Bố cục của luận văn Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận văn và Tài liệu tham khảo, luận văn có 3 Chương: Chương 1. Tổng quan một số vấn đề chuyển động của vật thể trong chất lỏng có khoang khí/hơi; chương 2. Tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM; chương 3. Ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha.
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN QUANG THÁI
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ CHUYỂN PHA
Trang 2MỞ ĐẦU
Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội của con người đặt ra những vấn đề đòi hỏi các phải sử dụng những phương tiện, thiết bị làm việc trên mặt và trong lòng nước, ví dụ như tàu thủy, chân vịt, tàu lặn, … và cần không ngừng nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng của chúng Nghiên cứu về động lực học dòng chảy nhiều pha không có/có chuyển pha rất được quan tâm vì dòng chảy quanh các phương tiện, thiết
bị nêu trên thường là dòng chảy nhiều pha (chứa cả pha lỏng, pha khí/hơi, …) Trong dòng chảy nhiều pha, khoang khí/hơi có thể xuất hiện (theo cách nhân tạo hoặc tự nhiên) ở những điều kiện dòng chảy thích hợp, khi đó, dòng chảy được gọi là dòng chảy có khoang khí/hơi Khi có khoang khí/hơi bao bọc bề mặt các thiết bị trong dòng chảy, lực cản do
ma sát giữa bề mặt thiết bị với chất lỏng xung quanh có thể giảm đáng kể (có thể giảm 90%), nhiều thiết bị có thể di chuyển với vận tốc cao mà tiêu thụ ít nhiên liệu hơn [31] Vì vậy, dòng chảy có khoang khí/hơi đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng hiện nay ở cả trên thế giới và Việt Nam
Do sự phức tạp của các hiện tượng trong dòng chảy việc nghiên cứu dòng chảy này cho đến nay vẫn gặp nhiều khó khăn cả trong nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cần tiếp tục thực hiện những nghiên cứu sâu sắc hơn nữa Những công cụ mô phỏng số góp sức đáng kể trong nghiên cứu dòng chảy này Trong đó, OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation) là một công cụ có nhiều ưu điểm, nổi bật nhất là cho phép người dùng được can thiệp vào mã nguồn để hoàn thiện các mô hình có sẵn và phát triển những mô hình tính toán mới phục vụ nhu cầu cụ thể của các nghiên cứu [35,37] Việc làm chủ được OpenFOAM sẽ giúp thực hiện những nghiên cứu sâu sắc về động lực học dòng chảy nói chung và dòng chảy không có/có chuyển pha hay dòng chảy có khoang khí/hơi nói riêng
Vì vậy, học viên lựa chọn đề tài của Luận văn là “Nghiên cứu, ứng dụng
bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha”
Mục đích của luận văn:
Trang 3Làm chủ bộ chương trình OpenFOAM nhằm phục vụ nghiên cứu và ứng dụng các đặc điểm động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan các vấn đề về dòng chảy không có/có chuyển pha
- Nghiên cứu tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM
- Tiến hành ứng dụng OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha qua 2 bài toán: Mô phỏng dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể xâm nhập nước và vật thể đang chuyển động nhanh trong 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 và Phương pháp thí nghiệm số
Bố cục của luận văn
