Tính toán đặc trưng thủy động của chân vịt có gắn thiết bị PBCF bằng phương pháp CFD

Bài viết trình bày đặc điểm của chân vịt có gắn thiết bị PBCF . Tính toán và so sánh các đặc trưng thủy động của chân vịt có gắn thiết bị này với chân vịt thông thường dựa trên phương trình Navier – Stokes với số Reynolds trung bình (RANSE).

20 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 TÍNH TỐN ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG CỦA CHÂN VỊT CÓ GẮN THIẾT BỊ PBCF BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD HYDRODYNAMICS CALCULATION OF PROPELLER WITH PBCF BY CFD METHOD Nguyễn Mạnh Chiến, Nguyễn Thị Thu Quỳnh, Trần Ngọc Tú Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Hải Phịng chiennm@vimaru.edu.vn Tóm tắt: Thiết bị đẩy tiết kiệm lượng “Propeller Boss Cap Fins” (PBCF) ứng dụng rộng rãi giới nhằm mục đích nâng cao hiệu suất thiết bị đẩy từ làm giảm tiêu hao lượng cho tàu Bài báo trình bày đặc điểm chân vịt có gắn thiết bị PBCF Tính toán so sánh đặc trưng thủy động chân vịt có gắn thiết bị với chân vịt thơng thường dựa phương trình Navier – Stokes với số Reynolds trung bình (RANSE) Bài báo sử dụng mơ hình chân vịt Potsdam để tính tốn so sánh với kết thử mơ hình, sau sử dụng mơ hình tính kiểm nghiệm để tính tốn chân vịt Potsdam có gắn thiết bị PBCF Bộ giải (solver) sử dụng nghiên cứu phần mềm CFD Star - CCM+ Từ khóa: PBCF, CFD, chân vịt, thủy động lực học, EEDI, lượng xanh Chỉ số phân loại: 2.1 Abstract: Propeller Boss Cap Fins (PBCF) is an energy saving device which is used widely to improve propulsion efficiency and save energy (fuel consumption) This paper presents the characteristics of propeller with PBCF and the comparision of the propeller with and without PBCF in terms of hydrodynamics by Computational Fluid Dynamic (CFD) method The Potsdam propeller model is calculated and validated Then using this validated CFD setup to calculate the Potsdam propeller with PBCF The solver using in this research is Star CCM+ Keywords: PBCF, CFD, propeller, hydrodynamics, EEDI, green energy Classification number: 2.1 Giới thiệu Hiện tàu thiết kế có yêu cầu ngày khắt khe sử dụng lượng hiệu giảm lượng CO thải ngồi mơi trường Năm 2010, Tổ chức Hàng hải Thế giới IMO đưa số EEDI (Energy Eficiency Design Index) [6], thước đo để giới hạn lượng CO mà tàu thải hoạt động Theo đó, địi hỏi nhà thiết kế phải đưa giải pháp thiết kế nhằm giảm số EEDI Để giảm số này, phương án nhà thiết kế sử dụng thiết kế loại thiết bị đẩy có hiệu suất cao Trong số có Propeller Boss Cap Fins (PBCF) dạng thiết bị đẩy tiết kiệm lượng phát triển tập đoàn MOL Nhật Bản Đây thực chất dạng mũ nước có cánh gắn vào chân vịt nhằm giảm dịng xốy phía sau chân vịt, giúp nâng cao hiệu suất chân vịt PBCF sản xuất Việt Nam nhà máy Nakashima Propeller nằm khu cơng nghiệp Đình Vũ, Hải Phòng Thiết bị áp dụng thực tế cho 3000 tàu giới [1] Mặc dù thiết bị PBCF phát triển, ứng dụng tương đối rộng rãi giới, nhiên nước ta chưa có nhiều nghiên cứu chi tiết loại thiết bị Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ máy tính điện tử, việc sử dụng CFD (Computational Fluid Dynamics) để giải toán thủy động lực học tàu thủy nói chung phân tích đặc trưng thủy động chân vịt nói riêng giai đoạn thiết kế phương án áp dụng rộng rãi giới Bởi mang lại kết tương đối