Tính toán động lực học chất lưu trong kỹ thuật tàu thủy (NXB đại học quốc gia 2019) trần công nghị, 668 trang

2019 | PDF | 668 Pages buihuuhanh@gmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Trần Cơng Nghị (Chủ biên) Lê tất hiền TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU TRONG KỸ THUẬT TÀU THỦY NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH - 2019 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 13 Chương ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN VÀ MƠ HÌNH RỐI 1.1 Định luật bảo toàn 1.1.1 Hai cách tiếp cận chất lưu 1.1.2 Nguyên lý bảo toàn khối lượng 1.1.3 Nguyên lý bảo toàn động lượng 1.1.4 Nguyên lý bảo toàn lượng 15 15 15 16 17 21 1.2 Những phương pháp xử lý phương trình Navier - Stokes CFD 1.2.1 Phương pháp mô số trực tiếp (Direct Numerical Simulation - DNS) 1.2.2 Phương pháp mô xoáy lớn (Large Eddy Simulation - LES) 1.2.3 Phương pháp trung bình hóa phương trình Navier-Stokes nghĩa Reynolds 26 26 26 28 1.3 Mơ hình chảy rối 1.3.1 Dịng chảy rối 1.3.2 Mơ hình phương trình 1.3.3 Mơ hình phương trình 1.3.4 Mơ hình hai phương trình 1.3.5 Phương trình chuyển k –  SST 1.3.6 Mơ hình ứng suất đại số mơ hình ứng suất Reynolds 31 31 35 36 38 42 43 1.4 Điều kiện biên thành (tường) cứng 1.4.1 Hàm tường 1.4.2 Mơ hình hai phương trình gần mặt cứng 1.4.3 Cơng thức xác định kích thước cell gần tường 44 44 48 48 Chương GIẢI PHƯƠNG TRÌNH NAVIER-STOKES 2.1 Phương trình Navier-Stokes 2.1.1 Phương trình yếu 2.1.2 Phương trình dạng khơng thứ ngun 2.1.3 Tính chất phương trình Navier-Skokes 2.1.4 Phương pháp RANS 50 50 50 50 51 51 2.2 Rời rạc thành phần phương trình Navier-Stokes 2.2.1 Rời rạc hóa thành phần đối lưu khuếch tán 2.2.2 Tính áp suất 2.2.3 Giải theo phương pháp (Explicit Time Advance Scheme) 2.2.4 Giải theo phương pháp ẩn lùi lại (Implicit Time Backward Method) 2.2.5 Phương pháp ẩn hiệu chỉnh áp suất 2.2.6 Tóm tắt phương pháp tính giải phương trình Navier-Stokes 52 53 53 54 56 57 60 2.3 Thủ tục tính phương trình Navier-Stokes theo sơ đồ ẩn 61 2.4 Phương trình Navier-Stokes trường 2D 63 2.4.1 Các phép tính khn khổ FVM 2.4.2 Phương trình Poisson 2.4.3 Hướng dẫn viết mã MATLAB giải phương trình Navier-Stokes 65 67 69 2.5 Phương pháp hàm dịng xốy 82 2.6 Phương pháp chiếu 91 2.7 Ứng dụng matlab giải phương trình Navier-Stokes theo giải thuật Simple 99 2.8 Giải phương trình Navier-Stokes dịng chất lỏng khơng chịu nén Chương PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN 108 115 3.1 Rời rạc phương trình Navier-Stokes 115 3.2 Lưới 117 3.3 Tính đạo hàm, nội suy phương pháp số 121 3.4 Phương pháp FVM áp dụng cho toán khuếch tán trường 1D 3.5 FVM cho toán khuếch tán 3D 126 130 3.6 Hàm kết hợp ứng suất – tốc độ 137 3.7 Giải hệ phương trình đại số 155 3.8 Phương pháp thể tích hữu hạn khơng dùng lưới 163 Chương PHƯƠNG PHÁP PANEL 175 4.1 Sức cản sóng nước sâu 4.2 Hàm tốc độ 4.2.1 Lý thuyết hàm 4.2.2 Phương pháp panel 4.2.3 Phương trình tích phân hàm 4.2.4 Thủ tục tính phương pháp panel 2D 4.2.5 Giải thuật phương pháp panel 2D 175 178 178 181 