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận văn và Tài liệu tham khảo, luận văn có 3 Chương: Chương 1 Tổng quan một số vấn đề chuyển động của vật thể trong chất lỏng có khoang khí/hơi
Chương 2 Tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM Chương 3 Ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha
Phần Phụ lục đề cập tên và ứng dụng của những bộ giải chuẩn có sẵn trong OpenFOAM phục vụ cho các tính toán mô phỏng thủy động lực học của dòng chảy nhiều pha
Chương 1
TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT
Trang 4THỂ TRONG CHẤT LỎNG CÓ KHOANG KHÍ/HƠI KHÔNG
CÓ/CÓ CHUYỂN PHA 1.1 Dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong lòng chất lỏng
1.1.1 Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vật thể
Hình 1.1 dưới đây [59] minh họa khoang khí/hơi tự nhiên hình thành quanh một quả cầu kim loại được thả vào nước từ bên ngoài không khí
Hình 1.1 Khoang khí/hơi hình thành khi quả cầu đi từ không khí vào nước
Khoang chứa khí này được hình thành ngay từ khi quả cầu bắt đầu tiếp xúc với mặt thoáng của nước do sự chiếm chỗ của không khí tại vùng không gian trống mà vật thể tạo ra sau khi xuyên qua mặt thoáng và đi sâu vào lòng chất lỏng Tại vùng này, khoang chứa khí được lấp đầy bởi không khí và hơi nước sinh ra do sự giảm áp tới áp suất hơi bão hào của chất lỏng xung quanh vật thể [12, 17,27,31] Do khoang này chứa cả khí
và hơi nên Luận văn gọi chung là Khoang khí/hơi
Trong dòng chảy có khoang khí/hơi, vùng chất lỏng tại lớp biên rối của dòng chảy ở gần bề mặt vật thể xảy ra sự giảm áp tới áp suất hơi bão hòa của vùng chất lỏng gần bề mặt vật thể [12,17]
Hình 1.2 Sự hình thành khoang hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể
Trang 5Bằng các kỹ thuật nhân tạo, một khoang khí/hơi có thể được tạo ra xung quanh các vật thể đang chuyển động trong lòng chất lỏng được gọi
là khoang khí/hơi nhân tạo
Hình 1.4 Sự hình thành khoang khí nhân tạo trên bề mặt vật thể
1.1.2 Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi
• Số khoang (cavitation number) 𝜎 = 𝑝∞−𝑃𝑐
Trang 61.3 Một số ứng dụng hiện nay của dòng chảy khoang khí/hơi
1.3.1 Chân vịt siêu khoang
Hình 1.11 Chân vịt có thiết kế hình dạng cánh đặc biệt (hình a) và cơ chế hình
thành khoang hơi tự nhiên (hình b)
1.3.2 Ngư lôi siêu khoang
Hình 1.12 Ngư lôi VA-111 Shkval sử dụng kỹ thuật hình thành khoang khí nhân tạo (a – Ngư lôi VA-111 Shkval; b – Đầu tạo khoang khí) [60]
1.3.3 Giảm lực cản cho thân tàu biển
Hình 1.13 Khoang khí giúp giảm lực cản dưới thân tàu
1.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của vật thể dưới nước
1.4.1 Lực cản đối với vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng
Vật thể càng có chiều dài lớn so với chiều rộng thì càng có thành phần lực cản xung quanh lớn
Trang 71.4.2 Sự ăn mòn bề mặt khi vật thể chuyển động ở vận tốc cao Ngày nay, những ứng dụng của dòng chảy có khoang khí/hơi sẽ có tác dụng giúp giảm thiểu ảnh hưởng của lực cản, cũng như ăn mòn do xâm thực xảy ra [17]
1.5 Tình hình nghiên cứu hiện nay
1.5.1 Nghiên cứu thực nghiệm
1.5.1.1 Những công cụ nghiên cứu thực nghiệm chính
• Kênh/ống thủy động
