Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu đặc tính khí động học và giảm lực cản khí động học tác động nên cano chở khách Nghiên cứu đặc tính khí động học và giảm lực cản khí động học tác động nên cano chở khách Nghiên cứu đặc tính khí động học và giảm lực cản khí động học tác động nên cano chở khách luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp
/m BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NINH CƠNG TỐN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác TÁC GIẢ LUẬN VĂN Ninh Cơng Tốn CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KHÍVăn ĐỘNG HV Nguyễn Nhu HỌC VÀ GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CANO CHỞ KHÁCH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC KHĨA 2017B-MTK.KH Hà Nội - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Ninh Công Tốn NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CANO CHỞ KHÁCH Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGÔ VĂN HỆ Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, tháng năm 2018 Học viên i LỜI CẢM ƠN Với tư cách tác giả luận văn này, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy giáo TS Ngô Văn Hệ người trực tiếp hướng dẫn tơi tận tình chu tơi hồn thành luận văn Đồng thời tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, giáo Viện khí động lực, Viện đào tạo Sau đại học, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức, giúp suốt thời gian học tập làm luận văn Cuối xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ, ủng hộ tơi hết lịng, động viên chia sẻ suốt thời gian học tập làm luận văn Hà Nội, tháng năm 2018 Học viên ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC CÁC BẢNG vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình khai thác sử dụng cano chở khách 1.2 Một số mẫu cano sử dụng nghiên cứu .11 1.3 Lý thuyết thủy khí động lực lực cản khí động 14 CHƯƠNG II: MƠ HÌNH BÀI TỐN VÀ CƠNG CỤ MƠ PHỎNG SỐ CFD 18 2.1 Mơ hình tốn khảo sát đặc tính khí động học cano 18 2.2 Công cụ tính tốn mơ số CFD 20 2.3 Các bước thực q trình giải tốn CFD 26 2.4 Mơ hình hóa miền khơng gian tính toán chia lưới .27 2.5 Một số mơ hình rối ANSYS FLUENT 34 2.5.1 Mơ hình rối phương trình (one equation turbulence models) 34 2.5.2 Mơ hình hai phương trình (two equations model) 36 2.5.3 Mơ hình k-epsilon 37 CHƯƠNG III: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC THÂN CANO THÔNG QUA SỬ DỤNG CFD 41 3.1 Quy trình chung thực tốn mơ số CFD 41 3.2 Mơ hình cano sử dụng tính mơ số CFD 42 3.3 Thiết kế miền khơng gian tính tốn, chia lưới đặt điều kiện biên 45 3.4 Kết mô số phân bố áp suất dòng bao quanh cano .48 3.5 Kết CFD lực cản khí động tác động lên cano 52 CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CANO 56 4.1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu giảm lực cản khí động cho cano khách .56 iii 4.2 Ảnh hưởng hình dáng thân đến đặc tính khí động cano 58 4.2.1 Mơ hình tính tốn điều kiện khảo sát 58 4.2.2 Kết tính tốn khảo sát ảnh hưởng hình dáng thân cano đến đặc tính khí động học 63 4.3 Nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên cano 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76 BẢNG GIẢI THÍCH KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cano composite chở khách du lịch Cù lao Chàm Hình 1.2 Cano composite chở khách du lịch Hòn Rơm, Phan Thiết Hình 1.3 Cano composite chở khách du lịch đảo Tuần Châu, Quảng Ninh Hình 1.4 Cano composite chở khách du lịch tuyến sơng Sài Gịn Hình 1.5 Cano composite cứu hộ lực lượng công an, quân đội Việt Nam 10 Hình 1.6 Cano chở khách cầu cảng đảo Hòn Mun 12 Hình 1.7 Hình ảnh phân bố áp suất đường dòng bao quanh tàu 17 Hình 2.1 Đường hình dáng thân tàu sử dụng nghiên cứu 19 Hình 2.2 Xây dựng mơ hình tốn khảo sát đặc tính khí động học cho cano 20 Hình 2.3 Phân bố dòng, áp suất tác động lên tàu mặt thống, hình ảnh mơ số với dịng pha sử dụng ANSYS-Fluent 21 Hình 2.4 Ví dụ hình ảnh chia lưới ANSYS 28 Hình 2.5 Lưới lục diện bao quanh trụ mặt phẳng chiều 30 Hình 2.6 Chia lưới lục diện tự động, sử dụng phương pháp chia lưới 30 Hình 2.7 Chia lưới tự động bao gồm lớp biên căng cho mơ hình phức tạp 33 Hình Đường hình dáng tàu hàng 42 Hình Thiết kế cano phần mềm chuyên dụng Auto-Ship, sử dụng mơ hình thân cano nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động học với CFD 43 Hình 3 Mơ hình cano hồn thiện sử dụng nghiên cứu 44 Hình 3.4 Miền khơng gian tính tốn chia lưới 46 Hình 3.5 Thiết lập điều kiện tính tốn cho tốn mơ số CFD 47 Hình 3.6 Phân bố áp suất bao quanh thân cano khảo sát góc ngóc mũi độ 48 Hình 3.7 Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu mặt cắt dọc tâm 49 Hình 3.8 Phân bố áp suất bề mặt thân cano góc ngóc mũi độ 49 Hình 3.9 Phân bố áp suất bao quanh thân cano góc ngóc mũi độ, vận tốc 5m/s 50 Hình 3.10 Phân bố vận tốc dịng xung quanh tàu mặt cắt dọc tâm 51 Hình 3.11 Phân bố áp suất bề mặt diện tích thân cano góc ngóc mũi độ, vận tốc 5m/s 51 Hình 3.12 Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, góc ngóc mũi độ 53 Hình 3.13 Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, góc ngóc mũi độ 53 Hình 3.14 Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, góc ngóc mũi độ 54 v Hình Sự phân bố dòng bao quanh vật thể trụ hộp theo số Reynolds 57 Hình 4.2 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình tam giác, N1 58 Hình 4.3 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình cong trơn, N2 58 Hình 4.4 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình vat góc, N3 59 Hình 4.5 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình vng dạng U, N4 59 Hình 4.6 Mơ hình cano với dạng tuyến hình khác N1-N4 sử dụng tính tốn mơ số CFD 60 Hình 4.7 Miền khơng gian tính tốn chia lưới thực tính mơ số đặc tính khí động mẫu cano khảo sát 62 Hình 4.8 Phân bố áp suất xung quanh mẫu cano khảo sát trạng thái cân bằng, Rn=0,2.106 63 Hình 4.9 Phân bố dòng xung quanh cano trạng thái cân bằng, Rn=0,2.106 64 Hình 4.10 Phân bố áp suất xung quanh cano trạng thái khai thác có góc ngóc mũi độ, Rn=5.106 65 Hình 4.11 Phân bố dòng xung quanh cano trạng thái khai thác với góc ngóc mũi độ, Rn=5.106 66 Hình 4.12 Lực cản khí động tác động lên mẫu cano khảo sát trạng thái cân với góc ngóc mũi độ 67 Hình 4.13 Lực cản khí động tác động lên mẫu cano khảo sát trạng thái khai thác ngóc mũi độ 68 Hình 4.14 Hình dáng mẫu cano thay đổi thiết kế thượng tầng mũi 70 Hình 4.15 Phân bố áp suất dịng bao quanh thân cano N5 Rn=0.2x106 71 Hình 4.16 Phân bố áp suất dòng bao quanh thân cano N5 Rn=0.2x106 72 Hình 4.17 Phân bố áp suất dòng bao quanh thân cano N5 Rn=1.7x106 73 Hình 4.18 Lực cản khí động tác động lên thân cano 74 Hình 4.19 Lực cản khí động tác động lên thân cano 75 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Thơng số kích thước cano mẫu tham khảo nghiên cứu 13 Bảng Thơng số kích thước tàu 42 Bảng Thơng số kích thước cano 45 Bảng 3.2 Một số điều kiện tính mơ 47 Bảng 3.3 Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano góc ngóc mũi độ 52 Bảng 3.4 Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano góc ngóc mũi độ 52 Bảng 3.5 Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano góc ngóc mũi độ 54 Bảng 4.1 Thơng số kích thước chủ yếu cano sử dụng nghiên cứu 61 Bảng 4.2 Thông số đầu vào điều kiện tính tốn sử dụng nghiên cứu 62 Bảng 4.3 Bảng tính giá trị lực khí động hệ số lực khí động tác động lên tàu 74 Bảng 4.4 Bảng tính giá trị lực khí động hệ số lực khí động tác động lên tàu 75 vii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong trình khai thác, vận tải đường thủy, nâng cao hiệu khai thác tàu vấn đề quan trọng Để thực vấn đề này, cần thiết phải giảm tiêu hao nhiên liệu chạy tàu Giảm lực cản cho tàu biện pháp hữu ích mang lại nhiều lợi ích thiết thực Vấn đề nghiên cứu giảm lực cản, tiết kiệm nhiên liệu nhiều nhà nghiên cứu, thiết kế khai thác sử dụng tàu quan tâm Trước nhu cầu đó, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu đặc tính khí động giảm lực cản khí động tác động lên cano chở khách nhằm nâng cao hiệu kinh tế khai thác cho tàu Lịch sử nghiên cứu Lĩnh vực tính tốn lực cản tàu thủy nói chung, lực cản khí động tàu nói riêng có nhiều tác giả nước quan tâm nghiên cứu Từ nhiều năm trước cơng cụ hỗ trợ tính tốn chưa phát triển, việc tính tốn xác định lực cản tàu chủ yếu dựa kết thực nghiệm mô hình tàu Trên sở kết tổng hợp nghiên cứu năm gần đây, với phát triển mạnh cơng cụ, phương tiên hỗ trợ tính tốn số đời, tính tốn động lực học chất lỏng CFD (Computational Fluid Dynamic) trở thành công cụ hữu dụng việc ước lượng, dự đoán lực cản tác động lên tàu [15, 16, 17, 18] Ngày CFD trở thành công cụ phổ biến nhiều nhà nghiên cứu sử dụng làm phương tiện hỗ trợ cho trình thực nghiên cứu [5, 6, 7, 10, 11, 12] Nghiên cứu đặc tính khí động học giảm lực cản khí động tác động lên cano chở khách nói riêng phương tiện giao thơng vận tải nói chung đề tài đặt cho nhiều nhà nghiên cứu chuyên môn giải đáp [7, 10, 11] Với mỗn loại tàu khác nhau, cần có biện pháp kỹ thuật khác để làm giảm lực cản tác động lên tàu Giảm lực cản tác động lên tàu giúp tiết kiệm nhiên liệu tiêu hao chạy tàu, góp phần nâng cao hiệu khai thác tàu Đây vấn đề đặt cần giải luận văn Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu đề tài phân tích, đánh giá đặc tính khí động lực học tác động lên cano chở khách Thơng qua kết tính tốn mơ phỏng, đề xuất số giải pháp làm giảm lực cản khí động tác động lên cano nhằm nâng cao hiệu kinh tế khai thác cano Đối tượng nghiên cứu nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên cano chở khách nhằm nâng cao hiệu khai thác cho cano Do giới hạn thời gian việc vẽ thiết kế cano, giới hạn tốc độ máy tính cá nhân, thời gian chờ kết chạy mô phỏng, đề tài giới hạn phạm vi nghiên cứu mẫu cano có thân đơn giản định hạn chế số trường hợp tính tốn