3.1 Các dạng phần tử 32

vii

2.3.2 Các dạng lưới chia 33

2.3.2.1 Lưới cấu trúc 33

2.3.2.2 Lưới không cấu trúc 34

2.3.3 Đánh giá chất lượng lưới chia 34

2.3.3.1 Độ lệch (Skewness) 34

2.3.3.2 Độ trơn (Smooth) 35

2.3.3.3 Tỉ lệ co giãn (Aspect ratio) 36

2.4 Khái quát về sức cản tàu thủy 36

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 39

3.1 Lựa chọn mô hình tàu 43

3.1.1 Đặc điểm hình học của mẫu tàu cá M.1317.A 43

3.1.2 Số liệu thử nghiệm mô hình mẫu tàu khảo sát 44

3.2 Xây dựng mô hình hình học mẫu tàu M.1317A 46

3.2.1 Xây dựng đường hình 2D mẫu tàu M.1317A trong phần mềm AutoCad 46

3.2.2 Xây dựng mô hình tàu trong phần mềm AutoShip 47

3.3 Mô phỏng số dòng chất lỏng chảy quanh bề mặt tàu 55

3.3.1 Lựa chọn tỷ lệ xây dựng mô hình 55

3.3.2 Chia lưới mô hình tàu tính toán 56

3.3.3 Nhập mô hình tàu từ AutoShip vào Ansys Fluent và thiết lập các 60

3.3.4 Xác định miền tính toán 62

3.3.5 Thiết lập các điều kiện biên 62

3.3.6 Giải bài toán 65

3.3.6.1 Tính toán lưu lượng nước và không khí 67

3.3.6.2 Thiết lập lời giải 68

3.3.6.3 Giám sát sai số 69

3.3.7 Xuất kết quả 73

viii

3.3.8 Tổng hợp kết quả nghiên cứu 80

3.4 So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm mô hình 81

3.5 Tính sức cản mẫu tàu thực nghiệm M.1319 86

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 92

4.1 Kết luận 92

4.2 Khuyến nghị 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHỤ LỤC

CÁC TRANG THỦ TỤC

Lmax : Chiều dài lớn nhất, m

Ltk : Chiều dài thiết kế, m

LMTT : Chiều dài miền tính toán, m

RM : Lực cản tàu thử nghiệm mô hình trong bể thử, kg

Rm : Lực cản tàu mô hình trong mô phỏng số, N

RH : Lực cản cảu tàu thực khi tính chuyển đồng dạng từ tàu mô hình sang tàu thực, N

Vm : Vận tốc tàu mô hình mô phỏng số, m/s

Vt : Vận tốc tàu thực tính chuyển đồng dạng từ tàu mô hình sang tàu thực từ kết quả mô phỏng số, hl/h

 : Thể tích chiếm nước, m3

Ω : Diện tích mặt ướt, m2

xi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CFD : Computational Fluid Dynamics (Tính toán động lực học chất lỏng) DBS : Density – based Solution (Lời giải dựa trên mật độ)

DNS : Direct Numeriacal Simulation (Phương pháp tính trực tiếp)

LES : Large Eddy Simulation (Phương pháp mô phỏng xoáy lớn)

RANS : Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulation (Phương pháp RANS) PBS : Pressure-Based Solution (Lời giải dựa trên áp suất)

xii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Mô hình rối và phạm vi áp dụng 14

Bảng 1 2 Các giá trị đặt điều kiện hội tụ 20

Bảng 2 1 Tiêu chuẩn về độ lệch 35

Bảng 2 2 Các thành phần sức cản từ môi trường nước tác dụng lên vỏ tàu 38

Bảng 3 1 Các thông số hình học cơ bản của mẫu tàu M1317A 43

Bảng 3 2 Kết quả thử nghiệm kéo trên nước tĩnh và khi chuyển đổi sang tàu thật của mô hình tàu M1317A ở chế độ T = 1.225 m 44

Bảng 3 3 Kết quả thử nghiệm kéo trên sóng không đều hòa và chuyển đổi sang tàu thật của mô hình tàu M1317A ở chế độ T = 1.4 m 44

Bảng 3 4 So sánh các thông số hình học cơ bản của mẫu tàu M1317A và chính mẫu tàu đó sau khi được dựng lại trong phần mềm Autoship 54

Bảng 3 5 Các thông số hình học cơ bản của tàu thực và tàu mô hình 55

Bảng 3 6 Các điều kiện biên trong mô hình 63

Bảng 3 7 Thiết lập lời giải 65

Bảng 3 8 Các giá trị tính toán 67

Bảng 3 9 Kết quả tính sức cản tương ứng với từng giá trị Fr 80

Bảng 3 10 So sánh kết quả tính sức cản của mẫu tàu M1317A được xuất ra từ phần mềm với kết quả thử mô hình 82

Bảng 3 11 Các giá trị tính toán 84

Bảng 3 12 Kết quả thử nghiệm kéo trên nước tĩnh và khi chuyển đổi sang tàu thật của mô hình tàu M.1319 ở chế độ T = 0.735 m 86

Bảng 3 13 Các thông số hình học cơ bản của mẫu tàu M.1319 và chính mẫu tàu đó sau khi được dựng lại trong phần mềm Autoship 87

Bảng 3 14 So sánh kết quả tính sức cản mẫu tàu M.1319 xuất ra từ phần mềm với kết quả thử mô hình 90

xiii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Tàu mảnh theo giả thiết của Michell 3