182 185 190 4.3 Phương pháp panel 3D 4.4 Phương pháp nguồn Rankine 204 211 4.5 Ví dụ minh họa kết tính phương pháp panel 217 4.6 Áp dụng phương pháp phần tử biên tính sức cản tàu 4.7 Áp dụng phần mềm SHIPFLOW tính sức cản thân tàu 222 225 Chương PHƯƠNG PHÁP LƯỚI BOLTZMANN 5.1 Vị trí phương pháp lưới Boltzmann 5.2 Động lực học dòng chất lỏng 5.2.1 Phép xấp xỉ BGK 5.2.2 Hàm phân bố tương đương 5.2.3 Các mơ hình lưới đặc trưng 5.2.4 Cơ cấu lưới (Lattice Arrangement) 5.2.5 Số Mach số Reynolds 5.2.6 Định luật bảo toàn khối lượng bảo tồn động lượng 5.2.7 Các tốn tử dịng chảy, va chạm 234 234 235 238 240 241 243 245 245 246 5.3 điều kiện ban đầu điều kiện biên 5.3.1 Phản hồi (Bounce Back) 5.3.2 Điều kiện biên với tốc độ biết trước 5.3.3 Hàm phân bố tương đương không-tương đương 5.3.4 Điều kiện biên mở 247 247 248 250 251 5.4 Lập trình theo phương pháp Lattice Boltzmann 5.4.1 Sơ đồ khối 5.4.2 Phương trình đối lưu - khuếch tán 2D 5.4.3 Phương pháp mạng lưới dày 254 254 262 274 5.5 Mơ hình thời gian phục hồi phức tạp 276 5.6 Liên quan phương trình Navier-Stokes (NSE) phương trình lưới Boltzmann (LBE) 285 5.6.1 Khai triển Chapman-Enskog 285 5.6.2 Khai triển chuỗi Taylor 285 5.7 Phương pháp Lattice Boltzmann với tốn dịng chất lỏng 5.8 phương pháp Boltzmann với toán dòng rối 5.8.1 Các phương pháp xử lý dòng rối 5.8.2 Mơ hình LES rối phương pháp Boltzmann 5.8.3 Mơ hình chia lưới dày LES 5.8.4 Mơ hình tường LBM 5.8.5 LES Smagorinsky 5.8.6 Xử lý mặt thoáng 289 304 304 307 308 310 310 311 5.9 Mơ dịng chất lỏng lưới khơng điều hịa 5.10 phương pháp Boltzmann không chia lưới 5.10.1 Rời rạc phương trình đối lưu 5.10.2 Rời rạc khơng gian tốn: sơ đồ lưới cục Petrov-Galerkin 5.10.3 Mơ 315 320 321 322 325 Chương SỨC CẢN VỎ TÀU 329 6.1 Sức cản vỏ tàu nước tĩnh 6.1.1 Các thành phần sức cản 6.1.2 Chuyển kết thử mơ hình sang tàu thật 329 329 334 6.2 Áp dụng CFD tính sức cản vỏ tàu thủy 6.2.1 Phương pháp RANS 6.2.2 Mơ hình rối 6.2.3 Hàm tường 6.2.4 Phương pháp thể tích chất lỏng (Volume of Fluid – VOF) 6.2.5 Giới hạn miền chất lỏng nghiên cứu sức cản tàu 6.2.6 Điều kiện biên 6.2.7 Số Courant CFL 342 342 343 345 348 349 349 350 6.3 Ví dụ sử dụng phần mềm tính tốn 6.3.1 Tính sức cản tàu dựa vào ANSYS FLUENT, ANSYS® CFX® 350 350 6.3.2 Sử dụng OpenFOAM tính sức cản tàu 371 6.3.3 Áp dụng phần mềm SHIPFLOW tính sức cản vỏ tàu 403 6.3.4 Sử dụng phần mềm STAR_CCM + tính sức cản tàu 410 6.3.5 Tính sức cản tàu RANS nhờ FINFLO 418 6.3.6 Tính sức cản tàu cao tốc đáy 6.3.7 Tính sức cản tàu thủy nhờ phân mềm XFLOW 425 440 Chương SEAKEEPING 444 7.1 Lắc tàu nước 7.1.1 Lắc tàu biên độ nhỏ nước yên lặng 444 444 7.1.2 Chuyển động kết hợp tàu sóng 446 7.1.3 Nước phủ boong chuyển động dọc 447 7.1.4 Chuyển động ngang tàu sóng điều hịa 7.1.5 Xác định lực thủy động tác động lên vỏ tàu 447 448 7.2 Sử dụng CFD (Computational Fluid Dynamics) mô lắc tàu 7.2.1 Giải thuật RANS 449 449 7.2.2 Mơ hình rối 450 7.2.3 Phương pháp thể tích chất lỏng (Volume of Fluid - VOF) 451 7.2.4 Sóng biển 7.2.5 Miền tính tốn điều kiện biên 452 452 7.2.6 Mơ hình vật lý 453 7.3 Mơ seakeeping tàu vận tải biển 7.3.1 Lưới vượt trội 454 456 7.3.2 Hàm chuyển lắc đứng lắc dọc 458 7.3.3 Hệ số sức cản toàn 458 7.3.4 Tạo lưới STAR-CCM + 7.3.5 Hậu xử lý 460 461 7.3.6 Tạo sóng 462 7.3.7 Lắc tàu sức cản bổ sung lên tàu 7.3.8 Chuyển động tàu sóng tới 464 468 7.3.9 Sức cản bổ sung vỏ tàu 469 7.4 Mô seakeeping tàu biển 7.4.1 Áp dụng phần mềm STAR-CCM + mô seakeeping tàu cao tốc 470 470 7.4.2 Áp dụng RANS nghiên cứu tính seakeeping tàu KVLCC2 472 7.4.3 Lắc đứng tàu DTMB 5415 482 7.4.4 Mô seakeeping tàu hai thân 486 7.5 Nước tràn boong 7.5.1 Mô nước tràn boong tàu container 7.5.2 Nước tràn boong trạm chứa dầu khơi 490 491 496 Chương TỐI ƯU HÌNH DÁNG TÀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ 8.1 Tối ưu đường hình tàu 8.1.1 Thiết kế tối ưu 8.1.2 Hiệu chỉnh mặt vỏ tàu nhờ mặt Bézier, mặt NURBS 8.1.3 Hiệu chỉnh mặt vỏ tàu biện pháp kéo, nâng đường cong diện tích mặt cắt ngang 8.1.4 Vẽ sườn tàu sở hàm Radial Basis Functions 8.1.5 Những ví dụ thiết kế tối ưu 500 500 500 505 509 511 515 8.2 CFD tối ưu hóa mũi tàu hình “quả lê” 8.2.1 Mũi tàu hình “quả lê” 8.2.2 Cải tiến “quả lê” có 8.2.3 Ví dụ thiết kết tối ưu mũi hình “quả lê” 529 529 535 538 8.3 Hiệu chỉnh mặt vỏ tàu sở RBF 548 8.4 Kết hợp CFD CAD thiết kế tối ưu thân tàu 8.4.1 Phương pháp tối ưu 8.4.2 Thiết kế tối ưu cho tàu nguyên mẫu DTMB Model 5415 8.4.3 Tối ưu hóa tàu hai thân 550 551 553 555 Chương CHÂN VỊT TÀU THỦY 9.1 Thiết bị đẩy tàu 9.1.1 Những mẫu chân vịt tàu thủy thường gặp 9.1.2 Các thành phần tốc độ cánh 9.1.3 Đồ thị bể thử Taylor 9.1.4 Các seri chân vịt thử nghiệm thành cơng 9.1.5 Đặc tính thủy động lực hệ thống ống-chân vịt 9.1.6 Các ống thí nghiệm wageningen 558 558 558 559 561 562 564 565 9.2 Tính tốn đặc tính chân vịt tự 9.2.1 Phương pháp panel mơ hình tính số 9.2.2 Phương pháp RANS tính đặc tính chân vịt 9.2.3 Hệ tọa độ tham chiếu quay cánh chân vịt 9.2.4 Mơ hình dịng rối 9.2.5 Mơ hình chia lưới tính tốn tồn chân vịt 9.2.6 Mơ hình hình học 9.2.7 Miền tính tốn 9.2.8 Lưới 9.2.9 Điều kiện biên 9.2.10 Gán giá trị thông số 567 567 568 569 570 572 572 573 573 574 574 9.3 Sử dụng OpenFOAM xác định tính động lực học chân vịt tàu thủy 581 9.4 Mô hoạt động chân vịt với phần mềm FLUENT 594 9.5 Mô chân vịt nhờ phần mềm FINFLO 601 9.6 Mơ tính chân vịt tàu nhờ phần mềm STAR CCM+ 605 9.7 Mô chân vịt ống 609 9.8 Xác định đặc tính động lực học chân vịt POD 612 9.9 Chân vịt cánh quay ngược chiều với 619 9.10 Nghiên cứu sủi bọt cánh chân vịt 624 9.11 Mô hoạt động chong chóng 633 9.12 Thiết kế tối ưu 9.12.1 Thiết kế tối ưu chân vịt tàu 9.12.2 Chân vịt theo chế độ chạy tự 9.12.3 Áp dụng phương pháp tối ưu kinh điển thiết kế tối ưu chân vịt seri B Wageningen 9.12.4 Áp dụng giải thuật di truyền GA tối ưu hóa chân vịt seri B 9.12.5 Thiết kế tối ưu chân vịt tàu thủy sở tối ưu nhiều mục tiêu 9.12.6 Tối ưu chân vịt tàu với mục tiêu giảm thiểu miền bị xâm thực 637 637 640 642 649 650 653 TÀI LIỆU THAM KHẢO 667 VIẾT TẮT, KÝ HIỆU BEM BB BC BGK CAD CFD CG CFL C, CFL CP CV CDS DNS DTMB EFD FV FDM