Mô phỏng số chân vịt tàu thủy theo phương pháp đa vùng tham chiếu sử dụng openfoam

Trong bài toán này bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng của hiện tượng sủi bọt khi đặt chân vịt trong điều kiện hoạt động ổn định. Các kết quả thu được có độ tin cậy phù hợp với các kết quả dựa trên chuẩn thiết kế của chân vịt.

56 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 MÔ PHỎNG SỐ CHÂN VỊT TÀU THỦY THEO PHƯƠNG PHÁP ĐA VÙNG THAM CHIẾU SỬ DỤNG OPENFOAM COMPUTATIONAL APPROACH FOR A MARINE PROPELLER BASED ON MULTI REFERENCE FRAME USING OPENFOAM Phan Quốc Thiện, Bùi Khắc Huy, Lê Tất Hiển, Ngô Khánh Hiếu Bộ môn Kỹ thuật Hàng không, Kỹ thuật Tàu thủy, Trường Đại học Bách khoa Tóm tắt: Hoạt động chân vịt tàu thủy dựa chuyển động quay quanh trục lực tạo nhờ tương tác cánh với dòng nước xung quanh Bằng phương pháp mô số sử dụng OpenFOAM, báo nghiên cứu đặc tính chân vịt q trình hoạt động ổn định tàu Theo chuyển động quay chân vịt mơ hình hóa phương pháp đa vùng tham chiều (Multi - Referent Frame) toán tĩnh mơ hình rối hai phương trình k - epsilon áp dụng để mơ hình hóa chuyển động lưu chất điều kiện rối Trong tốn chúng tơi bỏ qua yếu tố ảnh hưởng tượng sủi bọt đặt chân vịt điều kiện hoạt động ổn định Các kết thu có độ tin cậy phù hợp với kết dựa chuẩn thiết kế chân vịt Từ khóa: Mơ số, đặc tính thủy động chân vịt, lưới cho chân vịt Abstract: It should be known that interaction between marine propeller and the surrounding water creates the propulsive force By using computational fluid dynamisc based on OpenFOAM (open source software), this research will focus on the characteristics of a marine propeller In order to conduct the result, the movement of the propeler is described using Multi - Referent Frame method along with k - epsilon turbulent model in several steady state cases In these cases, the propeller is considered under various operating condition so that the cavitation is ignored The obtained results are accurate in comparision of theorical and experimental results Keywords: Numerical simulation, hydrodynamic properties of ship propeller, mesh generation Giới thiệu Theo thống kê Tổng cục Đường Thủy Việt Nam, có khoảng 20% lượng hàng hóa lưu thơng nội địa vận tải đường thủy đảm nhận Song hành với phát triển giao thông đường thủy yêu cầu ngày cao giảm thiểu chi phí hoạt động nâng cao hiệu suất tàu thuyền Điều dẫn đến việc tối ưu cho trình hoạt động phương tiện điều cần thiết Một yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động tàu thuyền chân vịt Do việc nghiên cứu đặc tính chân vịt thực tế yêu cầu cấp thiết Tương tự với cách thức mơ cho chong chóng khí thiết bị bay, việc mô chân vịt tàu thủy dựa toán tương tác vật lý bề mặt rắn quay xung quanh trục dòng lưu chất bao quanh Bề mặt chân vịt giả định cứng tuyệt đối Khơng có biến dạng uốn nén hay biến dạng cục bề mặt Chân vịt quay quanh trục gia tốc dòng nước đẩy dòng nước phía sau tạo phản lực đưa chân vịt chuyển động phía trước [1] Chuyển động nước chuyển động lưu chất thông thường mơ tả phương trình bảo tồn trong hệ phương trình Navier - Stokes Trong chuyển động chân vịt mơ tả nhiều phương pháp phương pháp đa vùng tham chiếu (Multi - referent frame), phương pháp đơn vùng tham chiều (Single referent frame) hay phương pháp sử dụng lưới động (Moving dynamic mesh) với bề mặt lưới trượt lên với biên lưới trao đổi liệu với Trong nghiên cứu chọn phương