nghiên cứu cụ thể Tóm tắt đọng luận điểm đóng góp tác giả Tác giả tiến hành nghiên cứu tổng quan khí động học phần mặt nước cano, thiết lập mơ hình 3D cano chở khách chọn, sau sử dụng bước giải tốn mơ số CFD để giải vấn đề đặt Cụ thể là, thiết lập xong mơ hình 3D tác giả sử dụng phần mềm để chia lưới cuối đưa vào phần mềm ANSYS FLUENT để thiết lập thông số, điều kiện biên thực tính tốn mơ nhằm đưa phân bố vận tốc, áp suất lực cản khí động tác động lên tàu Trên sở phân tích kết thu từ việc tính mơ lực cản khí động tác động lên cano, tác giả đề xuất số thay đổi hình dáng thân cano, khảo sát số trạng thái khai thác khác cano sau sử dụng phần mềm chun dụng ANSYS FLUENT để mơ đặc tính khí động học cano dải tốc độ khai thác để xác định lực cản đặc tính khí động khác Kết mơ số đưa phân bố vận tốc, phân bố áp suất bao quanh thân mặt nước cano với hình dáng thân khác trạng thái khai thác khác Trên sở phân tích kết mô số đạt được, tác giả so sánh kết thu với mơ hình tính tốn Từ tác giả đưa kết luận quan trọng, lưu ý cho thiết kế khí động học tàu cano chở khách nói riêng Phương pháp nghiên cứu Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp Nghiên cứu lý thuyết truyền thống mô số CFD Đây phương pháp nghiên cứu phổ biến đại giới mà nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Từ lý thuyết tác giả mơ hình hóa mơ hình cano, sau chạy mơ số CFD Kết thu từ mô số so sánh phân tích với kết nghiên cứu lý thuyết CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình khai thác sử dụng cano chở khách Ngày kinh tế Việt Nam bước vào giai đoạn mới, giai đoạn hội nhập mạnh mẽ vào kinh tế khu vực giới Song song với việc hội nhập kinh tế ngành hàng hải Việt Nam giữ vai trị quan trọng việc lưu thơng hàng hóa, giao lưu trị, khoa học kỹ thuật, bảo vệ chủ quyền biển đảo thiêng liêng tổ quốc với tiến trình hịa nhập chung thành phần kinh tế khác Trong chức khơng thể khơng kể tới vai trị to lớn ngành đóng tàu Việt Nam – ngành cơng nghiệp mũi nhọn Đảng Nhà nước chọn ngành công nghiệp hàng đầu làm động lực cho phát triển chung kinh tế Việt Nam kỷ Việt Nam quốc gia biển, có nửa biên giới giáp với biển từ phía Đơng Nam Tây Nam bao gồm 3.260 km bờ biển, 3000 nghìn đảo lớn nhỏ khác trải dài từ Bắc vào Nam với nhiều vị trí phù hợp cho hình thành phát triển hệ thống du lịch biển đại Đây tiềm to lớn mang tính chất chiến lược để đẩy mạnh phát triển kinh tế biển Bên cạnh đó, với mạnh nước với nhiều danh nam thắng cảnh tiếng Vịnh Hạ Long, Du lịch đảo, sông hồ gần bờ khác từ tỉnh miền bắc đến tỉnh miền nam đất nước Vấn đề đặt cần phát triển dịch vụ chuyên chở khách du lịch vấn đề nhiều cấp ngành quan tâm Phát triển đội tàu chở khách cỡ nhỏ, cano chở khách trọng quan tâm từ nhiều năm trước Du lịch biển đảo ngày trở thành xu hướng động lực mới, với nhiều tiềm Việt Nam Thực tế cho thấy, với lượng khách đến tăng nhiều năm qua chiếm khoảng 70% tổng khách du lịch nước, du lịch biển đảo loại hình du lịch chủ đạo, góp phần quan trọng đưa du lịch trở thành ngành kinh tế mũi nhọn Việt Nam Việt Nam đứng thứ 27 số 156 quốc gia có biển giới nước có diện tích ven biển lớn khu vực Đông Nam Á Và có tới 125 bãi biển mà hầu hết bãi tắm đẹp, bãi biển Đà Nẵng tạp chí Forbes bầu chọn bãi tắm quyến rũ hành tinh Việt Nam 12 quốc gia có vịnh đẹp giới Vịnh Hạ Long, Vịnh Nha Trang Về mặt hành chính, 28 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương địa phương có biển, với diện tích tự nhiên 126.747 km2, dân số (năm 2010) 37,2 triệu người, 38,2% diện tích tự nhiên 41,1% dân số nước Bên cạnh đó, lãnh thổ vùng đất ven biển, vùng biển hệ thống đảo, nơi diễn du lịch biển đảo vùng ven biển tập trung tới 7/13 di sản giới Việt Nam; 6/8 khu dự trữ sinh quyển; nhiều vườn quốc gia, khu bảo tồn thiên nhiên… Hình 1.1 Cano composite chở khách du lịch Cù lao Chàm Ngoài ra, từ bao đời nay, biển đảo không nơi cung cấp nguồn sống, mà cịn khơng gian để cộng đồng người Việt tạo lập nên văn hóa biển đảo, với di sản văn hóa đặc sắc Đó hệ thống di tích lịch sử-văn hóa liên quan đến mơi trường biển, hệ thống thần linh biển, bậc tiền bối có cơng cơng chinh phục biển, xác lập thực thi chủ quyền quốc gia biển ; lễ hội dân gian cư dân miền biển; tín ngưỡng, phong tục tập quán liên quan đến biển; văn hóa sinh kế, văn hóa cư trú, văn hóa ẩm thực, diễn xướng dân gian, tri thức địa Ðây nguồn tài ngun giàu có để phát triển du lịch biển đảo bền vững Hình 1.2 Cano composite chở khách du lịch Hòn Rơm, Phan Thiết Nắm bắt mạnh trên, thời gian qua, nhiều khu du lịch biển tiềm quy hoạch đầu tư phát triển như: bãi biển Sầm Sơn (Thanh Hóa); bãi biển Non Nước, Mỹ Khê (Đà Nẵng); vịnh Nha Trang, vịnh Cam Ranh (Khánh Hòa); bãi biển Mũi Né (Bình Thuận); bãi biển Vũng Tàu (Bà Rịa-Vũng Tàu) Việt Nam hình thành trung tâm du lịch biển có sức hút với khách quốc tế, gồm vịnh Hạ Long (Quảng Ninh), Đà Nẵng, Nha Trang (Khánh Hòa) với sở lưu trú đại 4-5 sao, đón đồn khách đến nghỉ dưỡng phát triển du lịch MICE (du lịch hội nghị, hội thảo) Cùng với việc đầu tư xây dựng hạ tầng du lịch, nhiều dịch vụ giải trí, thể thao biển đưa vào hoạt động như: chèo thuyền du lịch, kéo dù ca nô, lướt ván, đua thuyền, bóng đá, bóng chuyền bãi biển… Đặc biệt, loại hình ngắm biển dù lượn, khinh khí cầu, máy bay mơ hình (ở biển Nha Trang, Đà Nẵng) hay máy bay trực thăng (ở vịnh Hạ Long) nhiều khách du lịch yêu thích Hình 1.3 Cano composite chở khách du lịch đảo Tuần Châu, Quảng Ninh Với đầu tư mạnh mẽ sở hạ tầng dịch vụ giải trí, du lịch biển thu hút hàng triệu lượt khách đến thăm quan nghỉ dưỡng năm Hoạt động du lịch biển đảo chiếm khoảng 70% hoạt động ngành du lịch Việt Nam Các sản vật địa phương liên quan đến biển theo mà phát triển thành thương hiệu, đậm dấu ấn địa phương, góp phần đáng kể vào việc phát triển sản phẩm gắn với tour du lịch Có thể kể đến số sản phẩm tiếng như: nước mắm Phú Quốc, chả mực Hạ Long, tỏi Lý Sơn, yến sào Nha Trang, mật ong rừng Cát Bà Việc du lịch biển, đảo Việt Nam có lượng du khách lớn, khiến nhà đầu tư nước tăng cường đầu tư vào lĩnh vực Đến năm 2015, đầu tư nước lĩnh vực du lịch biển, đảo có 23 tỉnh/thành phố nước, chiếm 70% số dự án đầu tư lĩnh vực du lịch Trong có số dự án lớn như: Dự án tập đoàn Platinum Dragon Empire (Mỹ) phát triển khu du lịch vui chơi giải trí Bà Rịa-Vũng Tàu với số vốn lên đến 550 triệu USD; dự án đầu tư Tập đoàn Rockingham (Anh) xây dựng khu du lịch nghỉ dưỡng biển cao cấp khu vui chơi giải trí, trường đua ô tô 1.000 Phú Quốc, quy mô dự án lên đến tỷ USD… Du lịch biển phát triển góp phần thúc đẩy phát triển nhiều ngành kinh tế khác; tạo thêm nhiều việc làm cho xã hội dải ven biển, nơi có khoảng 21,2 triệu người độ tuổi lao động góp phần bảo đảm an ninh quốc phịng, bảo vệ mơi trường biển Hình 1.4 Cano composite chở khách du lịch tuyến sơng Sài Gịn Việc phát triển mạnh mẽ du lịch biển đảo năm qua, mang lại hội xóa đói giảm nghèo, cải thiện đời sống người dân vùng ven biển nhiều địa phương nước Song theo đánh giá chuyên gia, kết chưa tương xứng với tiềm lớn du lịch biển, đảo Việt Nam Thực tế cho thấy, du lịch biển, đảo Việt Nam tồn nhiều hạn chế như: Dịch vụ du lịch thiếu, nghèo nàn; sản phẩm du lịch biển chưa đa dạng; an ninh trật tự việc quản lý giá số khu, điểm du lịch chưa đảm bảo; quy hoạch nhiều bãi biển đẹp bị phá vỡ, phát triển manh mún khó điều chỉnh… Nhằm khắc phục hạn chế tạo sức bật cho du lịch biển, đảo, Bộ Văn hóa, Thể thao Du lịch phê duyệt đề án “Phát triển du lịch biển, đảo vùng ven biển Việt Nam đến năm 2020” Mục tiêu đề án đến năm 2020, du lịch biển trở thành động lực kinh tế biển Việt Nam, góp phần đưa nước ta trở thành quốc gia mạnh biển, làm giàu từ biển bảo đảm vững chủ quyền quốc gia biển, đảo, góp phần quan trọng nghiệp cơng nghiệp hóa, đại hóa, làm cho đất nước giàu mạnh Đề án đề mục tiêu vào năm 2020, du lịch biển thu hút 22 triệu lượt khách quốc tế, 58 triệu lượt khách nội địa, tổng thu từ du lịch biển đạt 200.000 tỷ đồng Các chuyên gia nhận định, việc trọng đẩy mạnh phát triển du lịch biển đảo định hướng đắn, phù hợp với mạnh ngành du lịch Việt Nam mang ý nghĩa đặc biệt việc khẳng định bảo vệ chủ quyền lãnh thổ đất nước Tuy nhiên, để du lịch biển đảo phát triển bền vững, tương xứng với tiềm tạo thương hiệu riêng ngồi việc phải khắc phục hạn chế tồn nhiều năm qua, cần có đầu tư quản lý cách chiến lược sở vật chất, dịch vụ người cho trung tâm du lịch biển đảo xác định Đặc biệt, cần phát huy yếu tố văn hoá địa phương phát triển du lịch biển để tạo dấu ấn riêng thu hút khách du lịch quay trở lại nhiều lần Có thể thấy rõ rằng, với tiềm lớn mạnh phân tích cho thấy cần thiết đội tàu, cano dịch vụ chở khách du lịch vận tải vùng lãnh thổ nước ta Có thể thấy cano chở khách khai thác nhiều nơi, nhiều lĩnh vực khác khai thác dịch vụ du lịch, chơ khách, vận tải hàng hóa cảng biển, đảo ven bờ, sơng hồ, cano cứu hộ, tuần tra …tùy theo lĩnh vực khác mà cano chở khách sử dụng tương ứng Hình 1.5 Cano composite cứu hộ lực lượng công an, quân đội Việt Nam 10 1.2 Một số mẫu cano sử dụng nghiên cứu Trong nghiên cứu, thiết kế phát triển tàu thủy nói chung, cần thiết phải hướng đến đối tượng nghiên cứu cụ thể, gắn với điều kiện khai thác cụ thể Trong nghiên cứu này, nhằm hướng đến việc nâng cao hiệu khai thác cho cano chở khách tuyến đường đảo Hòn Mun, tác giả tập trung nghiên cứu liên quan đến cano chở khách tuyến Đảo Hịn Mun, nằm phía Đơng Nam Thành phố Nha Trang, cách bờ khoảng 12 km Hòn Mun có tổng diện tích 160 km2, 122 km2 diện tích mặt biển, 38 km2 tổng diện tích hịn đảo Theo thống kê, giới có khoảng 2.000 lồi san hơ sinh vật biển Hịn Mun có tới 1.500 lồi, tìm thấy 340 tổng số 800 lồi san hơ cứng giới Với độ sâu 18m, khơng cịn cảnh đẹp san hơ, có nhiều hang động Có hang sâu 10 – 15m, phải dùng đèn để quan sát sinh vật biển chuyên sống bóng tối tôm, mực, tôm hùm, cá đuối…Quỹ động