Đo đạc thực nghiệm quá trình hình thành khoang hơi quanh vật thể chuyển động trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRƢƠNG THỊ PHƢỢNG ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH KHOANG HƠI QUANH VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG TRONG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRƢƠNG THỊ PHƢỢNG ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH KHOANG HƠI QUANH VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG TRONG NƢỚC Ngành: Cơ kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 60.52.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH Dƣơng Ngọc Hải Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tham gia Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả Trƣơng Thị Phƣợng LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm đào tạo bồi dưỡng Cơ học – Viện Cơ học, Viện Hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam Trường đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Các thầy, cô giáo tham gia giảng dạy đào tạo thời gian học tập trung tâm trường Đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới GS TSKH Dương Ngọc Hải ThS Nguyễn Tất Thắng người tận tình hướng dẫn hoàn thành luận văn MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh sách bảng Danh sách hình MỞ ĐẦU 11 Chƣơng TỔNG QUAN VỀ DÒNG CHẢY CÓ TẠO BỌT 13 1.1 Giới thiệu 13 1.2 Hiện tượng tạo bọt (cavitation) tượng tạo khoang (supercavitation) 14 1.3 Các nghiên cứu liên quan trước 24 1.4 Kết luận 27 Chƣơng PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM KHOANG HƠI 28 2.1 Giới thiệu 28 2.2 Các tham số đồng dạng sử dụng 28 2.3 Các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu khoang 29 2.4 Đo đạc khoang sử dụng phương pháp quang học 35 2.5 Phân tích ảnh sử dụng phần mềm ImageJ 36 2.6 Kết luận 40 Chƣơng BƢỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHOANG HƠI41 3.1 Giới thiệu 41 3.2 Xây dựng mô hình vật lý thử nghiệm 42 3.3 Tiến hành thí nghiệm 46 3.4 Một số kết thí nghiệm 48 3.5 Hiệu chỉnh mô hình 49 3.6 Ảnh hưởng số tham số 62 3.7 Kết luận 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC : Mã macros thực phần mềm ImageJ 70 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT (Dấu gạch ngang “-” thể tham số không thứ nguyên) Ý nghĩa Ký tự Lmax L Dmax Đơn vị đo (SI) Áp suất môi trường N/m2 Áp suất bão hòa nước N/m2 Chiều dài lớn khoang m Chiều dài vật thể m Đường kính đầu cản vật thể m Đường kính lớn khoang m  Độ nhớt động lực học nước CP Hệ số áp suất Khối lượng riêng nước kg/ms kg/m3 Số xâm thực (cavitation number) - Fr Số Froude - Re Số Reynolds - We Số Weber -  Vận tốc dòng chảy xa điểm xét m/s Gia tốc trọng trường Nhiệt độ Độ C DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 Bảng thống kê số liệu phương pháp tạo khoang đạt 34 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật máy quay 44 Bảng 3.2 Áp suất nước tương ứng với nhiệt độ 48 Bảng 3.3 Điều kiện thí nghiệm hiệu chỉnh quy trình nạp nhiên liệu 50 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1 Khoang quanh ngư lôi chuyển động nước 13 Hình 1.2 Các hình thái bọt 16 Hình 1.3 Biểu đồ pha lỏng - nước 17 Hình 1.4 Đường đẳng nhiệt ANDREWS 18 Hình 1.5 Mặt phân cách lỏng – 21 Hình 2.1 Mô hình ống thủy động 30 Hình 2.2 Cấu tạo phần Contraction 31 Hình 2.3 Cấu tạo phần Honeycomb 31 Hình 2.4 Mô hình ống thủy động kích cỡ lớn Hải quân Mỹ 32 Hình 2.5 SAFL ống thủy động tốc độ cao Đại học Minnesota 32 Hình 2.6 Ống thủy động Versuchsanstalt für Wasserbau (VAO), Obernach, Đức 32 Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm bắn vật từ xuống 33 Hình 2.8 Sơ đồ quan sát khoang