xác so với kết thử mơ có lợi mặt kinh tế so với việc thử mơ hình khơng phải chế tạo mơ hình, rút ngắn thời gian tính tốn Ngồi ưu điểm CFD khả đảm bảo đồng dạng theo số Froude số Reynold (nghĩa ta TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 tính tốn tốn mơ chân vịt dạng kích thước mơ hình dạng kích thước thực) Việc xử lý sau tính tốn CFD cịn cung cấp cho người thiết kế nhiều thông số chi tiết dòng chảy sau chân vịt, phân bố áp suất cánh chân vịt, …giúp nhà thiết kế tìm phương án thiết kế tối ưu cho chân vịt góc độ thủy động lực học Hiện có nhiều phương pháp CFD khác nhau, ví dụ sử dụng phương pháp số Reynolds trung bình (RANSE), mơ xốy tách rời (Detached Eddy Simulation – DES), mơ xoáy lớn (Large Eddy Simulation – LES) giải trực tiếp phương trình Navier Stoke (Direct Numerical Simulation – DNS) [10] Trong đó, phương pháp RANSE sử dụng rộng rãi so với phương pháp cịn lại thời gian tính tốn ngắn cho kết tương đối xác [7 - 9] Từ vấn đề nêu trên, báo giới thiệu cấu tạo loại chân vịt có gắn PBCF Mơ tính tốn thơng số thủy động loại chân vịt RANSE so sánh đặc trưng thủy động với chân vịt thông thường Giới thiệu PBCF phương pháp thử mơ hình chân vịt nước tự 2.1 Giới thiệu PBCF PBCF phát triển từ năm 1987 tập đoàn Nhật Mitsui O.S.K Lines, West Japan Fluid Engineering Laboratory, Mikado Propeller (Nakashima Mitsuwa Propeller) PBCF mũ thoát nước có gắn cánh, với số lượng cánh số lượng cánh chân vịt (hình 1) Hình Hình ảnh PBCF [11] 2.2 Phương pháp thử mơ hình chân 21 vịt nước tự Thử nghiệm chân vịt nước tự (open water) thử nghiệm thường gặp để xác định đặc trưng thủy động chân vịt bao gồm hệ số lực đẩy K T , hệ số mô men K Q hiệu suất nước tự η Chân vịt có gắn thiết bị PBCF thử nước tự để xác định đặc trưng thủy động Tuy nhiên, để xác định xác đặc trưng thủy động PBCF, mơ hình thử nghiệm tính tốn thiết lập khác so với việc thử chân vịt thông thường (ngược với mô hình thơng thường) Đối với thử chân vịt tự thơng thường bể thử mũ nước đặt phía trước chân vịt để làm dịng chảy đến chân vịt (hình 2) cịn việc thử mơ hình PBCF đặt phía sau chân vịt (giống chân vịt hoạt động thực tế, xem hình 3) Hình Mơ hình thử nghiệm chân vịt tự thơng thường [1] Hình Mơ hình thử nghiệm chân vịt “ngược” cho PBCF [1] Như vậy, tính tốn đặc trưng thủy động chân vịt phương pháp CFD, nhóm tác giả thiết lập cách mô phương pháp thử mô hình bể thử hai loại chân vịt nêu Mô số 3.1 Các thông số hình học chân vịt tính tốn Chân vịt sử dụng để tính tốn báo chân vịt Potsdam, mẫu chân vịt ITTC sử dụng cho mục đích nghiên cứu dịng sau chân vịt cho kiểm tra kết 22 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 tính tốn CFD [2] Chân vịt có thơng số hình học bảng hình Các số liệu kết thử chân vịt tự bể thử công bố tài liệu [2] Ở đây, phần mũ thoát nước tác giả thay đổi so với thử mơ hình Mũ nước phần củ (hub) thiết bị PBCF (chính thiết bị PBCF khơng có cánh) Mục đích để so sánh ảnh hưởng chân vịt có PBCF với chân vịt khơng có PBCF đến thơng số thủy động chúng dòng chảy sau chân vịt Thiết bị PBCF tác giả thiết kế phần mềm Rhinoceros, có năm cánh, bán kính 0.043m (43mm), độ nghiêng cánh 56 độ (hình 5) miền chất lỏng sau chân vịt chia lưới nhỏ để thể rõ ràng xốy đường dịng phía sau chân vịt Chính lượng ô lưới tăng lên đáng kể Trong thiết lập này, tác giả sử dụng 8.63 