FEM FVM HP HSVA IMO ITTC LCG LE LES LTS LBE LBM MARIN MRT NS NSE NACA NSMB PISO PIMPLE QUICK RANS SNAME SIMPLE SIMPLEC SIMPLER SSPA Boundary element method Bounce-back Boundary condition Bhatnagar-Gross-Krook Computer-aided design Computational fluid dynamics Centre of gravity Courant-Friedrichs-Lewy Courant number Controllable pitch (propeller) Control Volume Central differencing scheme Direct numerical simulation David Taylor Model Basin Experimental fluid dynamics Finite volume Finite difference method Finite element method Finite Volume Method Horsepower Hamburg Ship Model Basin International Maritime Organisation International Towing Tank Conference Longitudinal centre of gravity Leading edge (of foil or fin) Large eddy simulation Local Time Stepping Lattice Boltzmann equation Lattice Boltzmann method Maritime Research Institute of the Netherlands (formerly NSMB) Multiple relaxation time Navier-Stokes Navier Stokes Equation National Advisory Council for Aeronautics (USA) The Netherlands Ship Model Basin (later to become MARIN) Pressure-Implicit with Splitting of Operator PISO and SIMPLE Quadratic Upwind Interpolation for Convection Kinetics Reynolds Averaged Navier – Stokes Society of Naval Architects and Marine Engineers (USA) Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations SIMPLE + Corrected/Consistent SIMPLE + Revised Statens Skeppsprovingansalt, Göteborg, Sweden 10 SST STG UD UDS VCB VLCC VOF A AD AO AE a B Bp C CB CD CF CL ci CP CP CT CV CR CW D D Fn, Fr feq g H H H/D h HP, hp I J K Kn k KQ KT Shear Stress Transport Schiffbautechnische Gesellschaft, Hamburg Upwind Differencing Upwind interpolation scheme Vertical centre of buoyancy Very large crude carrier Volume of Fluid Diện tích nói chung Area in general Diện tích khai triển cánh Developed Area Diện tích mặt đĩa Disc Area Diện tích duỗi cánh Expanded Area Gia tốc Acceleration Chiều rộng tàu Moulded breadth Hệ số công suất Propeller power coefficient Số Courant Courant number Hệ số đầy thể tích Block coefficient Hệ số cản Drag cofficient Hệ số cản ma sát Frictional resistance coefficient Hệ số nâng Lift coefficient Vận tốc lưới Lattice velocity Hệ số sức cản áp suất Pressure resistance coefficient Hệ số áp suất Pressure coefficient Hệ số sức cản toàn Total resistance coefficient Hệ số sức cản nhớt Viscous resistance coefficient Hệ số sức cản dư Residual coefficient resistance Hệ số sức cản sóng Wave resistance coefficient Đường kính nói chung Diameter in general Đường kính chân vịt Propeller diameter Lực cản Drag Số Froude Froude number Hàm phân bố tương đương Equilibrium distribution function gia tốc trường trái đất Acceleration due to gravity Chiều cao tầu Depth Bước chân vịt Pitch Tỷ lệ bước, dùng P/D Pitch ratio Chiều cao Height Sức ngựa, mã lực nói chung Mã lực hệ thống đo Anh-Mỹ, Horsepower in general HP = 76 kG.m/s Ma trận đơn vị Identity matrix Hệ số tiến Advance coefficient Hệ số nói chung Coefficient in general Số Knudsen Knudsen number ( = / ) Động rối Turbulent kinetic energy Độ dẫn nhiệt Thermal