Nghiên cứu, ứng dụng bộ chương trình openfoam trong tính toán động lực học dòng chảy không có có chuyển pha

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN QUANG THÁI NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC DỊNG CHẢY KHƠNG CĨ/CĨ CHUYỂN PHA LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2018 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TRANG BÌA PHỤ NGUYỄN QUANG THÁI NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC DỊNG CHẢY KHƠNG CĨ/CĨ CHUYỂN PHA Ngành: Cơ kỹ thuật Chun ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 85200101.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH DƯƠNG NGỌC HẢI TS NGUYỄN TẤT THẮNG HÀ NỘI – 2018 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi tham gia Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Nguyễn Quang Thái iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ học kỹ thuật Tự động hóa, Trường đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, thầy, cô giáo tham gia giảng dạy đào tạo thời gian học tập Khoa trường Tôi xin cảm ơn lãnh đạo Viện Cơ học tạo điều kiện công việc để tơi hồn thành chương trình Thạc sỹ để nâng cao trình độ phục vụ cơng tác nghiên cứu khoa học Đặc biệt tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới GS TSKH Dương Ngọc Hải TS Nguyễn Tất Thắng, người tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn sinh viên thực tập: Nguyễn Phú Phượng, Trần Thị Thu Hương, Trần Khắc Việt Đỗ Văn Đạt hỗ trợ thực Luận văn thời gian họ thực tập làm Đồ án tốt nghiệp Kỹ sư Viện Cơ học iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT (Dấu gạch ngang “-” mục Đơn vị đo thể tham số không thứ nguyên) Ký tự Ý nghĩa Đơn vị đo (SI) 𝑝𝑐 Áp suất bên khoang khí/hơi N/m2 𝑝∞ Áp suất dòng vào N/m2 𝑝𝑣 Áp suất bão hòa kg/m3 Áp suất vị trí cụ thể kg/m3 pB Áp suất bọt N/m2 RB Bán kính bọt hình cầu m L Chiều dài vật thể m 𝑐 Chiều dài đặc trưng m Chiều dài lớn khoang khí/hơi m 𝑝𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 Lmax  Độ nhớt động học hỗn hợp lỏng-khí/hơi m2/s  Độ nhớt động lực học hỗn hợp lỏngkhí/hơi kg/ms l Độ nhớt động lực học chất lỏng kg/ms v Độ nhớt động lực học kg/ms 𝐷𝑐𝑎𝑣 Đường kính đầu dính ướt vật thể m Dmax Đường kính lớn khoang khí/hơi m 𝑚/𝑠 𝑔 Gia tốc trọng trường CP Hệ số áp suất - CQ Hệ số cấp khí - CD Hệ số lực cản - 𝐶𝐷0 Hệ số lực cản 𝜎 = - 𝜌 Khối lượng riêng hỗn hợp lỏng-khí/hơi kg/m3 ρl Khối lượng riêng chất lỏng kg/m3 v Khối lượng riêng kg/m3 𝜌 Khối lượng riêng hỗn hợp lỏng-khí/hơi kg/m3 v l Khối lượng riêng chất lỏng 𝑚˙ Là tốc độ trao đổi khối lượng hai pha 𝐹𝐷 Lực cản N 𝑇 Nhiệt độ o Fr Số Froude - 𝜎 Số khoang (cavitation number) - Re Số Reynolds - We Số Weber - kg/m3 C S Sức căng bề mặt γ Tỉ phần thể tích pha lỏng A Tiết diện vng góc với dịng chảy vật thể m2 Vận tốc chất lỏng xa điểm xét m/s 𝑈∞ VOF Volume of Fraction OpenFOAM Open Source Field Operation And Manipulation LES Large Eddy Simulation CFD Computational Fluid Dynamics PIV Particle Image Velocity vi MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .iv MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ TRONG CHẤT LỎNG CĨ KHOANG KHÍ/HƠI 1.1 Dịng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển lòng chất lỏng 1.1.1 Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vật thể 1.1.2 Một số tham số đặc trưng dịng chảy khoang khí/hơi 1.2 Một số đặc tính chủ yếu khoang khí/hơi xuất quanh vật thể chuyển động lòng chất lỏng 1.3 Một số ứng dụng dòng chảy khoang khí/hơi .9 1.3.1 Chân vịt siêu khoang .9 1.3.2 Ngư lôi siêu khoang 10 1.3.3 Giảm lực cản cho thân tàu thủy 10 1.