vật hoang dã giới đánh giá khu vực có đa dạng sinh học bậc Việt Nam Hòn Mun đảo thơ mộng hệ thống đảo Nha Trang, nằm phía Đơng Nam đảo Bồng Ngun (nơi có Hồ cá Trí Nguyên), cách cảng Cầu Đá 10 km (khoảng 45 phút tàu) Được gọi Hịn Mun phía Đơng Nam đảo có mỏm đá nhơ cao, vách dựng hiểm trở tạo thành hang động, đặc biệt đá đen tuyền gỗ mun, thấy nơi khác Nơi tiếng “thủy cung” giàu đẹp biển Đông Nam Á Với đặc điểm chủ yếu dòng hải lưu thời tiết sau: Do địa đảo gần với dòng hải lưu nóng từ phía xích đạo đưa tới nên thích hợp với điều kiện phát triển san hô nhiều loại sinh vật biển nhiệt đới quần tụ Do đó, Hịn Mun có rạn san hơ hệ sinh vật biển đa dạng, khu bảo tồn biển Việt Nam nay, Quỹ Động vật hoang dã Thế giới (WWF) đánh giá khu vực đa dạng sinh học biển bậc Việt Nam 11 Đảo Hịn Mun chịu tác động gió mùa cường độ không mạnh Từ tháng 10 đến tháng năm sau hướng gió chủ đạo Bắc, Đơng Bắc Từ tháng đến tháng hướng gió Đơng, Đơng Nam Nhiệt độ trung bình 26oC , dao động khoảng 24-29oC, nhiệt độ thay đổi ấm áp quanh năm Tháng có nhiệt độ cao tháng 6,7 Tháng có nhiệt độ thấp tháng 12 Lượng mưa trung bình khoảng 1450mm Mùa mưa tháng kết thúc vào tháng 12, với lượng mưa cao vào tháng 11 Mùa khô tháng kết thúc vào tháng 7, với lượng mưa thấp vào tháng Với số cầu cảng phục vụ chở khách đảo Hòn Mun sau: - Cảng cầu đá: Cách đảo Hòn Mun khoảng 10 km - Bến đỗ Hòn Một: Cách đảo Hòn Mun khoảng 4,3km - Bến đỗ Hòn Tắm: Cách đảo Hòn Mun khoảng 5,6 km - Bến đỗ Hòn Miễu: Cách đảo Hịn Mun khoảng km Hình 1.6 Cano chở khách cầu cảng đảo Hòn Mun 12 Bảng 1 Thơng số kích thước cano mẫu tham khảo nghiên cứu Các thông số Chiều dài lớn (Lmax) Chiều dài thiết kế (Ltk) Chiều rộng (B) Chiều cao mạn (H) Mớn nước (T) Lượng chiếm nước (D) Tốc độ tàu (v) Hệ số béo thể tích (CB) Hệ số béo đường nước (Cw) Tốc độ tương đối (Fr) Công suất máy (N) Tỷ số Tỷ số Tỷ số Tỷ số 𝐿 𝐵 𝐵 𝑇 𝐻 𝑇 𝐿 𝐻 Đơn vị Canô du lịch Biển Ngọc 01 Canô du lịch Pompano Tàu tuần tra H790 Tàu du lịch Hoàng Lâm Hạ Long 01 m 6,3 7,0 8,50 12,0 m 5,5 5,88 8,10 11,0 m 2,08 2,20 3,05 2,90 m 1,10 1,27 1,35 1,20 m 0,42 0,40 0,70 0,65 T 2,50 2,35 1,85 4,5 hl/h 25 25 31 30 0,43 0,43 0,45 0,65 0,75 0,75 0,80 0,82 3.18 3.02 3,39 2,77 200 200 200 1200 2,64 2,67 2,66 3,79 4,95 5,5 4,36 4,46 2,62 3,68 1,93 1,85 5,0 4,63 6,0 9,17 HP 13 1.3 Lý thuyết thủy khí động lực lực cản khí động Khí động lực học lĩnh vực nghiên cứu dòng chảy chất khí, nghiên cứu George Cayley vào thập niên 1800 "Khí động học" nhánh động lực học chất lưu nghiên cứu chuyển động khơng khí, đặc biệt tương tác với đối tượng di chuyển Khí động học thường sử dụng đồng nghĩa với khí động lực, với khác biệt khí động lực áp dụng dịng chảy nén Tìm hiểu chuyển động khơng khí (thường gọi trường dòng chảy) xung quanh đối tượng cho phép tính tốn lực, mơ men lực tác động lên đối tượng Giải pháp cho vấn đề khí động lực học dẫn đến tính tốn tính chất khác dòng chảy, vận tốc, áp suất, mật độ nhiệt độ, hàm khơng gian thời gian Khi hiểu tính chất chất khí, người ta tính tốn xác hay xấp xỉ lực mơmen lực lên hệ thống dịng chảy Việc sử dụng khí động học thơng qua phân tích tốn học, xấp xỉ thực nghiệm gió đường hầm thử nghiệm sở khoa học [1, 2, 3] Khí động học chia thành hai loại khí động học bên ngoại biên khí động học nội biên Khí động học ngoại biên nghiên cứu dòng chảy xung quanh vật thể rắn hình dạng khác Đánh giá thang máy, máy bay, dịng chảy khơng khí qua lưỡi tuabin gió hay sóng xung kích hình thành phía trước mũi tên lửa ví dụ khí động học ngoại biên Khí động học nội biên bao gồm việc nghiên cứu luồng khơng khí thơng qua động phản lực thông qua đường ống điều hịa khơng khí [1, 2, 3] Khí động lực học phân loại theo tỉ số vận tốc dòng chảy so với vận tốc âm Môn học xem vận tốc âm vận tốc nhỏ vận tốc âm siêu thanh, cực siêu vận tốc nhanh vận tốc âm nhiều lần Trong tính tốn động lực học chất lỏng CFD, phương trình sử dụng giải theo phương pháp cụ thể khác Trong công cụ mô 14 số thương mại ANSYS-FLUENT phương pháp phần tử thể tích sử dụng để giải tốn Trong phần này, số phương trình lý thuyết thủy khí động lực học lực cản khí động giới thiệu [4, 8, 9, 12, 15, 18] - Phương trình liên tục dạng tổng quát: 𝑑𝜌 𝜌 𝑑𝑡 - + 𝑑𝑖𝑣𝑢 ⃗=0 (1-1) Phương trình chuyển động chất lỏng thực, phương trình Navier-Stockes: 𝑑𝑢𝑥 𝑑𝑡 𝑑𝑢𝑦 𝑑𝑡 𝑑𝑢𝑧 𝑑𝑡 =𝑋− =𝑌− =𝑍− 𝜕𝑝 𝜌 𝜕𝑥 𝜕𝑝 𝜌 𝜕𝑦 𝜕𝑝 𝜌 𝜕𝑧 +v( +v( +v( 𝜕 𝑢𝑥 𝜕𝑥 𝜕 𝑢𝑦 𝜕𝑥 𝜕 𝑢𝑧 𝜕𝑥 + + + 𝜕 𝑢𝑥 𝜕𝑦 𝜕 𝑢𝑦 𝜕𝑦 𝜕 𝑢𝑧 𝜕𝑦 𝜕 𝑢𝑥 + 𝜕𝑧 + + )+ 𝜕 𝑢𝑦 𝜕𝑧 𝜕 𝑢𝑧 𝜕𝑧 )+ )+ 𝑣 𝜕 𝜕𝑥 𝑣 𝜕 𝜕𝑦 𝑣 𝜕 𝜕𝑧 ( 𝜕𝑢𝑥 ( ( 𝜕𝑥 𝜕𝑢𝑥 𝜕𝑥 𝜕𝑢𝑥 𝜕𝑥 + + + 𝜕𝑢𝑦 𝜕𝑦 𝜕𝑢𝑦 𝜕𝑦 𝜕𝑢𝑦 𝜕𝑦 + + + 𝜕𝑢𝑧 𝜕𝑧 ) 𝜕𝑢𝑧 𝜕𝑧 𝜕𝑢𝑧 𝜕𝑧 ) (1-2) ) Hay viết dạng: 2u 2u 2u u u u u pˆ u v w t x y z x y z x 2v 2v 2v v v v v pˆ u v w t x y z y z x y (1-3) 2w 2w 2w w w w w pˆ u v w t x y z z y z x Hệ phương trình chủ đạo viết dạng véctơ sau: 𝜕 ∫ 𝑊𝑑𝑉 + ∮[𝐹 − 𝐺 ]𝑑𝐴 = ∫ 𝐻𝑑𝑉 𝜕𝑡 𝑉 𝑉 Với véc tơ W,F,G định nghĩa sau: 𝜌𝑣 𝜌 𝜌𝑣𝑢 + 𝑝ỵ 𝜌𝑢 𝜏 𝑊 = { 𝜌𝑣 } 𝐹 = { 𝜌𝑣𝑣 + 𝑝ĵ } 𝐺 = { 𝑥𝑖 } 𝜏𝑦𝑖 ̂ 𝜌𝑤 𝜏𝑧𝑖 𝜌𝑣𝑤 + 𝑝𝑘 Và H véctơ thành phần lực khối Để khép kín hệ phương trình, đưa vào số điều kiện biên sau: 15 - Điều kiện biên đầu vào: V(x=0,y)=V∞ - Điều kiện biên đầu ra: pout =p∞ =pa - Áp suất biên vùng tính tốn: p= p∞ - Điều kiện biên khơng trượt tồn bề mặt mơ hình tính tốn: 𝜕𝑣 =0 𝜕𝑛 Trong trình chuyển động, lực cản tác động lên tàu phân thành loại chính: xuất phát từ phần thân tàu tiếp xúc với môi trường nước gây ra, hai lực cản phần thân tàu tiếp xúc với khơng khí gây Trong luận văn này, tác giả đề cập nghiên cứu lực cản khí động tác động lên phân thân tàu phía mặt nước Thành phần lực cản gọi lực cản khí động hay lực cản gió hay lực cản khơng khí Lực tác động vào tàu có phương tổng hợp theo phương chuyển động tàu, phụ thuộc vào hướng gió có độ lớn phụ thuộc vào diện tích mặt hứng gió tàu, hệ số cản khí động bình phương vận tốc tuyệt đối dịng khí tàu Hệ số cản khí động phụ thuộc nhiều vào hình dáng khí động, độ trơn bề mặt vỏ góc cạnh thân tàu Lực khí động ảnh hưởng lớn đến chất lượng động lực học, an toàn trình vận tải tàu Khi nghiên cứu ảnh hưởng lực khí động tác động lên tàu theo quan điểm động lực học, người ta tách lực khí động thành thành phần chính: Thành phần có phương song song với bề mặt đường lực cản gió Đây coi thành phần lực khí động tàu chuyển động theo phương nên vận tốc tuyệt đối dịng khí tàu lớn Đối với thượng tầng tàu có hạ thấp đột ngột phía sau tạo xốy lốc cho dịng khí làm tăng hệ số cản khơng khí có hệ số cản khơng khí lớn so với hình dáng thượng tầng khác Về nguyên tắc này, nhà thiết kế tiến tới việc thiết kế để biên dạng tàu có hình dáng khí động 16 Hình 1.7 Hình ảnh phân bố áp suất đường dòng bao quanh tàu Thành phần có phương vng góc với mặt thống tạo lực nâng hướng lực lên phía Điều làm giảm chiều chìm cho tàu gây lắc dọc tàu lực không ổn định Lực theo phương phụ thuộc nhiều vào bề mặt phần thân tàu tiếp xúc với nước Thành phần có phương ngang gây ổn định hướng cho tàu Thành phần lực thường nhỏ tính đối xứng tàu, trừ vào vùng giơng bão hay góc hướng gió thay đổi Trong tính tốn lực khí động bao gồm hai thành phần lực cản lực nâng tác động lên vật thể nói chung, người ta thường ứng dụng cơng thức lực cản lực nâng sau: FA A C A v Trong đó, A: diện tích cản diện CA: hệ số cản khơng khí : mật độ khơng khí V: vận tốc chuyển động tàu 17 (1-4) CHƯƠNG II: MƠ HÌNH BÀI TỐN VÀ CƠNG CỤ MƠ PHỎNG SỐ CFD 2.1 Mơ hình tốn khảo sát đặc tính khí động học cano Trong đề tài nghiên cứu luận văn này, vấn đề nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động học thân cano chở khách thực Với giới hạn nghiên cứu trình thực luận văn, toán nghiên cứu khảo sát phần thân phía mặt nước cano q trình khai thác Khi vấn đề tác động dịng khí đến thân cano trình vận hành nghiên cứu Theo nghiên cứu giới liên quan đến khí động học thân tàu việc xem xét nghiên cứu tốn thực theo tốn với mơ hình khảo sát khác như: khảo sát thân tàu với toàn thân tàu di chuyển mặt nước; khảo sát đặc tính khí động thân tàu với phần thân phía mặt nước coi bề mặt nước thành cứng không chuyển động Trong toán này, tùy theo phương pháp q trình thực mà có ảnh hưởng khác đến kết nghiên cứu định Trong trình nghiên cứu thực nghiệm trình thực nghiệm mơ hình thực theo hai phương pháp tương tự Với mơ hình tốn khảo sát tồn tàu việc thực nghiệm thực sở nghiên cứu thân tàu trạng thái tĩnh định nhằm đo, ước lượng thành phần lực khí động tác động lên thân tàu tương ứng trạng thái Việc thực thực nghiệm tương tự với trường hợp nghiên cứu phần thân tàu phía mặt nước, nhiên q trình thực nghiệm có yếu tố ảnh hưởng bề mặt nước đến thân tàu Mơ hình thực nghiệm khác sử dụng toàn thân tàu di chuyển tự mặt nước, phương pháp thực thực nghiệm phức tạp đòi hỏi nhiều yếu tố khác q trình thực nghiệm Thơng thường q trình nghiên cứu thực nghiệm khơng thực theo cách Việc thực nghiệm cịn thực theo mơ hình xét phần mặt nước tàu ống thổi với cứng, mơ hình thí nghiệm 18 tương tự tốn khảo sát đặc tính khí động học tàu với phần mặt nước tàu, khơng tính đến phần thân tàu bên Hình 2.1 Đường hình dáng thân tàu sử dụng nghiên cứu Trong nghiên cứu này, toán thực nghiên cứu với phần mặt nước cano, với mơ hình nghiên cứu giới hạn xét phần phía mặt nước, khơng kể đến ảnh hưởng mặt thống q trình cano chuyển động Khi mơ hình tốn thực nghiên cứu tương tự trường hợp thực nghiệm mơ hình tàu với phần mặt nước đặt ống thổi khí động để khảo sát đặc tính khí động học tàu 19 Hình 2.2 Xây dựng mơ hình tốn khảo sát đặc tính khí động học cho cano Trên sở xây dựng mơ hình khảo sát đặc tính khí động học cho cano, tốn thực khảo sát đặc tính khí động học cho cano với cơng cụ tính tốn mơ số CFD 2.2 Cơng cụ tính tốn mơ số CFD CFD cụm từ viết tắt Computation Fluid Dynmaic, tính tốn động lực học chất lỏng Việc ứng dụng cơng cụ phương pháp số máy tính, nhà tính tốn phát triển lên chương trình tính tốn động lực học chất lỏng nói chung Một hhướng CFD ứng dụng cơng cụ mơ số CFD