conductivity Hệ số momen quay Torque coefficient Hệ số lực đẩy Thrust coefficient CHƯƠNG 654 Hình 9.111 Chân vịt DTMB 4382 hệ số áp suất J = 0,889 Đặc tính hình học chân vịt DTMB 4382 Số cánh Đường kính 0,30 m P/D 0,7r/R 1,2 AE/AO 0,71 Profile NACA66 a08 Hình 9.112 Đường trung bình Naca a08 r/R = 0,2 Các đường đặc tính động lực học chân vịt nghiên cứu giới thiệu Hình 9.113 đến Hình 9.115 CHÂN VỊT TÀU THỦY 655 Hình 9.113 Đường đặc tính chân vịt 4382 Hình 9.114 Đường đặc tính chân vịt 4382 hàm số sủi bọt Hình 9.115 Đường đặc tính chân vịt 4382 hàm số sủi bọt, J = 0,6 CHƯƠNG 656 Mục tiêu tối ưu giai đoạn hiệu suất chân vịt maximum đồng thời làm nhỏ diện tích sủi bọt, điều kiện giữ nguyên hệ số lực đẩy Biến khác tham gia vào trình tối ưu phân bố độ lớn bước, dạng mặt cắt cánh Để xây dựng mặt đường trung bình, cần thiết xây dựng hệ thống liệu liên quan đường trung bình qua bốn mặt cắt r/R = 0,2, 0,5, 0,8 Giải thuật toán tối ưu di truyền đa mục tiêu phân tích khoảng hai mươi nghìn liệu liên quan hình học khác chân vịt (quần thể ban đầu gồm 400 thành viên 50 hệ) Vẽ tất trường hợp đánh giá mặt phẳng có hai trục hai hàm mục tiêu (hiệu suất ηo diện tích chịu sủi bọt ACAV), trình bày Hình 9.116, hiển thị phân bố mật độ trường hợp vừa tính đường Pareto Các trường hợp đường Pareto đại diện cho tất giải pháp khả thi tối ưu, tức trường hợp tăng thêm hiệu khơng tăng diện tích bị sủi bọt ngược lại, có nghĩa diện tích bị sủi bọt khơng thể giảm khơng giảm hiệu suất chân vịt Hình 9.116 Đường Pareto Người thiết kế trường hợp người đưa định chọn lựa hiệu suất tối đa miền bị sủi bọt chân vịt nhỏ Một kết chọn lựa, tài liệu tham khảo, thấy đường phân bố bước chân vịt Hình 9.117 CHÂN VỊT TÀU THỦY 657 Hình 9.117 Phân bố bước chân vịt nguyên thủy (trái), chân vịt tối ưu (phải) Thiết kế tối ưu trường hợp nêu đưa đến kết giảm diện tích bị sủi bọt đầu cánh chân vịt Kết tính phần trình bày Bảng 9.40 Bảng 9.40 Giảm diện tích bị xâm thực DTMB 4382 DTMB 4382_15404 Δ% KT 0,3104 0,3056 -1,5% 10KQ 0,5880 0,5620 -5,5% 0,5881 0,6058 +3% 29 -93% Hiệu suất Diện tích bị sủi bọt [cm ] Hình 9.118 So sánh profile mặt cắt chân vịt nguyên thủy (nét rời) chân vịt tối ưu (nét liền) 658 CHƯƠNG Hình 9.119 So sánh profile mặt cắt chân vịt nguyên thủy (nét rời) chân vịt tối ưu (nét liền) r/R = 0,5 Hình 9.120 Miền sủi bọt chân vị nguyên thủy DTMB 4382 Hình 9.121 Miền sủi bọt chân vị tối ưu DTMB 4382_15404 Phương pháp panel nêu dùng thiết kế tối ưu chân vịt tàu chạy nhanh đưa lại kết khả quan Cách mô thiết kế tối ưu chân vịt E033 diễn giải phần tiếp theo9 E033 chân vịt bước thay đổi (CP) bốn cánh thiết kế cho tàu cao tốc (35 hải lý/giờ) cho phép sủi bọt phần số xâm thực thấp Nó có tỷ lệ bước P/D = 1,5 r/R = 0,7 tỷ lệ diện tích mặt đĩa AE/A0 = 0,685 Các thí nghiệm có sẵn chân vịt điều kiện xâm thực, bao gồm phép đo lực đẩy mơ-men xoắn hình ảnh sủi bọt cơng bố Tiến hành mơ tính chân vịt tự khn khổ CFD xác định hệ số KT, KQ quan hệ với J dạng hàm số sủi bọt N Hình 9.123 cho thấy so sánh hệ số lực đẩy momen quay đo đường ống xâm thực