Phương pháp chia lưới tự động cho bài toán mô phỏng chân vịt của tàu thủy

Để có một lưới tốt thích hợp với mô hình tính thì phải xét đến loại lưới, miền lưới, phân bố và độ mịn của lưới, khoảng cách lớp biên… Trong bài viết này chúng tôi sẽ đưa ra cách thức chia lưới tự động trên OpenFoam cho bài toán mô phỏng chân vịt hướng đến tối ưu kết quả mô phỏng. Đây là phương pháp chia lưới không đòi hỏi nhiều kĩ năng về CAD nhờ đó giúp rút ngắn thời gian chia lưới cho bài toán mô phỏng.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 27 PHƯƠNG PHÁP CHIA LƯỚI TỰ ĐỘNG CHO BÀI TỐN MƠ PHỎNG CHÂN VỊT CỦA TÀU THỦY AUTOMATIC MESH GENERATION FOR NUMERICAL MODELLING AND SIMULATION OF SHIP PROPELLER Bùi Khắc Huy, Phan Quốc Thiện, Ngô Khánh Hiếu Bộ môn Kỹ thuật Hàng không, Trường Đại học Bách khoa thanhkhac_1988@yahoo.com, phanquocthien@gmail.com, ngokhanhhieu@hcmut.edu.vn Tóm tắt: Chân vịt phận trực tiếp tạo nên lực đẩy cho tàu thuyền hoạt động, đặc tính chân vịt cần phải nghiên cứu kĩ Để có đặc tính chân vịt mơ số phương pháp đơn giản kinh tế Tuy nhiên muốn có lời giải xác từ phương pháp mơ số phải xem xét ảnh hưởng nhiều yếu tố, lưới yếu tố quan trọng Để có lưới tốt thích hợp với mơ hình tính phải xét đến loại lưới, miền lưới, phân bố độ mịn lưới, khoảng cách lớp biên… Trong viết đưa cách thức chia lưới tự động OpenFoam cho tốn mơ chân vịt hướng đến tối ưu kết mô Đây phương pháp chia lưới khơng đòi hỏi nhiều kĩ CAD nhờ giúp rút ngắn thời gian chia lưới cho toán mơ Từ khóa: Mơ số, đặc tính thủy động chân vịt, lưới cho chân vịt Abstract: Ship propellers are parts directly create thrust for vessels, so its characteristics need to be researched To obtain the characteristics of a ship propeller, the numerical simulation method is simple and economical But in order to have an appropriate interpretation of the numerical simulation methods, they must consider the impact of many factors, of which the mesh generation is one extremely important factor To have a good mesh generation suited for the calculation model should consider the type of mesh, grid domain, distribution and fineness of the mesh, distance boundary layer In this article, we will offer an automatic meshing method on OpenFoam for simulations to optimize the ship propeller’s simulation This method does not require much skills of CAD which helps shorten the time meshing for simulations Keywords: Numerical simulation, hydrodynamic properties of ship propeller, mesh generation Giới thiệu Lưới yếu tố thiếu việc giải tốn mơ số Trước hết lưới định hình cho miền tính tốn dạng hình học vật thể nghiên cứu Mỗi bước giải phương pháp số tính phần tử lưới Và biên lưới nơi đặt điều kiện biên mơ tả tính chất vật lý vật thể môi trường tác động lên lưu chất miền Do lưới định tốc độ hội tụ tốn, độ xác phương pháp rời rạc hóa thuật giải, thời gian thực thi máy tính Để có lưới tốt cần phải xem xét yếu tố sau: mật độ phân bố lưới, dạng phần tử, độ xiên lệch (skewness), tỉ lệ diện tích thể tích cell (aspect ratio), tính chất phân bố lớp biên Và để thỏa mãn yêu cầu lưới cho tốn mơ chân vịt tàu thủy phân bố lưới phải tương ứng với phân bố vận tốc