việc giải tốn thực tế Trong nghiên cứu tác giả sử dụng chương trình mơ số ANSYS – Fluent để thực việc nghiên cứu ANSYS Fluent phần mềm với khả mơ hình hóa cách rộng rãi đặc tính vật lý cho mơ hình dịng chảy áp dụng cơng nghiệp Các mơ hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả mơ hình hóa với đối tượng nghiên cứu rộng Phần mềm ANSYS công cụ mạnh để mô phân tích sử dụng tồn giới Nó bao gồm gói chương trình bên để tính tốn, luận văn tác giả sử dụng phần Meshing nhằm tạo mơ hình để tính modul Fluid dynamics – Fluent để mơ trạng thái tàu chạy sử lí kết 20 Hình 2.3 Phân bố dịng, áp suất tác động lên tàu mặt thống, hình ảnh mơ số với dịng pha sử dụng ANSYS-Fluent ➢ ANSYS Fluent có khả mơ hình hóa mơ hình vật lý cần thiết cho mơ hình dịng chảy, rối, truyền nhiệt, phản ứng dạng hình học phức tạp ➢ ANSYS Fluent viết ngôn ngữ lập trình C phần mềm mơ sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method-FVM) ➢ ANSYS Fluent cung cấp chia lưới hoàn toàn linh hoạt, bao gồm khả giải vấn đề dịng chảy sử dụng lưới khơng cấu trúc Hỗ trợ loại lưới bao gồm 2D tam giác, tứ giác, 3D tứ diện, lục giác, kim tự tháp, hình nêm, đa diện lưới hỗn hợp (lưới lai) ANSYS Fluent cho phép ta làm tinh hay thô lưới dựa giải dòng chảy Sau lưới đọc vào ANSYS Fluent, tất thao tác lại thực bên ANSYS Fluent Những thao tác bao gồm điều kiện biên, định nghĩa thuộc tính chất lưu, thực thi giải pháp, tinh chỉnh lưới, hậu xử lý hiển thị kết Các giải ANSYS Fluent dựa phương pháp thể tích hữu hạn: ➢ Vùng chất lỏng phân ly thành hữu hạn tập hợp thể tích điều khiển 21 ➢ Các phương trình bảo tồn (vận chuyển) tổng thể cho khối lượng, động lượng, lượng, hình thái giải tập hợp thể tích điều khiển ➢ Các phương trình vi phân phần liên tục (các phương trình chủ đạo) rời rạc thành hệ phương trình đại số tuyến tính mà máy tính giải Hai giải sẵn có ANSYS Fluent: Bộ giải dựa áp suất: coi động lượng áp suất (hoặc áp suất hiệu chỉnh) biến Các thuật tốn liên kết áp suất- vận tốc bắt nguồn từ tái định dạng phương trình liên tục Trong giải dựa áp suất có hai thuật tốn sử dụng: Thuật toán độc lập: Giải áp suất hiệu chỉnh động lượng cách liên tục Thuật toán liên kết: Giải áp suất động lượng đồng thời Bộ giải dựa mật độ: Các phương trình liên tục, động lượng, lượng, chất giải dạng vector Áp suất đạt qua phương trình trạng thái Các phương trình vơ hướng bổ sung giải theo cách riêng Bộ giải dựa mật độ chạy tường minh ẩn Implicit: dùng phương pháp điểm-ẩn Gauss-Seidel đối xứng khối để giải biến Explicit: dùng phương pháp tích phân tường minh thời gian đa bước Runge-Kutta Trong hai giải này, trường vận tốc thu từ phương trình mơ men Với giải dựa mật độ phương trình liên tục sử dụng để thu trường mật độ trường áp suất thu từ phương trình trạng thái Bằng việc sử dụng hai giải này, ANSYS Fluent giải phương trình tích phân chủ đạo như: phương trình bảo tồn khối lượng, bảo tồn mơ men, bảo tồn lượng đại lượng vô hướng khác rối, dòng phản ứng Trong hai giải dựa phương pháp khối điều khiển bao gồm quy trình tính tốn sau: ➢ Phân chia miền tính tốn thành thể tích rời rạc sử dụng lưới tính tốn 22 ➢ Tích phân phương trình chủ đạo theo thể tích riêng lẻ để xây dựng hệ phương trình đại số biến rời rạc phụ thuộc như: vận tốc, áp suất, nhiệt độ đại lượng vơ hướng ➢ Tuyến tính phương trình rời rạc giải hệ phương trình tuyến tính cập nhật giá trị biến phụ thuộc Hai giải sử dụng quy trình rời rạc hóa giống (thể tích hữu hạn),nhưng cách tiếp cận để tuyến tính hóa giải phương trình rời rạc khác Lựa chọn giải: • Bộ giải dựa áp suất sử dụng thuật toán độc lập (Pressure-based solver): áp dụng cho phạm vi rộng chế độ dòng chảy vận tốc nhỏ, khơng nén tới dịng chảy vận tốc lớn, nén Bộ giải cần nhớ cho phép linh hoạt thủ tục giải • Bộ giải dựa áp suất sử dụng thuật toán liên kết (Pressure-based couple solver): áp dụng cho hầu hết dòng chảy pha, lời giải tốt so với giải Pressure-based solver tiêu chuẩn Không áp dụng với dòng đa pha (Eulerian), trường hợp lưu lượng khối tuần hoàn NITA Bộ nhớ cần gấp 1.5 – lần so với phương pháp giải độc lập • Bộ giải dựa mật độ (Density-based couple solver): áp dụng mối quan hệ liên kết mạnh mẽ phụ thuộc lẫn đại lượng khối lượng riêng, lượng, động lượng chất Trong phần mềm Ansys có thuật tốn có sẵn sau: • Semi-Implicit Method (SIMPLE): mặc định sẵn, tính tốn mạnh mẽ • SIMPLE-Consistent (SIMPLEC): cho phép hội tụ nhanh với toán đơn giản (ví dụ: dịng chảy tần khơng sử dụng mơ hình vật lý cả) • Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO): dùng cho tốn dịng khơng ổn định có lưới chứa phần tử có độ méo cao mức trung bình • Fractional Step Method (FSM): sử dụng cho dịng chảy khơng ổn định, có đặc tính tương tự PISO 23 • Couple: giải liên kết Vấn đề rời rạc hóa sử dụng ANSYS Fluent bao gồm: ➢ Rời rạc hóa theo khơng gian Trong Fluent, biến giải tâm phần tử lưới (các thể tích điều khiển) Các phương pháp nội suy cho toán hạng đối lưu: • First-Order Upwind: dễ hội tụ xác cấp • Second-Order Upwind: cho độ xác cấp 2, cần thiết cho lưới tri/tet hay dịng chảy khơng thẳng hàng với lưới, hội tụ xảy chậm • MUSCL: sơ đồ rời rạc đối lưu cấp cho lưới khơng cấu trúc, xác dự đốn dịng thứ cấp, xốy, lực bậc • QUICK: áp dụng cho lưới tứ giác/lục diện lưới hỗn hợp, hữu ích cho dịng chảy quay/xốy, cho độ xác cấp lưới đồng • Power Law: có độ xác cao First-Order Upwind cho dịng cóRe< 5.Sơ đồ First – order upwind, Second – order upwind third – order Upwind, MUSCL dùng hai giải dựa áp suất mật độ Sơ đồ Power law QUICK dùng giải dựa áp suất giải phương trình vơ hướng bổ sung giải dựa mật độ Các phương pháp nội suy Gradients: • Gradient biến cần thiết để đánh giá khuếch tán thông lượng, đạo hàm vận tốc, cho sơ đồ rời rạc bậc cao • Gradient biến tâm phần tử tính theo phương pháp: o Green-Gauss Cell-Based: sức mạnh tính tốn nhất; lời giải có lỗi khuếch tán o Green –Gauss Node-Based: mức tính tốn/chính xác cao hơn; giảm thiểu lỗi khuếch tán khuyên dùng cho lưới không cấu trúc o Least-Squares Cell-Based: phương pháp mặc định; có độ xác tương tự Node-Based Gradients mức tính toán 24 Trong Ansys Fluent phương pháp Gradient chọn mặc định LeastSquares Cell- Based.Phương pháp Green Gauss Node Based không sử dụng với lưới đa giác Các phương pháp nội suy cho áp suất: Các sơ đồ nội suy cho tính tốn áp suất bề mặt phần tử dùng giải dựa áp suất sau: • Standard: mặc định sẵn; độ xác giảm dịng có thành phần gradient áp suất vng góc bề mặt lớn (nhưng khơng nên áp dụng có thay đổi áp suất lớn dòng chảy- sơ đồ PRESTO áp dụng thay thế) • PRESTO: dùng cho dịng chảy có xốy lớn, dịng chảy có gradient áp suất q lớn (mơi trường rỗng, mơ hình quạt…) miền có độ cong lớn • Linear: áp dụng lựa chọn khác dẫn đến khó hội tụ không tuân theo quy luật vật lý • Second-Order: áp dụng cho dịng nén được; khơng thích hợp cho mơi trường rỗng, bơm, quạt…hoặc mơ hình đa pha VOF( Volume of fraction)/Mixture • Body Force Weighted: áp dụng lực khối lớn, ví dụ đối lưu tự nhiên có số Ra lớn hay dịng chảy có độ xốy lớn ➢ Rời rạc hóa theo thời gian Đối với mô trạng thái không dừng (phụ thuộc vào thời gian), phương trình chủ đạo phải rời rạc hóa theo khơng gian thời gian Sự rời rạc hóa theo thời gian phương trình phụ thuộc vào thời gian giống hệt với trường hợp trạng thái dừng Rời rạc theo thời gian liên quan đến phép lấy tích phân số hạng phương trình vi phân bước thời gian t Trong sơ đồ rời rạc hóa theo thời gian có phép lấy tích phân theo thời gian ẩn phép lấy tích phân theo thời gian 25 2.3 Các bước thực q trình giải tốn CFD Trong q trình thực nghiên cứu với CFD, thơng thường cần thiết phải thực theo bước sau: Đặt vấn đề, Giải vấn đề Đánh giá kết a) Đặt vấn đề Từ nhu cầu thực tiễn cần giải vấn đề mà đặt vấn đề cho tốn mình, từ tìm lời giải cho chúng Ví dụ tốn mơ CFD cho tàu, người thiết kế cần tính tốn số thơng số liên quan đến vấn đề mà tàu gặp phải chạy hệ số ma sát, hệ số cản, hệ số đàn hồi vật liệu, độ bền Người thiết kế đặt câu hỏi, với dạng hình học thiết kế tối ưu chưa? ứng suất sinh có vượt giới hạn cho phép khơng? có đảm bảo độ bền an tồn khơng? Từ đó, người thiết kế cần tính tốn thơng số đầu vào, cần phải tìm thơng số đầu cho tốn CFD b) Giải vấn đề Đây phần quan nhất, nhiệm vụ trung tâm tốn CFD Nó gồm ba giai đoạn : Pre-Processing, Processing, Post-Processing Pre-Processing giai đoạn chuẩn bị để giải tốn CFD, xây dựng mơ hình hình học vật thể, rời rạc hóa vấn đề điểm rời rạc hay gọi lưới điểm.Phương pháp rời rạc phải đảm bảo yêu cầu khả làm việc máy tính, đảm bảo độ xác hội tụ phương pháp tính.Sau xây dựn lưới tính toán, tiến hành lựa chọn phương pháp tính Ở lĩnh vực cụ thể, CFD có phương trình, hệ phương trình cụ thể để giải tốn thuộc phạm vi lĩnh vực Tuy nhiên phương trình mơ tả tốn có dạng tích phân, vi phân khơng tuyến tính phức tạp Mỗi loại phương trình địi hỏi thơng số tối thiểu, đủ để giải cho lời giải, điều kiện đầu, điều kiện biên, điều kiện khép kín Processing giai đoạn tính tốn thực hiện, vấn đề cịn lại can thiệp vào đại lượng thứ sinh (xuất phát từ tổ hợp biến sở hệ phương 26 trình) Ở giai đoạn định sử dụng giải pháp cho phương pháp tính để đảm bảo phương án tối ưu cho u cầu thời gian tính tốn, khả tính tốn độ xác lời giải Post-Processing giai đoạn trực quan xử lý kết Sau giai đoạn Processing hoàn tất, toàn liệu toán ghi lại thành liệu số, nhị phân, mã hóa ổ cứng máy tính Chúng ta hồn tồn xử lý chúng để thu lời giải cho tốn b) Đánh giá kết Phần so sánh kết vừa tìm với kết thực nghiệm lời giải số học để làm tiêu chuẩn điều chỉnh cho phương pháp giải Đối với toán đơn giản mà thực nghiệm đưa kết xác, lời giải tốn học có kết xác kết phải trùng khớp phạm vi sai số chấp nhận được, sai số vượt giới hạn cho phép lúc phải điều chỉnh để có kết xác Đối với tốn phức tạp thực nghiệm lời giải số khó khăn để đưa kết xác, CFD có ưu