Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CHÂN VỊT TÀU CAO TỐC BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD VỚI PHẦN MỀM FINE/MARINE STUDY ON HYDRODYNAMICS OF THE PROPELLER ON HIGH SPEED SHIPS USING CFD FINE/MARINE SOFTWARE Nguyễn Duy Bách1a, Nguyễn Hà Hiệp2b, Lương Đình Thi2c Viện Thiết kế tàu quân sự/TCCNQP, Hà Nội, Việt Nam Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam a b duybach281@gmail.com; hahiepshippower@gmail.com; cthidongluc33@yahoo.com TÓM TẮT Bài báo giới thiệu kết xây dựng mô hình 3D chân vịt tàu cao tốc phần mềm mô hình hóa PropCad Rhinoceros, trình bày trình tự tính toán thủy động lực học chân vịt tàu cao tốc phương pháp tính toán động lực học chất lưu (Computational Fluid Dynamics - CFD) với phần mềm FINE/Marine Kết tính toán lực đẩy, mômen, phân bố áp suất cánh thông số thủy động lực học khác chân vit Từ khóa: phương pháp CFD, phần mềm, chân vịt, Fine, Marine, Fine/Marine, tàu cao tốc, lực đẩy, mômen, chất lưu ABSTRACT This paper presents the results of constructing 3D models of the propeller on high speed ship by using PropCad and Rhinoceros softwares A sequence hydrodynamic calculations of the propeller on high speed ship with Computational Fluid Dynamics (CFD) - FINE/Marine software is performed The obtained results are thrust, torque, pressure distribution on the blade and the other hydrodynamic parameters of propeller Keywords: CFD methods, software, propeller, Fine, Marine, Fine/Marine, high speed ship, thrust, torque, fluid ĐẶT VẤN ĐỀ Việc phân tích, đánh giá hiểu rõ chuyển động dòng chảy hay biến thiên thuộc tính nhiệt độ, áp suất, vận tốc, vật thể chuyển động môi trường chất lưu quan trọng tính toán, thiết kế tối ưu sản phẩm Có thể liệt kê số ví dụ cụ thể như: máy bay chuyển động môi trường khí động, tàu thủy chuyển động môi trường chất lỏng động, dòng khí chuyển động hệ thống làm mát, dầu bôi trơn, hóa chất chuyển động ống dẫn hay bể chứa, Các thuộc tính dòng chất lưu thu từ kết thực nghiệm giải hệ phương trình toán học Tuy nhiên, thực tế việc áp dụng phương pháp gặp nhiều khó khăn Sử dụng phương pháp tính toán động lực học chất lưu - CFD (Computational Fluid Dynamics) [1] giải toán phức tạp; việc phân tích, tính toán trở nên đơn giản, nhanh chóng Ngày nay, phương pháp CFD kết hợp với phương pháp thực nghiệm Các phương pháp hỗ trợ, bổ sung tiêu chuẩn đánh giá nhau, CFD có vị trí quan trọng lĩnh vực động lực học chất lưu từ nghiên cứu lý thuyết đến tính toán thiết kế công nghệ [1] Để ứng dụng CFD vào toán cụ thể, cần phải hiểu biết lý thuyết CFD, phương trình mô tả chuyển động chất lưu, phương trình lớp 686 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV biên, từ chọn lựa phương pháp tính, mô hình tính chọn phần mềm mô CFD phù hợp với kết kỳ vọng Thiết kế chân vịt tàu thủy nói chung chân vịt tàu cao tốc nói riêng vấn đề quan trọng phức tạp thiết kế tàu Do chân vịt có ảnh hưởng lớn đến mức độ an toàn hiệu khai thác tàu, việc tính toán chế tạo xác chân vịt theo tham số tính toán thiết kế có ý nghĩa quan trọng, nên vấn đề nhiều nước giới quan tâm nghiên cứu Ở nước có ngành đóng tàu phát triển, thiết kế chân vịt thử nghiệm trước nên thường tính toán chế tạo chân vịt theo công nghệ CAD/CAM/CAE sử dụng bể thử mô [1,5] Một số trung tâm nghiên cứu đạt đến trình độ cao, có nhiều kinh nghiệm có nhiều sản phẩm