Hình 1 2 Hệ thống các môđun của phần mềm Autoship 8

Hình 1 3 Ứng dụng Fluent trong mô phỏng động lực học chân vịt 10

Hình 1 4 Tối ưu hóa hình dáng mũi quả lê bằng phân mềm Ansys Fluent 11

Hình 1 5 Fluent trong Ansys workbench 11

Hình 1 6 Trình tự mô phỏng số bằng phần mềm Ansys Fluent 12

Hình 1 7 Phân tích CFD bằng Fluent trong môi trường Ansys Workbench 17

Hình 1 8 Tạo lưới hexa bằng block 18

Hình 1 9 Sơ đồ đơn giản ánh xạ trong chia lưới bằng phương pháp block 18

Hình 1 10 Hai bộ giải khả dụng 19

Hình 1 11 Hộp thoại Residual Monitors thiết lập sai số 20

Hình 2 1 Các điều kiện biên cho một vòi hội tụ - phân kỳ 27

Hình 2 2 Các điều kiện biên cơ bản định nghĩa một dòng chảy 29

Hình 2 3 Thiết lập vận tốc dòng vào và dòng ra biên inlet 29

Hình 2 4 Thiết lập vận tốc dòng vào và dòng ra biên outlet 30

Hình 2 5 Mô hình thiết lập điều kiện biên đối xứng 31

Hình 2 6 Mô hình không thiết lập điều kiện biên đối xứng 32

Hình 2 7 Các dạng phần tử 32

Hình 2 8 Miền tính toán được biến đổi 33

Hình 2 9 Lưới không cấu trúc 34

Hình 2 10 Xác định độ lệch theo phương pháp thể tích 35

Hình 2 11 Xác định độ lệch theo phương pháp độ sai lệch góc 35

Hình 2 12 Độ trơn lưới chia 35

xiv

Hình 2 13 Độ thay đổi khoảng cách lưới chia 35

Hình 2 14 Các tỷ lệ co giãn của lưới chia khác nhau 36

Hình 2 15 Tỷ lệ co giãn xấp xỉ 1 36

Hình 2 16 Lực thủy động tác dụng lên tàu khi tàu chuyển động tiến 37

Hình 3 1 Dòng chảy rối trên mặt thoáng xung quanh tàu 39

Hình 3 2 Trình tự giải bài toán tính sức cản bằng phần mềm Ansys Fluent 42

Hình 3 3 Đường hình dáng mẫu tàu M1317A 43

Hình 3 4 Biên dạng sườn dựng lại trên Autocad dạng 2D 46

Hình 3 5 Vẽ các đường sườn tàu dưới dạng 3D 47

Hình 3 6 Hộp import DXF 48

Hình 3 7 Hình dạng khung sườn 3D sau khi nhập vào Autoship 48

Hình 3 8 Hộp thoại đổi tên lại các đường trong AutoShip 49

Hình 3 9 Hộp thoại chọn lại gốc tọa độ và di chuyển gốc tọa độ về 0 49

Hình 3 10 Di chuyển các điểm control 50

Hình 3 11 Hộp thoại Creat Surface 50

Hình 3 12 Hộp thoại (a) nhập khoảng sườn và (b) mặt cắt dọc 51

Hình 3 13 Dịch chuyển các hàng và cột của mặt vỏ tàu 52

Hình 3 14 Hộp thoại Group 52

Hình 3 15 Hộp thoại tạo mặt đối xứng 52

Hình 3 16 Bề mặt vỏ tàu sau khi tạo đối xứng 53

Hình 3 17 Hộp thoại kiểm tra các yếu tố hình dáng vỏ tàu 53

Hình 3 18 Hộp thoại xuất file *.iges 54

Hình 3 19 Block không gian chia lưới 56

Hình 3 20 Khối block xung quanh tàu 57

Hình 3 21 Lưới chia mô hình tàu 57

Hình 3 22 Kiểm tra chỉ số chất lượng hình học Orthogonal Quality 58

xv

Hình 3 23 Kiểm tra chỉ số chất lượng hình học Skew 58

Hình 3 24 Kết quả kiểm tra lưới chia trong Ansys Fluent 59

Hình 3 25 Hộp thoại Multiphase Model 60

Hình 3 26 Hộp thoại Vicous Model 60

Hình 3 27 Hộp thoại FLUENT database Materials 61

Hình 3 28 Định nghĩa pha không khí 61

Hình 3 29 Định nghĩa pha nước 61

Hình 3 30 Xác định miền tính toán 62

Hình 3 31 Các điều kiện biên trên mô hình tàu khảo sát 63

Hình 3 32 Mass flow inlet 63

Hình 3 33 Nhập lưu lượng không khí 64

Hình 3 34 Nhập lưu lượng nước 64

Hình 3 35 Hộp thoại pressure-outlet 64

Hình 3 36 Mặt cắt ngang miền tính toán 67

Hình 3 37 Hộp Solution Method 68

Hình 3 38 Hộp Solution Controls 68

Hình 3 39 Hộp thoại Solution Initialization 68

Hình 3 40 Quan sát Lưu lượng dòng chảy qua mặt phẳng volume-fraction-0.5 69 Hình 3 41 Thiết lập mặt điều khiển 70

Hình 3 42 Thiết lập đường trên mặt 70

Hình 3 43 Thiết lập điểm trên đường 70

Hình 3 44 Kích hoạt đồ thị Residual 70

Hình 3 45 Hộp thoại Autosave 71

Hình 3 46 Hộp thoại Run Calculation 71

Hình 3 47 Menu contour 73

Hình 3 48 Hộp thoại Forces Repotrs 77

xvi

Hình 3 49 Đường hình dáng mẫu tàu M.1319 86Hình 3 50 Hộp thoại kiểm tra các yếu tố hình dáng vỏ tàu M.1319 87Hình 3 51 Mô hình tàu M.1319 dựng trong AutoShip 88

xvii

DANH MỤC ĐỒ THỊ

Biểu đồ 3 1 Biểu đồ Residual (là sai số khép, dung sai) 72

Biểu đồ 3 2 Biểu đồ đường viền áp suất đối với mặt symmetry 73

Biểu đồ 3 3 Biểu đồ đường viền vận tốc đối với symmetry 74

Biểu đồ 3 4 Biểu đồ vector vận tốc dòng 74

Biểu đồ 3 5 Biểu đồ vector vận tốc dòng ở mũi và đuôi tàu 75

Biểu đồ 3 6 Biểu đồ đường quỹ đạo chuyển động của phần tử nước 75

Biểu đồ 3 7 Biểu đồ đồ phân bố áp suất tĩnh 76

Biểu đồ 3 8 Biểu đồ phân bố động năng rối 76

Biểu đồ 3 9 Biểu đồ đồ phân bố áp suất tĩnh của mẫu tàu M.1319 88

Đồ thị 3 1 Đồ thị đường cong sức cản của mẫu tàu thử nghiêm M1317A 45

Đồ thị 3 2 Đồ thị đường cong sức cản mẫu tàu M 1317 A thử nghiệm 45

Đồ thị 3 3 Đồ thị sức cản mẫu tàu M1317A bằng phương pháp mô phỏng số 81

Đồ thị 3 4 Đồ thị sức cản tàu M1317A tính bằng mô phỏng số và 82

Đồ thị 3 5 Đồ thị sức cản của mẫu tàu M.1317A sau khi hiệu chỉnh theo phương pháp bình phương bé nhất 85

Đồ thị 3 6 Đồ thị sức cản của mẫu tàu M.1319 tính bằng phương pháp mô phỏng số và thử nghiệm mô hình tàu trong bể thử 91

xviii

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

1 Giới thiệu về chủ đề nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu

Xác định sức cản tàu hiện vẫn là bài toán phức tạp, chưa có lời giải thỏa đáng, chủ yếu là dựa vào các thử nghiệm tàu thật hoặc thử mô hình tàu trong bể thử nghiệm Tuy nhiên phương pháp thử nghiệm này tốn rất nhiều thời gian, công sức và chi phí, đặc biệt trong điều kiện nước ta hiện nay, bể thử cho ngành đóng tàu còn rất hạn chế Việc sử dụng công thức gần đúng tính sức cản tàu thủy nói chung và tàu cá nói riêng tuy cho kết quả nhanh chóng nhưng có độ chính xác thấp, giới hạn phạm vi ứng dụng, hơn nữa không hình dung được đặc điểm phân bố của dòng chảy bao quanh thân tàu khi tàu chuyển động nên không có khả năng tối ưu hóa được hình dáng của thân tàu Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh của cấu hình máy tính và phương pháp tính động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics - CFD) việc nghiên cứu sức cản