trường hợp Nếu vấn đề phức tạp mà ba phương pháp khơng đưa kết luận xác ba phương pháp nghiên cứu sâu đặc tính cụ thể đó, CFD lấy lời giải hai lĩnh vực cịn lại làm tiêu chí đánh giá kết 2.4 Mơ hình hóa miền khơng gian tính tốn chia lưới Mơ hình hóa miền khơng gian tính tốn cần thiết chia lưới phần quan trọng tốn mơ kỹ thuật Có q nhiều phần tử lưới khiến việc giải toán trở nên lâu lưới thưa dẫn đến kết thiếu xác ANSYS Meshing cung cấp cơng cụ chia lưới để cân yêu cầu mặt kỹ thuật này, để thu lưới tốt cho tốn mơ theo cách tự động Kỹ thuật chia lưới ANSYS xây dựng dựa công cụ chia lưới tốt nay.Những khía cạnh mạnh mẽ 27 cơng cụ chia lưới tích hợp vào môi trường để tạo khả chia lưới mạnh mẽ Hình 2.2 Ví dụ hình ảnh chia lưới ANSYS Mơi trường chia lưới có tính tự động cao dễ dàng tạo loại lưới: • Lưới tứ diện • Lõi lục giác • Lưới lục diện • Lưới Đề-Các thích nghi vật thể • Lớp biên căng lăng trụ • Cut cell Cartesian • Lớp biên căng lục giác 28 Các môi trường vật lý khác yêu cầu cách tiếp cận lưới khác nhau.Các mô động lực học dịng chảy u cầu lưới có chất lượng cao hình dạng lẫn độ mượt có thay đổi kích thước Các mơ học kết cấu cần sử dụng lưới hiệu thời gian thực tăng lên số lượng phần tử lớn Chia lưới ANSYS cho phép thiết lập môi trường vật lý để chắn người dùng sử dụng loại lưới với mơ cụ thể Các tính ANSYS Meshing Công cụ chia lưới ANSYS Workbench thiết kế với tiêu chí chính: Khả tham số hóa: tạo tham số điều khiển hệ thống Tính ổn định: Các cập nhật mơ hình ln thực thành cơng hệ thống Tính tự động cao: Khả tự động mơ theo qui trình thực với đầu vào giới hạn Tính mềm dẻo: khả thêm điều khiển mà không ảnh hưởng đến trình thực Khả tự động nhận biết mơi trường vật lý tồn hệ thống phân tích Kiến trúc tương thích: Hệ thống mở, gắn thêm tiến trình riêng biệt: CAD trung gian, chia lưới trung gian, giải trung gian v.v… Bằng cách tích hợp cơng nghệ chia lưới tốt vào q trình mơ phỏng, ANSYS Meshing cung cấp giải pháp chia lưới toàn diện Phương pháp chia lưới lục diện Công nghệ ANSYS Meshing cung cấp phương pháp đa dạng để tạo lưới sáu mặt túy lưới sáu mặt đa số (hex-dominant) Kiểu lưới, chất lượng lưới mong muốn thời gian thực trình chia lưới phụ thuộc vào độ phức tạp mô hình,vì ANSYS Meshing cung cấp giải pháp mềm dẻo Tự động 29 tạo lưới lục diện hex-dominant cách nhanh chóng, tạo lưới lục diện có kiểm sốt chặt chẽ, cho giải pháp tối ưu hiệu xác Hình 2.3 Lưới lục diện bao quanh trụ mặt phẳng chiều Hình 2.4 Chia lưới lục diện tự động, sử dụng phương pháp chia lưới Phương pháp chia lướitrực giao o Phương pháp chia lưới tạo tỉ lệ phần trăm phần tử lưới lục diện cao trường xa, để nhận xác kết dịng chất lỏng 30 o Được đặt bề mặt, kiểu phần tử hỗn hợp sử dụng cho phép lưới tạo phần tử lưới phù hợp với chi tiết hình dạng o Các phần tử bề mặt “bơm căng” tạo lớp lăng trụ tròn lục diện để bắt vùng ảnh hưởng vật lý (tường bao) o Tạo lưới lục diện nhanh chóng với thiết lập người dùng tối thiểu khiến cho phương pháp chia lưới phù hợp với mơ hình hình học phức tạp mơ tính tốn động lực học dịng chảy (CFD) Chia lưới mặt cong tự động o Các vật thể uốn cong tự động nhận dạng chia lưới với lưới lục diện o Thiết lập tăng cạnh mặt ghép nối/ ánh xạ thực tự động o Các đường dẫn uốn cong tự động tìm thấy cho miền/vật thể cụm chi tiết đa vật thể o Các biên căng định nghĩa thông qua mặt cong vật thể kết nối bị uốn cong o Các điều khiển kích thước ánh xạ thêm vào, mặt nguồn lựa chọn để thay đổi thực tạo mặt cong tự động o Thêm/chỉnh sửa phần phân tách/các lớp hình học vào mơ hình hỗ trợ nhiều việc tự động hóa để thu lưới lục diện túy Chia lưới mặt cong mỏng o Phương pháp chia lưới nhanh chóng tạo lưới lục diện cho chi tiết mỏng có nhiều mặt có dạng mặt nguồn mặt đích o Phương pháp chia lưới sử dụng kết hợp với phương pháp chia lưới khác o Các điều khiển kích thước ánh xạ thêm vào, mặt nguồn lựa chọn để thay đổi thực tạo mặt cong tự động Chia lưới mặt cong đa miền 31 o Phương pháp tạo mặt cong cao cấp sử dụng để phân tách cấu trúc liên kết tự động, cố gắng tự động tạo lưới lục diện túy đa số mơ hình phức tạp o Cấu trúc liên kết bị phân tách chia lưới với lưới ánh xạ lưới mặt cong Lựa chọn cho phép chia lưới tự cấu trúc liên kết mà không bị ảnh hưởng thiết lập lưới ánh xạ uốn cong o Phương pháp hỗ trợ nhiều lựa chọn nguồn/đích o Các biên căng định nghĩa thông qua mặt cong vật thể kết nối bị uốn cong o Các điều khiển kích thước ánh xạ thêm vào, mặt nguồn lựa chọn để thay đổi thực tạo mặt cong tự động Chia lưới Hex-dominant (lưới lục diện đa số) o Phương pháp chia lưới sử dụng biện pháp chia lưới phi cấu trúc để tạo lưới bề mặt quad-dominant sau điền đầy phần bên lưới hex-dominant o Phương pháp thường tạo phần tử lưới lục diện biên chi tiết ngắn dày, bên sử dụng lưới lai lục diện, trụ, hình chóp lưới tứ diện Phương pháp chia lưới tứ diện Sự kết hợp mạnh mẽ tự động chia lưới bề mặt, lớp biên căng chia lưới tứ diện sử dụng điều khiển vật lý mặc định để chắn lưới chất lượng cao phù hợp cho mô định nghĩa Sử dụng điều khiển cục kích thước, ghép nối, ánh xạ, cấu trúc liên kết ảo, pinch điều khiển khác để tăng khả mềm dẻo, linh hoạt cần thiết 32 Hình 2.5 Chia lưới tự động bao gồm lớp biên căng cho mơ hình phức tạp Phương pháp chia lưới Patch-conforming o Phương pháp sử dụng cách tiếp cận từ lên (tạo lưới bề mặt sau tạo lưới thể tích) o Các thuật thốn chia lưới bề mặt đa tam giác thực ngầm bên để chắn lưới bề mặt chất lượng cao tạo từ lần o Từ lưới bề mặt, lớp biên căng tạo thông qua vài kỹ thuật o Thể tích cịn lại chia lưới với cách tiếp cận diện cao cấp Delaunay, kết hợp tốc độ phương pháp Delaunay với lưới chuyển trơn phương pháp tiếp cận diện nâng cao o Xuyên suốt trình chia lưới chức định kích thước cao cấp mà điều khiển trì dựa làm mịn, mượt tăng cường chất lượng lưới Phương pháp chia lưới Patch-independent o Phương pháp sử dụng cách tiếp cận từ xuống (tạo thể tích lưới trước sau tạo lưới bề mặt từ biên) 33 o Khi mơ hình xây dựng khơng tốt có nhiều vấn đề phổ biến xảy trình chia lưới Nếu sử dụng mơ hình khơng tốt làm để tạo lưới bề mặt lưới thường xảy điều không mong muốn (chất lượng tồi, vấn đề kết nối, v.v ) o Phương pháp Patch-Independent sử dụng hình học để kết hợp mặt biên lưới thành vùng lưới quan tâm, lờ khe hở, vùng gối lên vô số vấn đề công cụ chia lưới khác o Phần lưới thể tích tạo trước lớp biên căng Khi lưới thể tích tồn tại, vấn đề xung đột vấn đề phổ biến khác lớp biên căng biết trước Chú ý: Đối với chia lưới thể tích, lưới tứ diện thường cung cấp giải pháp tự động với khả thêm điều khiển lưới để tăng cường tính xác vùng giới hạn Ngược lại lưới lục diện thường cung cấp giải pháp xác khó tạo Chia lưới bề mặt mặc định o Công cụ chia lưới đa bề mặt sử dụng ngầm định để cung cấp lưới bề mặt cách tự động mạnh mẽ, bao gồm lưới tứ giác, lưới quad-dominant lưới bề mặt tam giác (hồn tồn) o Các điều khiển kích thước ánh xạ thêm vào, mặt nguồn lựa chọn để thay đổi thực tạo mặt cong tự động Ngồi cịn có phương pháp khác để chia lưới tương thích với mơ hình phức tạp khác giới thiệu cụ thể tài liệu ANSYS [18] 2.5 Một số mô hình rối ANSYS FLUENT 2.5.1 Mơ hình rối phương trình (one equation turbulence models) Mơ hình chảy rối phương trình giải phương trình dịng chảy rối (turbulent transport equation) thường động chảy rối.Nguồn gốc mơ hình phương trình chảy rối mơ hình phương trình Prandtl Độ nhớt rối động học: 34 𝑣𝑡 = 𝑘 𝑙 = 𝐶𝐷 𝑘2 (2-1) 𝜀 Mơ hình phương trình Prandtl: 𝜕𝑘 𝜕𝑡 + 𝑈𝑗 𝜕𝑘 = 𝜏𝑖𝑗 𝜕𝑥𝑗 𝜕𝑈𝑖 𝜕𝑥𝑗 − 𝐶𝐷 𝑘2 𝑙 + 𝜕 𝜕𝑥𝑗 [(𝑣 + 𝑣𝜏 ) 𝜕𝑘 𝜎𝑘 𝜕𝑥𝑗 (2-2) ] Hệ số khép kín quan hệ bổ trợ k2 CD l k 1 C D 0.08 Trong đó: T T ij 2 T S ij k ij l : Chiều dài chảy rối k: Động chảy rối ρ: Hệ số tiêu tán T : Độ nhớt rối Mơ hình Baldwin-Barth Độ nhớt rối động học: (2-3) 𝑣t = 𝐶𝜇 𝑣𝑅̃𝜏 𝐷1 𝐷2 Số Reynolds chảy rối: 𝜕 𝜕𝑡 (𝑣𝑅̃𝜏 ) = 𝑈𝑗 𝜕 𝜕𝑥𝑗 𝑣 (𝑣𝑅̃𝜏 ) = (𝐶𝜀2 𝑓2 − 𝐶𝜀1 √𝑣𝑅̃𝜏 𝑃+(𝑣 + 𝜏 ) C 1.2 C 2.0 C 0.09 A0 26 A2 10 C C C k2 U i U j P T xi x j k 0.41 U i U k U k x j xk x k y D1 e A0 - 𝜕𝑉𝜏 𝜕(𝑣𝑅̃𝜏 ) 𝜎𝜀 𝜕𝑥𝑘 𝜕𝑥𝑘 𝜎𝜀 𝜕𝑉𝐾 Hệ số khép kín quan hệ bổ trợ 𝜕2 y D2 e A2 35 𝜕𝑥𝜏 (2-4) + + 𝐶𝜀1 𝐶𝜀1 𝑦+ 𝐷2 −𝑦+ 𝐷1 −𝑦+ ) ( + + 𝐷1 𝐷2 ) [√𝐷1 𝐷2 + ( + 𝑒 𝐴0 + + 𝑒 𝐴2 )] 𝑓2 = + (1 − 𝐶𝜀2 𝐶𝜀2 𝑘𝑦 𝐴2 √𝐷1 𝐷2 𝐴0 Mơ hình Spalart-Allmaras Độ nhớt rối động học: (2-5) 𝑣𝜏 = 𝑣̃𝑓𝑣1 Phương trình độ nhớt rối: 𝜕𝑣̃ 𝜕𝑡 + 𝑈𝑗 𝐶𝑏1 𝑘2 𝜕𝑣̃ 𝜕𝑥𝑗 = 𝐶𝑏1 [1 − 𝑓𝑡2 ]𝑆̃𝑣̃ + {∇[(𝑣 + 𝑣̃)∇𝑣̃ ] + 𝐶𝑏2 ||∇𝑣|| } − [𝐶𝜔1 𝑓𝜔 − 𝜎 𝑣̃ (2-6) 𝑓𝑡2 ] ( ) + 𝑓𝑡1 ∆𝑈 𝑑 Hệ số khép kín quan hệ bổ trợ: Cb1 0.1355 Cb 0.622 Cv1 7.1 C Cb1 1 Cb C 0.3 C k 0.41 k2 x3 C6 x f v1 f f g v2 xf v1 x C v31 g C ~ ~ x g r C (r r ) r ~ 2 Sk d ~ ~ S S 2 f v S 2 ij ij k d ij u i u j x j xi ứng suất tensor d khoảng cách đến bề mặt gần 2.5.2 Mơ hình hai phương trình (two equations model) Mơ hình chảy rối hai phương trình mơ hình phổ biến mơ hình chảy rối.Mơ hình k-epsilon mơ hình k-omega trở thành mơ hình cơng nghiệp tiêu chuẩn sử dụng phổ biến cho hầu hết lĩnh vực kỹ thuật.Mơ hình chảy rối hai phương trình cịn nhiều vấn đề tiếp tục nghiên cứu phát triển 36 Theo định nghĩa, mơ hình chảy rối hai phương trình bao gồm thêm hai phương trình đối lưu để mơ tả cho tính chảy rối dịng chảy.Thơng thường biến đối lưu động chảy rối (turbulent kinetic energy) k, biến đối lưu thứ hai khác phụ thuộc vào kiểu mơ hình hai phương trình.Lựa chọn phổ biến tiêu tán rối (turbulent dissipation) tỉ số tản nhiệt đặc trưng (specific dissipation) Biến thứ hai xem biến xác định chảy rối ( chiều dài thời gian), biến k xác định lượng chảy rối Hai mơ hình phổ biến sử dụng rộng rãi mơ hình hai phương trình là: • Mơ hình k-epsilon • Mơ hình k-omega Ở trình bày mơ hình k-epsilon 2.5.3 Mơ hình k-epsilon Mơ hình K-epsilon mơ hình chảy rối phổ biến nhất, khơng thực tốt trường hợp gradient áp suất lớn.Nó mơ hình hai phương trình, có nghĩa gồm có thêm hai phương trình đối lưu để mơ tả tính rối dịng chảy.Biến đối lưu động chảy rối k, biến đối