• Hệ bể nước quan sát vật thể di chuyển tự do
1.5.1.2 Một số kỹ thuật hình thành khoang khí nhân tạo
Hình 1.19 Mô tả dòng chảy khoang khí hình thành theo các cách khác nhau (a – Khác nhau về vị trí lỗ phun; b – Khác nhau về hướng dòng khí được phun ra)
1.5.1.3 Những phương pháp đo đạc các tham số dòng chảy có khoang hơi/khí
• Quan sát khoang khí sử dụng camera tốc độ cao (Phương pháp quang học)
• Phương pháp đo đạc áp suất dòng chảy trong ống quan sát và trong khoang khí
Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định áp suất bên trong khoang khí:
- Tính ngược áp suất từ quan hệ của kích thước khoang khí với số
Trang 8xâm thực
- Đo đạc trực tiếp bằng các đầu đo đặt trên bề mặt vật thể
• Phương pháp đo trường vận tốc dòng chảy bằng phương pháp PIV
1.5.1.4 Cấu trúc dòng chảy và cơ chế đóng khoang hơi/khí
Hình 1.30 Cấu trúc dòng chảy khi khoang khí/hơi đóng và dòng xoáy phía sau
khoang khí/hơi
1.5.1.5 Hình dạng và kích thước khoang hơi/khí
• Hình dạng khoang hơi/khí
Hình 1.31 Khoang hơi hình thành với một số dạng thân và đầu vật thể [31]
• Kích thước khoang hơi/khí
Trang 9Hình 1.33 Quan sát vật thể di chuyển trong nước với vận tốc âm
(Mach=1.03)
1.5.2 Nghiên cứu lý thuyết
1.5.2.1 Phương trình Rayleigh – Lamb cho động lực học của bọt khí dạng hình cầu
Trong quá trình hình thành khoang khí/hơi, những bọt khí/hơi nhỏ xuất hiện và tăng dần kích thước Phương trình Rayleigh – Lamb cho tốc độ phát triển của một bọt khí/hơi hình cầu trong dòng chảy được mô tả trong phương trình (1.10) dưới đây [17,33]
2 2
1.5.2.2 Chuyển động của vật thể duới nước khi có khoang khí/hơi Chuyển động của vật thể được tính toán từ tương tác của các lực và
mô men trong quá trình chuyển động
1.5.2.3 Các công cụ mô phỏng số
OpenFOAM [40, 43-44], ANSYS Fluent [10, 21], UNCEL code 26] …
[25-1.5.3 Một số vấn đề nghiên cứu
1.5.3.1 Nghiên cứu thực nghiệm
- Hệ ông thủy động quy mô lớn dòi hỏi chi phí xây dựng cao nên không nhiều cơ sở nghiên cứu có thể trang bị được
- Mô hình vật thể nhỏ khó chế tạo, khó đo áp suất nên dù chi phí có thể thấp hơn nhưng vẫn có nhiều hạn chế
Trang 10- Cấu trúc dòng chảy và cơ chế hoạt động ở vị trí khoang khí/hơi đóng lại còn chưa được làm rõ
- Việc quan sát bằng camera chưa phản ánh được đặc điểm ba chiều trong không gian của khoang hơi/khí
- Hiện nay, việc đo đạc trường vận tốc của dòng chảy có khoang khí/hơi cơ bản vẫn còn nhiều khó khăn do dòng chảy có tốc độ và mức
độ rối lớn Ngay cả phương pháp PIV cũng mới chỉ nghiên cứu dòng chảy rối phía sau khoang khí/hơi
1.5.3.2 Nghiên cứu lý thuyết
- Tính nén được thường phải bỏ qua trong các nghiên cứu, hầu hết các nghiên cứu chưa quan tâm đến trường hợp chuyển động ở vận tốc trên âm (vận tốc âm trong nước trên 1400m/s)
- Tính toán CFD bài toán chuyển động của vật thể trong dòng chảy có khoang khí đặt ra vấn đề về tối ưu hóa về cả lưới tính toán và phương pháp tính do chuyển động của vật thể ở vận tốc lớn, cấu trúc dòng chảy phức tạp: nhiều pha, nhiễu động lớn, tính nén cần phải được xem xét kỹ lưỡng…
- Các mô hình dòng chảy rối tại phần khoang khí/hơi đóng lại và sóng (wake) phía sau còn chưa được kiểm chứng do thiếu dữ liệu thực nghiệm