đã dần dần được phổ biến vì tính ưu việt của phương pháp, cho kết quả nhanh chóng, giảm thời gian, chi phí thử mô hình đồng thời dự đoán được chuyển động của tàu thực Qua đó giúp nhà nghiên cứu có được cái nhìn tổng quan về chuyển động của con tàu trong nước để có thể thực hiện tối ưu hóa tuyến hình tàu, giảm được sức cản tàu

Từ các trình bày nêu trên, có thể nhận thấy mục tiêu chính của đề tài này là nghiên cứu mô phỏng số động lực học và dựa trên cơ sở đó để tính sức cản tàu thủy nhằm xây dựng phương pháp tính sức cản tàu nói chung và các tàu đánh cá nói riêng bằng phần mềm CFD thông dụng đảm bảo được độ tin cậy và tính chính xác cần thiết

Đề tài đặt vấn đề sử dụng phần mềm CFD Ansys Fluent để mô phỏng số một mẫu tàu

đã có các số liệu thực nghiệm về động lực học, trong trường hợp này là sức cản vỏ tàu,

và so sánh số liệu nhận từ kết quả mô phỏng trong phần mềm với số liệu thực nghiệm của chính mẫu tàu đó để xây dựng phương pháp mô phỏng số động lực học xác định sức cản tàu đảm bảo độ tin cậy và độ chính xác cần thiết

Mô hình bài toán nghiên cứu: xét tàu chạy trên nước tĩnh với vận tốc v (m/s),

quy đổi thành tàu đứng yên trên dòng nước chảy đều với vận tốc bằng vận tốc tàu v

Để giảm kích thước cho bài toán, mô hình tàu trong bài toán đang xét được thu nhỏ với tỷ lệ 1/10

xix

2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài là kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể như sau:

2.1 Nghiên cứu lý thuyết

Với mục tiêu nghiên cứu sử dụng phần mềm CFD để mô phỏng số động lực học nên những nghiên cứu lý thuyết trong đề tài chủ yếu như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết CFD, tập trung vào các nội dung liên quan đến đề tài như xây dựng mô hình tính, kỹ thuật chia lưới, kỹ thuật đặt điều kiện biên

- Nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế tàu Autoship để có thể xây dựng được

mô hình tàu 3D một cách chính xác dựa theo đường hình của mẫu tàu tính toán

- Nghiên cứu sử dụng phần mềm Ansys Fluent và ứng dụng trong mô phỏng số động lực học một mẫu tàu cụ thể

2.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Về mặt phương pháp, để có thể đảm bảo được độ tin cậy của kết quả tính toán sức cản tàu xuất ra từ phần mềm CFD, cần phải so sánh và đối chiếu kết quả tính toán

từ lý thuyết với kết quả thử nghiệm trong bể thử mô hình như cách làm truyền thống

Do điều kiện thử nghiệm mô hình tàu trong điều kiện hiện nay gặp rất nhiều khó khăn,

do đó trong đề tài chúng tôi lựa chọn phương án sử dụng mẫu tàu đánh cá M1317A, mẫu tàu đã có số liệu thử nghiệm mô hình về sức cản để so sánh, đối chiếu và dựa trên

cơ sở đó để hiệu chỉnh lại kết quả mô phỏng số mô hình tàu trong phần mềm CFD

3 Kết quả nghiên cứu

Bài toán mô phỏng số tính sức cản tàu thủy được giải bằng phương pháp thể tích hữu hạn dựa trên phần mềm CFD Ansys Fluent, theo trình tự sau

Xây dựng mô hình hình học: quét scan bản vẽ đường hình của mẫu tàu khảo sát

và dựa vào ảnh scan dựng đường hình mẫu tàu dạng 2D trong phần mềm AutoCad Sau đó tiến hình chính trơn và xây dựng mô hình bằng phần mềm Autoship

Chia lưới: sử dụng phần mềm ICEM CFD để chia lưới với phần tử khối tứ diện

Tetrahedron Tại mặt thoáng yêu cầu lưới tại vùng này phải mịn để có thể mô phỏng

xx

được dòng chảy trên mặt thoáng Tổng số phần tử có trong miền khảo sát là 587696, cùng với chỉ số Orthogonal Quality – chỉ số trực giao lớn hơn 0,1 và Skew xấp xỉ 0.25

Các điều kiện biên: điều kiện biên được thiết lập cho miền chất lỏng tính toán

và thân tàu, bao gồm đầu vào, đầu ra, thành biên, mặt trên, mặt dưới, mặt đối xứng

Thiết lập mô hình giải: Sử dụng mô hình tính hai pha, gồm pha nước và pha

khí Mô hình rối sử dụng là mô hình Realazable k-epsilon Bước thời gian tính bằng 0.01s Điều kiện ban đầu được áp đặt cho toàn bộ miền khảo sát theo lưu lượng dòng chảy, năng lượng động lực học k và tỉ lệ tiêu tán rối ε Quá trình tính toán được thực hiện với khoảng (1200 – 1500) bước lặp, mỗi bước lặp được thực hiện trên mỗi bước thời gian Trên cơ sở thiết lập và chạy mô phỏng thu được kết quả sức cản xuất ra từ phần mềm

4 Kết luận và khuyến nghị

4.1 Kết luận

Từ kết quả nghiên cứu của đề tài, bước đầu có thể rút ra một số kết quả sau:

- Xây dựng được phương pháp tính sức cản tàu đánh cá bằng phần mềm CFD – Ansys Fluent đảm bảo được độ tin cậy, bắt đầu từ việc xây dựng mô hình hình học chính xác của mẫu tàu bằng phần mềm thiết kế tàu AutoShip, chia lưới, đặt các điều kiện biên, lựa chọn phương pháp giải phù hợp v v…

- Kết quả tính theo phương pháp mô phỏng là khá gần với các số liệu thử nghiệm thực tế, điều này cho phép kết luận được độ tin cậy của phương pháp mô phỏng đã được thực hiện

4.2 Khuyến nghị

Từ kết quả nghiên cứu nêu trên, chúng tôi khuyến nghị một số nội dung sau:

- Xin khuyến nghị các cơ quan có thẩm quyền nghiên cứu ứng dụng các kết quả của đề tài để xác định sức cản tàu thay cho bể thử nghiệm

- Kết quả nghiên cứu của đề tài còn là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu mô phỏng

vỏ bao thân tàu cùng với tổ hợp thiết bị đẩy, thiết bị lái ngay ở bước thiết kế phương án để tính toán nghiên cứu các đặc tính thủy động lực học của tàu khi hành hải, giúp phân tích các bài toán về thủy động lực học dòng chảy, nhằm tối ưu hóa hình dáng thân cùng sự làm việc của tổ hợp thiết bị đẩy,