lưu thứ hai trường hợp tiêu tán rối, biến xác định quy mô rối, biến k xác định lượng chảy rối Mơ hình K-epsilon hữu ích cho dòng chảy tự cắt lớp với gradient áp suất tương đối nhỏ Tương tự, dịng wall-bounded and internal, mơ hình cho kết tốt trường hợp gradient áp suất trung bình nhỏ, độ xác chứng minh thực nghiệm.Từ đó, suy mơ hình K-epsilon khơng thích hợp dịng qua cửa hút gió (inlet) máy nén a) Mơ hình tiêu chuẩn K-epsilon Phương trình đối lưu cho mơ hình tiêu chuẩn K-epsilon Động chảy rối k 𝜕 𝜕𝑡 (𝜌𝑘 ) + 𝜕 𝜕𝑥𝑖 (𝜌𝑘𝑢𝑖 ) = 𝜕 𝜕𝑥𝑖 [(𝜇 + 𝜇𝑡 𝜎𝑘 )] + 𝑃𝑘 + 𝑃𝑏 − 𝜌𝜀 − 𝑌𝑀 + 𝑆𝑘 37 (2-7) Tiêu tán rối ρ 𝜕 𝜕 𝜕 𝜇𝑡 𝜕𝜖 𝜖 𝜖2 (𝜌𝜖) + (𝜌𝜖𝑢𝑖 ) = [(𝜇 + )] + 𝐶1𝜖 (𝑃𝑘 + 𝐶3𝜖 𝑃𝑏 ) − 𝐶2𝜖 𝜌 + 𝑆(2-8) 𝜖 𝜕𝑡 𝜕𝑥𝑖 𝜕𝑥𝑖 𝜎𝜖 𝜕𝑥𝑖 𝑘 𝑘 Mơ hình độ nhớt chảy rối Độ nhớt chảy rối mơ hình hóa sau: 𝜇𝑡 = 𝜌𝐶𝜇 𝑘2 (2-9) 𝜖 Trong đó: Pk u i' u 'j u j u i Pk t S S modul tỉ số ứng suất tensor trung bình S 2S ij S ij Ảnh hưởng lực đẩy Pb g i t T Prt xi Prt = 0.85: số Prandtl hệ số giãn nở nhiệt T p C1 1.44 C2 1.92 C 0.09 k 1.0 1.3 b) Mô hình RNG k-epsilon Mơ hình RNG phát triển cách sử dụng Re – Normalisation Group (RNG) Yakhot loại bỏ phần tử vô hạn (renormalization) phương trình Navier-Stokes Trong mơ hình tiêu chuẩn k-epsilon độ nhớt rối xác định từ chiều dài rối đơn lẻ, thực tế tất chuyển động góp phần vào tiêu tán rối Các phương trình đối lưu Các phương trình đối lưu cho k ε 𝜕 𝜕𝑡 (𝜌𝑘 ) + 𝜕 𝜕𝑥𝑖 (𝜌𝑘𝑢𝑖 ) = 𝜕 𝜕𝑥𝑖 [(𝜇 + 𝜇𝑡 ) 𝜕𝑘 𝜎𝑘 𝜕𝑥𝑗 ] + 𝑃𝑘 − 𝜌𝜀 (2-10) (2-11) 38 𝜕 𝜕 𝜕 𝜇𝑡 𝜕𝜖 𝜖 𝜖2 ∗ (𝜌𝜖) + (𝜌𝜖𝑢𝑖 ) = [(𝜇 + )] + 𝐶1𝜖 𝑃𝑘 − 𝐶2𝜖 𝜌 𝜕𝑡 𝜕𝑥𝑖 𝜕𝑥𝑖 𝜎𝜖 𝜕𝑥𝑖 𝑘 𝑘 Trong đó: ∗ 𝐶2𝜖 = 𝐶2𝜖 + 𝜂=𝑆 𝐶𝜇 𝜂 (1 − 1+ 𝜂 𝜂0 𝛽𝜂 ) 𝑘 𝜖 C1 1.42 C2 1.68 k 0.7194 0.7194 C 0.0845 4.38 0.012 c) Mơ hình Realisable k-epsilon Phương trình đối lưu 𝜕 𝜕 𝜕 𝜇𝑡 𝜕𝑘 (𝜌𝑘 ) + (𝜌𝑘𝑢𝑖 ) = [(𝜇 + ) ] + 𝑃𝑘 + 𝑃𝑏 − 𝜌𝜀 − 𝑌𝑀 + 𝑆𝑘 𝜕𝑡 𝜕𝑥𝑖 𝜕𝑥𝑖 𝜎𝑘 𝜕𝑥𝑗 𝜕 𝜕 (𝜌𝜖) + (𝜌𝜖𝑢𝑖 ) 𝜕𝑡 𝜕𝑥𝑖 𝜕 𝜇𝑡 𝜕𝜖 𝜖2 𝜖 [(𝜇 + )] + 𝜌𝐶1 𝑆𝜖 − 𝜌𝐶2 = +𝐶1𝜖 𝐶 𝑃 + 𝑆𝜖 𝜕𝑥𝑖 𝜎𝜖 𝜕𝑥𝑖 𝑘 3𝜖 𝑏 𝑘 + √𝑣𝜖 Trong đó: C1 max 0.43, 𝜂=𝑆 S 2Sij Sij 𝑘 𝜖 Trong phương trình này, Pk đại diện cho động chảy rối gradient vận tốc trung bình, tính tương tự mơ hình tiêu chuẩn k-epsilon Pb động chảy rối lực đẩy (buoyancy), tính tương tự mơ hình tiêu chuẩn kepsilon Mơ hình hóa độ nhớt chảy rối 𝑘2 𝜇𝑡 = 𝜌𝐶𝜇 𝜖 39 Trong đó: C A0 As kU * ~ ~ U * S ij S ij ij ij ~ ij ij 2 ij k ij ij ij k ij tỉ số quay tensor trung bình (the mean rate-of-rotation tensor) xem hệ quy chiều quay với vận tốc góc k Hằng số A0và As A0 4.04 As cos S S S ~ u j u i cos 1 ( 6W ) W ij ~jk3 ki S 2S ij S ij S ij xi xj S C1 1.44 C2 1.9 k 1.0 1.2 40 CHƯƠNG III: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC THÂN CANO THƠNG QUA SỬ DỤNG CFD 3.1 Quy trình chung thực tốn mơ số CFD Về bản, bước giải toán FLUENT tương tự bước giải tốn cơng cụ mơ số CFD nói chung Với phiên FLUENT ANSYS 14.5, quy trình thực tốn bao gồm bước sau: ▪ Bước 1: Xây dựng mơ hình tính mơ số công cụ vẽ thiết kế kỹ thuật Mơ hình xây dựng nhiều phần mềm CAD SOLIDWORK, CATIA, INVENTOR, AutoShip, Napa, AVEVA sau đưa vào Ansys vẽ trực tiếp công cụ thiết kế mơ hình thiết kế sẵn Ansys DesignModeler ▪ Bước 2: Xây dựng không gian tính mơ chia lưới lưới Trong bước Ansys thiết kế công cụ để thực việc chia lưới, chia lưới tùy theo yêu cầu tốn đặt Lưới tính tốn chia trực tiếp từ công cụ Ansys ANSYS Meshing, ICEM CFD, Gambit lưới chia thực chia cơng cụ khác sau đưa vào Ansys ▪ Bước 3: Đặt điều kiện biên tính tốn FLUENT Sau hồn thành lưới chia, tốn thực cơng đoạn việc tính tốn mơ bao gồm: lựa chọn mơ hình tính tốn, mơ hình rối, mơ hình tầng, mơ hình nhiều pha …tiếp đến việc lựa chọn điều kiện biên thích hợp cho tốn Điều kiện biên chủ yếu điều kiện tính tốn đầu vào, đầu ra, tường không gian thiết kế phần ▪ Bước 4: Xử lý kết phân tích Sau q trình thực tính tốn kết thúc, tốn hội tụ chuyển sang thực bước xử lý kết phân tích tốn Trong q trình thực hiện, cần xuất kết cần thiết thực đánh giá, ước lượng so sánh với 41 để kết luận kết tính tốn thu có tin cậy hay không Trong trường hợp kết chưa tốt cần phải hiệu chỉnh tồn tốn thực tính tốn lại theo quy trình 3.2 Mơ hình cano sử dụng tính mơ số CFD Trong luận văn này, mơ hình cano chở khách cỡ nhỏ sử dụng để khảo sát nghiên cứu với tỷ lệ đồng dạng hình học 1/10 Trong mục này, tác giả xin giới thiệu sơ thiết kế cano chở khách tính tốn thiết kế Hình 3.1 thể đường hình dáng cano thiết kế Bảng 3.1 thể thông số cano Hình Đường hình dáng tàu hàng Bảng Thơng số kích thước tàu Tên Ký hiệu Trị số Đơn vị Chiều dài cano L m Chiều rộng cano B 1.85 m Chiều cao cano H 0.8 m 42 Trên sở sử dụng phân mềm chuyên dụng AutoShip, thực thiết kế tính tốn yếu tố tính cano, đồng thời xây dựng mô hình thân cano để phục vụ q trình tính tốn khảo sát đặc tính khí động học cho thân cano Hình Thiết kế cano phần mềm chuyên dụng Auto-Ship, sử dụng mơ hình thân cano nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động học với CFD 43 Hình 3 Mơ hình cano hồn thiện sử dụng nghiên cứu Trên sở tính tốn thiết kế cano phần mềm Auto-Ship thu thông số tính tốn cần thiết cho cano Bảng kết thực tính tốn yếu tố tính cano thể thể yếu tố thủy lực cano theo chiều chìm khác 44 Bảng Thơng số kích thước cano depth = 0.2 (m) LWL 4.218 LCF 4.149 Cp 0.9 Cv BWL 1.029 LCB 3.905 Cvp 0.509 L/B 5.218 4.1 V 0.4 VCB 0.135 Cb 0.451 WPA 3.85 D 0.39 BMt 0.779 Cm 0.501 WSA 4.52 0.914 MCT 0.008 Cwp 0.887 Imm 3.946 LWL 4.834 LCF 3.808 Cp 0.845 Cv 14.062 BWL 1.601 LCB 3.849 Cvp 0.565 L/B 3.019 GM depth=0.4(m) V 1.63 VCB 0.266 Cb 0.513 WPA 7.03 D 1.59 BMt 0.886 Cm 0.607 WSA 8.74 1.153 MCT 0.022 Cwp 0.908 Imm 7.206 LWL 5.424 LCF 3.552 Cp 0.811 Cv BWL 1.722 LCB 3.712 Cvp 0.631 L/B 3.15 GM depth=0.6(m) 19.884 V 3.25 VCB 0.384 Cb 0.566 WPA 8.39 D 3.17 BMt 0.598 Cm 0.698 WSA 11.83 0.982 MCT 0.031 Cwp 0.898 Imm 8.596 GM 3.3 Thiết kế miền khơng gian tính tốn, chia lưới đặt điều kiện biên Trong luận văn này, sở tham khảo tài liệu nghiên cứu tính tốn đặc tính khí động học tàu thủy tài liệu hướng dẫn sử dụng CFD [4, 5, 6, 7, 12, 13, 14, 15, 16, 18] miền không gian tính tốn khảo sát đặc tính khí động học thân tàu thiết kế với giới hạn kích thước sau: 45 Miền khơng gian tính tốn hình bán trụ, có kích thước đầu nửa đường trịn bán kính chiều dài cano, khoảng cách từ đầu vào Inlet tới mũi cano khoảng 1.5L chiều dài cano từ đuôi cano tới đầu Outlet khoảng 2.5L chiều dài cano Với tỷ lệ mơ hình tính tốn 1/10, miền khơng gian tính tốn thiết kế với chiều dài 3.6m; chiều rộng 1.2m chiều cao 0.6m tương ứng với 0.6m chiều dài mơ hình cano Chia lưới miền khơng gian tính tốn với kiểu lưới khơng cấu trúc 1.326 triệu lưới T Hình 3.4 Miền khơng gian tính tốn chia lưới Trong luận văn này, mơ hình rối k-epsilon cho dịng khơng dừng lựa chọn sử dụng, đầu vào đặt điều kiện với vận tốc vào, đầu đặt điều kiện với 46 áp suất ra, thành bao áp dụng điều kiện tường cứng Bảng 3.2 thể thơng số đầu vào phục vụ cho tính tốn mơ số CFD Tên Bảng 3.2 Một số điều kiện tính mơ Giá trị Đơn vị Mơ hình rối k-epsilon - Đầu vào: Velocity inlet, V∞ - 15 m/s Đầu ra: Pressure outlet, pout 1.025 105N/m2 Khối lượng khơng khí, 1.225 kg/m3 Độ nhớt động học, 1.789 10-5kg/ms Số Reynolds, Rn 0.2 - 5.106 Hình 3.5 Thiết lập điều kiện tính tốn cho tốn mô số CFD 47 3.4 Kết mô số phân bố áp suất dòng bao quanh cano Trong phần số kết tính mơ thân cano phần mặt nước thể phân tích Các hình ảnh kết thể đặc tính khí động học phân bố áp suất dịng bao quanh thân cano khảo sát Hình 3.6 Phân bố áp suất bao quanh thân cano khảo sát góc ngóc mũi độ 48 Hình 3.7 Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu mặt cắt dọc tâm Hình 3.8 Phân bố áp suất bề mặt thân cano góc ngóc mũi độ 49 Kết thể hình 3.6; 3.7 3.8 cho thấy phân bố áp suất dòng bao quanh thân cano khảo sát Đây đặc tính khí động học quan trọng cần khảo sát cano nghiên cứu thiết kế nhằm nâng cao hiệu khai thác sử dụng cano Từ kết phân bố áp suất, dòng bao quanh cano hiểu cách rõ ràng nguyên nhân gây lực cản phân bố lực cản khí động tác động lên cano Thông qua kết giúp nhà thiết kế, nghiên cứu tìm biện pháp làm giảm ảnh hưởng, tác động mạnh gây lực cản khí động Hình 3.9, 3.10 3.11 thể phân bố áp suất dòng bao quanh thân cano trường hợp khảo sát cano với góc ngóc mũi độ vận tốc 5m/s Hình 3.9 Phân bố áp suất bao quanh thân cano góc ngóc mũi độ, vận tốc 5m/s 50 Hình 3.10 Phân bố vận tốc dịng xung quanh tàu mặt cắt dọc tâm Hình 3.11 Phân bố áp suất bề mặt diện tích thân cano góc ngóc mũi độ, vận tốc 5m/s 51 3.5 Kết CFD lực cản khí động tác động lên cano Trong phần này, lực cản tác động lên tàu tính tốn theo vận tốc khai thác góc ngóc mũi khác Bảng 3.3, 3.4 3.5 thể thành phần lực cản tác động lên thân cano tính tốn tương ứng với vận tốc khai thác khác góc ngóc mũi thay đổi từ độ đến độ Bảng 3.3 Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano góc ngóc mũi độ V, m/s Lực cản áp suất gây ra, N Lực cản ma sát gây ra, N Lực cản tổng cộng, N 0.5 0.00216 0.000287 0.002445 0.03017 0.002887 0.033057 0.07765 0.007267 0.084912 0.15243 0.01309 0.16552 Bảng 3.4 Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano góc ngóc mũi độ V, m/s Lực cản áp suất gây ra, N Lực cản ma sát gây ra, N Lực cản tổng cộng, N 0.108302 0.011266 0.119568 0.187034 0.020465 0.207499 0.387698 0.035699 0.423397 Hình 3.12- 3.14 thể kết tính mơ lực cản gió tác động lên cano theo thay đổi vận tốc cano Từ đồ thị cho thấy rõ thay đổi lực cản khí động theo vận tốc trường hợp góc ngóc mũi cano thay đổi từ độ đến độ Kết này, cho thấy việc nghiên cứu lực cản gió tác động lên cano cần thiết cho việc khai thác cano chở khách nhằm nâng cao hiệu kinh tế Căn theo biến đổi lực cản gió tác động lên cano theo góc ngóc mũi vận tốc 52 cano giúp việc khai thác cano đạt hiệu cao việc lưu thơng hợp lý để giảm lực cản gió MV, 0dec 1.2 CT 0.8 0.6 0.4 0.2 0.5 V, m/s Hình 3.12 Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, góc ngóc mũi độ MV, dec 0.38 0.37 0.36 CT 0.35 0.34 0.33 