Mô phỏng tính toán quá trình hình thành khoang hơi quanh vật thể chuyển động trong nước (tóm tắt trích đoạn)

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LƢU VŨ PHƢƠNG THẢO MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH KHOANG HƠI QUANH VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG TRONG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ HỌC HÀ NỘI – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LƢU VŨ PHƢƠNG THẢO MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH KHOANG HƠI QUANH VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG TRONG NƢỚC Ngành: Cơ học kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật Mã số: 60.52.01.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH Dƣơng Ngọc Hải HÀ NỘI – 2016 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 Lƣu Vũ Phƣơng Thảo 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 Cám ơn thầy, cô giáo tham gia giảng dạy đào tạo thời gian học tập trường trung tâm Đặc biệt, xin bày tỏ long biết ơn chân thành tới GS TSKH Dương Ngọc Hải TS Nguyễn Tất Thắng tận tình hướng dẫn hoàn thành luận văn 1 MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU Chƣơng I TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Các khái niệm, định nghĩa .Error! Bookmark not defined 1.1.1 Khái niệm khoang .Error! Bookmark not defined 1.1.2 Khái niệm áp suất .Error! Bookmark not defined 1.2 Sự tạo bọt chất lỏng thực đặc trưng riêng dòng chảy có tạo bọt Error! Bookmark not defined 1.2.1 Áp suất gradient áp suất Error! Bookmark not defined 1.2.2 Mặt phân cách lỏng – Error! Bookmark not defined 1.2.3 Tác dụng nhiệt Error! Bookmark not defined 1.2.4 Các tham số phi thứ nguyên .Error! Bookmark not defined 1.3 Hiện tượng tạo khoang Error! Bookmark not defined 1.4 Các nghiên cứu trước Error! Bookmark not defined 1.5 Mục đích nghiên cứu Error! Bookmark not defined Chƣơng PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ HIỆN TƢỢNG TẠO KHOANG HƠI .Error! Bookmark not defined 2.1 Các giả thiết hệ phương trình Error! Bookmark not defined 2.2 Các điều kiện biên, điều kiện đầu Error! Bookmark not defined 2.3 Mô hình rối Error! Bookmark not defined 2.4 bậc tự Error! Bookmark not defined Chƣơng ÁP DỤNG ANSYS FLUENT ĐỂ NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG TẠO KHOANG HƠI Error! Bookmark not defined 3.1 Mô hình vật lý .Error! Bookmark not defined 3.2 Sơ đồ tính toán .Error! Bookmark not defined 3.2.1 Mô hình Singhal Error! Bookmark not defined 3.2.2 Mô hình Zwart-Gerber-Belamn Error! Bookmark not defined 2 3.2.3 Mô hình Schnerr Sauer Error! Bookmark not defined 3.3 Phương pháp rời rạc hóa Ansys Fluent Error! Bookmark not defined 3.3.1 Phương pháp thể tích hữu hạn Error! Bookmark not defined 3.3.2 Rời rạc hóa phương trình động lượng Error! Bookmark not defined 3.3.3 Rời rạc hóa phương trình liên tục Error! Bookmark not defined 3.3.4 Ước lượng toán tử gradient vi phân Error! Bookmark not defined 3.3.5 Giải liên kết áp suất vận tốc Error! Bookmark not defined 3.3.6 Rời rạc hóa phương trình bảo toàn hơiError! Bookmark not defined 3.4 Mô tính toán trình hình thành khoang phần mềm ANSYS Fluent Error! Bookmark not defined 3.4.1 Mô hình 2D .Error! Bookmark not defined 3.4.2 Mô hình 3D .Error! Bookmark not defined 3.4.3 Kết mô nghiên cứu số ảnh hưởng Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 10 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT (Dấu gạch ngang “-” thể tham số không thứ nguyên) Ký tự Ý nghĩa Tiết diện vuông góc với dòng chảy vật thể Hệ số áp suất Đường kính thân vật thể Đường kính lớn khoang Lực khối Lực cản Gia tốc trọng trường Chiều dài lớn khoang Chiều dài vật thể Mật độ số lượng bọt Bán kính bọt Tốc độ sinh Tốc độ hóa Tốc độ ngưng tụ Áp suất bên khoang Áp suất chất lỏng dòng chảy tự Áp suất bão hòa Áp suất tĩnh điểm mặt phân tách Sức căng