1

MỞ ĐẦU

Nước ta có bờ biển trải dài khoảng 3.260 km từ Quảng Ninh đến Kiên Giang, với nguồn tài nguyên biển đa dạng, phong phú và thuận lợi cho việc khai thác thủy sản Tuy nhiên, nghề cá ở nước ta hiện nay vẫn là nghề cá nhân dân, trong đó sự phát triển của nghề còn mang tính chất tự phát, với phần lớn tàu thuyền đánh cá là tàu gỗ cỡ nhỏ, đóng theo kinh nghiệm dân gian truyền thống, chưa có phương pháp đóng khoa học Trong những năm gần đây, nhà nước đã có khá nhiều chính sách nhằm hiện đại hóa đội tàu đánh cá và tìm kiếm những vật liệu mới nhằm thay thế vỏ gỗ vốn đã cạn kiệt Vấn đề đặt ra cho các nhà quản lý, nhà khoa học, nhà thiết kế là nghiên cứu mẫu tàu cá phù hợp với ngành nghề và tập tính khai thác của ngư dân, có hình dạng tối ưu nhằm giảm sức cản để có thể giảm bớt chi phí chuyến biển do giá nhiên liệu ngày càng cao Với mục tiêu đóng góp cho công cuộc hiện đại hóa đội tàu cá nước nhà, tác giả

đã được Khoa Kỹ thuật Giao thông Trường Đại học Nha Trang giao thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu mô phỏng số động lực học mẫu tàu đánh cá thực nghiệm M1317A” Nội dung đề tài chủ yếu nhằm ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (Computional Fluid Dynamics - CFD), kết hợp phương pháp số (numerical method)

để mô phỏng động lực học tính sức cản mẫu tàu đánh cá đã có số liệu thử nghiệm về sức cản trong bể thử nhằm xây dựng phương pháp lý thuyết để tính sức cản tàu thủy Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, CFD hiện đã trở thành một công cụ nghiên cứu rất hiệu quả trong việc giải quyết nhiều bài toán kỹ thuật phức tạp như tính toán và thiết kế tối ưu, kiểm nghiệm, dự báo các kết quả nghiên cứu v v Trong giai đoạn đất nước đang phát triển, việc xây dựng bể thử cho ngành đóng tàu gặp rất nhiều khó khăn do kinh phí rất tốn kém và thực tế sử dụng cũng ít hiệu quả, việc áp dụng lý thuyết CFD vào xác định sức cản vỏ tàu và tính toán, thiết kế tối ưu hình dáng tàu nói chung và tàu đánh cá nói riêng đã trở nên một nhu cầu cần thiết Chính vì thế, vấn đề nghiên cứu ứng dụng CFD để mô phỏng động lực học tàu thủy nói chung và các tàu đánh cá nói riêng có vai trò và ý nghĩa rất quan trọng, cả về mặt

lý thuyết và thực tiễn, đồng thời mang tính chất cấp thiết trong giai đoạn hiện nay

ý nghĩa quan trọng, giúp nhà nghiên cứu có được cái nhìn toàn diện về sự vận động của dòng lưu chất chảy xung quanh bề mặt thân tàu và dựa trên cơ sở đó để xác định sức cản vỏ và định hướng cho việc tính toán, thiết kế tối ưu hình dáng của thân tàu Theo những cách làm truyền thống trong nghiên cứu động lực học tàu thủy, thường sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết hoặc thực nghiệm thuần túy Phương pháp lý thuyết thuần túy tuy có thể cho độ chính xác cao nhưng khó áp dụng

vì tính chất phức tạp của bài toán và các giới hạn về khả năng tính toán của máy tính Còn phương pháp thực nghiệm thuần túy thường mất nhiều thời gian, công sức, chi phí tốn kém và cũng gặp nhiều khó khăn, nhất là trong trường hợp chưa có bể thử nghiệm

Đề tài đặt vấn đề sử dụng phần mềm CFD Ansys Fluent để mô phỏng số một mẫu tàu

đã có các số liệu thực nghiệm động lực học, trong trường hợp này là sức cản vỏ tàu, và

so sánh các số liệu nhận từ kết quả mô phỏng trong phần mềm với số liệu thực nghiệm của chính mẫu tàu đó để xây dựng phương pháp mô phỏng số động lực học xác định được sức cản vỏ tàu nhằm mục đích đảm bảo được độ tin cậy và độ chính xác cần thiết

Đây cũng là lý do thực hiện luận văn “Nghiên cứu mô phỏng số động lực học mẫu tàu đánh cá thực nghiệm M.1317A”

3

1.2 Tình hình nghiên cứu đối với vấn đề đặt ra trong đề tài

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Trên thế giới hiện nay, CFD đã được nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật như hàng không vũ trụ, sinh học, y tế Riêng trong ngành Kỹ thuật tàu thủy, các công ty đóng tàu lớn trên thế giới cũng đã đưa CFD vào chương trình nghiên cứu của mình để thực hiện mô phỏng và tính toán trường lưu chất bao quanh thân tàu để phục vụ cho bài toán thiết kế tối ưu phần vỏ tàu Tuy nhiên theo tìm hiểu của chúng tôi thì các tài liệu công bố về vấn đề này hiện rất ít, nếu có cũng chủ yếu chỉ công bố kết quả nghiên cứu dưới dạng hình ảnh cuối cùng, bởi vì đây chính là vũ khí về mặt công nghệ và lợi thế cạnh tranh giữa các quốc gia và các tập đoàn đóng tàu lớn trên thế giới trong việc nghiên cứu tính toán, thiết kế tối ưu

và phát triển những sản phẩm phức tạp nói chung và những con tàu hiện đại nói riêng Các công trình nghiên cứu tính sức cản tàu bằng kỹ thuật CFD đã công bố chủ yếu theo hướng lý thuyết, trên cơ sở xây dựng mô hình tính và sử dụng phương pháp số để tính toán sức cản sóng đối với các hình dạng tàu đã có sẵn phương trình cho trước Tiêu biểu cho hướng nghiên cứu này là công trình ứng dụng phương pháp số của Michell để tính toán sức cản tạo sóng của mô hình tàu có dạng Wigley [1], [2], [3] Trong trường hợp này là tàu được giả thiết là “tàu mảnh” theo khái niệm của Michell thường rất hay được giả thuyết trong lý thuyết của các lát cắt phẳng (strip theory) Theo Michell, người có nhiều đóng góp ở lĩnh vực nghiên cứu sức cản do sóng tạo ra, khái niệm tàu mảnh là tàu có tỷ lệ chiều dài và chiều rộng L/B ≥ 9, hệ số béo Cb< 0.55, góc giữa tốc độ và tiếp tuyến với tàu phải rất nhỏ, xấp xỉ bằng 0 (hình 1.1)