dòng vận tốc quay chân vịt Để có kết mơ xác việc trước tiên ta phải mơ hình hóa hình học đối tượng cần khảo sát (trong trường hợp chân vịt tàu thủy) máy tính cách xác so với hình học thật vật thể Theo đó, với thơng số đặc trưng hình học chân vịt khảo sát chân vịt khảo sát tuân theo chuẩn thiết kế phổ biến có hồn tồn đánh giá tổng thể đặc trưng hoạt động Tuy nhiên với kỹ thuật gia công chân vịt dựa phương pháp truyền thống đúc, mài… việc đảm bảo tn thủ đặc tính hình học theo chuẩn thiết kế có khó Điều dẫn đến nhu cầu đánh giá lại đặc tính hoạt động chân vịt thực tế thực nghiệm, phương pháp tính tốn mơ số Đối tượng đề cập 28 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 viết mơ hình chia lưới tự động phù hợp cho chân vịt tàu thủy phục vụ tốn mơ số để đánh giá đặc tính hoạt động chân vịt thực tế Mẫu chân vịt tàu thủy áp dụng viết chân vịt ba cánh đồng có đường kính 400 mm dùng phổ biến cho tàu thủy nội địa Hình 1.a thể hình ảnh thực tế mẫu chân vịt tàu thủy chọn đối tượng khảo sát, Hình 1.b hình học 3D mẫu chân vịt sau sử dụng phương pháp khảo sát biên dạng không tiếp xúc với thiết bị NextEngine 3D Scanner xử lý liệu đám mây điểm quét với phần mềm đồ họa 3D chuyên dụng Các kết phân tích từ [1] cho thấy mẫu chân vịt có đặc trưng hình học tương đồng với chuẩn thiết kế Wageningen B3.60 [2][3] hai tiêu chí phân bố tỉ số (c/D).(Z/AE/AO) phân bố tỉ số a/c theo vị trí bán kính (r/R) Tuy nhiên, tiêu chí phân bố tỉ số b/c theo r/R lại sai biệt lớn Do đó, để đánh giá đặc tính hoạt động chân vịt này, mơ hình 3D (xem Hình 1.b) sử dụng để tạo lưới cho toán mô số Ở phần viết, trình tự xây dựng mơ hình lưới cho chân vịt khảo sát với công cụ tạo lưới tự động OpenFoam mô tả chi tiết Phương pháp chia lưới tự động cho hình học 3D chân vịt tàu thủy 2.1 Xây dựng miền mô cho chân vịt tàu thủy Hình Chân vịt tàu thủy nội địa phổ biến nước Để mô chân vịt tàu thủy phương pháp số yêu cầu phân chia lưới thành hai miền riêng biệt để áp vào hệ tham chiếu khác Hai miền có miền quay chứa chân vịt miền khơng quay cho phần khơng gian lại Và xuất mặt biên chung hai miền lưới Để hạn chế ảnh hưởng biên lưới có kích thước tối thiểu hình Khoảng cách tối thiểu từ biên dòng vào đến chân vịt 3D (với D đường kính chân vịt), khoảng cách tối thiểu từ chân vịt đến biên mà dòng 4D đường kính tối thiểu miền ngồi 4D cho lưới hình trụ có trục trục chân vịt [4] Hình Kích thước tối thiểu tồn miền lưới Miền quay chứa toàn chân vịt bên có trục quay với chân vịt có kích thước tối thiểu mơ tả hình Khơng để miền quay q nhỏ thiếu xác ảnh hưởng xoáy lớn gần chân vịt Tuy nhiên kích thước miền quay lớn làm tăng thời gian tính tốn Điều kiện biên thiết lập hình dựa vào để tách biên cho lưới Hình Kích thước tối thiểu miền quay Hình Các biên miền mô chân vịt 2.2 Tạo lưới cho hình học 3D chân vịt tàu thủy với OpenFOAM OpenFOAM [5] hỗ trợ chia lưới với phần tử với hình dạng Một phần tử lưới chia OpenFOAM có số mặt tùy ý mặt có số cạnh tùy ý Hình dạng tự phần tử lưới tạo TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 cho OpenFOAM khả chia lưới linh hoạt lưới bao quanh hình dạng Điều khiến cho việc chia lưới chân vịt trở nên