bề mặt Nhiệt độ Vận tốc pháp chất lỏng Vận tốc pháp nước tiếp xúc với bề mặt Đơn vị đo - Vận tốc hỗn hợp lỏng Vận tốc chất lỏng Vận tốc pha Vận tốc trung bình trượt pha lỏng Vận tốc dòng chảy xa điểm xét Vận tốc điểm mặt phân tách Tỉ phần thể tích pha - Độ nhớt động lực học hỗn hợp Độ nhớt động lực học chất lỏng Độ nhớt động lực học Khối lượng riêng hỗn hợp lỏng Khối lượng riêng chất lỏng Khối lượng riêng chất Số Froude - Số Reynolds - Số Weber - DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 Khoang vật bắn từ không khí vào môi trường chất lỏng Error! Bookmark not defined Hình Biểu đồ pha lỏng – pha nước Error! Bookmark not defined Hình Đường đẳng nhiệt ANDREWS Error! Bookmark not defined Hình Mặt phân cách lỏng - Error! Bookmark not defined Hình Mô hình toán Steady Error! Bookmark not defined Hình 2 Mô hình toán Transient Error! Bookmark not defined Hình Mô hình hệ thống đo đạc khoang (1) Bộ phận cung cấp vận tốc; (2) Bể chứa chất lỏng Error! Bookmark not defined Hình Sơ đồ khối thuật toán mô hình tính toán khoang hơiError! Bookmark not defined Hình 3 Sơ đồ mô tả mô hình mô tính toán khoang 2D Error! Bookmark not defined Hình Mô hình 2D kích thước vật thể dạng đầu phẳng Error! Bookmark not defined Hình Mô hình 2D kích thước vật thể dạng đầu bán cầuError! Bookmark not defined Hình Mô hình 2D kích thước vật thể dạng đầu nón Error! Bookmark not defined Hình Mô hình lưới tính toán cho vật thể đầu dính ướt dạng phẳng .Error! Bookmark not defined Hình Mô hình lưới tính toán cho vật thể đầu dính ướt dạng bán cầu Lưới tính toán gồm 29073 phần tử loại Quadrilateral Cell Error! Bookmark not defined Hình Lưới tính toán cho mô hình vật thể đầu dạng côn góc 45o Lưới tính toán gồm 39062 phần tử loại Quadrilateral Cell Error! Bookmark not defined Hình 10 Sơ đồ mô hình mô tính toán khoang 3DError! Bookmark not defined Hình 11 Mô hình 3D vật thể dạng đầu phẳng Error! Bookmark not defined Hình 12 Mô hình 3D vật thể dạng đầu bán cầu Error! Bookmark not defined Hình 13 Mô hình 3D vật thể dạng đầu nón .Error! Bookmark not defined Hình 14 Mức độ bao phủ bề mặt vật thể khoang theo vận tốc Error! Bookmark not defined 6 Hình 15 Ảnh hưởng cỡ lưới với σ = 0.3, σ = 0.5 Error! Bookmark not defined Hình 16 Khoang với vật thể có đầu dính ướt dạng phẳng, dạng bán cầu côn góc 45o Error! Bookmark not defined Hình 17 Phân bố hệ số áp lực vật thể có dạng đầu dính ướt khác Error! Bookmark not defined Hình 18 Phân bố hệ số áp lực vật thể đầu dạng phẳng với σ = 0.3, σ = 0.5 Error! Bookmark not defined Hình 19 Phân bố hệ số áp lực vật thể đầu dạng bán cầu với σ = 0.2, σ = 0.3, σ = 0.4 σ = 0.5 Error! Bookmark not defined Hình 20 Phân bố hệ số áp lực vật thể đầu dạng côn với (a) σ = 0.3; (b) σ = 0.4 (c) σ = 0.5 Error! Bookmark not defined Hình 21 Tọa độ trọng tâm vật thể đầu phẳng vật thể đầu bán cầu Error! Bookmark not defined Hình 22 Phân bố tỉ phần thể tích pha quanh vật thể đầu phẳng .Error! Bookmark not defined Hình 23 Phân bố tỉ phần thể tích pha quanh vật thể đầu bán cầu Error! Bookmark not defined Hình 24 Phân bố tỉ phần thể tích pha quanh vật thể đầu nón Error! Bookmark not defined Hình 25 Mức độ bao phủ bề mặt vùng quanh vật thể Error! Bookmark not defined Hình 26 So sánh quãng đường vật thể với V0=70m/s Error! Bookmark not defined Hình 27 Vận tốc vật thể Error! Bookmark not defined Hình 28 Giá trị số xâm thực trường hợp vật thểError! Bookmark not defined 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Bảng hình dạng kích thước đầu vật cản mô hình 2D .Error! Bookmark not defined Bảng Điều kiện dòng chảy mô hình 2D tính toán khoang Error! Bookmark not defined Bảng Bảng hình dạng kích thước đầu vật cản mô hình 3D .Error! Bookmark not defined Bảng Điều kiện dòng chảy mô hình 3D tính toán khoang Error! Bookmark not defined Bảng Các cỡ lưới xét ảnh hưởng tới khoang