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động vật thể nước 11 1.4.1 Lực cản vật thể chuyển động lòng chất lỏng 11 1.4.2 Sự ăn mòn bề mặt vật thể chuyển động vận tốc cao 11 1.5 Tình hình nghiên cứu .12 1.5.1 Nghiên cứu thực nghiệm .12 1.5.2 Nghiên cứu lý thuyết .21 1.5.3 Một số vấn đề nghiên cứu .23 Chương TỔNG QUAN VỀ BỘ CHƯƠNG TRÌNH MÃ NGUỒN MỞ OPENFOAM 25 2.1 Lược sử phát triển OpenFOAM 25 2.1.1 OpenFOAM gì? .25 2.1.2 Sự đời phát triển OpenFOAM 26 2.1.5 Một số phần mềm giao diện GUI có tích hợp với OpenFOAM .26 2.2 Cấu trúc chương trình OpenFOAM 27 2.2.1 Các nhóm giải chuẩn .27 2.2.2 Công cụ tiện ích 29 2.2.3 Lưới tính tốn loại điều kiện biên sử dụng OpenFOAM 29 2.2.4 Tổ chức liệu mơ hình hóa mơ .32 vii 2.3 Khả ưu, nhược điểm OpenFOAM .33 2.3.1 Các khả tính toán OpenFOAM .33 2.3.2 Những ưu, nhược điểm OpenFOAM 34 2.4 Áp dụng minh họa khả chương trình OpenFOAM tính tốn động lực học dòng chảy 36 2.4.1 Đặt toán 36 2.4.2 Dựng lưới tính tốn .36 2.4.3 Điều kiện biên điều kiện đầu 38 2.4.4 Chạy chương trình tính tốn, hiển thị kết 38 Chương ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC DỊNG CHẢY KHƠNG CĨ/CĨ CHUYỂN PHA .41 3.1 Một số giải dịng chảy hai pha khơng có/có chuyển pha OpenFOAM .41 3.1.1 Giới thiệu số giải có sẵn cài đặt OpenFOAM .41 3.1.2 Lựa chọn giải phù hợp để phục vụ tính tốn luận văn .41 3.2 Ứng dụng OpenFOAM tính tốn động lực học dịng chảy hai pha nước - khơng khí khơng có chuyển pha quanh vật thể xâm nhập vào nước 42 3.2.1 Các phương trình 42 3.2.2 Mơ hình tính tốn động lực học dịng chảy mơ xâm nhập nước vật thể sử dụng OpenFOAM 44 3.2.3 Kết tính tốn 46 3.2.4 Nhận xét chung .51 3.3 Ứng dụng OpenFOAM tính toán động lực học dịng chảy hai pha có chuyển pha quanh vật thể chuyển động lòng chất lỏng .52 3.3.1 Các phương trình 52 3.3.2 Mơ hình hóa mặt phân tách lỏng - phương pháp VOF 53 3.3.3 Mơ hình hóa q trình rối phương pháp LES 53 3.3.4 Mơ hình hóa q trình chuyển pha .53 3.3.5 Mơ hình tính tốn động lực học dịng chảy sử dụng OpenFOAM 54 3.3.6 Kết tính tốn 56 3.3.7 Nhận xét chung .58 KẾT LUẬN 59 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN .60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .61 PHỤ LỤC Những giải chuẩn nhóm giải tính tốn dịng chảy nhiều pha viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tỉ lệ thành phần lực cản số dạng vật thể 11 Bảng 2.1 So sánh tính OpenFOAM FLUENT 35 Bảng 3.1 Một số giải chuẩn nhóm giải tính tốn dòng chảy nhiều pha OpenFOAM 41 ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Khoang khí/hơi hình thành cầu từ không khí vào nước Hình 1.2 Sự hình thành khoang khí/hơi lớp biên rối bề mặt vật thể .4 Hình 1.3 Biểu đồ pha Hình 1.4 Sự hình thành khoang khí/hơi nhân tạo bề mặt vật thể Hình 1.5 Cấu trúc dòng chảy rối quanh vật thể dòng chảy chuyển pha có khoang khí/hơi (kết thực nghiệm mơ số) .5 Hình 1.6 Khoang khí/hơi số khoang khác Hình 1.7 Hệ số áp lực bề mặt vật thể trụ có đầu dạng phẳng .7 Hình 1.8 Giá trị số khoang thấp đạt dịng chảy có khoang khí/hơi nhân tạo hình thành ống thủy động .8 Hình 1.9 Quan hệ hệ số cấp khí số khoang Hình 1.10 Chân vịt với lỗ nhỏ bề mặt để hình thành khoang khí/hơi nhân tạo Hình 1.11 Chân vịt có thiết kế hình dạng cánh đặc biệt (hình a) chế hình thành khoang khí/hơi tự nhiên (hình b) 10 Hình 1.12 Ngư lơi VA-111 Shkval sử dụng kỹ thuật hình thành khoang khí/hơi nhân tạo (a – Ngư lôi VA-111 Shkval; b – Đầu tạo khoang khí) 10 Hình 1.13 Khoang khí/hơi giúp giảm lực cản thân tàu .10 Hình 1.14 Mơ hình ống thủy động kích cỡ lớn Hải quân Mỹ 13 Hình 1.15 Mơ hình hệ ống thủy động Viện Cơ học xây dựng năm 2016 .13 Hình 1.16 Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể chất lỏng Ukraina (1990) 14 Hình 1.17 Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể từ không khí vào nước Trung Quốc (2014) 14 Hình 1.18 Hệ thí nghiệm quan sát quỹ đạo chuyển động vật Việt Nam (IMECH, 2014) 14 Hình 1.19 Mơ tả dịng chảy khoang khí/hơi hình thành theo cách khác (a – Khác vị trí lỗ phun; b – Khác hướng dòng khí phun ra) 15 Hình 1.20 Sơ đồ mơ tả hệ thiết bị quan sát khoang khí/hơi sử dụng camera 15 Hình 1.21.Hình ảnh khoang khí/hơi thu từ hai camera có tốc độ 60fps (hình trên) 1000fps (hình dưới) 16 Hình 1.22 Minh họa bố trí ống đo áp suất khoang khí/hơi gần đầu vật thể tạo khoang khí/hơi .17 Hình 1.23 Khối vật thể tạo khoang khí/hơi có đầu dính ướt 5mm có ống đo áp suất 17 Hình 1.24 Vị trí miệng ống đo áp suất khoang khí/hơi đầu vật thể tạo khoang khí/hơi 17 Hình 1.25 Bố trí cột lỏng đo áp suất ống quan sát .18 55 3.3.5.2 Lưới tính tốn mơ hình Trong nghiên cứu này, công cụ mã nguồn mở HELYX-OS (phiên v2.4.0) sử dụng để dựng hình chia lưới tính tốn a) b) c) Hình 3.8 Lưới tính tốn: a - Lưới 3D dựng; b, c - lưới bề mặt gần biên cứng cầu 3.3.5.3 Bộ giải interPhaseChangeFoam Bộ giải interPhaseChangeFoam sử dụng thuật tốn PIMPLE tương tự giải interFOAM Trong đó, phương trình dự đốn động lượng, phương trình giải áp suất phương trình hiệu chỉnh áp suất giải 3.3.5.4 Đánh giá hội tụ lưới Hình 3.9 trình bày ảnh hưởng bước lưới lên kết qủa tính tốn Kết Hình 3.9 cho thấy lựa chọn lưới tính 210x80x80 phù hợp, tăng số ô lưới kết tính vẫn khơng thay đổi 56 Hình 3.9 Đánh giá ảnh hưởng lưới tính 3.3.6 Kết tính tốn 3.3.6.1 So sánh với quan sát thực nghiệm Khoang khí/hơi quanh cầu thể Hình 3.10 cho thấy phù hợp kết mô báo cáo với quan sát thực nghiệm [11] mơ CFD khác [40] Hình dạng khoang khí/hơi thể hình dạng mặt phân tách lỏng–hơi ứng với γ = 0.5 Mặt phân tách khoang khí/hơi có hình dạng xấp xỉ elip trịn xoay, khơng định hình rõ tác động dịng chảy ngồi Quan sát thực nghiệm (σ=1.0, 0.5, 0.36) CFD khác (σ=0.2) OpenFOAM (báo cáo này) σ = 1.0 t = 0.25 ms σ = 0.5 t = 2.45 ms σ = 0.36 t = 4.50 ms σ = 0.2 t =1.25 ms Hình 3.10 Khoang khí/hơi quanh cầu số σ = 1.0, 0.5, 0.36 0.2 57 3.3.6.2 Sự tương quan xuất xoáy rối thay đổi hình dạng khoang khí/hơi Hình 3.11 thể thay đổi hình dạng khoang khí/hơi σ = 0.36 số thời điểm với trường véc tơ vận tốc dòng chảy phân bố γ mặt cắt Z=0 mm để phân tích tương quan xuất xoáy rối thay đổi hình dạng khoang khí/hơi Đường cong nét liền Hình 3.11a thấy đường dịng theo véc tơ vận tốc dòng chảy tiếp tuyến với mặt phân tách lỏng - tới điểm đình trệ dịng chảy (Stagnation point) phía sau khoang khí/hơi, nơi khoang khí/hơi biến Từ điểm đình trệ dịng, theo trường véc tơ dịng chảy có hướng ngược với chiều dịng chảy ngồi vào bên khoang khí/hơi tạo thành dòng chảy ngược (re-entrant jet) Sự phân bố vận tốc phù hợp với lý thuyết nêu [3] Những kết cho thấy trường vận tốc dòng chảy OpenFOAM tính tốn phù hợp với lý thuyết Hình 3.11 Khoang khí/hơi quanh cầu thời điểm t = 0.35ms (a – khoang khí/hơi chưa bị xoáy rối tác động), 2.45ms (b – xoáy rối xuất làm thay đổi hình dạng bề mặt phân tách lỏng - hơi) 2.85ms (c – xoáy rối khỏi khoang khí/hơi tạo thành bọt nhỏ hơn) với σ = 0.36 Hình 3.11b 3.11c cho ta thấy ảnh hưởng xốy rối đến hình dạng khoang khí/hơi Đường cong dạng elip Hình 3.11b cho ta thấy xuất xoáy rối nhỏ làm thay đổi hình dạng khoang khí/hơi Sau đó, xốy rối mang lượng khỏi khoang khí/hơi ban đầu tạo thành bọt nhỏ (Hình 3.11c) 58 Như vậy, xuất xoáy rối nguyên nhân trực tiếp dẫn đến không ổn định hình dạng kích thước khoang khí/hơi Cơ chế tác động xoáy rối đến khoang khí/hơi cần nghiên cứu sâu để hiểu rõ 3.3.7 Nhận xét chung Sử dụng giải chuẩn interPhaseChangeFoam sẵn có dựa phương pháp VOF OpenFOAM kết hợp với sử dụng mơ hình rối LES, mơ q trình chuyển pha xuất khoang khí/hơi quanh cầu thu nhận cho số giá trị σ Bước đầu, kết tính toán thu nhận hình dạng khoang khí/hơi phù hợp với kết nghiên cứu thực nghiệm mô công bố Các kết mô trình bày báo cáo cho thấy khả ứng dụng OpenFOAM nghiên cứu động lực học dịng chảy có chuyển pha với ưu