Hình 1.1 Tàu mảnh theo giả thiết của Michell

4

- Bài báo “ Computational investigation of free surface flow around a ship hull” của Katuri Samarpana, Ajay Konapala, Duvvada Ramesh, thuộc trường M.V.G.R College of Engineering/ Mechanical, Vizianagaram, India công bố năm 2013, trong đó

sử dụng phần mềm CFD - Ansys Fluent mô phỏng động lực học tàu thủy trên cơ sở đó tính sức cản tàu thủy, tuy nhiên trong công trình này chỉ đề cập đến tàu có mũi quả lê,

và chưa đề cập đến mức độ chính xác của bài toán

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở nước ta hiện nay, việc ứng dụng lý thuyết CFD trong kỹ thuật nói chung và trong mô phỏng động lực học tàu thủy nói riêng vẫn đang còn là lĩnh vực rất mới mẻ, chủ yếu chỉ ở mức tiếp cận lý thuyết cơ bản và giải một số bài toán kỹ thuật đơn giản

Do đó cũng chưa thấy có những công trình nghiên cứu chuyên sâu về CFD nói chung

và tính sức cản tàu thủy bằng phần mềm hoặc phương pháp lý thuyết CFD nói riêng Nhìn chung, bài toán mô phỏng động lực học tàu thủy bằng phần mềm vẫn còn mới, đang trong giai đoạn làm quen ban đầu, ngoài trừ một số rất ít công trình nghiên cứu Hiện tại có một số rất ít công trình nghiên cứu trong nước được công bố chính thức có liên quan đến vấn đề này, có thể kể một số công trình tiêu biểu như sau:

- Công trình “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất

trong mô phỏng số để thay thế một số thực nghiệm trong ngành Kỹ thuật giao thông”,

của PGS.TS Trần Gia Thái của Trường Đại học Nha Trang thực hiện năm 2014 [10], trong đó đã sử dụng phần mềm Ansys Aqua để mô phỏng số động lực học tàu thủy và tính toán thông số dao động của tàu trên sóng với biên độ và chu kỳ phụ thuộc biên độ, tần số sóng, cụ thể như yếu tố thủy tĩnh (Hydrostatic), thủy động học (Hydrodynamic), biên độ dao động của tàu trên sóng biển - RAOs (Response Amplitude Operators), phân bố của áp suất thủy động lực học (Hydrodynamic pressures) và các chuyển động của tàu trên sóng (motions), các lực cưỡng bức (lực Froude – Krylov), hệ số cản v v… Tuy nhiên trong công trình này chưa đề cập đến độ chính xác của mô hình tính

- Bài báo “Ứng dụng phương pháp các điểm kỳ dị để tính toán sức cản sóng của

tàu thủy” của nhóm các tác giả Nguyễn Mạnh Hưng, Ngô Văn Hệ, Lê Quang của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội thực hiện năm 2010 với mô hình tàu Wigley [8], tàu chuyển động đều trong môi trường nước không nén được, không xoáy, không nhớt

5

- Bài báo “ Tính dòng chảy bao quanh thân tàu bằng phân mềm Ansys Fluent” của tác giả TS Đỗ Quang Khải trường đại học Hàng hải Việt Nam thực hiện 2015, trong đó giới thiệu phương pháp tính toán các đặc tính dòng chảy bao quanh thân tàu hàng bằng phương pháp số dưới sự hỗ trợ của phần mềm Ansys Fluent, kết quả tính toán được trường vận tốc và áp suất phù hợp với lý thuyết lớp biên Bài báo chỉ công

bố kết quả cuối cùng dưới dạng hình ảnh, tuy nhiên mức độ chính xác của bài toán chưa được tác giả đề cập đến, chưa đối chiếu với kết quả thực nghiêm

Trong thời gian gần đây, theo như chúng tôi được biết cũng đã bắt đầu có một số

đề tài cao học và nghiên cứu sinh sử dụng các phần mềm về CFD như Ansys Fluent

để tính toán sức cản tàu thủy nói chung, nhưng cho đến nay vẫn chưa có công trình nào được công bố một cách chính thức có liên quan đến vấn đề này, đặc biệt là các vấn

đề về độ chính xác kết quả tính do đó bài toán đặt ra trong đề tài này vẫn có tính mới trong điều kiện khoa học kỹ thuật và cơ sở phục vụ nghiên cứu vẫn còn nhiều hạn chế như ở nước ta hiện nay, nhất là trong lĩnh vực tàu đánh cá

1.3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu và mục đích nghiên cứu của đề tài

Từ các trình bày trên đây, có thể nhận thấy mục tiêu chính của đề tài này là nghiên cứu mô phỏng số động lực học và dựa trên cơ sở đó để tính sức cản tàu thủy Trên cơ sở đó, mục đích nghiên cứu của đề tài nhằm xây dựng một phương pháp tính sức cản tàu đánh cá bằng phần mềm CFD đảm bảo được độ tin cậy và tính chính xác cần thiết

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu mô phỏng số động lực học mẫu tàu đánh cá thực nghiệm M.1317A

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài là kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể như sau:

1.3.3.1 Nghiên cứu lý thuyết

Với mục tiêu nghiên cứu sử dụng phần mềm CFD để mô phỏng số động lực học nên những nghiên cứu lý thuyết trong đề tài chủ yếu như sau:

6

- Nghiên cứu lý thuyết CFD, tập trung vào các nội dung liên quan đến đề tài

như xây dựng mô hình tính, kỹ thuật chia lưới, kỹ thuật đặt điều kiện biên

- Nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế tàu thủy Autoship để có thể xây dựng

được mô hình tàu 3D một cách chính xác dựa theo đường hình của mẫu tàu tính toán

- Nghiên cứu sử dụng phần mềm Ansys Fluent và ứng dụng trong mô phỏng số

động lực học một mẫu tàu cụ thể

1.3.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Về mặt phương pháp, để có thể đảm bảo được độ tin cậy của kết quả tính toán động lực học xuất ra từ phần mềm CFD, cần phải so sánh, đối chiếu kết quả tính toán

từ lý thuyết với kết quả thử nghiệm trong bể thử mô hình như cách làm truyền thống

Do điều kiện thử nghiệm mô hình tàu trong điều kiện hiện nay gặp rất nhiều khó khăn,

do đó trong đề tài chúng tôi lựa chọn phương án sử dụng mẫu tàu đánh cá M1317A, mẫu tàu đã có số liệu thử nghiệm mô hình về sức cản để so sánh, đối chiếu và dựa trên

cơ sở đó để hiệu chỉnh lại kết quả mô phỏng số đối với mô hình tàu đánh cá trong phần mềm CFD

1.3.4 Nội dung nghiên cứu

Trên cơ sở đó, nội dung đề tài được thiết kế thành 4 chương cụ thể như sau: Chương 1: Phần tổng quan

Chương này trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu, gồm các nội dung:

Lý do thực hiện đề tài; Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đối với vấn đề trong đề tài; Mục tiêu, phương pháp, nội dung, phạm vi nghiên cứu Ngoài ra, trong phần này còn giới thiệu tổng quan các phần mềm Autoship

và Ansys Fluent – các phần mềm được sử dụng giải quyết bài toán đặt ra Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày một số lý thuyết cơ bản, có liên quan đến nội dung của