có chất lượng cao cung cấp cho thị trường, mang lại hiệu cao khai thác sử dụng loại tàu thủy Các trung tâm nghiên cứu tiêu biểu lĩnh vực Trung tâm nghiên cứu thủy động lực học Công ty MARIN (Hà Lan), Trung tâm nghiên cứu Harmbourg (Đức), Công ty Hungseng (Đài Loan), Trung tâm nghiên cứu biển Ba Lan, Viện nghiên cứu Krưlốp (LB Nga), Hiện nay, nước có số đơn vị thiết kế, chế tạo chân vịt cho tàu chở hàng số loại tàu thông thường khác Đây loại chân vịt có thiết kế không phức tạp, yêu cầu chế tạo không cao tốc độ quay chân vịt không lớn, lực đẩy không cao chế độ hoạt động Hầu hết tàu cao tốc nước ta sử dụng chân vịt công ty nước thiết kế chế tạo Tàu cao tốc tàu có tốc độ cao công suất máy thường lớn, tốc độ quay chân vịt cao chế hoạt động phức tạp nhiều so với tàu hàng thông thường Hệ thống đẩy tàu nói chung chân vịt tàu cao tốc nói riêng có yêu cầu cao thông số, tiêu kỹ thuật, chất lượng Vì thế, với điều kiện người trang thiết bị, phòng thí nghiệm nước ta nay, việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo chân vịt tàu cao tốc gặp nhiều khó khăn Đến nay, nước ta chưa có đơn vị tự chủ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo chân vịt tàu cao tốc Hiện nay, phần mềm FINE/Marine phần mềm CFD giới có khả tính toán đưa kết với độ xác cao, áp dụng ngành đóng tàu thủy Phần mềm FINE/Marine tích hợp module HEXPRESS (dùng để chia lưới), FINE/Marine (dùng để tính toán) CFVIEW (dùng để phân tích đánh giá kết quả) (Hình 1) [2,3,4] Hình Các module phần mềm FINE/Marine FINE/Marine môi trường mô dòng chảy có độ trung thực cao đặc biệt sử dụng cho mô tự động thủy động lực học cho tàu hải quân công trình biển FINE/Marine kết hợp mạnh mẽ khả tự động chia lưới phi cấu trúc với module HexPress, giải pháp môi chất không nén RANS FINE/Marine khả phân tích, quan sát dòng chảy trực quan với module CFView CÁC BƯỚC CHÍNH KHI SỬ DỤNG PHẦN MỀM FINE/MARINE Để giải toán tính toán thủy động lực học chân vịt với phần mềm FINE/Marine, trình tự tiến hành theo bước sau: + Bước 1: Chuẩn bị liệu đầu vào cho trình tính toán; 687 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV + Bước 2: Mô hình hóa 3D đối tượng; + Bước 3: Chia lưới phần tử hóa đối tượng phần mềm chuyên dụng; + Bước 4: Gán đặc tính làm việc đối tượng, đặt điều kiện biên; + Bước 5: Tính lực đẩy, mô men, áp suất, vận tốc,… (tùy thuộc vào đối tượng mục đích toán nghiên cứu) phần mềm; + Bước 6: In kết quả, phân tích, đánh giá kết Với toán thiết kế chân vịt, kết tính toán phần mềm thể dạng đồ thị (lực đẩy, mô men, áp suất, vận tốc, …), mô tả tác dụng chúng bề mặt chân vịt, đồng thời phần mềm đưa kết dạng số liệu KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ BÀN LUẬN Tính toán đặc tính thủy động lực học chân vịt FINE/Marine theo trình tự bước trình bày Đối tượng nghiên cứu tàu cao tốc quân với thông số hệ thống động lực sau: Tốc độ quay chân vịt 725,5 vg/ph (12,09 v/s); Đường kính chân vịt 1542 mm; Số cánh chân vịt Sau tính toán sơ bộ, ta thu thông số hình học chân vịt tiến hành xây dựng mô hình 3D chân vịt phần mềm mô hình hóa chuyên dụng PropCad Rhinoceros Do điều kiện giới hạn cấu hình thiết bị máy tính phục vụ cho tính toán, nên mô hình 3D chân vịt phục vụ cho tính toán đặc tính thủy động lực học chân vịt phương pháp phần tử hữu hạn có thông số sau: Đường kính chân vịt mô hình 250 mm; Số cánh chân vịt