phương pháp quang học 36 Hình 2.9 Giao diện làm việc phần mềm xử lý ảnh ImageJ 37 Hình 2.10 Ảnh tách từ video vật đầu cản phẳng 37 Hình 2.11 Sơ đồ thuật toán xử lý ảnh ImageJ 38 Hình 2.12 Ảnh (a) ảnh xử lý (b) lấy từ video quay 38 Hình 2.13 Ảnh khác biệt thu phương pháp trừ 39 Hình 2.14 Hình ảnh kết hình dạng khoang 39 Hình 3.1 Mô hình tổng quát minh họa hệ thống đo đạc khoang 42 Hình 3.2 Súng 43 Hình 3.3 Mô hình bể chứa chất lỏng 43 Hình 3.4 Máy quay camera JVC GC-PX1 44 Hình 3.5 Mô hình 2D ba dạng đầu cản vật làm mẫu 45 Hình 3.6 Các mô hình vật thể dùng để đo đạc khoang 45 Hình 3.7 Các dụng cụ chiếu sáng nhiệt kế 45 Hình 3.8 Hệ thống thiết bị đo đạc khoang phòng thí nghiệm 46 Hình 3.9 Bố trí thí nghiệm quan sát quỹ đạo chuyển động vật 46 Hình 3.10 Bố trí thí nghiệm đo đạc kích thước khoang 47 Hình 3.11 Hình ảnh thu quan sát quỹ đạo chuyển động vật mẫu 48 Hình 3.12 Hình ảnh quan sát khoang 49 Hình 3.13 Súng gắn cố định sau hiệu chỉnh 49 Hình 3.14 Các vật mẫu dùng hiệu chỉnh thí nghiệm 50 Bảng 3.3 Điều kiện thí nghiệm hiệu chỉnh quy trình nạp nhiên liệu 50 Hình 3.15 Vận tốc đạt bắn đạn đầu bán cầu đuôi phẳng với trường hợp nạp cồn lần 10 lần 51 Hình 3.16 Hình ảnh khoang bước thời gian thứ ba dạng đầu (phẳng, bán cầu nón) với dạng đuôi phẳng 53 Hình 3.17 Ảnh thu bước thời gian thứ hai (t = 2/300 s) vật đầu cản phẳng tương ứng dạng đuôi (phẳng, bán cầu nón) 56 Hình 3.18 So sánh đường kính (a) chiều dài (b) lớn không thứ nguyên khoang vật đầu phẳng đuôi khác 57 Hình 3.19 So sánh đường kính (a) chiều dài (b) lớn không thứ nguyên khoang vật đầu bán cầu đuôi khác 57 57 Để nghiên cứu ảnh hưởng dạng đầu, dạng đuôi có ảnh hưởng đến kích thước khoang hơi, ta thiết lập đồ thị so sánh đánh giá kết so sánh Đồ thị so sánh kích thước khoang Hình 3.18 vật đầu cản phẳng dạng đuôi (phẳng, bán cầu, nón) Hình 3.19 vật đầu bán cầu dạng đuôi Hình 3.20 vật đầu nón dạng đuôi (a) (b) Hình 3.18 So sánh đường kính (a) chiều dài (b) lớn không thứ nguyên khoang vật đầu phẳng đuôi khác (a) (b) Hình 3.19 So sánh đường kính (a) chiều dài (b) lớn không thứ nguyên khoang vật đầu bán cầu đuôi khác 58 (a) (b) Hình 3.20 So sánh đường kính (a) chiều dài (b) lớn không thứ nguyên khoang vật đầu dạng nón đuôi khác Từ đồ thị so sánh đường kính chiều dài không thứ nguyên khoang theo số xâm thực vật dạng đầu ba dang đuôi (phẳng, bán cầu nón), ta nhận thấy đường kính chiều dài khoang thu với số xâm thực (σ) xấp xỉ Trong khoảng 0.2[...]... khoang hơi xuất hiện xung quanh vật chuyển động trong chất lỏng - Nghiên cứu các phương pháp thực nghiệm về đo đạc khoang hơi đã sử dụng trước đây - Cải tiến hệ thống thí nghiệm nhằm mục đích tạo ra được khoang hơi xung quanh các vật thể mẫu trong môi trường nước, sử dụng được trong phòng thí nghiệm - Tiến hành thí nghiệm đo đạc kích thước khoang hơi và quan sát quỹ đạo chuyển động của vật khi có khoang. .. ví dụ về khoang hơi xung quanh một vật chuyển động trong nước như được chỉ ra trong Hình 1.1 Hình 1.1 Khoang hơi quanh một ngư lôi chuyển động trong nước Hiện tượng tạo khoang hơi là một hiện tượng rất hữu ích cho việc giảm cản nhớt đối với các thiết bị chuyển động dưới nước Khi khoang hơi chiếm một 14 phần cơ thể vật thì việc điều khiển hướng, vận tốc cũng như quỹ đạo của vật phụ thuộc vào hình dạng... dựng một hệ thống thí nghiệm làm xuất hiện khoang hơi xung quanh một vật chuyển động trong chất lỏng bằng các thiết bị chế tạo dùng trong phòng thí nghiệm  Bước đầu đo đạc thực nghiệm các tham số như: kích thước hình học của khoang hơi, quãng đường đi được của vật khi có khoang hơi, đánh giá ảnh hưởng của dạng hình học vật thể lên kích thước khoang hơi