đề tài gồm lý thuyết về CFD, chủ yếu về điều kiện biên và kỹ thuật chia lưới

và lý thuyết về sức cản tàu thủy

7

Chương 3: Kết quả nghiên cứu

Chương này trình bày kết quả nghiên cứu chính của đề tài, bao gồm nội dung

sử dụng phần mềm AutoShip và Ansys Fluent để xây dựng mô hình của tàu khảo sát và tiến hành mô phỏng số động lực học tính sức cản mẫu tàu này Chương 4: Kết luận và khuyến nghị

Chương này trình bày các kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu của đề tài và những khuyến nghị cần thiết, liên quan đến bài toán đặt ra

1.3.5 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Trong phạm vi đề tài chỉ thực hiện nghiên cứu trong các giới hạn sau:

- Không nghiên cứu lý thuyết CFD và kỹ thuật mô phỏng số động lực học tàu, chỉ nghiên cứu sử dụng phần mềm Ansys Fluent mô phỏng động lực học tàu

- Sử dụng mẫu tàu đánh cá M1317A đã có các số liệu thử mô hình tính sức cản, tạm gọi tên là mẫu tàu thực nghiệm, để làm cơ sở tính toán

- Bài toán mô phỏng số động lực học thực tế còn có nhiều nội dung khác nữa, tuy nhiên trong đề tài chúng tôi chỉ quan tâm đến nội dung quan trọng nhất là tính sức cản tàu trên nước tĩnh

1.4 Tổng quan về phần mềm Autoship

AutoShip là một hệ thống phần mềm dùng thiết kế và triển khai công nghệ đóng tàu thủy do Công ty Autoship Systems Coporation của Mỹ xây dựng và phát triển từ năm 1980, bắt đầu từ phiên bản 6.0, sau đó là 7.0, 7.1, 8.0, cho đến phiên bản mới nhất hiện nay là 9.2 và hiện đang được sử dụng phổ biến ở rất nhiều nước trên thế giới, trong đó có cả ở Việt nam Autoship là một chương trình thiết kế tàu thủy rất mạnh về

xử lý đồ họa dưới dạng 2D và 3D, chạy trong môi trường Windows trên các máy tính

cá nhân hoặc trên các máy tính nối mạng Autoship là tên gọi chung của phần mềm và của mô đun thiết kế tuyến hình trong hệ thống bao gồm các mô đun (hình 1.2)

8

Hình 1.2 Hệ thống các môđun của phần mềm Autoship

Autoship là bộ phần mềm thiết kế rất mạnh về mô phỏng các bề mặt không gian 3D phức tạp, được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực thiết kế và mô phỏng 3D tàu thủy, đồng thời cung cấp môi trường thiết kế gần gũi và hoàn thiện, cho phép thử nghiệm và thiết kế kỹ thuật và thiết kế công nghệ tàu đóng mới một cách nhanh chóng, hiệu quả Kết hợp với việc tính các yếu tố tính nổi và sức cản, chúng ta có khả năng thử nghiệm kết quả tính các vỏ tàu mới, qua đó sẽ xác định được các thông số cần thiết cho tàu Môđun Autoship là cơ sở để tạo và chuyển dữ liệu đến các môđun khác trong hệ thống

có nhiệm vụ thiết kế đường hình, thượng tầng và mô phỏng 3D hình dáng con tàu Môđun này được thiết kế cho phép người dùng lựa chọn các phương án thích hợp nhất,

ví dụ thiết kế đường hình tàu đảm bảo các thông số hình học cho trước khi thiết kế mới

TUYẾN HÌNH TÀU MỚI

-Vẽ theo các thông số cho trước

-Vẽ theo bảng tọa độ

-Vẽ các hình dáng đặc biệt

TUYẾN HÌNH TÀU CÓ SẴN -Bản vẽ từ các chương trình CAD -Từ thiết bị Scaner, bút vẽ …

- Từ bảng tọa độtuyến hình

Vẽ các hình dáng đặc biệt

AUTOSHIP (Thiết kế tuyến hình và KTTT)

AUTOPOWER

(Tính sức cản và thiết bị đẩy)

AUTOHYDRO (Tính thủy lực và ổn)

AUTOSTRUCTURE

(Thiết kế kết cấu thân tàu)

AUTOPLATE (Khai triển kết cấu, tôn bao)

AUTONEST (Triển khai cắt trên máy CNC)

CAD SYSTEM (Tự động cắt tôn và chế tạo kết

cáu)

9

hoặc thiết kế đường hình theo các mẫu có sẵn trong thư viện tàu mẫu của chương trình Ngoài thiết kế mới, AutoShip cho phép nhập vào môđun thiết kế tuyến hình Autoship bản vẽ đường hình vẽ giấy, vẽ trong các chương trình CAD, bảng tọa độ đường hình bằng các thiết bị hỗ trợ như máy scaner, bút vẽ và quản lý nó như đối với bản vẽ gốc Ngoài ra, môđun Autoship còn có nhiều chức năng hỗ trợ việc thiết kế tàu như sau:

- Tạo, hiệu chỉnh, nối các đường và mặt cong một cách rất dễ dàng, linh hoạt và chính xác

- Quan sát dễ dàng và linh động các hình chiếu, kể cả hình mô phỏng 3D

- Chỉ cần điều chỉnh một hình chiếu, các hình chiếu còn lại sẽ tự động cập nhật

- Thêm hoặc bớt các đường sườn, đường nước, đường cắt dọc của đường hình tàu một cách dễ dàng và chính xác

- Khả năng tính toán nhanh chóng các tính năng hàng hải của tàu

- Khả năng làm trơn bề mặt vỏ tàu

- Khả năng tương thích với các mẫu tàu hiện có

- Tự động thiết lập bảng tọa độ đường hình

- Khả năng tạo ra được một số lượng lớn các mặt cắt sườn thực của tàu thiết kế một cách nhanh chóng và chính xác

1.5 Tổng quan về phần mềm Ansys Fluent

Hiện nay có khá nhiều phần mềm CFD nhưng Fluent, môđun dùng tính CFD của

bộ phần mềm Ansys đã và đang được sử dụng rất rộng rãi nhờ có nhiều tính ưu việt

Do đó trong phần này chúng tôi giới thiệu tóm tắt về phần mềm Ansys Fluent

1.5.1 Giới thiệu chung về phần mềm Ansys Fluent

Ansys Fluent có khả năng mô hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho

mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt và phản ứng được áp dụng trong công nghiệp từ dòng chảy qua cánh máy bay, cho đến sự cháy trong một lò lửa, từ các cột bọt khí đến các đệm dầu, từ dòng chảy của mạch máu cho đến việc chế tạo các vật liệu bán dẫn và từ thiết kế các căn phòng sạch cho đến các thiết bị xử lý nước thải [10] Nhờ việc ứng dụng các mô hình tính đặc biệt nên giúp cho phần mềm này có khả năng

10

mô hình hóa buồng cháy động cơ cylinder, khí động học sự truyền âm, cánh máy bay

và các hệ thống đa pha nhằm phục vụ cho việc mở rộng khả năng của phần mềm này

Ví dụ trên hình 1.3 là mô phỏng động lực học chân vịt tàu thủy

Hình 1.3 Ứng dụng Fluent trong mô phỏng động lực học chân vịt

[nguồn http://dasi.vn]