triệu lưới cho tính tốn chân vịt thơng thường (khơng có PBCF) 8.72 triệu lưới cho tính tốn chân vịt có PBCF Bảng Các thơng số hình học chân vịt Potsdam [2] Các thơng số Đường kính D Tỷ số đĩa A E /A Đường kính tương đối củ chong D h /D chóng Số cánh Z Tỷ số bước P 0.7 /D Chiều quay - Đơn vị m - Giá trị 0.25 0.778 - 0.3 - 1.635 Quay phải - a Miền chất lỏng tính tốn b Chia lưới xunh quanh chân vịt PBCF Hình Chân vịt Potsdam c Chia lưới cục chân vịt PBCF Hình Chia lưới miền chất lỏng tính tốn Hình Chân vịt Potsdam PBCF 3.2 Thiết lập tính tốn Để mơ phỏng, tính tốn thông số thủy động chân vịt tự do, báo sử dụng giải Star - CCM+ Miền chất lỏng tính tốn có dạng hình trụ với đường kính 2.5m (gấp 10 lần đường kính chân vịt), chiều dài 3.5m, 3m khoảng cách từ chân vịt tới phần biên phía sau (outlet) (hình 6) Phần Để mô chuyển động quay chân vịt CFD, có ba phương pháp thường sử dụng Phương pháp cho toàn miền chất lỏng bao quanh chân vịt quay tốc độ quay chân vịt (gọi rigid motion) Phương pháp thứ hai cho hệ tọa độ quay (Rotating Referene Frame), phương pháp tiếp cận tĩnh (steady approach) nên thời gian tính toán giảm đáng kể Phương pháp thứ ba sử dụng lưới xoay TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 (Sliding mesh), phương pháp này, có hai miền lưới tạo ra, miền chất lỏng thứ quay bao quanh chân vịt, miền chất lỏng thứ hai bao quanh miền chất lỏng thứ cố định Ở đây, cần phải thiết lập liên kết hai miền qua bề mặt tiếp xúc hai miền (interface) Phương pháp gần với thực tế thông thường cho kết xác thời gian tính toán lớn sau bước thời gian, cần phải tính tốn lại liên kết hai miền chất lỏng So sánh cụ thể thời gian tính tốn độ xác kết thu được trình bày chi tiết tài liệu [7] Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp hệ tọa độ quay (Rotating Reference Frame) thời gian tính tốn giảm đáng kể so với hai phương pháp cịn lại cho kết có độ xác cao [7] Điều kiện biên mơ hình tính thiết lập sau: Biên phía trước chân vịt (inlet) thiết lập “velocity inlet” với giá trị vận tốc dòng chảy tới chân vịt (v a ) Phần biên phía sau “pressure outlet” biên xunh quanh “symmetry plane” Mơ hình dịng rối sử dụng kw - SST, sử dụng “All wall treatment” for Y+ Kết tính tốn 4.1 Kết tính tốn chân vịt thơng thường 23 Như trình bày trên, kết tính chân vịt thông thường so sánh với kết thử mơ hình để kiểm tra đắn mơ hình tính mà báo thiết lập Star CCM+ Ở đây, báo tiến hành tính tốn với giá trị bước tiến tương đối (J) chân vịt từ 0.6, 0.8, 1.0 ,1.2 1.4 Từ kết tính tốn thu có so sánh với kết thử bể thử (hình bảng 2), ta thấy rằng, kết tính tốn CFD gần với kết thử mơ hình Sai khác hiệu suất mức 1% Từ kết luận rằng, mơ hình tính CFD thiết lập chuẩn xác sử dụng để tính tốn chân vịt có gắn PBCF Phần kết tính tốn chân vịt có gắn thiết bị PBCF, sở so sánh với chân vịt gắn mũ nước thơng thường Hình Đồ thị chân vịt nước tự Bảng Kết tính chân vịt nước tự J KT η0 10KQ Sai số CFD EFD Sai số CFD EFD Sai số CFD 0.6 0.631 0.629 0.4% 1.413 1.396 1.2% 0.427 0.430 -0.8% 0.8 0.518 0.510 1.6% 1.202 1.178 2.0% 0.549 0.551 -0.4% 1.0 0.405 0.399 1.5% 0.991 0.975 1.7% 0.650 0.652 -0.3% 1.2 0.294 0.295 -0.3% 0.775 0.776 -0.2% 0.725 0.726 -0.2% 1.4 0.184 0.188 -2.4% 0.541 0.559 -3.3% 0.756 0.749 EFD 0.9% EFD = Experimental Fluid Dynamic - Kết thử mơ hình Các kết tính tính cho