điểm cho phép can thiệp mã nguồn có sẵn nhiều giải tiện dụng Đồng thời, phân tích báo cáo cho thấy xốy rối có tác động ảnh hưởng trực tiếp đến không ổn định hình dạng kích thước khoang khí/hơi Các nghiên cứu sâu cần thực để hiểu rõ chế tác động xoáy rối đến khoang khí/hơi nhằm phục vụ trình thiết kế, chế tạo điều khiển hoạt động phương tiện hay thiết bị làm việc nước 59 KẾT LUẬN Trong thời gian quy định, học viên thực nội dung nghiên cứu đạt kết luận chung, bao gồm: Đã tìm hiểu nắm bắt số điểm chung tình hình nghiên cứu, ứng dụng dịng chảy khơng có/có chuyển pha Những kết tổng quan dịng chảy khơng có/có chuyển pha thu làm tảng để thực việc ứng dụng chương trình OpenFOAM nội dung khác Luận văn Đã tìm hiểu chương trình OpenFOAM, cấu trúc chương trình ưu nhược điểm khả chương trình tính tốn động lực học dịng chảy áp dụng tính toán cho số trường hợp Những kết thu cho thấy OpenFOAM cơng cụ có nhiều ưu điểm việc nghiên cứu động lực học dịng chảy phương pháp mơ số, đó, ưu điểm bật khả cho phép người dung can thiệp vào chương trình, phát triển để hồn thiện mơ hình có sẵn thử nghiệm mơ hình tính tốn Trong Luận văn trình bày số ứng dụng chương trình OpenFOAM nghiên cứu động lực học dịng chảy khơng có/có chuyển pha Các tính tốn mơ số trình bày để nghiên cứu động lực học dòng chảy hai pha quanh vật thể xâm nhập vào nước (khơng có chuyển pha) chuyển động lịng nước (có chuyển pha) Những kết mô trường áp suất vận tốc dòng chảy quanh vật thể thể công cụ ParaView tích hợp sẵn với OpenFOAM Trong việc xây dựng mơ hình tính tốn, việc ghép nối giải dòng chảy rối LES với giải dòng chảy hai pha có chuyển pha interPhaseChangFoam (chưa ghép nối với giải dòng rối) thực để phục vụ nghiên cứu luận văn Các kết nghiên cứu phù hợp với kết công bố Các kết nghiên cứu Luận văn thể công bố mà tác giả có tham gia thực thời gian học tập 60 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Tạp chí: [1] Nguyen Tat Thang., Duong Ngoc Hai, Nguyen Quang Thai and Trương Thị Phượng “Experimental measurements of the cavitating flow after horizontal water entry” Fluid Dynamics Research, 49(5) (2017), 055508 (SCI-E) [2] Nguyen Tat Thang, Duong Ngoc Hai, Nguyen Quang Thai and H Kikura (2017) “CFD simulations of the natural cavitating flow around high-speed submerged bodies” In: Lecture Notes in Mechanical Engineering, Vol Part 3, Springer, pp 851-873 (SCOPUS) Báo cáo Hội nghị [1] Duong Ngoc Hai, Nguyen Tat Thang, Nguyen Quang Thai and Truong Thi Phuong (2016), “Development of a Ventilated Cavitation Apparatus and Test Measurements” Proceedings of ICEMA4 Hanoi, pp.1-9 [2] Duong Ngoc Hai, Nguyen Tat Thang, Nguyen Quang Thai and Truong Thi Phuong (2016) “Some results of the experimental measurements of the cavitating flow after horizontal water entry” Proc of the 8th APHydro, Hanoi, pp.341-354 [3] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Quang Thái, A.A Gubaidullin, Nguyễn Tất Thắng, N.G Musakaev, (2017) “OpenFOAM ứng dụng tính toán động lực học dịng chảy có chuyển pha” Tuyển tập Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Tập Cơ học Thủy khí, Hà Nội, ISBN:978-604-913-752-5 Trang 53-60 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Vũ Văn Duy, Nguyễn Thế Đức, Nguyễn Thế Mịch, (2007), “Mô vùng xâm thực vùng bao quanh profil cánh phương pháp phân tử biên”, Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Cơ học Thủy khí toàn quốc lần thứ 8, tập 3, Cơ học Thủy khí, Hà Nội, tr 77-84 [2] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Trương Thị Phượng, Nguyễn Quang Thái, Lưu Vũ Phương Thảo, Lê Minh Thành (2015) “Đo đạc thực nghiệm khoang hơi/khí quanh vật thể vào nước” Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị Khoa học kỹ thuật Đo lường Toàn Quốc VI, trang 740-747 [3] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Quang Thái, A.A Gubaidullin, Nguyễn Tất Thắng, N.G Musakaev, (2017) “OpenFOAM ứng dụng tính tốn động lực học dịng chảy có chuyển pha” Tuyển tập Hội nghị Cơ học tồn quốc lần thứ X, Tập Cơ học Thủy khí Hà Nội [4] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Nguyễn Quang Thái, Trương Thị Phượng Lưu Vũ Phương Thảo (2015), “Bước đầu mô chuyển động tự vật thể có vùng xâm thực bao quanh sử dụng ANSYS Fluent”, Tuyển tập Hội nghị Cơ học Thủy khí Tồn quốc năm 2015, Đà Nẵng, pp 265-274 [5] Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Trương Thị Phượng, Nguyễn Quang Thái, Lưu Vũ Phương Thảo (2015) “Mô vùng xâm thực bao quanh vật thể chuyển động tự nước” Tuyển tập Hội nghị Khoa học kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Tiểu ban Công nghệ thông tin, Điện tử, Tự động hóa Cơng nghệ Vũ trụ, tr 77-84 [6] Trương Thị Phượng (2015), Đo đạc, mô khoang khí quanh vật thể chuyển động chất lỏng tính tốn số tham số dịng chảy Báo cáo tổng kết Đề tài sở thường xuyên 2015, Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Hà Nội [7] Nguyễn Quang Thái (2016), Tìm hiểu chuyển động vật thể nước có diện khoang hơi/khí khả xây dựng thử nghiệm hệ thiết bị đo đạc trường vận tốc dịng chảy có khoang hơi/khí diện Báo cáo tổng kết Đề tài trẻ cấp sở Viện Cơ học Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Hà Nội [8] Bùi Đình Trí (2004), “Lựa chọn phương pháp phân tích ảnh số để nhận dạng đo kích thước bọt dòng chảy pha khí lỏng”, Tuyển tập Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí Toàn quốc năm 2004, trang 641-647 62 Tiếng Anh [9] Ahn, B K., Jeong, S W., Kim, J H., Shao, S., Hong, J., & Arndt, R E (2016) “An experimental investigation of artificial supercavitation generated by air injection behind disk-shaped cavitators” International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering [10] ANSYS, Inc ANSYS FLUENT Student 18.2 Documentation [11] Brandner P.A., Walker G.J., Niekamp P.N., ANDERSON B (2010) “An experimental investigation of cloud cavitation about a sphere” J Fluid Mech., 656, pp 147-176 [12] Brennen, C A (1969) “Numerical solution of axisymmetric cavity flows” Journal of Fluid Mechanics, 37(4), pp 671-688 [13] Duong Ngoc Hai, Nguyen Tat Thang, Nguyen Quang Thai, Truong Thi Phuong, Luu Vu Phuong Thao, Le Minh Thanh and Nguyen Trong Tuan (2014) “Simulation of supercavitating flow around a high-speed moving object in water using Ansys Fluent” Proc of the 3th International Conference on Engineering Mechanics and Automation – ICEMA3, Hanoi, pp 111-118 [14] Duong Ngoc Hai, Nguyen Tat Thang, Nguyen Quang Thai and Truong Thi Phuong (2016) “Some results of the experimental measurements of the cavitating flow after horizontal water entry” Proc of the 8th APHydro, Hanoi, September 20-23,2016 Pp 341-354 [15] Engys.com/products/helyx-os [16] Featool.com/news/2018/05/17/featool-v1p8-with-openfoam-matlab-cfd-solverinterface [17] Franc, J P and J M Michel (2006) Fundamentals of Cavitation Springer [18] Garabedian P.R (1956), “Calculation of Axially Symmetric Cavities and Jets’, Pacific Journal of Mathematics, 6(4), pp 611-684 [19] Ghosal S (1996) “An analysis of numerical errors in large-eddy simulations of turbulence” J Comput Phys., 125, pp.187-206 [20] Iconcfd.com/en/ [21] Jiang C.X and Li F.C (2014), “Experimental and “Numerical Study of Water Entry Supercavity Influenced by Turbulent Drag-Reducing Additives”, Hindawi Publishing Corporation Advances in Mechanical Engineering Volume 2014 63 [22] Karn, A., Arndt, R E and J Hong (2016) “An experimental investigation into supercavity closure mechanisms” Journal of Fluid Mechanics, 789, pp 259284 [23] Kawakami, E (2011) Investigation of the Behavior of Ventilated