pháp đa vùng tham chiếu để mô đặc tính chân vịt nhằm đưa kết nhanh chóng Có nhiều mơ hình rối dạng trung bình Reynolds sử dụng tốn mơ chân vịt tàu thủy Do đặc trưng chuyển động phức tạp với độ xốy lớn nên mơ hình rối sử dụng phương trình k epsilon hay k - omega sử dụng nhiều Các nghiên cứu Chang [2], Sanchez Caja [3] sử dụng mơ hình k - epsilon, TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 20 - 08/2016 Guilmineau [4] sử dụng mơ hình rối k omega SST (một biến thể mơ hình rối k omega) cho nghiên cứu liên quan cho kết phù hợp Bensow [5] sử dụng mô hình “Large Eddy Scale” để nghiên cứu dòng trường hợp tương tự kết có độ xác thấp Nghiên chúng tơi sử dụng mơ hình rối k - epsilon kết hợp với mô hình tường (wall model) để đánh giá tương tác lớp biên Hiện tượng sủi bọt bề mặt chân vịt gây hóa nước áp suất cục thấp áp suất bão hòa Hiện tượng sủi bọt xuất chênh áp lớn bề mặt cánh xuất nhiều trình khởi động hay tăng tốc tàu Thực tế, mẫu chân vịt nhóm B Wageningen trình thực nghiệm xét đến việc hạn chế sủi bọt Do đó, nghiên cứu việc khảo sát tính tốn chân vịt nhóm B - Wageningen xem xét bỏ qua tượng sủi bọt Mục tiêu báo đưa mơ hình tính tốn số phù hợp với độ tin cậy cho chân vịt tàu thủy nhằm tiết kiệm chi phí với việc đánh giá đặc tính chân vịt cụ thể điều kiện hoạt động ổn định phần mềm mã nguồn mở OpenFOAM sử dụng phương pháp chia lưới tự động Các giá trị phân bố áp suất, vận tốc xoáy nước xung quanh chân vịt đánh giá để có nhìn tổng quan tương tác chân vịt với môi trường xung quanh Mặc dù bỏ qua ảnh hưởng tượng sủi bọt, chúng tơi có phân tích xung quanh vấn đề phần đánh giá kết mô số thu cho mẫu chân vịt tàu thủy nội địa có Bộ mơn Tàu thủy, Trường Đại học Bách khoa Mơ hình MRFSimpleFoam Mơ hình tốn học mơ tả tốn tĩnh mơ chân vịt tàu thủy với phương pháp đa vùng tham chiếu MRFSimpleFoam OpenFOAM Trong mơ hình miền mô chia làm hai phần tương ứng với hai vùng tham chiếu khác Phương trình mơ tả tượng vật lý gồm hai phương trình: Một phương trình bảo tồn khối 57 lượng phương trình động lượng hệ phương trình Navier-Stokes: (1) .UI    p  U R  U I    U I      U I  (2) Trong giá trị vận tốc vùng tham chiếu khác ứng với hệ trục tọa độ khác (3) UR  UI   r Khi vận tốc quay  định tính chất vùng tham chiếu Khi mà vận tốc quay có giá trị khơng tốn tương ứng với tốn tĩnh thơng thường Vùng quay chứa chân vịt sử dụng hệ tọa độ cục quay quanh trục chân vịt có vận tốc quay với chân vịt Vận tốc quay khác không phương trình bảo tồn động lượng có thêm thành phần động lượng gây gia tốc kéo theo gia tốc coriolis:   UI  2 UR    r  (4) Trong phương trình (2), độ nhớt động học  bao gồm hai thành phần độ nhớt chảy tầng (l) độ nhớt rối (t) suy từ mơ hình rối hai phương trình k -  Xây dựng mơ hình hình học, tạo lưới thiết lập điều kiện tính tốn Hình Sơ đồ khối với giải thuật SIMPLE MRFSimpleFoam với vận tốc tương đối Hình thể sơ đồ khối với giải thuật SIMPLE MRFSimpleFoam đưa viết với mẫu chân vịt áp để phân tích đặc tính chân vịt tàu thủy 58 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 nội địa thực tế dựa chuẩn thiết kế Wageninen B-series Bộ môn Tàu thủy, Trường Đại học Bách khoa [6] (xem hình 2) Hình Số hóa hình học chân vịt thực tế (a) Mẫu chân vịt thực tế; (b) Mơ hình 3D Các thơng số hình học của mẫu chân vịt này: Đường kính chân vịt (D) 0.4 m; số cánh (Z) 3; tỉ số P/D 0.7R 0.9; tỉ số AE/AO 0.3 Lưới chia cho hình học dựng lại máy