Chương 2
TỔNG QUAN VỀ BỘ CHƯƠNG TRÌNH MÃ NGUỒN MỞ
OPENFOAM 2.1 Lược sử sự phát triển của OpenFOAM
2.1.1 OpenFOAM là gì?
OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation)
là phần mềm nguồn mở hàng đầu cho CFD, thuộc sở hữu của Quỹ OpenFOAM và phân phối độc quyền theo Giấy phép Công cộng (GPL) cho phép người dùng tự do sửa đổi và phân phối lại OpenFOAM và đảm bảo tiếp tục sử dụng miễn phí trong các điều khoản của giấy phép Các
Trang 11phiên bản OpenFOAM được kiểm nghiệm độc lập ở một số bài toán bởi ESI Group [35,37] Các thư viện của OpenFOAM được xây dựng dựa trên nền tảng lập trình hướng đối tượng của ngôn ngữ C++ để cú pháp của các chương trình giải các phương trình vi phân từng phần sẽ gần giống với phương trình được giải quyết
𝜕ρU
Hình 2.2 Mã nguồn hướng đối tượng giải phương trình (2.1) trong
OpenFOAM
2.1.2 Sự ra đời và phát triển của OpenFOAM
OpenFOAM được tạo ra bởi Henry Weller vào năm 1989 dưới tên
"FOAM" ở Imperial College, London và được phát hành bởi OpenOffice của Henry Weller, Chris Greenshields và Mattijs Janssens vào 12/2004
Kể từ đó, OpenFOAM đã tiếp tục được quản lý và phát triển với các phiên bản mới được phát hành ra công chúng mỗi năm
Vào ngày 8/8/2011, OpenCFD đã được Silicon Graphisc International (SGI) mua lại Đồng thời, bản quyền của OpenFOAM được chuyển giao cho Quỹ OpenFOAM, một tổ chức phi lợi nhuận mới thành lập, quản lý OpenFOAM và phân phối nó cho công chúng Vào 12/9/2012, Tập đoàn ESI đã công bố việc mua lại OpenCFD Ltd từ SGI Trong năm 2014, Weller và Greenshields rời ESI Group và tiếp tục phát triển và quản lý OpenFOAM, thay mặt Quỹ OpenFOAM, tại CFD Direct CFD Direct phát triển OpenFOAM với định danh dựa trên
Trang 12chuỗi (ví dụ 5.0), trong khi nhóm ESI phát triển độc lập phiên bản OpenFOAM với định danh theo ngày phát hành (v1806)
2.1.5 Một số phần mềm và giao diện GUI có tích hợp với OpenFOAM
2.2 Cấu trúc của chương trình OpenFOAM
Hình 2.3 Cấu trúc tổng thể của bộ chương trình OpenFOAM
cả hai sơ đồ trên PIMPLE
Trang 132.2.2 Công cụ tiện ích
2.2.2.1 Các nhóm công cụ tiện ích
Bộ chương trình OpenFOAM cũng có sẵn nhiều công cụ phục vụ các công việc mô hình hóa và tính toán động lực học dòng chảy CFD, dưới đây là những nhóm công cụ có sẵn:
• Post-processing data converters:
• Surface mesh tools:
• Parallel processing:
• Thermophysical-related utilities:
• Miscellaneous utilities:
2.2.2.2 Môt số công cụ chuyển đổi định dạng lưới
Môt số công cụ chuyển đổi định dạng lưới: fluentMeshToFoam, starToFoam, gambitToFoam, ideasToFoam, cfx4ToFoam
2.2.3 Lưới tính toán và các loại điều kiện biên được sử dụng trong OpenFOAM
2.2.3.1 Lưới tính toán sử dụng trong OpenFOAM
Lưới tính toán sử dụng cho OpenFOAM là lưới 3D với các phần tử ô lưới có hình dạng khối OpenFOAM có sẵn công cụ chia lưới khối
blockMesh cho các lưới đơn giản Đối với các bài toán có dạng biên hình
học phức tạp, công cụ snappyHexMesh cho phép tạo lưới phù hợp với