tính máy tính, hàm số xâm thực σN, hai giá trị khác hệ số tiến J (0,8 0,9) Ở số xâm thực cao nhất, lực đẩy mơ-men xoắn có xu Theo tài liệu “Parametric optimization of fast marine propellers via CFD calculations”, 10th International Conference on Fast Sea Transportation FAST 2009, Athens, Greece, October 2009 CHÂN VỊT TÀU THỦY 659 hướng xác đến giá trị thí nghiệm điều kiện khơng xâm thực Sau đó, sau xâm thực, lực đẩy mơ-men xoắn bắt đầu giảm rõ rệt so với kết thí nghiệm Tại số xâm thực thấp, hai hệ số KT KQ nhận từ mô CFD cao so với kết thử nghiệm Chân vịt E033 ngun thủy có dạng sau: Hình 9.122 Chân vịt DTMB E033 nguyên thủy Kết tính kệ số KT, KQ phương pháp số trình bày Hình 9.122 Trong hình thấy rõ với giới hạn số sủi bọt lớn, kết tính số gần trùng với kết thử mơ hình bể thử Tuy nhiên miền giá trị số sủi bọt nhỏ, cụ thể N < có bước nhảy kết tính kết thí nghiệm, giá trị tính tốn cao giá trị thử mơ hình Chân vịt kiểu E033, J = 0.8 Chân vịt kiểu E033, J = 0.9 Hình 9.123 Lực đẩy momen quay hàm số sủi bọt CHƯƠNG 660 Hình 9.124 Vùng sủi bọt propeller E033, J = 0,8, σN = 2,5 Vùng sủi bọt đầu cánh chân vịt trình bày hình 9.124 Tại hình so sánh vùng sủi bọt mơ hình máy tính (phía trái) chân vịt thực (phía phải) Hình 9.125 Đường Pareto CHÂN VỊT TÀU THỦY 661 Hình 9.126 Hình học chân vịt tối ưu Bảng 9.41 So sánh chân vịt nguyên thủy chân vịt tối ưu E033 E033_14678 Δ% KT 0,3174 0,3101 -2,15% 10KQ 0,7281 0,6802 -6,59% 0,6245 0,6530 +4,56% 16,9 3,1 -81,69% 2,9 0,73 -75,13% Hiệu suất Diên tích bị sủi bọt max [cm ] Thể tích bị sủi bọt max [cm ] Hình 9.127 Chân vịt E033 nguyên mẫu (trái) chân vịt tối ưu (phải) CHƯƠNG 662 Hình 9.128a Miền sủi bọt chân vịt nguyên thủy E033 Hình 9.128b Miền sủi bọt chân vịt tối ưu E033_10345 Tối ưu chân vịt tàu ống đạo lưu Hai phương pháp dùng mô chân vịt ống nêu gồm phương pháp panel phương pháp RANS sử dụng tính tốn, thiết kế tối ưu chân vịt kiểu Miền tính tốn chia thành ba phần: hai phần hình trụ cố định phần chuyển động bao quanh bề mặt bên ống đạo lưu với chân vịt Cách làm phương pháp RANS là: bước chia lưới mặt cánh, mặt ống đạo lưu lưới hình tam giác nhỏ Sau đó, bề mặt khác phận chuyển động hình trụ nhỏ chia lưới với hình tam giác lớn điền đầy khơng gian tính CHÂN VỊT TÀU THỦY 663 tốn phần tử khối tứ diện Lưới hình trụ đơn giản tạo cho khối khối cố định bên Số lượng phần tử lưới khoảng 1.000.000 Mơ hình rối dùng cho trường hợp nên mơ hình k -  (standard), giải thuật xử lý phương trình Navier-Stokes SIMPLE algorithm Hệ số hồi phục chuẩn cho phép tính 0,3; 0,7; 0,8 Bằng cách tính đặc tính chân vịt ống với kết sau Bảng 9.42 Các hệ số động lực học chân vịt Pp hiên hữu Kinh điển CFD KQ 0.0280 0.0284 0.0260 KTP 0.1629 0.1634 0.1564 KTD 0.0355 0.0350 0.0521 KTT 0.1984 0.1984 0.2085  0.6044 0.5945 0.6832 Tiến hành mô chân vịt theo bước trình bày phần khn khổ CFD, kết nhận giá trị hệ số KT, KQ hiệu suất chân vịt Đây xuất phát điểm để tiến hành tối ưu hóa chân vịt ống với hiệu suất chân vịt hàm mục tiêu Kết mô so sánh với kết thí nghiệm tiến hành Emerson Cavitation