chân vịt module OpenFOAM gọi snappyHexMesh [7] Theo đó, miền lưới bên ngồi vùng trụ có chiều dài 3.0 m, đường kính 1.6 m; miền lưới bên vùng trụ có chiều dài 0.2 m, đường kính 0.58 m (xem hình 3) snappyHexMesh module chia lưới tự động Để tạo lưới ta cần hiệu chỉnh thông số giới hạn cho phù hợp phân bổ mật độ, phân vùng tính chất đơn vị lưới [7] Cách làm nhanh chóng cho thơng số cuối lưới phù hợp hình học chân vịt khảo sát Cụ thể, lưới tạo có 1.76 triệu phần tử lưới, tỉ số max aspect ratio 6.75, tỉ số max skewness 3.70 Các thông số lưới kiểm tra modul checkMesh OpenFOAM thỏa mãn u cầu tính tốn Điều kiện biên cho tốn mơ thiết lập theo bảng bên dưới: Inlet Outlet Symmetry Chân vịt Điều kiện biên  Velocity-Inlet  Turbulent intensity  Eddy viscosity  Pressure-Outlet Symmetry-Plane  Wall  Wall function Giá trị 0-4 (m/s) 10% 10 (Pa) Symmetry 62.83 (rad/s) Hình Lưới chia tự động OpenFOAM (a) Mặt cắt toàn miền lưới (b) Mặt cắt miền quay chứa chân vịt (c) Lưới chia bề mặt chân vịt Theo đó, vận tốc dòng vào thay đổi từ 0.0 m/s dến 4.0 m/s để có giá trị khác hệ số tiến (J, advanced ratio) Trong chong chóng quay với vận tốc cố định 600 vòng/phút ( 62.83 rad/s) Các biên lại mơ tả miền xa vô Khoảng cách từ biên đến chong chóng đủ xa để giảm tác động đến độ xác kết mơ Phân tích đánh giá kết mơ Lưới chia làm hai vùng riêng biệt với phần quay phần đứng yên Chân vịt đặt vùng quay áp đặt điều kiện biên tường rắn Khi quay phân bố vận tốc bề mặt chân vịt lớn vị trí xa trục quay tương tác bề mặt rắn với dòng nước đẩy dòng phía sau (a) TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 20 - 08/2016 (b) Hình Trường dòng qua chân vịt J = 0.125 (a) Trên bề mặt hút chân vịt (b) Trên tồn miền mơ chân vịt Hình biểu diễn rõ tượng chứng minh cho tính đắn mơ hình Ở đây, chân vịt mô điều kiện vận tốc dòng nước vào mặt hút 0.5 m/s vòng quay chân vịt 600 vòng/phút (tương ứng với hệ số tiến J 0.125) Lưu ý, trường dòng tồn miền lưới mơ tả hình 4.b không đối xứng chân vịt ba cánh khơng đối xứng dòng dừng Có thể nhận thấy từ kết mô thu được, phân tích tốn học hai vùng lưới khác biệt, nhiên hai mô tả tượng vật lý nên tách biệt lưới khơng gián đoạn tính liên tục dòng chảy qua biên phân tách hai vùng lưới Dựa chuẩn thiết kế chân vịt nhóm B - Wageningen, thơng số đặc tính hoạt động chân vịt theo chuẩn đưa làm giá trị tham khảo để đối chiếu với kết mơ số thơng số đặc tính hoạt động chân vịt khảo sát (xem hình 5) [8] Cụ thể chân vịt 59 khảo sát: điểm hoạt động có hiệu suất cao vùng J từ 0.7 đến 0.75 đạt giá trị 0.7 (so với nhóm B - Wageningen vùng J 0.8 đạt giá trị 0.732); kết hệ số moment xoắn (KQ) mơ nhóm B-Wageningen vùng J từ 0.125 đến 0.8 hoàn toàn tương đồng với sai số cao chưa đến 0.01%; hệ số lực đẩy (KT) sai số cao ghi nhận 8.6% J 0.8 Vùng hoạt động J mà chân vịt khơng tạo lực đẩy ghi nhận từ mô 1.0 so với nhóm B Wageningen 1.03 Sự khác biệt KT hiệu suất chân vịt khảo sát so với nhóm B - Wageningen vùng J từ 0.8 đến 1.03 lý giải từ hình học chân vịt khảo sát khơng hồn tồn tương đồng với nhóm B - Wageningen [6] Liên quan đến tượng sủi bọt, từ kết phân bố áp suất mặt hút mặt đẩy chân vịt khảo sát thu từ mô (xem hình 6) Có thể nhận thấy lực đẩy chân vịt tỉ lệ với độ chênh lệch áp suất phân bố mặt hút mặt đẩy cánh Chênh lệch áp suất cao lực đẩy sinh lớn Mặt đẩy trường dòng bị nén tạo áp suất cao so với môi trường mặt hút ngược lại tạo áp suất thấp Và