biên dạng của bài toán
2.2.3.2 Các loại điều kiện biên cơ bản sử dụng trong OpenFOAM Các loại điều kiện biên cơ bản sử dụng trong OpenFOAM:
Trang 142.2.4 Tổ chức dữ liệu mô hình hóa mô phỏng
Để giải một bài toán động lực học dòng chảy, các chương trình
và thư viện của OpenFOAM được tổ chức thành một case thư mục Hình 2.7 dưới đây mô tả tổ chức dữ liệu của một case thư mục
Hình 2.7 Tổ chức dữ liệu mô hình hóa mô phỏng
2.3 Khả năng và các ưu, nhược điểm của OpenFOAM
2.3.1 Các khả năng tính toán của OpenFOAM
OpenFOAM chứa một thư viện cơ sở lớn, cung cấp các khả năng cốt lõi của chương trình:
• Tensor và các toán tử tính toán
• Rời rạc hóa phương trình vi phân từng phần bằng cách
sử dụng một cú pháp con người dễ đọc hiểu
• Giải được của hệ phương trình tuyến tính
• Giải được của phương trình vi phân thường
• Tự động song song hóa các tính toán nâng cao
• Hỗ trợ lưới động
• Các mô hình vật lý tổng quát
Các ứng dụng được viết bằng cú pháp cấp cao được giới thiệu bởi OpenFOAM, nhằm mục đích tái tạo cú pháp toán học thông thường Có hai loại ứng dụng tồn tại:
• Bộ giải: thực hiện tính toán thực tế để giải quyết một vấn
đề cơ học liên tục cụ thể
Trang 15• Tiện ích: chúng được sử dụng để chuẩn bị lưới, thiết lập các trường hợp mô phỏng, xử lý các kết quả, và để thực hiện các hoạt động khác hơn là giải quyết vấn đề đang được kiểm tra
Mỗi ứng dụng cung cấp các khả năng cụ thể: ví dụ, ứng dụng gọi là
blockMesh được sử dụng để tạo các mắt lưới từ một tệp đầu vào do người
dùng cung cấp, trong khi một ứng dụng khác gọi là icoFoam giải các
phương trình Navier – Stokes cho dòng chảy phân tầng, không nén được 2.3.2 Những ưu, nhược điểm của OpenFOAM
Nhìn chung, ưu nhược điểm của bộ chương trình OpenFOAM so với các phần mềm thương mại có thể được tóm tắt trên bảng dưới đây
Bảng 2.1 So sánh tính năng của OpenFOAM và CFD thương mại
Trang 16Phát triển
chương trình
tính
Do nhà sản xuất phát hành
Do người dùng hoặc thừa hưởng từ cộng đồng sử dụng
OpenFOAM tự phát triển Hiện trạng
Việt Nam
Tương đối phổ biến Ít sử dụng vì khó sử dụng hơn
2.4 Áp dụng minh họa khả năng của bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy
2.4.1 Đặt bài toán
Cho một đoạn ống có độ dài D2 =1.5(m) có độ rộng D1=1.5m, đoạn ống thay đổi tiết diện cách đầu vào 1 đoạn 0.5(m), tiết diện sau của ống
là 0.5 (m), và sau khi thu hẹp 0.5m tiết diện lại là 1.5m
Vận tốc của dòng chất lỏng là U (1,0,0) m/s chảy đều theo phương x với độ lớn Ux =1(m/s) Ngoài ra áp suất tại đầu ra p= 0 bar
• Các phương trình áp dụng
- Phương trình liên tục: ∇̇.U = 0
- Phương trình áp suất cho dòng không nén được: ∇2p = 0
• Điều kiện biên
- Vận tốc của dòng vào là U = (1,0,0) m/s
- Áp suất của dòng ra là p = 0 bar
Sử dụng bộ giải icoFoam: bộ giải dùng cho các dòng chảy tầng không
nén được và ổn định
2.4.2 Dựng lưới tính toán
Hình 2.8 Sơ đồ điều kiện biên của bài toán và sự bố trí của cá đỉnh, khối lưới
(block)