Supercavities M.Sc Thesis, University of Minnesota [24] Kim, S., & Kim, N (2015) “Integrated dynamics modeling for supercavitating vehicle systems” International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 7(2), 346-363 [25] Kunz R.F., D.A Boger, D.R Stinebring, T.S Chyczewski, J.W Lindau, H.J Gibeling, V Sankaran and T.R Govindan (2000) “A preconditioned Navier– Stokes method for two-phase flows with application to cavitation prediction” Computers & Fluids 29(8) 849-875 [26] Kunz, R F., Boger, D A., Chyczewski, T S., Stinebring, D., Gibeling, H., & Govindan, T R (1999, July) “Multi-phase CFD analysis of natural and ventilated cavitation about submerged bodies” In 3rd ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference, San Francisco (Vol 1, No 999, p.1) [27] May A (1975), "Water Entry and the Cavity-Running Behavior Of Missiles", Naval Surface Weapons Center, White Oak Laboratory [28] Merkle C L., Feng J Z and Buelow P E O (1998), “Computational modeling of the dynamics of sheet cavitation”, Third International Symposium on Cavitation, pp.307-311 [29] Murai, Y., Fukuda, H., Oishi, Y., Kodama, Y and F Yamamoto (2007) “Skin friction reduction by large air bubbles in a horizontal channel flow” International Journal of Multiphase Flow, 33(2), pp 147-163 [30] Nedyalkov, I (2012) Design of Contraction, Test Section, and Diffuser for a High-Speed Water Tunnel, M.Sc Thesis, Chalmers University of Technology, Sweden [31] Nesteruk, I (2012), Supercavitation - Advances and Perspectives A Collection Dedicated to The 70th Jubilee of Yu N Savchenko Springer [32] Nguyen Duy Trong, Takanori Hino, and Kazuo Suzuki (2017) “Numerical study on stern flow fields of ship hulls with different transom configurations” Ocean Engineering 129, pp.401-414 [33] Nigmatulin R.I., (1990) Dynamics of Multiphase Media Part 1, 2, New York: Hemisphere Publ [34] Nigmatulin R.I., Khabeev N.S., Duong Ngoc Hai (1988) “Waves in Liquid with 64 Vapor Bubbles” J Fluid Mech., Vol.186, pp.85-117 [35] Openfoam.org/ [36] Openfoam.com/products/visualcfd.php [37] OpenFOAM Foundation, (2017) C F D Openfoam v5 User guide [38] Openfoamwiki.net/index.php/SwiftBlock [39] Openfoamwiki.net/index.php/Contrib/SwiftSnap [40] Pendar, M R., & Roohi, E (2018) “Cavitation characteristics around a sphere: An LES investigation” Int J of Multiphase Flow, 98, pp 1-23 [41] Plesset M.S (1957), “Physical effects on cavitation and boiling”, Proc 1st Symp Naval Hydrodynamics, ed by F.S Sherman (Academic, Washington, pp 297–323 [42] Roberts, P C (1961) Studies of A Ventilated Supercavitating Propeller on A Torpedo Test Vehicle Part Performance Results (No Nots-Tp-2633) Naval Ordnance Test Station China Lake Ca [43] Robertson E., Choudhury V., Bhushan S., Walters D.K (2015) “Validation of OpenFOAM numerical methods and turbulence models for incompressible bluff body flows”, J Comput Fluids, 123, pp.122-145 [44] Roohi E., Zahiri A.P., Passandideh-Fard M (2012) “Numerical Simulation of Cavitation around a Two-Dimensional Hydrofoil Using VOF Method and LES Turbulence Model”, Appl Math Modelling, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.apm.2012.09.002 [45] Rouse, H., and McNown, J S (1948), “Cavitation and pressure Distribution, Head Forms at zero angle of yaw”, Studies in engineering Bulletin 32, State University of Iowa [46] Rusche H (2002) Computational Fluid Dynamics of Dispersed Two-Phase Flows at High Phase Fractions Ph.D thesis, Imperial College, University of London [47] Rutgersson, O (1979) Supercavitating propeller performance Influence of propeller geometry and interaction between propeller, rudder, and hull (No PUB-82) [48] Schnerr G.H., Sauer J (2001), “Physical and numerical modeling of unsteady