Tunnel Bảng 9.43 So sánh kết mô với thực nghiệm Pp hiên hữu CFD Thí nghiệm KQ 0.0344 0.034 0.032 KTP 0.185 0.205 0.180 KTD 0.0413 0.032 0.040 KTT 0.2263 0.237 0.220  0.454 0.486 0.474 Hình 9.129a Lưới mặt cánh chân vịt mặt ống đạo lưu CHƯƠNG 664 Cách làm thứ hai dựa vào phương pháp panel Lưới bề mặt cánh, củ chân vịt, ống đạo lưu chia làm nhiều panel, Hình 9.129a phía phải Hình 9.129b Miền tính tốn cịn lại tạo lưới panel giới thiệu phần Phần tài liệu theo dõi tối ưu hóa hệ thống ơng chân vịt chuẩn Wageningen Tổ hợp gồm chân vịt kiểu Kaplan Ka-4-70 ống đạo lưu số 19a Wageningen Ka-4-70 chân vịt cánh, tỷ lệ P/D không đổi, Ống 19a ống tăng tốc, khe hở đầu cánh với mép ống 3% bán kính Kết thí nghiệm hệ thống chân vịt bể thử công bố từ năm năm mươi, (Van Manen, 1957) Hình 9.129b Lưới mặt cánh chân vịt phương pháp panel Chân vịt nguyên thủy thử nghiệm hệ số tiến 0,3 số xâm thực σN 1,7 Trong điều kiện làm việc, tượng sụt giảm lực đẩy mô-men xoắn xâm thực không đáng kể, chân vịt có hiệu suất gần điều kiện khơng sủi bọt Miền bị xâm thực cánh chân vịt Ka-4-70 ống trình bày Hình 9.133 Hình 9.130 Đường Pareto CHÂN VỊT TÀU THỦY 665 Tập hợp biến tự chọn để tối ưu hóa bao gồm điểm kiểm soát bước chân vịt phân bố đường dày lớn với tổng số mười hai tham số tự sáu ngàn phương án hình học khác qua thử nghiệm (100 thành viên cho hệ, từ tổng số 65 hệ giải thuật thuật di truyền GA) Tại Hình 9.130, kết tính tối ưu hóa, từ đường Pareto thấy chọn thơng số hình học tốt cho chân vịt khơng cịn việc khó cần định rõ ràng người thiết kế Từ hình cịn thấy điều này, với chân vịt tự do, không nằm ống liệu thu nhận từ tính tốn tỏ rời rạc, phân bố rộng, với chân vịt ống liệu hình học tập trung miền số sủi bọt Hình 9.131 Đường đặc tính chân vịt Ka-4-70 ống 19a, P/D =1 (khơng tính lực đẩy dường ống thử) Hình 9.132 Đường đặc tính chân vịt Ka-4-70 ống 19a, P/D = (có tính lực đẩy dường ống thử) CHƯƠNG 666 Bảng 9.44 giới thiệu kết mô chân vịt nguyên thủy Ka-4-70 chân vịt sau tối ưu hóa Ka-4-70_6243 Điều thấy rõ từ chân vịt tối ưu hiệu suất tăng +3,94% diện tích bị sủi bọt hồn tồn biến Bảng 9.44 Đặc tính chân vịt Ka 470 Ka 470_6243 Ka470 Ka470_6243 Δ% KT 0,2501 0,2421 -3,1% 10KQ 0,4251 0,3958 -6,8% 0,2810 0,2921 +3,94% 3,8 -100% Hiệu suất Miền bị sủi bọt [cm ] Hình 9.133 Miền bị xâm thực chiều dày chân vịt nguyên thủy Hình 9.134 Chân vịt Ka-4-70 khơng bị xâm thực 667 TÀI LIỆU THAM KHẢO Andersson, B [et al.], Computational Fluid Dynamics for Engineers, Cambridge University Press, 2012 Anderson, D A., Pletcher, R H., and Tannehill, J C., Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer, Second ed., Taylor and Francis, Washington D C, 1997 Blazek J., Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications, Third Edition, Elsevier Ltd, 2015 Best Practice Guidelines for Marine Applications of Computational Fluid Dynamics, W S Atkins Ltd., Epsom, UK, 2003 Carlton, J S., Marine Propellers and Propulsion Butterworth, Oxford, 1994, 2007, 2012 Chung, T J., Computational Fluid Dynamics, New York: Cambridge University