0.32 0.31 0.3 10 V, m/s Hình 3.13 Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, góc ngóc mũi độ 53 MV, dec 0.9 0.8 0.7 CT 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 10 15 V, m/s Hình 3.14 Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, góc ngóc mũi độ Bảng 3.5 Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano góc ngóc mũi độ V, m/s Lực cản áp suất gây ra, N Lực cản ma sát gây ra, N Lực cản tổng cộng, N 0.149992 0.010864 0.160855 0.274992 0.019746 0.294738 10 0.457481 0.036851 0.494332 15 1.055868 0.07253 1.128398 Kết tính tốn lực cản khí động tác động lên thân cano khảo sát theo điều kiện thay đổi vận tốc góc ngóc mũi khác cho thấy rõ ảnh hưởng khác lực cản thành phần lực cản vào trạng thái khai thác cano vận tốc khai thác thay đổi Trong trạng thái khai thác với góc ngóc mũi nhỏ độ, hệ số lực cản ổn định không thay đổi nhiều vận tốc tàu tang lên Tuy nhiên góc ngóc mũi tang lên độ hệ số lực thay đổi phức tạp Vấn đề chứng tỏ vận tốc lớn góc ngóc mũi cao thành phần lực cản khí động thay đổi lớn, dao động Từ tính tốn cho thấy việc khai thác tàu quan trọng tư tàu tương ứng, đặc biệt cano chở 54 khách trạng thái khai thác có ảnh hưởng lớn đến lực khí động tác động lên cano đồng thời ảnh hưởng đến an toàn chất lượng khai thác cano khách Trong chương này, việc khảo sát đặc tính khí động cano chở khách thực với vận tốc khai thác trạng thái khai thác cano với góc ngóc mũi thay đổi khác Những kết nghiên cứu quan trọng q trình nghiên cứu, tính tốn thiết kế cải thiện đặc tính khí động học cho cano chở khách giúp ích cho việc cải thiện hiệu vấn đề khai thác cano trình vận hành để nâng cao hiệu kinh tế khai thác cano Trong chương vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng thân cano đến lực cản khí động nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên thân cano thực 55 CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CANO 4.1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu giảm lực cản khí động cho cano khách Trong phần này, tác giả trình bày sở số yếu tố ảnh hưởng đến lực cản khí động tác động lên cano chở khách để từ đưa số biện pháp làm giảm lực cản khí động tác động lên cano nhằm nâng cao hiệu khai thác vận tải khách cho cano Từ việc tính tốn lực cản khí động cho thấy, lực cản gió tác động lên tàu phụ thuộc vào yếu tố vận tốc chạy tàu, môi trường khai thác tàu, diện tích mặt hứng gió Sau phân tích yếu tố ảnh hưởng đến lực cản khí động tác động lên tàu này: Mơi trường khai thác tàu: yếu tố rộng để nghiên cứu môi trường khác nhau, làm cho lực cản khí động tác động lên tàu khác Trong công thức kinh nghiệm nhiều nhà khoa học đề cập đến ảnh hưởng môi trường khai thác đến lực cản hệ số kinh nghiệm lực cản khí động Trong luận văn này, tác giả khơng sâu nghiên cứu ảnh hưởng môi trường khai thác đến lực cản gió Vận tốc khai thác tàu: yếu tố có quan hệ bình phương với lực cản Như vận tốc khai thác có ảnh hưởng rõ rệt đến lực cản Trong nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng yếu tố vận tốc tàu, vận tốc tăng lên lực cản khí động tăng lên tuyến tính với vận tốc, theo quy luật parabol Tuy nhiên vận tốc lớn mức độ thay đổi lực cản khí động tăng vọt Trên sơ nghiên cứu ảnh hưởng dải vận tốc khai thác tàu, nhà nghiên cứu đưa dải vận tốc kinh tế để áp dụng khai thác vận tải nói chung Hinh 4.1 thể thay đổi cấu trúc dịng xốy thay đổi vận tốc dịng tác động lên vật thể hình trụ hình hộp Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng theo dải vận tốc kinh tế khai thác 56 tàu tính tốn đưa Tác giả không nghiên cứu thay đổi vận tốc ảnh hưởng đến lực cản khí động Hình dáng thân, diện tích mặt hứng gió: Trong nhiều nghiên cứu cho thấy hình dáng có ảnh hưởng rõ rệt đến lực cản khí động Sự ảnh hưởng này, thường đề cấp đến hệ số lực cản khí động Trong cơng thức kinh nghiệm lực cản khí động thể thơng qua yếu tố diện tích mặt hứng gió Tuy nhiên kể đến diện tích mặt hứng gió chưa đủ để bộc lộ hết ảnh hưởng hình dáng khí động đến lực cản khí động, hình 4.1 Đây vấn đề nhiều nhà nghiên cứu qua tâm để tìm giải pháp làm giảm lực cản khí động cho tàu Trong luận văn tác giả nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng thân cano đến lực cản để nhằm làm giảm lực cản khí động tác động lên cano khảo sát Hình Sự phân bố dòng bao quanh vật thể trụ hộp theo số Reynolds 57 4.2 Ảnh hưởng hình dáng thân đến đặc tính khí động cano 4.2.1 Mơ hình tính tốn điều kiện khảo sát Trong phần này, số hình dáng thân cano khảo sát nhằm đưa ảnh hưởng hình dáng thân đến đặc tính khí động học cano Theo sở đó, bốn dạng tuyến hình đặc thù tàu cỡ nhỏ, cano chở khách cỡ nhỏ bao gồm dạng: dạng tuyến hình tam giác; dạng tuyến hình cong trơn; tuyến hình vát góc dạng tuyến hình vng dạng U, sử dụng tính tốn khảo sát so sánh với Hình 4.2-4.5 thể hình dáng mẫu cano sử dụng nghiên cứu Hình 4.2 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình tam giác, N1 Hình 4.3 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình cong trơn, N2 58 Hình 4.4 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình vat góc, N3 Hình 4.5 Đường hình dáng cano dạng tuyến hình vuông dạng U, N4 Trên sở xây dựng mơ hình tính tốn khảo sát cho cano trình bày nội dung trước luận văn Các mơ hình cano tương ứng với hình dáng tuyến hình N1 – N4 thiết lập tốn khảo đặc tính khí động học 59 Hình 4.6 Mơ hình cano với dạng tuyến hình khác N1-N4 sử dụng tính tốn mơ số CFD 60 Bảng 4.1 thể thơng số kích thước hình dáng mơ hình cano sử dụng nghiên cứu Bảng 4.1 Thơng số kích thước chủ yếu cano sử dụng nghiên cứu Thông số N1 N2 N3 N4 Đơn vị Chiều dài tàu, L 6,0 6,0 6,0 6,0 m Chiều rộng tàu, B 1,85 1,85 1,85 1,85 m Chiều cao mạn, D 0,80 0,80 0,80 0,80 m Chiều chìm , d 0,20 0,20 0,20 0,20 m Lượng chiếm nước, ∆ 0,19 0,75 0,39 1,11 1,15 2,44 2,38 1,57 m2 Diện tích hứng gió cân bằng, Sx Từ mơ hình cano xây dựng, thực việc việc thiết kế miền không gian tính tốn chia lưới cho tốn khảo sát Từ thực bước thực tốn tính mơ số CFD đặc tính khí động học cho cano trình bày phần trước luận văn Hình 4.7 thể miền khơng gian tính tốn chia lưới Trong tốn khảo sát này, lưới không cấu trúc dạng T sử dụng, chia lưới miền khơng gian tính tốn với kiểu lưới không cấu trúc tạo khoảng 1.3 triệu lưới Các điều kiện tính tốn điều kiện biên thiết lập tương tự mơ hình tương tự trình bày phần trước luận văn Bảng 4.2 thể điều kiện biên tính tốn điều kiện tính tốn sử dụng tốn mơ đặc tính khí động học mẫu cano khảo sát 61 Hình 4.7 Miền khơng gian tính tốn chia lưới thực tính mơ số đặc tính khí động mẫu cano khảo sát Bảng 4.2 Thông số đầu vào điều kiện tính tốn sử dụng nghiên cứu Tên Giá trị Đơn vị Mơ hình rối k-epsilon - Đầu vào: Velocity inlet, V∞ 0-7 m/s Đầu ra: Pressure outlet, pout 1,.025 105N/m2 Khối lượng khơng khí, 1,225 kg/m3 Độ nhớt động học, 1,789 10-5kg/ms Số Reynolds, Rn 0,2 - 5.106 62 4.2.2 Kết tính tốn khảo sát ảnh hưởng hình dáng thân cano đến đặc tính khí động học Hình dáng thân có ảnh hưởng lớn đến đặc tính khí động lực học cano, phần ảnh hưởng hình dáng thân tư khai thác cano đến phân bố áp suất dòng bao quanh tàu khảo sát Hình 4.8 – 4.11 thể so sánh phân bố áp suất dịng bao quanh thân cano với hình dáng tuyến hình khác với tư khai thác tương ứng với góc ngóc mũi cano thay đổi khác Hình 4.8 Phân bố áp suất xung quanh mẫu cano khảo sát trạng thái cân bằng, Rn=0,2.106 63 Hình 4.9 Phân bố dịng xung quanh cano trạng thái cân bằng, Rn=0,2.106 64 Hình 4.10 Phân bố áp suất xung quanh cano trạng thái khai thác có góc ngóc mũi độ, Rn=5.106 65 Hình 4.11 Phân bố dịng xung quanh cano trạng thái khai thác với góc ngóc mũi độ, Rn=5.106 66 Các kết thể phân bố áp suất dòng bao quanh mẫu cano khảo sát cho thấy rõ ảnh hưởng hình dáng biên dạng thân cano đến đặc tính khí động học Đồng thời tương ứng với trạng thái khai thác cano khác nhau, với góc ngóc mũi khác đặc tính phân bố áp suất dịng bao quanh cano thay đổi rõ ràng hình ảnh thể Các kết phân bố áp suất dòng bao quanh thân cano sở cần thiết sử dụng việc thực cải thiện hình dáng, trạng thái khai thác cano nhằm nâng cao hiệu kinh tế khai thác cano chở khách đảm bảo an toàn nâng cao chất lượng dịch vụ vận tải khách cano Hình 4.12 4.13 thể kết tính tốn so sánh lực cản khí động tác động lên thân cano khảo sát trường hợp cân tư khai thác cano với góc ngóc mũi độ Hình 4.12 Lực cản khí động tác động lên mẫu cano khảo sát trạng thái cân với góc ngóc mũi độ 67 Hình 4.13 Lực cản khí động tác động lên mẫu cano khảo sát trạng thái khai thác ngóc mũi độ Kết tính tốn lực cản khí động tác động lên thân cano khảo sát cho thấy dải vận tốc tương ứng số Reynolds từ 0,2.106 đến 5.106 ảnh hưởng hình dáng thân cano tư khai thác cano rõ ràng Trên so sánh lực cản khí động cho thấy mẫu cano hình dáng dạng tam giác có diện tích mặt hứng gió nhỏ so với mẫu khác lại có lực cản khí động tác động lên thân cano cao Mẫu cano với dạng tuyến hình cong trơn vát góc có diện tích mặt hứng gió lớn hơn, nhiên lực khí động tác động lên mẫu lại nhỏ so với mẫu khác, đặc biệt trạng thái tư cano có góc ngóc mũi cao độ Kết thu thơng qua tính tốn mơ số CFD sở để thực việc tối ưu hình dáng khí động học cho cano sở cho nghiên cứu tối ưu trạng thái tư hoạt động an toàn hiệu cho loại tàu 68 4.3 Nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên cano Trong phần này, số giải pháp đưa nhằm giảm lực cản tác động lên thân cano chở khách thực Theo kết nghiên cứu trình bày phần trước cho thấy: - Lực cản khí động tác động lên cano phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: Hình dáng thân cano; tốc độ khai thác; tư khai thác cano tương ứng với góc ngóc mũi khác Mỗi yếu tố có ảnh hưởng đến lực cản khí động tác động lên cano thay đổi khác - Lực cản khí động tác động lên cano thay đổi tùy thuộc vào dải tốc độ khai thác cano Trong dải vận tốc định, lực cản khí động