cavitation dynamics”, Fourth International Conference on Multiphase Flow, New Orleans, USA, 65 [49] Semenenko, V N (2001) “Artificial Supercavitation Physics and Calculation” Technical Report, Ukrainian Academy of Sciences, Kiev Institute of Hydromechanics [50] Sim-flow.com/ [51] Simscale.com/open-source/ [52] Singhal A K., Vaidya N and Leonard A D (1997), “Multi-Dimensional Simulation of Cavitating Flows Using a PDF Model for Phase Change”, ASME FED Meeting, Paper No FEDSM, Vancouver, Canada, pp 97-3272 [53] Son Nguyen Anh, Ha Tran Thu, and Hai Duong Ngoc (2014) “A super cavity model of slender body moving fast in water” In Proceedings of National Conference of Mechanics, Ha Noi, pp 415-420 [54] Tachmindji, A J., Miller, M L., & Morgan, W B (1980) U.S Patent No 4,188,906 Washington, DC: U.S Patent and Trademark Office [55] Thai Le Thi (2013), “Computational Fluid Dynamics studies on cavity flow around the ship propeller”, 14ACFM, Hanoi, pp 539-543 [56] Thang Nguyen Tat, Hai Duong Ngoc, Thai Nguyen Quang, and Phuong Truong Thi (2017) “Experimental measurements of the cavitating flow after horizontal water entry” Fluid Dyn Res., 49(5), 055508 [57] Thang Nguyen Tat, Hai Duong Ngoc, Thai Nguyen Quang, and Kikura, H (2017) “CFD simulations of the natural cavitating flow around high speed submerged bodies” In: Lecture Notes in Mechanical Engineering, Vol Part 3, Springer, pp 851-873 Scopus [58] Tropea, C., Yarin, A L and J F Foss (2007) Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics (Vol.1) Springer Science and Business Media [59] Truscott, T T., Epps, B P., & Belden, J (2014) “Water entry of projectiles” Annual Review of Fluid Mechanics, 46, 355-378 [60] Vanek B (2008), Control Methods for High-Speed Supercavitating Vehicles Ph.D Thesis, University of Minnesota [61] Wikipedia.org/wiki/OpenFOAM#cite_note-47 [62] Wosnik, M and R E Arndt (2013) “Measurements in high void-fraction bubbly wakes created by ventilated supercavitation” Journal of Fluids Engineering, 135(1), pp 011304 66 [63] Yadong, W., Xulong, Y and Z Yuwen (2012) “Experimental investigation on the pressure characteristics of cavity closure region” Journal of Marine Science and Application, 11(4 ), pp 462-468 [64] Zwart P.J., Gerber A.G., Belamri T., “A two-phase flow model for predicting cavitation dynamics”, Fifth International Conference on Multiphase Flow, Yokohama, Japan, 2004 67 PHỤ LỤC Những giải chuẩn nhóm giải tính tốn dịng chảy nhiều pha Những giải có tên dài ngắt dòng dấu (-) Tên giải cavitatingFoam Ứng dụng Giải dịng chảy có khoang dựa mơ hình cân đồng từ tính nén hỗn hợp chất lỏng - cavitatingDyMFoam Giải dòng chảy có khoang dựa mơ hình cân đồng mà từ tính nén hỗn hợp chất lỏng - hơi, với chuyển động lưới tùy chọn thay đổi cấu trúc liên kết lưới compressibleInterFoam Giải dòng chảy chất lỏng không nén được, không đẳng nhiệt cách sử dụng phương pháp tiếp cận dựa phân đoạn dựa phân đoạn VOF (khối lượng chất lỏng) CompressibleGiải dịng chảy chất lỏng khơng nén được, không đẳng InterDyMFoam nhiệt cách sử dụng phương pháp tiếp cận giao diện dựa phân đoạn pha VOF (khối lượng chất lỏng), với chuyển động lưới tùy chọn thay đổi cấu trúc liên kết lưới bao gồm tái cấu trúc thích ứng CompressibleGiải dòng chảy chất lỏng không nén được, không đẳng InterFilmFoam nhiệt cách sử dụng phương pháp tiếp cận dựa phân đoạn dựa phân đoạn VOF (khối lượng chất lỏng compressibleMultiphase- Giải dịng chảy chất lỏng khơng nén được, khơng đẳng InterFoam nhiệt cách sử dụng phương pháp tiếp cận dựa phân đoạn dựa phân đoạn VOF (thể tích chất lỏng) driftFluxFoam Giải dòng chảy chất lỏng không nén cách sử dụng phương pháp hỗn hợp với phép tính xấp xỉ trôi cho chuyển động tương đối pha interCondensatingGiải dòng chảy chất lỏng