dễ dàng tiết kiệm thời gian thân hình học chân vịt phức tạp Tuy nhiên khó khăn để điều khiển tính chất lưới q trình chia lưới hồn tồn tự động theo thông số điều khiển mà người dùng đặt vào Các bước chia lưới tự động OpenFOAM: 2.2.1 Chuẩn bị hình học Để định hình miền lưới trước tiên cần đưa vào bề mặt định dạng stl obj Trong báo định dạng stl sử dụng định dạng phổ biến phần mềm CAD hỗ trợ xuất hình học định dạng Để OpenFOAM đọc định dạng stl phải bên dưới: solid name facet normal ni nj nk outer loop vertex v1x v1y v1z vertex v2x v2y v2z vertex v3x v3y v3z endloop endfacet endsolid name Như mơ tả hình 5, bề mặt OuterCylinder bao phủ tồn miền tính InnerCylinder phân định miền quay miền không quay Chân vịt nhận diện bề mặt dạng stl obj nằm gọn InnerCylinder Kích thước vị trí bề mặt thỏa mãn kích thước miền tính tốn đề cập phần Hình Các bề mặt hình học cần có cho miền lưới chân vịt 2.2.2 Tạo lưới sở blockMesh Công cụ blockMesh OpenFOAM sử dụng để tạo lưới sở để đựa vào bước nhận dạng hình học làm mịn lưới Lưới sở có dạng hình (a) vừa chứa phần OuterCyliner bên có phần tử lưới thơ Các phần tử lưới 29 sở nên có dạng gần dạng lập phương tốt Kích thước cạnh phần tử lập phương vào khoảng 0.1D đến 0.3D Nếu kích thước phần tử sở nhỏ lưới lớn thời gian tạo lưới tính tốn lâu Hình Quá trình bắt lưới từ lưới sở 2.2.3 Bắt hình học chia lưới tự động snappyHexMesh Có phần mơ tả q trình tạo lưới tự động với OpenFOAM module snappyHexMesh xây dựng lưới, bắt hình học tạo lớp biên Các đặc trưng lưới mô tả file system/ snappyHexMeshDict có định dạng sau: castellatedMesh true; snap true; addLayers true; geometry { file_name.stl { type triSurfaceMesh; name file_name; } zone_name.stl { type triSurfaceMesh; name file_name; }} castellatedMeshControls { global properties features ( { file "edge_name.eMesh"; level integer_number;}); refinementSurfaces { surface_name { level (min max);} zone_name { level (min max); cellZone zone_name; faceZone zone_name; celZoneInside inside;}} resolveFeatureAngle phi; refinementRegions { surface_name.stl { mode distance; levels ( (distance1 level1) (distance2 level2));} zone_name { mode inside; levels ((min max));}} locationInMesh (x y z); allowFreeStandingZoneFaces false;} 30 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 snapControls { snap control parameters } addLayersControls { layers { "boundary_name" { nSurfaceLayers n;}} layerProperties } meshQualityControls { mesh quality control parameter } debug ; mergeTolerance ; Quá trình bao gồm làm mịn vùng lưới theo cấp độ định trước, cắt phần tử kéo giãn lưới cho khớp với mặt hình học đưa vào tạo lớp biên Một cách đơn giản tạo lưới với hai vùng tách biệt lưới hình (a) Tuy nhiên đằng sau chân vịt, dòng rối yêu cầu lưới phải chia mịn Do chúng tơi đề nghị mơ hình lưới hình (b) Cách chia lưới giúp cho việc chuyển lưới vùng mượt mà giúp tăng độ xác cho kết mơ Rex số Reynolds tương ứng chiều dài x Do dạng hình học chân vịt phức tạp nên việc chia lưới tự động không đảm bảo lớp biên tạo tồn diện tích Do kích thước nhỏ phần tử lưới trường hợp nên tương đương với kích thước bề dày lớp biên ứng xử dòng gần bề mặt chân