thay đổi phụ thuộc vào diện tích mặt hứng gió cano khác - Mức độ ổn định lực cản khí động tác động lên cano thay đổi phụ thuộc vào vận tốc khai thác cano Ở dải vận tốc thấp, tư khai thác cano ứng với góc ngóc mũi nhỏ giá trị lực cản có xu ổn định Khi vận tốc khai thác cao, tư khai thác với góc ngóc mũi lớn giá trị lực cản khí động thay đổi nhiều, biến thiên phức tạp Từ nhận xét cho thấy, để cải thiện đặc tính khí động học cho cano, thực theo nhiều biện pháp khác Trong phần này, số giải pháp nhằm đưa giúp giảm lực cản cho cano thể sau: - Điều chỉnh hợp lý tư khai thác cano, tương ứng với vận tốc khai thác cano thích hợp Như trình bày phần trước, tư ứng với góc ngóc mũi thay đổi khác có ảnh hưởng đến lực cản khí động tác động lên cano khác Vì hạn chế góc ngóc mũi cho tàu giúp ổn định lực cản khí động tác động lên cano Theo giảm lực cản khí động so với trường hợp khai thác cano tư có góc ngóc mũi lớn - Cải thiện hình dáng thân cano nhằm thay đổi phân bố áp suất đường dòng bao quanh cano Giúp thay đổi phân bố áp suất, giảm diện tích vùng áp suất 69 cao tác động lên cano, làm giảm vùng nhiễu động dịng bao quanh cano Theo giúp giảm lực cản khí động tác động lên cano Hình 4.14 thể hình dáng mẫu cano thay đổi biên dạng thượng tầng mũi so với mẫu ban đầu đề xuất nhằm giảm lực cản khí động tác động lên cano Hình 4.14 Hình dáng mẫu cano thay đổi thiết kế thượng tầng mũi 70 Các thơng số kích thước mẫu cano đưa giữ nguyên, giống với mẫu cũ khảo sát Từ mẫu cano thực khảo sát đặc tính khí động tác động lên thân theo dải vận tốc khai thác với số Reynold từ 0.17x106 đến 3.3x106 thông qua sử dụng CFD Hình 4.15 đến 4.17 thể kết tính tốn CFD phân bố áp suất dịng bao quanh thân cano khảo sát Hình 4.15 Phân bố áp suất dòng bao quanh thân cano N5 Rn=0.2x106 71 Hình 4.16 Phân bố áp suất dịng bao quanh thân cano N5 Rn=0.2x106 72 Hình 4.17 Phân bố áp suất dòng bao quanh thân cano N5 Rn=1.7x106 73 Bảng 4.3 thể kết so sánh lực cản khí động tác động lên thân cano trước sau thay đổi mẫu N3 N5 Đồ thị thể hình 4.18 thể kết so sánh lực cản khí động tác động lên mẫu N3 N5 Bảng 4.3 Bảng tính giá trị lực khí động hệ số lực khí động tác động lên tàu Ra, N Cx 10 xRn %R N3 N5 N3 N5 0.2 0.00245 0.00132 1.11096 0.6559 -46 1.0 0.03306 0.02988 0.41716 0.4118 -10 1.7 0.08491 0.07922 0.38576 0.3929 -7 2.3 0.16552 0.15170 0.38365 0.3839 -8 Hình 4.18 Lực cản khí động tác động lên thân cano Từ kết cho thấy, việc thay đổi hình dáng thượng tầng giúp giảm lượng tương đối lớn lực cản gió tác động lên cano, theo kết tính mơ cho thấy với mẫu N5 giúp giảm từ 8-46% tổng lực cản 74 khí động tác động lên cano Trong trường tốc độ cao so với tư khai thác ngóc mũi độ, lượng giảm lực cản khí động tác động lên cano lên tới 50% Hình 4.19 thể kết so sánh trường hợp cano tư cân tư thể nghiêng độ so với mẫu cano ban đầu Kết tính tốn chi tiết thể bảng 4.4 Hình 4.19 Lực cản khí động tác động lên thân cano Bảng 4.4 Bảng tính giá trị lực khí động hệ số lực khí động tác động lên tàu Ra, N Cx 106xRn %R N3(7độ) N5 N3 (7độ) N5 0.2 0.160855 0.07922 0.44118 0.39296 -51 1.0 0.294738 0.15169 0.80838 0.38391 -49 1.7 0.494332 0.30690 0.33895 0.38059 -38 2.3 1.128398 0.67909 0.77371 0.37429 -40 75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết Luận Ứng dụng công cụ mơ số CFD tính tốn lực cản khí động phương pháp nghiên cứu đại phổ biến giới, nhiên phương pháp phù hợp sử dụng nước ta Sử dụng công cụ CFD giúp ta tiết kiệm thời gian kinh phí tính tốn nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm mơ hình, so sánh với phương pháp nghiên cứu lý thuyết truyền thống kết hợp với thực nghiệm Trong phương pháp nghiên cứu lý thuyết sử dụng công cụ mô số CFD, giúp nhà nghiên cứu có hình ảnh trực quan phân bố vận tốc, áp suất, dòng bao quanh tàu Các kết giúp nhà nghiên cứu quan sát trực quan sinh động tượng vật lý dòng chảy bao quanh thân tàu Từ giúp đánh giá cách tổng thể đặc tính khí động hình dáng thân tàu, đặc biệt khu vực tạo dịng xốy, để từ có thiết kế phù hợp cho mẫu tàu giảm lực cản Trên sở mô số, thành phần lực cản khí động tác động lên tàu tính tốn so sánh, để tìm yếu tố thay đổi tích cực, giúp giảm lực cản gió tác động lên thân tàu, đưa khuyến cáo tư khai thác tàu tốt Từ sở tính tốn mơ số giúp nhà thiết kế, nghiên cứu tìm biện pháp làm giảm lực cản, tối ưu hình dáng cho tàu kiến trúc thượng tầng tàu đưa giải pháp giúp cải thiện hiệu khai thác tàu có sở điều chỉnh tư tàu với góc ngóc mũi phù hợp Trên sở tính tốn, phân tích kết mơ số CFD, luận văn giải bước đầu sử dụng CFD tốn khí động học, đưa số giải pháp thay đổi tư khai thác cho cano hình dáng thượng tầng cano nhằm nâng cao hiệu khai thác cano thơng qua việc giảm lực cản gió 76 Kiến nghị Do giới hạn thời gian làm luận văn cao học, giới hạn tốc độ xử lý máy tính cá nhân, đề tài dừng lại khảo sát lực cản khí động cho loại thân tàu định cano chở khách cỡ nhỏ Trên thực tế có nhiều loại tàu khác cần nghiên cứu cụ thể Cũng lý này, luận văn, tác giả đưa số đề xuất thay đổi tư khai thác tàu hình dáng thượng tầng cano Chưa khảo sát chi tiết thay đổi nhiều yếu tố khác cano Các vấn đề tác giả xin tiếp tục mở rộng nghiên cứu sau Trong tính tốn mơ phỏng, việc cần thiết phải có thực nghiệm để kiểm nghiệm so sánh đánh giá kết tính tốn mơ Trong luận văn này, hạn chế điều kiện thực nghiệm nên tác giả chưa có điều kiện để thực thực nghiệm cần thiết để kiểm chứng kết tính tốn mô Tác giả xin kiến nghị thực số thực nghiệm liên quan sau có điều kiện nghiên cứu tiếp đề tài Tác giả xin chân thành cảm ơn toàn thể quan, tổ chức, phịng ban, thầy tận tình giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn 77 BẢNG GIẢI THÍCH KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu, từ viết tắt A CFD CA, CT Cb Cms Cp Cwp Cws Cy Cx D L B T H GM KML KMT LCB LCF LCG MTcm N V R Re, Rn Fr p ĐN Tên gọi Diện tích mặt hứng gió tàu Computational Fluid Dynamics Hệ số lực cản khí động tàu Hệ số béo thể tích Hệ số béo sườn Hệ số lăng trụ Hệ số béo đường nước Hệ số béo mặt ướt Hệ số lực nâng, Hệ số lực cản Lượng chiếm nước Chiều dài tàu Chiều rộng tàu Chiều chìm tàu Chiều cao mạn tàu Khối lượng riêng chất lỏng Chiều cao ổn đinh ban đầu Chều cao tâm ổn định dọc Chều cao tâm ổn định ngang Hồnh độ tâm Hồnh độ tâm diện tích đường nước Hồnh độ trọng tâm Mơmen nghiêng dọc Cơng suất máy tàu Vận tốc tàu Lực cản tác động lên thân tàu Số Reynolds Số Fruode Áp suất Đường nước Re (Rn) Fr (Fn) Số Reynolds Số Froude 78 Đơn vị m2 m m m m Kg/m3 m m m m m m T-m/deg Kw m/s N N/m2 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Quang, Phạm Đức Nhuận Kỹ Thuật Thủy khí NXB KHKT Hà Nội 2009 [2] Lương Ngọc Lợi Cơ học thủy khí ứng dụng NXB Bách Khoa, Hà Nội 2011 [3] Nguyễn Phước Hoàng ( Chủ biên), Phạm đức Nhuận, Nguyễn Thạc Tân Thủy lực máy thủy lực NXB đại học trung học chuyên nghiệp, Hà nội 1979 [4] Ngô Văn Hệ, Ngô Văn Hiền Sử dụng Auto-Ship thiết kế tàu, phần 1, phần NXB Bách khoa Hà Nội, 2011, 2018 [5] Ngo V.H, Y Ikeda (2013) “A Study on Interaction Effects between Hull and Accommodation on Air Resistance of a Ship” Proceeding of the JASNAOE, Hiroshima, Japan, Vol.16, ISSN: 2185-1840, pp.278-281 [6] Ngo V.H, K Mizutani, Y Ikeda (2014) “Reducing air resistance acting on a ship by using interaction effects between the hull and accommodation” Proceeding of the 7th AUN/SEED-Net RCMME 2014, Hanoi, Vienam, pp.497501 [7] Ngô Văn Hệ, Hoàng Văn Hiếu, Lê Thị Thái “Nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng thân tàu chở khách cỡ nhỏ đến đặc tính khí động học tàu” Hội nghị quốc tế khoa học công nghệ hàng hải 2016, Hải Phòng, pp 188-196 [8] Nguyễn Văn Cường Luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Cơ khí Động lực, ĐH Bách khoa Hà Nội 2016 [9] Nguyễn Ngọc Nguyên, Luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Cơ khí động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2017 [10] I M Viola, J Enlander, H Adamson (2014).”Trim effect on the resistance of sailing planning hulls” Ocean Engineering, Vol.88, pp.187-193 [11] E Becgovic, C Bertorello, S Pennino, V Piscopo, A Scamardella (2016) “Statistical analysis of planning hull motions and accelerations in irregular head sea” Ocean Engineering, Vol 112, pp 253-264 [12] Versteeg H K., Malalasekera W (2007), An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method, 2nd Edition, Pearson Education 79 [13] Mohammadi B., Pironneau O (1994), Analysis of the K-epsilon turbulence model, Wiley & Sons [14] Chainani A, Perera N, July 2008, “CFD Investigation of Airflow on a Model Radio Control Race Car”, Proceedings of the World Congress on Engineering 2008, Vol II, London, U.K [15] ITTC, 2011, Practical Guideline for Ship CFD Application, No 7.53-01-03 [16] http://www.cfd-online.com/Wiki/Best_practise_guidelines [17] http://www.doylesails.com/news/labels/racing [18] http://www.cd-adapco.com/cfdImage/ship-hydrodynamics [19] http://dit-archives.epfl.ch/SCR96/scr8-page8.html [20] http://www.ansys-blog.com/mesh-creation-for-largestructural-analysis/ [21] http://www.ksft.or.kr/journal/article.php?code=36125 [22] ANSYS FLUENT 15.0 User's Guide http://fluidsengineering.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=14 80 ... thủy khí động lực lực cản khí động Khí động lực học lĩnh vực nghiên cứu dịng chảy chất khí, nghiên cứu George Cayley vào thập niên 1800 "Khí động học" nhánh động lực học chất lưu nghiên cứu chuyển... quanh cano .48 3.5 Kết CFD lực cản khí động tác động lên cano 52 CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CANO 56 4.1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu giảm lực cản khí. .. số giải pháp làm giảm lực cản khí động tác động lên cano nhằm nâng cao hiệu kinh tế khai thác cano Đối tượng nghiên cứu nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên cano chở khách nhằm nâng cao