đó, tượng sủi bọt xuất nhiều vùng áp suất thấp mặt hút chênh lệch lớn vượt ngưỡng hóa Phân bố hình 6.a ghi nhận thấy vùng có áp suất thấp vùng cạnh rìa gần mút cánh mặt hút Như vùng chịu ảnh hưởng trước tiên tượng sủi bọt Điều phù hợp với ghi nhận tượng sủi bọt từ thực nghiệm Hình Kết mơ đặc tính hoạt động chân vịt khảo sát 60 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 Lời cảm ơn Cơng trình thực Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG - HCM, thông qua đề tài nghiên cứu cấp ĐHQG loại B năm 2015 (mã số: B2015-20-01)  Tài liệu tham khảo Hình Phân bố áp suất bề mặt chân vịt (a) Áp suất mặt hút; (b) Áp suất mặt đẩy Kết luận Bài viết trình bày việc xây dựng mơ hình số phân tích đặc tính hoạt động chân vịt tàu thủy OpenFOAM phương pháp đa vùng tham chiếu với lưới chia tự động Mơ hình mơ số đưa áp dụng phân tích đặc tính hoạt động mẫu chân vịt thực tế cho thấy kết có độ tin cậy, hướng đến ứng dụng vào việc phân tích ngược thông số hoạt động đặc trưng chân vịt tàu thủy từ hình học Từ đó, đưa kết tham khảo cho việc thiết kế, lựa chọn hệ thống đẩy phù hợp cho phương tiện thủy Các phân bố vận tốc áp suất vùng xuất vài ảnh hưởng tượng sủi bọt lên chân vịt tàu thủy Bài viết giải hạn chế yếu tố thời gian đưa mơ hình phân tích phù hợp giúp giải nhanh tốn mơ số cho chân vịt tàu thủy Trong nghiên cứu tiếp tục phát triển tốn mơ có xét tới ảnh hưởng tượng sủi bọt để đưa so sánh tương quan tăng độ xác toán [1] J.S Carlon, Marine Propeller and Propulsion, Butterworth – Heinemann Ltd., 1994 [2] Chang B., Application of CFD to P4119 propeller, 22nd ITTC Propeller RANS/Panel Method Workshop, France, 1998 [3] Sanchez-Caja, A P4119 RANS calculations at VTT, 22nd ITTC Propeller RANS/Panel Method Workshop, France, 1998 [4] E Guilmineau, G.B Deng, A Leroyer, P Queutey, M Visonneau and J Wackers, Wake simulation of a marine propeller, 11th World Congress on Computational Mechanics, 2014 [5] Rickard E Bensow and Găoran Bark, Simulating Cavitating Flows With Les In OpenFOAM, ECCOMAS CFD, 2010 [6] Ngô Khánh Hiếu, Lê Tất Hiển, Đặc trưng hình học đặc tính thủy động lực chân vịt phương tiện thủy nội địa cỡ nhỏ, Tạp chí Phát triển khoa học cơng nghệ, Đại học Quốc gia Tp HCM, K7-2015, 110-116, 2015 [7] Bùi Khắc Huy, Phan Quốc Thiện, N.K Hieu, Semi-Automatic Meshing Method for Simulating Propeller, Tạp chí Khoa học cơng nghệ Giao thơng vận tải, Đại học Giao thông vận tải Tp HCM, số 18, 2/2016 [8] Bùi Khắc Huy, Khảo sát đặc tính lực đẩy chân vịt tàu thủy tàu sơng nhỏ, Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hàng không, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp HCM, 01/2016 Ngày nhận bài: 24/06/2016 Ngày chuyển phản biện: 27/06/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 13/07/2016 Ngày chấp nhận đăng: 20/07/2016 ... cho mẫu chân vịt tàu thủy nội địa có Bộ mơn Tàu thủy, Trường Đại học Bách khoa Mơ hình MRFSimpleFoam Mơ hình tốn học mơ tả tốn tĩnh mơ chân vịt tàu thủy với phương pháp đa vùng tham chiếu MRFSimpleFoam... tích đặc tính hoạt động chân vịt tàu thủy OpenFOAM phương pháp đa vùng tham chiếu với lưới chia tự động Mơ hình mơ số đưa áp dụng phân tích đặc tính hoạt động mẫu chân vịt thực tế cho thấy kết... Hình Số hóa hình học chân vịt thực tế (a) Mẫu chân vịt thực tế; (b) Mơ hình 3D Các thơng số hình học của mẫu chân vịt này: Đường kính chân vịt (D) 0.4 m; số cánh (Z) 3; tỉ số P/D 0.7R 0.9; tỉ số