tồn hệ 4.2 Kết tính tốn chân vịt có gồm: chân vịt, củ, mũ thoát nước PBCF gắn PBCF Kết tính tốn chân vịt có gắn PBCF (khác với kết tính với cánh thể bảng 3, sở so sánh chân vịt) với kết tính chân vịt khơng gắn PBCF 24 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 Bảng Kết tính chân vịt có PBCF 10KQ η0 % % % Có Có Có Khơng Chênh Không Chênh Không Chênh PBCF PBCF PBCF lệch lệch lệch 0.585 0.578 1.3% 1.414 1.427 -0.9% 0.395 0.387 2.2% KT J 0.6 0.8 0.481 0.475 1.3% 1.189 1.194 -0.5% 0.515 0.506 1.0 0.365 1.2 0.256 1.4 0.147 0.364 0.4% 0.956 0.962 -0.6% 0.608 0.602 1.0% 0.256 -0.1% 0.733 0.732 0.0% 0.667 0.667 -0.1% 0.149 -1.4% 0.499 0.498 0.2% 0.656 0.667 -1.6% Kết tính thể ba giá trị: hệ số lực đẩy K T , hệ số mô men K Q hiệu suất chân vịt nước tự η Từ kết tính tốn thu được, thấy hiệu suất chân vịt có PBCF tăng khoảng 2% bước tương đối J = 0.6 đến 1.0 có xu hướng giảm J tăng lên Điều thiết bị PBCF chưa thiết kế tối ưu, nên hiệu suất tăng số giá trị J Tuy vậy, điều quan trọng ta quan sát ảnh hưởng thiết bị PBCF đến đặc tính dịng chảy sau chân vịt phân bố áp suất cánh củ chân vịt (hình 8, 10) Từ hình ta thấy rằng, phần xoáy sau chân vịt giảm nhiều dòng chảy đồng chân vịt gắn thêm thiết bị PBCF bước tương đối J = 0.6 Sự giảm xốy phía sau chân vịt cịn góp phần vào làm giảm rung động vùng tàu giảm ăn mòn bánh lái Điều thể rõ hình ảnh đường dịng sau chân vịt (hình 8) Đối với phân bố áp suất bề mặt chân vịt, ta thấy phần giảm áp suất tâm mũ thoát nước trường hợp chân vịt khơng có PBCF Trong đó, có PBCF, phân bố áp suất đồng nhiều vị trí (hình 9) Star CCM+ cho phép thể rõ xốy, tạo cánh chân vịt (hình 10) 1.8% b Đường dịng chân vịt CĨ PBCF J = 0.6 Hình Đường dịng sau chân vịt J = 0.6 Kết tính hình ảnh dịng chảy sau tính tốn phù hợp với kết công bố tác giả Takeo Nojiri[1] Kurt Mizzi [3], Takafumi Kawamura [4], Hans Richard Hansen [5] Khi quan sát đường dòng sau chân vịt J = 1.4 (hình 11), ta nhận thấy PBCF làm đường dòng phân tán hơn, nhiên lượng xốy cịn nhiều Trong trường hợp này, xuất PBCF làm cho chênh lệch áp suất mặt hút (Pitch face) mặt đạp (Pressure face) chân vịt giảm xuống, dẫn đến hệ số lực đẩy K T giảm, hiệu suất chân vịt giảm Do vậy, chân vịt hoạt động khoảng J = 1.2 đến J = 1.4, cần thiết kế tối ưu lại PBCF để tăng hiệu suất chân vịt giảm xoáy khoảng J a Chân vịt KHƠNG có PBCF J = 0.6 a Đường dịng chân vịt KHƠNG có PBCF J = 0.6 TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 b Chân vịt CĨ PBCF J = 0.6 Hình Phân bố áp suất chân vịt J = 0.6 a Chân vịt KHƠNG có PBCF J = 0.6 b Chân vịt CĨ PBCF J = 0.6 Hình 10 Phân bố xoáy sau chân vịt J = 0.6 a Đường dịng chân vịt KHƠNG có PBCF J = 1.4 Kết luận khuyến nghị Bài báo trình bày kết tính chân vịt có gắn thiết bị PBCF việc sử dụng phương pháp RANSE CFD Kết cho thấy chân vịt có gắn thiết bị PBCF giúp tăng hiệu suất chân vịt khoảng 2% số giá trị bước tiến tương đối J Điều quan trọng cách gắn thiết bị PBCF, phần xốy phía sau chân vịt (hub vortex) triệt tiêu phần lớn Phần xoáy chân vịt thơng thường lớn từ ảnh hưởng lớn tới hiệu suất hệ: Bánh lái, chân vịt, thân tàu Việc triệt tiêu xoáy làm giảm rung động phần tàu giảm ăn mịn bánh lái Kết báo khẳng định khả phương pháp RANSE CFD tính tốn toán thủy động lực học tàu thủy, giúp cho người thiết kế có nhìn chi tiết dòng chảy bao