Ngày nay, hàng ngàn công ty trên thế giới đã thu được lợi nhuận khổng lồ từ việc

sử dụng Ansys Fluent để phân tích thiết kế của họ và tối ưu hóa quá trình phát triển sản phẩm, ví dụ tối ưu hóa hình dáng của mũi tàu quả lê bằng Ansys Fluent (hình 1.4) Các bộ giải kỹ thuật tiên tiến đã giúp đưa ra những kết quả CFD nhanh và chính xác, lưới chia chuyển động hay biến dạng và khả năng tăng tốc độ khi máy chạy song song Khả năng thiết lập bộ giải tương tác, quá trình giải và hậu xử lý của Ansys Fluent làm

dễ dàng có thể tạm dừng tính toán, kiểm tra kết quả với quá trình hậu xử lý đã được phân tích, thay đổi bất cứ thiết lập nào và sau đó tiếp tục tính toán với từng ứng dụng Các tệp dữ liệu và các trường hợp tính toán có thể được đọc vào trong Ansys CFD-Post với mục đích phân tích kỹ hơn bằng các công cụ xử lý kết quả tiên tiến

11

Hình 1.4 Tối ưu hóa mũi quả lê bằng phần mềm Ansys Fluent

Sự tích hợp môđun Ansys Fluent vào Ansys Workbench của Ansys (hình 1.5) đã cung cấp cho người sử dụng hai hướng kết nối Ansys Fluent tới toàn bộ hệ thống CAD đồng thời cho phép xây dựng và thay đổi các bề mặt hình học một cách hữu hiệu với Ansys DesignModeler và công nghệ chia lưới tiên tiến ngay trong Ansys Meshing [10] Những chức năng cơ bản này cũng cho phép kết nối các dữ liệu và kết quả sẽ được chia sẻ giữa các ứng dụng với nhau bằng cách kéo và thả dễ dàng, cho tới việc sử dụng phép giải dòng chảy chất lỏng với các điều kiện biên của mô phỏng về kết cấu

cơ khí Sự kết hợp của những lợi ích này với hàng loạt khả năng mô hình hóa mô hình vật lý và những kết quả CFD nhanh chóng và chính xác, phần mềm Ansys Fluent cung cấp được kết quả dưới dạng một trong những gói phần mềm toàn diện nhất cho quá

trình mô hình hóa CFD trên thế giới hiện nay

Hình 1.5 Fluent trong Ansys workbench

Quá trình mô phỏng Ansys Fluent được thực hiện như sau (hình 1.6)

12

Hình 1.6 Trình tự mô phỏng số bằng phần mềm Ansys Fluent

- Mô hình hình học của tàu được xây dựng lại trên các phần mềm CAD 2D-3D, Autoship, Catia, Inventor dựa trên tuyến hình của tàu ở dạng 2D bao gồm các đường sườn, đường nước, hoặc xây dựng trực tiếp từ Design Modeler

- Turbo Grid, Ansys Meshing, Ansys ICEM CFD được dùng để chia lưới tại các vùng cần quan tâm thông qua các môđun và hàm về lưới

- Ansys Fluent tính toán các bài toán về dòng chảy bao quanh vật thể chuyển động trong môi chất

1.5.2 Khả năng của Ansys Fluent

Phương pháp giải (Solution method) rất quan trọng trong tính toán bằng CFD Có rất nhiều phương pháp giải được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nói chung và trong ngành đóng tàu hiện nay nói riêng, trong đó để mô phỏng được dòng chảy rối bao quanh thân tàu hiệu quả chúng ta cần lựa chọn được phương pháp tính phù hợp Trong Ansys Fluent có ba phương pháp tính như sau:

(1) Phương pháp tính trực tiếp (Direct Numeriacal Simulation - DNS)

- Giải phương trình Navier-Stokes đầy đủ bằng phương pháp số;

- Giải quyết mọi chuyển động rối trong dòng chảy;

- Không cần các mô hình rối;

ANSYS Design Modeler

Các phần mềm

CAD 2D và 3D

khác

Turbo Grid

ANSYS Meshing

Ansys ICEM CFD

ANSYS FLUENT

Ansys CFD Port

13

- Chi phí và khối lượng tính toán quá lớn, không khả thi với những bài toán

công nghiệp

(2) Phương pháp mô phỏng xoáy lớn (Large Eddy Simulation – LES)

- Trung bình hóa phương trình Navier-Stokes theo không gian;

- Tính trực tiếp các xoáy lớn và xoáy nhỏ (nhỏ hơn lưới) được trung bình hóa;

- Khối lượng tính ít hơn so với DNS nhưng vẫn cần tài nguyên và khối lượng

tính tương đối lớn cho những bài toán thực tế

(3) Phương pháp RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulation)

Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi nhất để mô phỏng các dòng chảy trong công nghiệp, với các đặc điểm cơ bản sau:

- Trung bình hóa phương trình Vanier-Stokes theo thời gian;

- Tất cả các rối được mô hình hóa trong RANS;

- Có sẵn nhiều mô hình rối khác nhau;

Các chế độ của dòng nước chảy qua thân tàu sẽ chuyển dần từ trạng thái ổn định, đến chảy tầng và cuối cùng là chế độ rối hoàn toàn khi số Reynolds ≥ 3.105 [6] Trong thực tế, một mô hình tàu có chiều dài 2m chạy trong nước với tốc độ vào khoảng 5 m/s thì giá trị số Reynolds khoảng 107 và với giá trị số Reynolds này thì dòng nước khi chảy qua thân tàu là rối hoàn toàn (Williamson, 1996) [6]

Phần mềm 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 để giải các bài toán sau:

- Mô hình dòng chảy 2D, 3D;

- Mô hình dòng chảy tĩnh (steady) hay dòng tức thời (unsteady) tức là dòng

chảy có phụ thuộc vào thời gian;

- Mô hình dòng chảy nén được hay không nén được;

- Mô hình dòng chảy tầng hoặc dòng chảy rối;

- Các đặc tính của phản ứng hóa học, quá trình phun nhiên liệu, quá trình nổ…

- Mô hình dòng nhiều pha (lỏng - khí, lỏng - lỏng);

- Mô hình có sự thay đổi pha: nóng chảy, đông đặc…

14

- Mô hình màng thấm, tấm lọc…

- Mô hình quạt, bơm, động cơ tuabin…

- Mô hình các tấm chuyển động

Ansys Fluent hỗ trợ các mô hình rối sau:

- Mô hình Splart – Allmaras

Bảng 1.1 Mô hình rối và phạm vi áp dụng

Spalart

Allmaras

- Giải phương trình chuyển động cho xoáy nhớt rút gọn

- Cần bộ nhớ ít khi giải trường dòng chảy trong lớp biên

quá độ; khá ổn định và hội tụ tốt

- Cho kết quả tốt với lớp biên chịu gradient áp suất ngược

- Không chính xác đối với dòng chảy trượt, dòng chảy phân

ly, hoặc dòng chảy rối tắt dần

Đặc biệt ứng dụng cho hàng không, máy cánh bao gồm cả dòng biên tường

- Giải hai biến số: k - năng lượng động lực học rối;  - tỉ lệ

giảm năng lượng động lực học rối

Mô phỏng khá tốt những bài

15

k - 

- Sử dụng hàm tường nhưng dòng chảy trong vùng đệm

không được mô phỏng

- Tốc độ hội tụ khá tốt và yêu cầu bộ nhớ thấp

- Không chính xác khi tính toán trường dòng chảy có

gradient áp suất ngược, dòng chảy có độ cong lớn hoặc dòng phun

toán dòng chảy bao quanh những vật thể hình học phức tạp

k-

- Tương tự như mô hình k-,  - tỉ lệ riêng của sự giảm

năng lượng động lực học

- Dùng hàm tường với bộ nhớ tương đương mô hình k-

- Hiệu suất tốt hơn nhiều mô hình k- cho các dòng chảy

lớp biên

- Với bài toán tách dòng, chuyển tiếp, ảnh hưởng Re thấp

và va chạm, mô hình k- chính xác hơn mô hình k-

- Chính xác và tối ưu cho một loạt lớp biên dòng với

gradient áp suất

- Khó hội tụ và nhạy cảm với các giả thiết ban đầu nên mô

hình k- thường sử dụng để tìm điều kiện ban đầu

Dòng chảy cong, dòng chảy bên trong, dòng phân ly và dòng phun

SST

- Mô hình vật lý đầy đủ nhất (quá trình, sự vận chuyển,

tính không đẳng hướng ứng suất rối đều được giải thích

- Kết hợp mô hình k- trong dòng chảy tự do và mô hình

k- gần tường

- Không sử dụng hàm tường và chính xác nhất khi sử dụng

để giải dòng chảy gần tường

- Khó hội tụ nên mô hình k- hoặc k- thường được giải

trước để đưa ra những điều kiện ban đầu chính xác

16

Để mô phỏng dòng chất lỏng bao quanh thân tàu khi chuyễn động trên nước tĩnh chúng tôi chọn mô hình rối phổ biến đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và nghiên cứu hiện nay chính là mô hình Reynolds - Averaged Navier-Stokes (RANS) Các phương trình cơ bản của RANS dẫn từ phương trình Navier-Stokes như sau

- Phương trình liên tục (Continuities)

mô hình dòng chảy liên quan đến sự luân chuyển, tách rời và quay vòng của chất lỏng

Do đó trong mô phỏng số tàu cá trên nước tĩnh chúng tôi dùng mô hình Realizable k-ε

Để rời rạc hóa các phương trình bảo toàn (1.1) và (1.2) trong mô hình vật lý trên, chúng tôi chọn phương pháp giải thể tích hữu hạn (Finite Volume Methode – FVM) để

có thể rời rạc hóa phương trình liên tục vào các thể tích điều khiển (Volume control) Sau khi rời rạc, những phương trình vi phân riêng phần nói trên sẽ được chuyển thành

hệ phương trình vi phân thường và có thể giải được theo các thuật toán hiện đại của ngành khoa học máy tính (Computer science) hiện nay

1.5.3 Các bước giải trong Ansys Fluent

Tương tự như các phần mềm CFD khác, trình tự của quá trình tính toán trong Ansys Fluent cũng được thực hiện qua các bước sau (hình 1.8)

(1) Mô hình hình học

(2) Chia lưới mô hình

(3) Thiết lập bài toán và các điều kiện biên

(4) Thực hiện giải

(5) Kết quả và phân tích

Ansys ICEM CFD là phần mềm chuyên dụng để chia lưới từ các mô hình CAD,

nó nằm trong gói phần mềm Ansys do đó giao diện tương quan nhau nên dễ sử dụng Các khả năng chính của ICEM CFD:

- Tạo và chỉnh sửa mô hình hình học

- Tạo và chỉnh sửa lưới phi cấu trúc

- Lưới thích nghi với điều kiện biên

- Xuất lưới cho nhiều bộ giải

18

Ansys ICEM CFD cũng có thể đọc được các mô hình hình học từ phần mềm thiết

kế như Catia, Solidwork, NX, Inventor, Autoship…, hoặc cũng có thể tạo hoặc sửa mô hình hình học trong ICEM CFD Một tính năng được chú ý và cũng quan trọng bậc nhất của ICEM CFD là tạo lưới cấu trúc hexa bằng phương pháp block (hình 1.8) Về

cơ bản nó là phép ánh xạ: mô hình → khối, mặt cong → mặt phẳng, đường cong → đường thẳng, điểm → đỉnh (hình 1.9)

Hình 1.8 Tạo lưới hexa bằng block [nguồn: http://stclub.advantech.vn]

Hình 1.9 Sơ đồ đơn giản ánh xạ trong chia lưới bằng phương pháp block

[Nguồn: http://stclub.advantech.vn]

19

1.5.3.3 Thiết lập bài toán và giải trong Ansys Fluent

Phần mềm Ansys Fluent cung cấp ba phương pháp giải khác nhau là Segregated,

Coupled Implicit và Coupled Explicit dùng để tính toán cho một dòng lưu chất bất kỳ

Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, việc lựa chọn được phương pháp giải hợp lý trong

ba phương pháp giải nói trên có thể cho được kết quả tính nhanh và chính xác hơn

Segregated giải phương trình theo tuần tự, trong khi Couple tiến hành giải đồng thời

Implicit (ẩn) và Explicit (tường minh) khác nhau ở cách tuyến tính hóa phương trình

để giải Couple thường được sử dụng cho

dòng lưu chất ở vận tốc lớn và nén được,

cho kết quả tính nhanh và chính xác hơn

nhưng cần máy tính cấu hình mạnh, trong

khi một số dạng bài toán chỉ có thể giải

được bằng cách giải theo Segregated

Tương ứng với các phương pháp giải là hai

bộ giải khả dụng trong Fluent là

Pressure-Based Solution (PBS) và Density - based

(DBS) (hình 1.10), cụ thể như sau

Hình 1.10 Hai bộ giải khả dụng

(a) Bộ giải PBS

Trường vận tốc nhận được từ phương trình động lượng và bảo toàn khối lượng

bằng cách giải lần lượt phương trình hiệu chỉnh áp suất, phương trình năng lượng và

các phương trình vô hướng phụ

 Các thuật toán liên kết (coupling) áp suất – vận tốc suy ra từ việc định

lại phương trình liên tục

 Phương trình áp suất suy ra theo trường vận tốc, hiệu chỉnh áp suất

thỏa mãn tính liên tục

(b) Đối với bộ giải DBS

Các phương trình chủ đạo như phương trình liên tục, động lượng, năng lượng và

vận chuyển chất được giải đồng thời, các phương trình vô hướng được giải riêng lẻ và

bộ giải DBS có thể chạy theo phương pháp ẩn (implicit) hoặc tường minh (explicit)