không nén được, không đẳng EvaporatingFoam nhiệt với pha thay đổi (ngưng tụ nước) chất lỏng Sử dụng phương pháp tiếp cận dựa phân đoạn dựa phân đoạn VOF (khối lượng chất lỏng) interFoam Giải dòng chảy pha chất lỏng không nén được, đẳng nhiệt cách sử dụng phương pháp tiếp cận dựa phân đoạn dựa phân đoạn VOF (khối lượng chất lỏng) 68 interDyMFoam interMixingFoam interIsoFoam interphaseChangeFoam interphaseChangeDyMFoam MPPICInterFoam multiphaseEulerFoam multiphaseInterFoam multiphaseInterDyMFoam potentialFreeSurfaceFoam Giải dòng chảy chất lỏng không nén được, đẳng nhiệt cách sử dụng phương pháp thu thập giao diện dựa giai đoạn phân đoạn VOF (khối lượng chất lỏng), với chuyển động lưới tùy chọn thay đổi cấu trúc liên kết lưới bao gồm tái phân chia thích ứng Giải dịng chảy chất lỏng khơng nén được, hai số trộn lẫn, sử dụng phương pháp VOF để nắm bắt giao diện Dựa giải interFoam cho chất lỏng không nén được, đẳng nhiệt cách sử dụng phương pháp tiếp cận dựa phân đoạn dựa pha phân đoạn iso-advector Giải dịng chảy pha chất lỏng khơng nén được, đẳng nhiệt với pha thay đổi (ví dụ: cavitation) Sử dụng phương pháp tiếp cận dựa phân đoạn dựa phân đoạn VOF (khối lượng chất lỏng) Giải dịng chảy cho pha khơng nén được, đẳng nhiệt với pha thay đổi (ví dụ: dịng có khoang hơi) Sử dụng phương pháp thu thập giao diện dựa giai đoạn dựa khối lượng VOF (khối lượng chất lỏng), với chuyển động lưới tùy chọn thay đổi cấu trúc liên kết lưới bao gồm việc tái phân chia lại thích ứng Giải dòng chảy gồm chất lỏng không nén được, đẳng nhiệt cách sử dụng phương pháp tiếp cận giao diện dựa phân đoạn dựa phân đoạn VOF (thể tích chất lỏng) Động lượng đặc tính chất lỏng khác "hỗn hợp" phương trình động lượng đơn giải Giải dòng chảy nhiều pha chất lỏng nén bao gồm truyền nhiệt Giải dòng chảy nhiều pha chất lỏng không nén mà nắm bắt giao diện bao gồm hiệu ứng bề mặt ứng suất góc tiếp xúc cho pha Giải dịng chảy chất lỏng khơng nén mà nắm bắt giao diện bao gồm hiệu ứng bề mặt tiếp xúc góc cho giai đoạn, với chuyển động lưới tùy chọn thay đổi cấu trúc liên kết lưới Giải phương trình Navier-Stokes khơng nén bao gồm trường chiều cao sóng phép xấp xỉ bề mặt tự pha 69 potentialFreeSurfaceDyMFoam reactingMultiphaseEulerFoam reactingTwoPhaseEulerFoam twoLiquidMixingFoam twoPhaseEulerFoam Giải phương trình Navier-Stokes khơng nén bao gồm trường chiều cao sóng để kích hoạt xấp xỉ bề mặt tự pha, với chuyển động lưới tùy chọn thay đổi cấu trúc liên kết lưới Giải dòng chảy với số lượng pha chất lỏng nén với áp suất chung, khơng tính chất riêng biệt Loại mơ hình pha thời gian chạy lựa chọn tùy chọn đại diện cho nhiều loài phản ứng pha Hệ thống pha thời gian chạy lựa chọn tùy chọn đại diện cho loại khác momentun, nhiệt truyền khối Giải dòng chảy pha chất lỏng nén với áp suất chung, khơng tính chất riêng biệt Loại mơ hình pha thời gian chạy lựa chọn tùy chọn đại diện cho nhiều loài phản ứng pha Hệ thống pha thời gian chạy lựa chọn tùy chọn đại diện cho loại khác momentun, nhiệt truyền khối Giải dòng trộn lẫn chất lỏng khơng nén Giải dịng chảy pha chất lỏng nén với pha phân tán, ví dụ bong bóng khí chất lỏng bao gồm truyền nhiệt ... chương trình tính tốn, hiển thị kết 38 Chương ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC DỊNG CHẢY KHƠNG CĨ/CĨ CHUYỂN PHA .41 3.1 Một số giải dịng chảy hai pha khơng có/ có... chương trình OpenFOAM tính tốn động lực học dịng chảy khơng có/ có chuyển pha? ?? Mục tiêu luận văn Mục tiêu Luận văn làm chủ chương trình OpenFOAM nhằm phục vụ nghiên cứu ứng dụng đặc điểm động lực học. .. dịng chảy khơng có/ có chuyển pha Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan vấn đề dịng chảy khơng có/ có chuyển pha Nghiên cứu tổng quan chương trình mã nguồn mở OpenFOAM Tiến hành ứng dụng chương