Nghiên cứu các đặc tính của dòng chảy bao quanh thân tàu

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CỦA DÒNG CHẢY BAO QUANH THÂN TÀU” NGƯỜI THỰC HIỆN: GV HƯỚNG DẪN: KS NGUYỄN TIẾN CÔNG TS ĐỖ QUANG KHẢI HẢI PHÒNG - 2014 Nội dung Xác định đề tài Cơ sở lý thuyết (PT Navier Stokes phương pháp VOF giải hệ PT Navier Stokes) Mô hình toán nghiên cứu Thông số ban đầu Mô hình hình học chia lưới phần tử Điều kiện biên thiết lập Kết đánh giá Kết luận kiến nghị Xác định đề tài 1.1 Tính cấp thiết đề tài Quá trình thiết kế tìm phương án tàu tối ưu Quá trình đóng tàu ! Quá trình thử tàu, nghiệm thu Hướng khắc phục Trên giới Bể thử mô hình tàu Phương pháp số giải toán thủy động lực học Thử nghiệm mô hình vật lý Các chương trình: Ansys Fluent, Flotran, OpenFOAM Phương án tối ưu cuối trước vào chế tạo, đóng Trong nước Việc nghiên cứu dòng chảy bao quanh thân tàu, toán thủy động lực học tàu hạn chế Phụ thuộc vào công thức thống kê như: tính toán sức cản cho tàu, tính toán hệ số dòng theo, hệ số hút, tính toán vận tốc chất lỏng sau đuôi tàu phục vụ cho việc tính toán thiết kế thiết bị đẩy, thiết bị lái…, thiếu tính trực quan, khó kiểm tra đắn khó kiểm soát sai số sử dụng công thức thống kê Chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CỦA DÒNG CHẢY BAO QUANH THÂN TÀU” 1.2 Mục đích nghiên cứu Phân tích trường áp suất, trường vận tốc dòng chất lỏng bao quanh thân tàu thiết kế tối ưu tàu mặt thủy động lực học Bài toán thiết kế tàu 1.3 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Các đặc tính dòng chảy bao quanh thân tàu: áp suất, vận tốc, rối dòng Hình dáng vỏ bao tàu Phạm vi nghiên cứu: P,v, đặc tính chảy rối , sức cản P,v, đặc tính chảy rối , sức cản Tối ưu hình dáng tàu mặt thủy động lực học Bài toán thiết kế tàu 1.3 phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu sở lý thuyết, phương pháp số - Kết hợp ứng dụng phần mềm ANSYS FLUENT để giải toán nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Làm rõ đặc tính dòng chảy bao quanh thân tàu, phục vụ cho trình tính toán hệ thống thiết bị đẩy, thiết bị lái sau đuôi tàu - Phục vụ toán tối ưu hình dáng tàu mặt động lực học - Thay phần cho trình thử mô hình tàu giai đoạn thiết kế Qua đó, giảm chi phí thời gian thiết kế tàu Cơ sở lý thuyết 2.1 Hệ phương trình Navier – Stokes - Phương trình liên tục: Khối lượng tích lũy phần tử lỏng cố định xét Tỷ lệ giãn nở thể tích phần tử lỏng (2.1.1a) Sm thành phần khối lượng thêm vào pha chất lỏng xét từ pha khác [kg] Trong đó: khối lượng riêng chất lỏng xét [kg/m3] vận tốc chất lỏng [m/s] hàm gradient Phương trình động lượng: (2.1.1b) Đạo hàm theo thời gian động lượng phần tử lỏng Các thành phần ngoại lực Trong đó: p áp suất tĩnh [N/m2] 𝜌𝑔; 𝐹 trọng lực ngoại lực tác dụng [N] 𝜏 ten sơ ứng suất 𝜇 độ nhớt động lực học chất lỏng [kg.m-1.s-1] Phân bố áp suất động vỏ bao tàu Phân bố áp suất tổng vỏ bao tàu Phân bố vận tốc mặt thoáng 0.035 m/s 0.15 m/s 0.15-> 0.25 m/s Phân bố vận tốc mặt phẳng z = 0.04 m Phân bố vận tốc mặt phẳng z = 0.02 m Phân bố vận tốc mặt phẳng z = 0.01 m Hệ số động chảy rối Hệ số động chảy rối 3.5.3 Đánh giá kết Tính hợp lý Các kết hiển thị phù hợp với tượng thực tế quan sát dòng chất lỏng bao quanh thân tàu, chẳng hạn vùng chất lỏng chảy rối tàu chuyển động nước tĩnh song, phân bố áp suất, vận tốc chất lỏng So với kết nghiên cứu công bố giới thống kê chương 1, quy luật phân bố vận tốc, áp suất, vùng chảy rối nghiên cứu đề tài tương xứng Tính xác Tính xác phần mềm ứng dụng: module ANSYS FLUENT Tính xác trình thiết lập tính toán: Các thông số thiết lập vật liệu (không khí, nước) tra theo bảng thông số tiêu chuẩn theo hệ thống đơn vị ISO Các thông số điều kiện biên độ nhám, hệ số ảnh hưởng độ nhám tra theo bảng tra tiêu chuẩn dựa kết nghiên cứu công bố giới (phụ lục I II) Các thông số sóng, gió tra theo bảng tra tiêu chuẩn cấp sóng gió Việt Nam giới (phụ lục III) Các thông số mô hình tàu xây dựng Autoship, kiểm tra chặt chẽ thông số thủy lực độ cong trơn vỏ bao tàu trước xuất sang module Geometry ANSYS để hoàn thiện mô hình Đối với việc chia lưới phần tử, kiểu phần tử chọn theo khuyến nghị toán CFD Kích thước lưới chia nhỏ vùng có độ cong phức tạp đạt tới 10-4 m, số phần tử đạt 929054 phần tử Kích thước lưới nhỏ, đảm bảo giảm thiểu giá trị hàm sai số Truncation Errors Đối với việc thiết lập thời gian tính toán, bước thời gian chia nhỏ, tới 0.005s; số bước thời gian tăng lên tới 550 bước thời gian Từ đó, giảm thiểu giá trị hàm sai số Truncation Errors 3.5.3 Đánh giá kết Bảng 4.6 So sánh kết tính toán hệ số sức cản ma sát tàu Vận tốc knot m/s RF N Hệ số sức cản ma sát: CF tính toán tính theo ITTC CFITTC  CFtt 100% CFITTC % 12.00 6.173 56844.88 0.00137 0.00167 17.9 9.72 5.000 38163.89 0.00141 0.00172 18.2 7.78 4.000 25301.23 0.00146 0.00177 17.8 5.83 3.000 15750.73 0.00161 0.00184 12.4 3.5.3 Đánh giá kết Như vậy, với hai nguyên nhân nêu trên, khắc phục sai số kết tính toán so với thực tế cách sau: Chia nhỏ lưới đạt đến độ mịn cao; Chia nhỏ bước thời gian tính toán, tăng số bước thời gian tính toán; Giảm thiểu số hóa đại lượng khai báo trình thiết lập thông số đầu vào thiết lập điều kiện biên Với thông số nước không khí, thử nghiệm toán dải nhiệt độ khác nhau, đảm bảo bao phủ hết trường hợp thực nghiệm Với vỏ bao tàu, cần xét đến phần nhô vây giảm lắc, choong chóng mũi… có Kết luận kiến nghị Kết luận: Đề tài nghiên cứu giải vấn đề sau: Mọi thông số áp suất, tốc độ, chế độ chảy rối… xuất dạng đồ họa số liệu báo cáo, đảm bảo trực quan xác, phù hợp với thực tế lý thuyết lớp biên công bố trước Đề tài tính toán sức cản ma sát, hệ số sức cản ma sát tàu thực Mặc dù kết xuất sai số so với công thức kiến nghị ITTC 1957, nhiên sai số hoàn toàn khắc phục nghiên cứu khắc phục số nguyên nhân đề tài Những vấn đề tồn đọng sau đây: Nghiên cứu đề tài bước mở đầu toán thiết kế tàu tối ưu mặt thủy động lực học Cần tiến hành xem xét toán rộng hơn, mang tính hệ thống hơn, đặt mô hình tàu nghiên cứu vào hệ thống làm việc thực nó, bao gồm: vỏ bao thân tàu, phần nhô, thiết bị lái, thiết bị đẩy …, phục vụ cho trình thiết kế tối ưu tàu Trong mô hình tính toán đề tài, việc chia lưới nhỏ, mịn chia nhỏ bước thời gian tính toán dẫn đến tạo khối lượng tính toán lớn cho máy tính Điều phụ thuộc chịu ảnh hưởng nhiều vào điều kiện thiết bị tính toán, dẫn đến việc chia lưới bước thời gian chưa đủ nhỏ, mịn nghiên cứu công bố giới IV Kết luận kiến nghị Kiến nghị: Đề tài hoàn thành cho thấy hướng việc thiết kế tàu xem xét yếu tố thủy động lực học Thông qua đề tài này, tác giả kiến nghị: tiến hành trình mô vỏ bao thân tàu tổ hợp thiết bị đẩy, thiết bị lái bước thiết kế lựa chọn phương án để tính toán nghiên cứu đặc tính thủy động lực học tàu hành hải, giúp phân tích toán động lực học dòng chảy, giúp tối ưu hóa hình dáng thân tàu làm việc tổ hợp thiết bị đẩy, thiết bị lái sau đuôi tàu Đồng thời, trình nên kết hợp với trình chế tạo thử mô hình tàu bể thử để phục vụ cho trình thiết kế tối ưu tàu, đảm bảo tính xác, thu thông số kích thước hình dáng tàu tối ưu Sau hoàn thành đề tài, tác giả tiếp tục nghiên cứu sâu lý thuyết phương pháp số để giải toán Từ nghiên cứu tối ưu hình dáng vỏ bao thân tàu mặt động lực học, nghiên cứu tương tác thủy động lực học sóng, gió với công trình khơi Em xin chân thành cảm ơn! ... thc thng kờ Chn ti: NGHIấN CU CC C TNH CA DềNG CHY BAO QUANH THN TU 1.2 Mc ớch nghiờn cu Phõn tớch trng ỏp sut, trng tc ca dũng cht lng bao quanh thõn tu thit k ti u tu v mt thy ng lc hc Bi toỏn... nghiờn cu, phm vi nghiờn cu i tng nghiờn cu: Cỏc c tớnh ca dũng chy bao quanh thõn tu: ỏp sut, tc, s ri dũng Hỡnh dỏng v bao tu Phm vi nghiờn cu: P,v, c tớnh chy ri , sc cn P,v, c tớnh chy ri... hỡnh hỡnh hc v chia li phn t Bn v tuyn hỡnh tu: V bao tu xõy dng Autoship Hon thin mụ hỡnh ANSYS Geometry Mụ phng mụ hỡnh tu v vựng cht lng bao quanh: - Gc ta t ti v trớ gia tu, giao gia ng c