Mô hình chân vịt thu nhỏ phù hợp với mô hình chân vịt thực tế tàu tính toán với tỷ lệ tương ứng (Hình 2) Hai mô hình tương đương yếu tố thủy động lực học Sau mô hình hóa chân vịt phần mềm Mô hình chân vịt xuất định dạng IGES X_T,… sau đó, nhúng mô hình 3D chân vịt vào phần mềm CFD, tiến hành tạo Domain (Hình 3) Sau tạo Domain, thực trình thiết lập chia lưới mô hình 3D chân vịt module HEXPRESS theo trình tự sơ đồ hình Kết chia lưới thể hình Hình Mô hình 3D chân vịt phần mềm chuyên dụng Rhinoceros 688 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Khởi tạo Domain mô hình 3D chân vịt Hình Trình tự bước chia lưới module HEXPRESS Hình Kết chia lưới module HEXPRESS Đặt điều kiện biên theo đặc tính làm việc cụ thể chân vịt (điều kiện môi trường chất lưu: nhiệt độ, áp suất, tỷ trọng, độ nhớt, độ mặn; tốc độ quay chân vịt; thể tích ống xâm thực) Căn vào mối liên kết với điều kiện làm việc chân vịt thực tế để tiến hành đặt điều kiện biên phù hợp với chân vịt cần tính toán (Hình 6) Các điều kiện làm việc chân vịt thực tế lấy theo liệu khai thác tàu cao tốc quân sự, đối tượng nghiên cứu Hình Mô hình vật lý tính toán chân vịt phần mềm CFD Sau gán đầy đủ điều kiện đầu vào, tiến hành tính toán lực đẩy mômen chân vịt, kết tính toán thể hình Kết tính toán phân bố áp suất thủy động lực chân vịt hình Xác định đặc tính thuỷ động lực chân vịt thử mô hình phần mềm CFD, đặc tính thuỷ động (các đường cong làm việc) [6] chân vịt thể hình 9, đặc tính thuỷ động lực chân vịt trình bày dạng mối quan hệ hệ số lực đẩy K , hệ số mômen K với hiệu suất η 689 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Kết tính lực đẩy mômen xoắn chân vịt 690 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Kết tính toán phân bố áp suất thủy động lực chân vịt 691 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV (K - hệ số lực đẩy, K - hệ số mô men, η - hiệu suất, λ - hệ số tiến) Hình Đặc tính thuỷ động lực chân vịt KẾT LUẬN Kết cho phép rút kết luận sau đây: - Kết thử nghiệm mô hình chân vịt phần mềm FINE/Marine nhận đường cong làm việc chân vịt - Thực nghiệm phần mềm FINE/Marine xác nhận hiệu giải pháp hình dáng chân vịt bảo đảm cho chân vịt có đặc tính tốt xâm thực giữ hiệu suất đẩy cao (điều kiện biên thể tích ống xâm thực tối ưu) - Bằng tính toán nhận kết phân bố áp lực lên bề mặt cánh chân vịt làm sở cần thiết để tính toán độ bền chân vịt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] NUMECA FIME (2012), Theoretical Manual ISIS-CFD v3.0 [2] User Manual FINE™/Marine v3 (including ISIS-CFD) Flow Integrated Environment for Marine Hydrodynamics - July 2012 [3] User Manual HEXPRESS™v2.12 Unstructured Grid Generator - July 2012 [4] User Manual CFView™ v8 Flow Visualization and Post-Processing - July 2012 [5] Корнелюк О Н Особенности моделирования работы гребного винта в свободной воде в среде flow vision // Кораблебудування.№1 - 2015 стр 21-26 (ISSN 2311-3405) [6] Жинкин В Б Теория и устройство корабля С-Петербург "Судостроение" - 2002 332 стр THÔNG TIN TÁC GIẢ TS Nguyễn Duy Bách, Viện Thiết kế tàu quân sự/TCCNQP/BQP Email: duybach281@gmail.com, 0972276381 TS Nguyễn Hà Hiệp, Bộ môn Động cơ/Khoa Động lực/Học viện Kỹ thuật quân Email: hahiepshippower@gmail.com, 0985045262 TS Lương Đình Thi, Bộ môn Động cơ/Khoa Động lực/Học viện Kỹ thuật quân Email: thidongluc33@yahoo.com, 0974922757 692