quanh thân tàu thiết bị phục vụ cho nhiều toán thiết kế khác Kết tính sở để thiết kế tối ưu PBCF phương pháp mơ hình tham số (parametric modelling) dựa việc thay đổi thông số PBCF sau tiến hành tính tốn RANSE CFD để tìm phương án tối ưu cho PBCF để đạt hiệu suất lớn giá trị bước tiến J vùng hoạt động thường xuyên chân vịt Lời cảm ơn Nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học Hàng hải Việt Nam cơng ty Siemens hỗ trợ nhóm hoàn thành nghiên cứu [1] [2] [3] b Đường dịng chân vịt có PBCF J = 1.4 Hình 11 Đường dòng sau chân vịt J = 1.4 25 [4] Tài liệu tham khảo Nojiri, Takeo & Ishii, Norio & Kai, Hisashi (2011) Energy Saving Technology of PBCF (Propeller Boss Cap Fins) and its Evolution Journal of The Japan Institute of Marine Engineering 46 350-358 10.5988/jime.46.350 SVA Potsdam Model Basin Potsdam propeller test case Potsdam; 2011 Kurt Mizzi, Yigit Kemal Demirel, Charlotte Banks, Osman Turan, Panagiotis Kaklis, Mehmet Atlar, Design optimisation of Propeller Boss Cap Fins for enhanced propeller performance, Applied Ocean Research, Volume 62, 2017, Pages 210-222, ISSN 0141-1187 Kawamura, Takafumi & Ouchi, Kazuyuki & Nojiri, Takeo (2012) Model and full scale 26 [5] [6] [7] [8] Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 CFD analysis of propeller boss cap fins (PBCF) Journal of Marine Science and Technology 17 10.1007/s00773-012-0181-2 Hans, Richard & , Hansen & Tom DinhamPeren, Mr & Takeo Nojiri, Mr (2018) Model and Full Scale Evaluation of a 'Propeller Boss Cap Fins' Device Fitted to an Aframax Tanker Lloyd’s Register and DNV, Assessment of IMO energy efficiency measures for the control of GHG emissions from ships, MEPC 60/INF.18, 15 January 2010 Tu, Tran Ngoc; Chien, Nguyen Manh, Comparison Of Different Approaches For Calculation Of Propeller Open Water Characteristic Using RANSE Method, Naval Engineers Journal, Volume 130, Number 1, March 2018, pp 105-111(7) Perali, P., T Lloyd, and G Vaz Comparison of uRANS and BEM-BEM for propeller pressure pulse prediction: E779A propeller in a cavitation tunnel in Proceedings of the 19th Numerical Towing Tank Symposium 2016 [9] Brizzolara, S., D Villa, and S Gaggero A systematic comparison between RANS and panel methods for propeller analysis in Proc Of 8th International Conference on Hydrodynamics, Nantes, France 2008 [10] Molland, A.F., S.R Turnock, and D.A Hudson, Ship resistance and propulsion 2017: Cambridge university press [11] Launching Sales of "New PBCF” , MOL TechnoTrade, Ltd PBCF Department, Retrieved from http://www.pbcf.jp/english/new_PBCF/index.ht ml Ngày nhận bài: 3/12/2018 Ngày chuyển phản biện: 6/12/2018 Ngày hoàn thành sửa bài: 27/12/2018 Ngày chấp nhận đăng: 3/1/2019 ... hình tính CFD thiết lập chuẩn xác sử dụng để tính tốn chân vịt có gắn PBCF Phần kết tính tốn chân vịt có gắn thiết bị PBCF, sở so sánh với chân vịt gắn mũ nước thơng thường Hình Đồ thị chân vịt. .. cấu tạo loại chân vịt có gắn PBCF Mơ tính tốn thông số thủy động loại chân vịt RANSE so sánh đặc trưng thủy động với chân vịt thơng thường Giới thiệu PBCF phương pháp thử mơ hình chân vịt nước tự... (chính thiết bị PBCF khơng có cánh) Mục đích để so sánh ảnh hưởng chân vịt có PBCF với chân vịt khơng có PBCF đến thơng số thủy động chúng dòng chảy sau chân vịt Thiết bị PBCF tác giả thiết kế