Error! Bookmark not defined Bảng So sánh kết mô với liệu công bốError! Bookmark not defined 8 MỞ ĐẦU  Cơ sở khoa học thực tiễn Nghiên cứu, tính toán tham số dòng chảy quanh vật thể có xuất khoang vật chuyển động ngập nước toán có nhiều ứng dụng thực tế Khoang khó hình thành tính ổn định không cao Ngoài vài tác hại khoang đến vật thể ăn mòn, gây tiếng rung ồn, … xuất khoang mang đến lợi ích đáng kể giảm cản, nhớt Một ứng dụng đề cập nhiều khoang giảm lực cản nhằm mục đích tiết kiệm nhiên liệu, tăng tính ổn định chiều dài quãng đường cho vật thể Vì vậy, tính toán kích thước khoang tham số dòng chảy có khoang đóng vai trò lớn việc thiết kế thiết bị chuyển động nước để vận tốc vật đạt tối ưu tốn nhiên liệu Để thực đo đạc thực tế hay tiến hành thí nghiệm mô hình khoang khó khăn Do việc thiết kế, điều kiện tự nhiên hay trang thiết bị nước ta khiêm tốn Vì vậy, để nghiên cứu khoang hơi, sử dụng mô số phương pháp khả thi với nhiều ưu điểm: dễ thực hiện, chi phí không tốn kém, nghiên cứu nhiều dạng mô hình vật thể điều kiện dòng chảy khác Ngoài ra, mô số cung cấp số liệu để việc kiểm chứng kết thực nghiệm xác Từ lâu giới, đo đạc khoang nhà khoa học thực nhiều phương pháp Lâu đời mô hình ống thủy động, chế tạo để tạo khoang quan sát khoang Bên cạnh nghiên cứu lý thuyết điển hình Leonard Euler (1754) Sau nhờ phát triển công nghệ, toán khoang mô số nhiều công cụ mô tính toán  Mục tiêu - Xây dựng mô hình thí nghiệm số sử dụng ANSYS Fluent để mô tượng khoang với nhiều hình dạng đầu cản khác - Bước đầu mô chuyển động tự vật thể có vùng bao quanh Tính toán kích thước khoang tham số dòng chảy có xuất khoang  Mục đích So sánh kết thực mô luận văn với kết nhà khoa học giới công bố để đưa mô hình mô tính toán khoang xác 9  Nội dung nghiên cứu - Bước đầu nghiên cứu tổng quan vấn đề lý thuyết liên quan đến hình thành khoang vật chuyển động chất lỏng - Đi sâu tìm hiểu mô số tượng khoang - Tìm hiểu mô hình phương pháp giải ANSYS Fluent Sử dụng Fluent để mô toán vật thể chuyển động nước Sau đó, tổng hợp kết để phân tích ảnh hưởng liên quan đến hình thành khoang So sánh với kết công bố để tạm thời đưa mô hình hình dạng đầu vật thể tối ưu cho thiết kế vật thể chuyển động nước  Bố cục luận văn Luận văn bao gồm phần: MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN Chƣơng PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ HIỆN TƢỢNG TẠO KHOANG HƠI Chƣơng ÁP DỤNG ANSYS FLUENT ĐỂ NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG TẠO KHOANG HƠI KẾT LUẬN DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Duong Ngoc Hai, Nguyen Tat Thang, Nguyen Quang Thai, Truong Thi Phuong, Luu Vu Phuong Thao, Le Minh Thanh and Nguyen Trong Tuan (2014), "Simulation of supercavitating flow around a highspeed moving object in water using Ansys Fluent", Proceedings of the 3rd International Conference on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA3), Hanoi, October 15-16, 2014 Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Trương Thị Phượng, Nguyễn Quang Thái, Lƣu Vũ Phƣơng Thảo, Lê Minh Thành (2015) “Đo đạc thực nghiệm khoang khí quanh vật thể vào nước” Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị Khoa học kỹ thuật đo lường Toàn Quốc VI, trang 740747 Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Trương Thị Phượng, Nguyễn Quang Thái, Lƣu Vũ Phƣơng Thảo (2015) “Mô vùng xâm thực bao quanh vật thể chuyển động tự nước” Tuyển tập Hội nghị Khoa học kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Tiểu ban Công nghệ thông tin, Điện tử, Tự động hóa Công nghệ Vũ trụ, trang 77-84 Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Nguyễn Quang Thái, Trương Thị Phương, Lƣu Vũ Phƣơng Thảo (2015), “Bước đầu mô chuyển động tự vật thể có vùng xâm thực bao quanh sử dụng ANSYS Fluent” Tuyển tập Công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc năm 2015 11 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Vũ Văn Duy, Nguyễn Thế Đức, Nguyễn Thế Mịch (2007), “Mô vùng xâm thực vùng bao quanh profil cánh phƣơng pháp phần tử biên”, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học thủy khí toàn quốc lần thứ 8, tập 3, Cơ học Thủy khí, Hà Nội, tr 77-84 [2] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Nguyễn Quang Thái, Trương Thị Phương, Lưu Vũ Phương Thảo (2015), “Bƣớc đầu mô chuyển động tự vật thể có vùng xâm thực bao quanh sử dụng ANSYS Fluent” Tuyển tập Công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc năm 2015 [3] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Trương Thị Phượng, Nguyễn Quang Thái, Lưu Vũ Phương Thảo, Lê Minh Thành (2015) “Đo đạc thực nghiệm khoang khí quanh vật thể vào nƣớc” Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị Khoa học kỹ thuật đo lường Toàn Quốc VI, trang 740-747 [4] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Nguyễn Quang Thái, Trương Thị Phương, Lưu Vũ Phương Thảo, Lê Minh Thành (2015), “Mô vùng xâm thực bao quanh vật thể chuyển động tự dƣới nƣớc” Hội nghị Khoa học kỷ niệm 40 năm ngày thành lập Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, Hà Nội [5] Nguyễn Anh Sơn, Trần Thu Hà, Dương Ngọc Hải (2014), “Super cavity model of slender body moving fast in water”, Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, Kỷ niệm 35 năm Viện Cơ học, Hà Nội TIẾNG ANH [6] I Nesteruk (2012), “Supercavitation – Advances And Perspectives”, A Collection Dedicated To The 70 th Jubilee Of Yu N Savchnko, Springer [7] Jean-Pierre Franc, Jean-Marie Michel (2004), “Fundamentals of Cavitation”, Grenoble Sciences [8] Knapp R Daily J and Hammit F (1970), “Cavitation” McGraw-Hill, New-York, NY, USA [9] Kunz R F., Boger, D A., Chyczewski, T S., Stinebring, D R and Gibeling, H J (1999) “Multi-phase CFD Analysis of Natural and 12 Ventilated Cavitation about Submerged Bodies”, Proc 3rd ASME/JSME Joint Fluid Engineering Conference, Paper FEDSM, pp 99-7364 [10] Rand, R., Pratap, R., Ramani, D., Cipolla, J., Kirchner, I (1997), “Impact dynamics of a Super cavitating underwater projectile”, Proceedings of DETC’97-ASME, DETC97/VIB-3929 [11] Rouse, H , and Mc.Nown, J S (1948) “Cavitation and pressure Distribution, Head Forms at zero angle of yaw”, Studies in engineering Bulletin 32, State University of Iowa [12] Singhal A.K., Vaidya N and Leonard A D (1997), “Multi-Dimentional Simulation of Cavitating Flows Using a PDF Model for Phase Change”, ASME FED Meeting, Paper No FEDSM, Vancouver, Canada, pp 97-3272 [13] Snyder, D O., Koutsavdis, E K., and Anttonen, J S R (2003), “Transonic store separation using unstructured CFD with dynamic meshing” Technical Report AIAA-2003-3913 33 rd AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit American Institute of Aeronautics ans Astronautics, Florida [14] T H Shih, W W Liou, A Shabbir, Z Yang, J Zhu, “A new eddy-viscosity model for high Reynolds number turbulent flows – Model development and validation”, Computers Fluids 24(3), 1995, pp 227-238 [15] Worthing ton A M and Cole R S (1987), “Impact with a liquid surface, studied by the aid of íntantaneeous photography”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London A ... quan đến hình thành khoang vật chuyển động chất lỏng - Đi sâu tìm hiểu mô số tượng khoang - Tìm hiểu mô hình phương pháp giải ANSYS Fluent Sử dụng Fluent để mô toán vật thể chuyển động nước Sau... Sơ đồ mô tả mô hình mô tính toán khoang 2D Error! Bookmark not defined Hình Mô hình 2D kích thước vật thể dạng đầu phẳng Error! Bookmark not defined Hình Mô hình 2D kích thước vật thể dạng đầu... defined Hình Mô hình 2D kích thước vật thể dạng đầu nón Error! Bookmark not defined Hình Mô hình lưới tính toán cho vật thể đầu dính ướt dạng phẳng .Error! Bookmark not defined Hình Mô hình lưới tính