vịt thỏa mãn giới hạn mô hình tường (wall function) Dựa kích thước tính tốn để đưa cấp độ làm mịn phù hợp từ lưới sở Theo đó, góc cạnh đại diện cho hình học chân vịt mà cần giữ hình học lưới cần chia mịn hình Hình Làm mịn lưới góc chân vịt vùng khơng gian gần chân vịt Hình Mặt cắt tồn miền lưới chân vịt Trên bề mặt chân vịt lưới cần chia mịn vận tốc quay chân vịt tương đối lớn Độ mịn lưới phải thỏa mãn tính chất lớp biên Việc ước lượng kích thước phần tử lưới thực công thức gần [6]: U o x x   0.382 1/5 , Re x   Re x Với:  chiều dày lớp biên; x chiều dài đặc trưng dòng chân vịt; Uo vận tốc lớn so sánh vận tốc dòng tự vận tốc dài đầu mút chân vịt;  khối lượng riêng chất lỏng;  độ nhớt động lực học chất lỏng; Hình Các thơng số kiểm tra lưới TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 Lưới sau tạo thỏa mãn hầu hết tiêu chuẩn lưới OpenFOAM (xem hình 9) sẵn sàng để chạy tốn mơ với chương trình mã nguồn mở [2] Kết luận Trong báo này, trình tự việc tạo lưới tự động với chương trình OpenFOAM đưa thơng qua mơ hình 3D mẫu chân vịt tàu thủy nội địa Phương pháp tạo lưới tự động có nhiều thơng số cần phải điều khiển nên làm chủ hết tất trình chia lưới Tuy nhiên với cách thức báo vừa nêu việc tạo lưới tốt thỏa mãn tiêu chuẩn đảm bảo tính chất hình học động học chất lỏng hồn tồn Sau có kết mơ việc chia lưới phát triển để có đánh giá chi tiết Lời cảm ơn Cơng trình thực Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh thơng qua đề tài nghiên cứu cấp Đại học Quốc gia loại B năm 2015 (mã số: B2015-20-01)  Tài liệu tham khảo [1] Ngô Khánh Hiếu, Lê Tất Hiển (2015), Đặc trưng hình học đặc tính thủy động lực chân vịt phương tiện thủy nội địa cỡ nhỏ, Tạp chí Phát triển khoa học [3] [4] [5] [6] [7] 31 công nghệ, Đại học Quốc gia Tp HCM, K7-2015, 110-116 J.S Carlon (1994), Marine Propeller and Propulsion, Butterworth – Heinemann Ltd Nguyễn Đức Ân, Nguyễn Bân (2005), Lý thuyết tàu thủy (tập 2), Hà Nội, NXB Giao thông vận tải S Subhas, V F Saji, S Ramakrishna and H N Das (2012), CFD Analysis of a Propeller Flow and Cavitation, International Journal of Computer Applications (0975-8887), Volume 55 DFM Europe, DOFI User Guide Schlichting, H (1979), Boundary-Layer Theory, McGraw Hill, New York, U.S.A Bùi Khắc Huy, Khảo sát đặc tính lực đẩy chân vịt tàu sơng nhỏ, báo cáo luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hàng không, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Tp HCM, 01/2016 Ngày nhận bài: 22/12/2015 Ngày chấp nhận đăng: 06/01/2016 Phản biện: PGS.TS Vũ Ngọc Bích ThS Lê Văn Toàn ... tiết Phương pháp chia lưới tự động cho hình học 3D chân vịt tàu thủy 2.1 Xây dựng miền mơ cho chân vịt tàu thủy Hình Chân vịt tàu thủy nội địa phổ biến nước Để mơ chân vịt tàu thủy phương pháp. .. 2016 viết mơ hình chia lưới tự động phù hợp cho chân vịt tàu thủy phục vụ tốn mơ số để đánh giá đặc tính hoạt động chân vịt thực tế Mẫu chân vịt tàu thủy áp dụng viết chân vịt ba cánh đồng có... hình học lưới cần chia mịn hình Hình Làm mịn lưới góc chân vịt vùng khơng gian gần chân vịt Hình Mặt cắt toàn miền lưới chân vịt Trên bề mặt chân vịt lưới cần chia mịn vận tốc quay chân vịt tương