và quỹ đạo chuyển động của vật  Cung cấp số liệu... pháp thực nghiệm để nghiên cứu và đo đạc các thông số liên quan tới khoang hơi của vật chuyển động trong nước Như trong phần Mở đầu đã nêu việc quan sát khoang hơi từ thực tế gặp rất nhiều khó khăn, do điều kiện hình thành của nó Để tiến hành được trong phòng thí nghiệm chúng ta cần đồng dạng mô hình thí nghiệm với mô hình thực tế Vì thế chương này sẽ trình bày các vấn đề liên quan đến thực nghiệm đo đạc. .. dựng một mô hình thí nghiệm, sử dụng trong phòng thí nghiệm có thể tạo ra được khoang hơi Từ đó tiến hành quan sát và đo đạc khoang hơi nhằm mục đích thu được các thông số như hình dạng, kích thước khoang hơi, quan sát quỹ đạo chuyển động của vật Các kết quả từ thực nghiệm dùng để kiểm chứng lý thuyết và cung cấp số liệu cho mô phỏng số 28 Chƣơng 2 PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM KHOANG HƠI 2.1 Giới... đo đạc khoang hơi trong phòng thí nghiệm, đồng dạng mô hình dựa trên các tham số nào Phần đầu lựa chọn các tham số đồng dạng trong quá trình đo đạc khoang hơi Sau đó, phần hai trình bày các phương pháp thí nghiệm tạo khoang hơi trước đây đã sử dụng như ống thủy động, phương pháp thuật phóng ngoài Từ các mô hình thí nghiệm trước đây hình thành lên mô hình mà nghiên cứu muốn thực hiện Phần ba trình bày... trường xung quanh gọi là khoang hơi nhân tạo Ba giai đo n hình thành và phát triển của một khoang hơi: 1 Khoang hơi bắt đầu xuất hiện tại mũi tiếp xúc giữa vật và chất lỏng 2 Khoang hơi phát triển bao trọn một phần vật, vận tốc của vật tiếp tục tăng lên 3 Khoang hơi lớn nhất bao trọn vật thể và giữ được ổn định Khi vật được bao trọn bởi một khoang hơi như vậy chỉ mũi của nó là tiếp xúc với nước ở dạng... và mô phỏng số thì đo đạc thực nghiệm rất quan trọng Các kết quả về đo đạc không chỉ để kiểm chứng lý thuyết mà còn cung cấp các số liệu cho mô phỏng được chính xác hơn Khoang hơi rất khó hình thành thường xuất hiện xung quanh vật có vận tốc lớn và không ổn định, nhưng lợi ích mà khoang hơi mang lại đối với vật chuyển động trong chất lỏng là rất đáng quan tâm Đo đạc khoang hơi từ thực tế là rất khó... xung quanh Khi vật chuyển động với vận tốc cao sự tương tác giữa vật và chất lỏng là nguồn sinh ra sự rung lắc và làm thay đổi hướng chuyển động của vật Việc nghiên cứu các tác động của khoang hơi đến vật chưa được nước ta quan tâm nhiều đặc biệt là các nghiên cứu bằng thực nghiệm Xuất phát từ các nghiên cứu thực nghiệm trước đây, cùng với nhu cầu cần các số liệu từ thực nghiệm Mà các mô hình thí nghiệm. .. quay như Hình 1.2e Các bọt này hình thành tại tâm của các xoáy trong vùng trượt cao Dạng bọt này không bị hạn chế bởi các cánh quay Nó có thể xảy ra tại vùng phân tách ở bất kỳ vị trí nào của vật 16 Hình 1.2 Các hình thái bọt hơi Khoang hơi xuất hiện bằng hai cách: 1 Khi tốc độ của vật đủ lớn làm hóa hơi nước xung quanh vật gọi là khoang hơi tự nhiên 2 Người ta cung cấp liên tục khí xung quanh vật ở ... dụ khoang xung quanh vật chuyển động nước Hình 1.1 Hình 1.1 Khoang quanh ngư lôi chuyển động nước Hiện tượng tạo khoang tượng hữu ích cho việc giảm cản nhớt thiết bị chuyển động nước Khi khoang. .. phòng thí nghiệm 46 Hình 3.9 Bố trí thí nghiệm quan sát quỹ đạo chuyển động vật 46 Hình 3.10 Bố trí thí nghiệm đo đạc kích thước khoang 47 Hình 3.11 Hình ảnh thu quan sát quỹ đạo chuyển động vật mẫu... QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRƢƠNG THỊ PHƢỢNG ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH KHOANG HƠI QUANH VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG TRONG NƢỚC Ngành: Cơ kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã