NGHIÊN cứu, ỨNG DỤNG bộ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG lực học DÒNG CHẢY KHÔNG có CHUYỂN PHA

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN QUANG THÁI NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC DỊNG CHẢY KHƠNG CĨ/CĨ CHUYỂN PHA LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi tham gia Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Nguyễn Quang Thái LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ học kỹ thuật Tự động hóa, Trường đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, thầy, cô giáo tham gia giảng dạy đào tạo thời gian học tập Khoa trường Tôi xin cảm ơn lãnh đạo Viện Cơ học tạo điều kiện công việc để tơi hồn thành chương trình Thạc sỹ để nâng cao trình độ phục vụ cơng tác nghiên cứu khoa học Đặc biệt tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới GS TSKH Dương Ngọc Hải TS Nguyễn Tất Thắng, người tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn sinh viên thực tập: Nguyễn Phú Phượng, Trần Thị Thu Hương, Trần Khắc Việt Đỗ Văn Đạt hỗ trợ thực Luận văn thời gian họ thực tập làm Đồ án tốt nghiệp Kỹ sư Viện Cơ học DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT (Dấu gạch ngang “-” mục Đơn vị đo thể tham số không thứ nguyên) Ký tự Ý nghĩa Đơn vị đo (SI) Áp suất bên khoang khí/hơi N/m2 Áp suất dòng vào N/m2 Áp suất bão hòa kg/m3 Áp suất vị trí cụ thể kg/m3 pB Áp suất bọt N/m2 RB Bán kính bọt hình cầu m L Chiều dài vật thể m Chiều dài đặc trưng m Chiều dài lớn khoang khí/hơi m Lmax ν Độ nhớt động học hỗn hợp lỏngkhí/hơi m2/s µ Độ nhớt động lực học hỗn hợp lỏngkhí/hơi kg/ms µl Độ nhớt động lực học chất lỏng kg/ms µv Độ nhớt động lực học kg/ms Dmax Đường kính đầu dính ướt vật thể m Đường kính lớn khoang khí/hơi m Gia tốc trọng trường CP Hệ số áp suất - CQ Hệ số cấp khí - CD Hệ số lực cản - Hệ số lực cản - Khối lượng riêng hỗn hợp lỏng-khí/hơi kg/m3 ρl Khối lượng riêng chất lỏng kg/m3 ρv Khối lượng riêng kg/m3 Khối lượng riêng hỗn hợp lỏng-khí/hơi kg/m3 Khối lượng riêng chất lỏng kg/m3 ρl Là tốc độ trao đổi khối lượng hai pha Fr Lực cản N Nhiệt độ o C Số Froude - Số khoang (cavitation number) - Re Số Reynolds - We Số Weber - S Sức căng bề mặt γ Tỉ phần thể tích pha lỏng A Tiết diện vng góc với dòng chảy vật thể m2 Vận tốc chất lỏng xa điểm xét m/s VOF Volume of Fraction OpenFOAM Open Source Field Operation And Manipulation LES Large Eddy Simulation CFD Computational Fluid Dynamics PIV Particle Image Velocity MỤC LỤC Những giải chuẩn nhóm giải tính tốn dòng chảy nhiều pha DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài Nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội người đặt vấn đề đòi hỏi phải sử dụng phương tiện, thiết bị làm việc mặt lòng nước, ví dụ tàu thủy, chân vịt, tàu lặn, … Vấn đề nâng cao hiệu suất làm việc giảm thiểu tiêu thụ lượng phương tiện, thiết bị đặt quan tâm nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật Trong đó, nghiên cứu động lực học dòng chảy nhiều pha khơng có/có chuyển pha lĩnh vực quan tâm dòng chảy xung quanh phương tiện, thiết bị nêu thường dòng chảy nhiều pha (chứa pha lỏng, pha khí/hơi, …) Trong dòng chảy nhiều pha, khoang khí/hơi xuất (theo cách nhân tạo tự nhiên) điều kiện dòng chảy thích hợp, đó, dòng chảy gọi dòng chảy có khoang khí/hơi Tại Việt Nam, số nghiên cứu bước đầu dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể chuyển động lòng chất lỏng thực số trường hợp [1-8, 1314,53,56,57] Khi có khoang khí/hơi bao bọc bề mặt thiết bị dòng chảy, lực cản ma sát bề mặt thiết bị với chất lỏng xung quanh giảm đáng kể (có thể giảm 90%), nhiều thiết bị di chuyển với vận tốc cao mà tiêu thụ ít nhiên liệu [31] Vì vậy, dòng chảy có khoang khí/hơi quan tâm nghiên cứu ứng dụng giới Việt Nam Do phức tạp tượng dòng chảy có khoang khí/hơi, hiểu biết chế xảy trì khoang khí/hơi dòng chảy vẫn nhiều hạn chế Trong dòng chảy có khoang khí/hơi, nhiều tượng phức tạp xảy ra, chẳng hạn trộn lẫn pha với nhau, chuyển đổi pha với nhau, xuất khoang khí/hơi, rối dòng chảy… [17, 31, 47, 49, 68] Vì thế, việc nghiên cứu dòng chảy vẫn gặp nhiều khó khăn nghiên cứu ly thuyết thực nghiệm Để ứng dụng dòng chảy có khoang khí/hơi lĩnh vực khoa học, kỹ thuật nhiều hơn, cần tiếp tục thực nghiên cứu sâu sắc Những công cụ mô số góp sức đáng kể nghiên cứu dòng chảy có khoang khí/hơi bên cạnh phương pháp thực nghiệm Trong đó, OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation) cơng cụ có nhiều ưu điểm chia sẻ mã nguồn chương trình can thiệp, có nhiều giải có tài liệu hướng dẫn cho phép thực nghiên cứu số dòng chảy với khả mạnh mẽ Trong đó, ưu điểm bật OpenFOAM cho phép người dùng can thiệp vào mã nguồn để hoàn thiện mơ hình có sẵn phát triển mơ hình tính toán phục vụ nhu cầu cụ thể nghiên cứu [35,37] Đây ưu điểm lớn OpenFOAm so với phần mềm thương mại FLUENT, CFX, … thường khơng có phép can thiệp chương trình Việc làm chủ OpenFOAM giúp thực nghiên cứu sâu sắc động lực học dòng chảy nói chung dòng chảy khơng có/có chuyển pha hay dòng chảy có khoang khí/hơi nói riêng mơ hình tính tốn có sẵn mơ hình tính tốn hồn thiện phát triển Vì vậy, học viên lựa chọn đề tài Luận văn “Nghiên cứu, ứng dụng chương trình OpenFOAM tính tốn động lực học dòng chảy khơng có/có chuyển pha” Mục tiêu luận văn Mục tiêu Luận văn làm chủ chương trình OpenFOAM nhằm phục vụ nghiên cứu ứng dụng đặc điểm động lực học dòng chảy khơng có/có chuyển pha Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan vấn đề dòng chảy khơng có/có chuyển pha Nghiên cứu tổng quan chương trình mã nguồn mở OpenFOAM Tiến hành ứng dụng chương tình mã nguồn mở OpenFOAM tính tốn động lực học dòng chảy khơng có/có chuyển pha thơng qua hai tốn: Mơ dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể xâm nhập vào nước vật thể chuyển động nhanh lòng chất lỏng Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng hai phương pháp nghiên cứu chính: Phương pháp tổng hợp, phân tích tài liệu Phương pháp thí nghiệm số Bằng phương pháp tổng hợp, phân tích tài liệu khoa học Luận văn thực hiện, nghiên cứu tổng quan tính tốn thủy động lực học dòng chảy khơng có/có chuyển pha tổng quan chương trình mã nguồn mở OpenFOAM Sau đó, tính tốn mô số thực để nghiên cứu ứng dụng chương trình mã nguồn mở tính tốn động lực học dòng chảy khơng có/có chuyển pha quanh vật thể xâm nhập nước vật thể chuyển động lòng chất lỏng Bố cục luận văn Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục cơng trình khoa học tác giả liên quan đến Luận văn Tài liệu tham khảo, Luận văn có Chương: • Chương Tổng quan số vấn đề chuyển động vật thể chất lỏng có khoang khí/hơi • Chương Tổng quan chương trình mã nguồn mở OpenFOAM • Chương Ứng dụng chương trình OpenFOAM tính tốn động lực học dòng chảy khơng có/có chuyển pha Phần Phụ lục đề cập tên ứng dụng giải chuẩn có sẵn OpenFOAM phục vụ cho tính tốn mơ thủy động lực học dòng chảy nhiều pha 10 Chương TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ TRONG CHẤT LỎNG CĨ KHOANG KHÍ/HƠI 1.1 Dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển lòng chất lỏng 1.1.1 Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vật thể Hình 1.1 [59] minh họa khoang khí/hơi tự nhiên hình thành quanh cầu kim loại thả vào nước từ bên ngồi khơng khí Hình 1.1 Khoang khí/hơi hình thành cầu từ khơng khí vào nước Khoang chứa khí hình thành từ cầu bắt đầu tiếp xúc với mặt thống nước chiếm chỗ khơng khí vùng không gian trống mà vật thể tạo sau xuyên qua mặt thoáng sâu vào lòng chất lỏng Tại vùng này, khoang chứa khí lấp đầy không khí nước sinh giảm áp tới áp suất bão hào chất lỏng xung quanh vật thể [12, 17,27,31] Do khoang chứa khí nên Luận văn gọi chung Khoang khí/hơi Khoang khí/hơi hình thành mà khơng có tác động trực tiếp người khí bên khoang thường gọi khoang khí/hơi tự nhiên (water entry cavity natural cavity) để phân biệt với khoang khí/hơi nhân tạo thường hình thành cách bơm khí khơng ngưng tụ từ bề mặt vật thể vào chất lỏng [17, 31, 49,58-59] Trong dòng chảy có khoang khí/hơi, vùng chất lỏng lớp biên rối dòng chảy gần bề mặt vật thể xảy giảm áp tới áp suất bão hòa vùng chất lỏng gần bề mặt vật thể [12,17] Nếu khoang khí/hơi hình thành vật thể di chuyển lòng chất lỏng trình hình thành khoang khí/hơi biểu diễn Hình 1.2 Chất lỏng áp suất bão hòa xảy chuyển pha hình thành nên bọt sau miền bọt kết hợp với bao bọc vật thể Để giảm áp đủ lớn để đạt đến áp suất bão hòa, vận tốc tương đối dòng chảy vật thể thường lớn nhiều so với trường hợp vật thể xâm nhập nước qua mặt thoáng [17] 62 3.3 Ứng dụng OpenFOAM tính tốn động lực học dòng chảy hai pha có chuyển pha quanh vật thể chuyển động lòng chất lỏng Trong mục này, trình bày OpenFOAM số kết bước đầu tính toán động lực học dòng chảy có xét tới chuyển pha xung quanh vật thể hình cầu lòng chất lỏng sử dụng OpenFOAM Để giải tốn dòng chảy có xét tới chuyển pha, OpenFOAM có sẵn số giải chuẩn để người dùng dễ sàng sử dụng phát triển bổ sung Trong đó, cavitatingFoam interPhaseChangeFoam hai giải sử dụng nhiều nghiên cứu công bố [40, 42-44] CavitatingFoam áp dụng tốt cho dòng chảy nén được, Tuy nhiên, khó chỉnh sửa sử dụng nhiều số mật độ với hiệu ứng nhiệt động Bộ giải interPhaseChangeFoam cho phép sử dụng mơ hình truyền tải khác dễ chấp nhận thêm phương trình lượng hiệu ứng nhiệt động lực, áp dụng tốt cho dòng chảy khơng nén chất lỏng đẳng nhiệt khơng trộn lẫn Ngồi ra, giải interPhaseChangeFoam cho phép chỉnh sửa mơ hình dễ dàng Cần lưu y giải InterPhaseChangeFoam sẵn có OpenFOAM chưa ghép nối với giải dòng chảy rối Vì cần phải thực ghép nối với giải rối để thực nghiên cứu có liên quan tới dòng chảy rối Để đánh giá độ chính xác mơ hình tính tốn, kết mơ so sánh với nghiên cứu thực nghiệm [11] mô số công bố [40] Phân tích trường véc tơ vận tốc dòng chảy thực để tìm hiểu tác động trình rối đến hình thành hình dạng khoang khí/hơi dòng chảy Kết nghiên cứu giúp hiểu biết sâu sắc dòng chảy có chuyển pha, đồng thời cho thấy khả ứng dụng OpenFOAM tính tốn động lực học dòng chảy 3.3.1 Các phương trình Dòng chảy hai pha có chuyển pha quanh vật thể chuyển động nhanh nước mơ tả hệ phương trình Navier-Stokes cho hỗn hợp dòng chảy hai pha khơng nén tương tự mục 3.2.1 Do dòng chảy có chuyển pha nên phương trình truyền tải tỉ phần thể tích (3.3) có vế phải khác viết theo phương trình (3.12) (3.12) Trong đó, tốc độ trao đổi khối lượng hai pha xác định mơ hình tính tốn chuyển pha Khối lượng riêng độ nhớt hỗn hợp nước lỏng nước xác định biểu thức (3.13) (3.14): 63 (3.13) (3.14) Trong đó: ρl, µl hối lượng riêng độ nhớt nước lỏng ρv, µv khối lượng riêng độ nhớt nước 3.3.2 Mơ hình hóa mặt phân tách lỏng - phương pháp VOF Mặt phân tách hai pha lỏng mơ hình hóa phương pháp VOF Trong đó, tỉ phần thể tích γ pha lỏng thể tích kiểm tra định nghĩa theo biểu thức (3.15): (3.15) Trong γ nhận giá trị thuộc [0;1] tương ứng với vị trí miền tính toán sau: γ =1 pha lỏng; γ = pha hơi; với 0