Press, 2002 Chen, S., A Large-Eddy-Based Lattice Boltzmann Model for Turbulent Flow Simulation Appl Math Comput 2009, 215 (2), 591 – 598 Eggels, Jack G M., Direct and Large-Eddy Simulation of Turbulent Fluid Flow Using the Lattice-Boltzmann Scheme International Journal, 1996 Ferziger, J H and Peric, M., Computational Methods for Fluid Dynamics, 3’rd edition, Springer, New York, 2003 10 Gemano, M., Piomelli, U., Moin, P & Cabot, W H., A Dynamic Subgrid-Scale Eddy Viscosity Model Phys Fluids, A3, 1760, 1991 11 Harvald, Sv Aa (Svend Aage), Resistance and propulsion of ships / Sv Aa Harvald, New York : Wiley, 1983 12 Hess, J L., Panel Methods in Computational Fluid Dynamics Annual Review of Fluid Mechanics, 1990 22, 255–274 13 Hess J L & Smith, A M O., Calculation of Non-Lifting Potential Flow About Arbitrary Threedimensional Bodies Douglas Aircraft Report No ES 40622 Long Beach, CA: Douglas Aircraft 1962 14 Hino, T (Ed.)., CFD Workshop Tokyo 2005 Tokyo, Japan: National Maritime Research Institute, 2005 15 Hirt, C W and Nichols B., Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries J Comput Phys 1981; 39(1): 201–225 16 ITTC 7.5-02-02-01:2011 Recommended Procedures And Guidelines: Resistance Test, Revision 03 17 ITTC- Recommended Procedures and Guidelines - CFD General Uncertainty Analysis in CFD 18 Jones, D A and Clarke, D B., Fluent Code Simulation Of Flow Around A Naval Hull: the DTMB 5415 Report, Project no DSTO-TR-2465, September 2010 Canberra, ACT, Australia: Maritime Platforms Division, Australian Government Department of Defence 668 19 Krüger, T et al, The Lattice Boltzmann Method: Principles and Practice, Springer International Publishing Switzerland 2017 20 Larsson, L., Stern, F and Bertram, V., Benchmarking of Computational Fluid Dynamics for Ship Flows: the Gothenburg 2000 workshop J Ship Res, 2003; 47(1): 63-81 21 Larsson, L., Stern, F and Visonneau, M., Gothenburg 2010-A Workshop On Numerical Ship Hydrodynamics In: Proceedings, vol 2, Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden, 2010 22 Liu, G R and Gu, Y T., An Introduction to Meshfree Methods and Their Programming, 2005 Springer, Netherland 23 McDonough, J M., Lectures in Computational Fluid Dynamics of Incompressible Flow: Mathematics, Algorithms and Implementations, University of Kentucky, 2007 24 Mohammad Javad Ketabdari, Numerical Simulation - From Brain Imaging to Turbulent Flows, Chapter 15: Free Surface Flow Simulation Using VOF Method, Faculty of Marine Technology, Amirkabir University of Technology, Tehran, 2016 25 Molland, A F., Turnock, S R and Hudson, D A., Ship Resistance and Propulsion Cambridge: Cambridge University Press, 2011 26 Moukalled, F., Mangani, L and Darwish, M., The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics An Advanced Introduction with OpenFOAM® and Matlab®, Springer International Publishing Switzerland, 2016 27 Omer, K Kinaci1, Omer, F Sukas and Sakir, Bal, Prediction of wave resistance by a Reynolds-averaged Navier–Stokes equation–based computational fluid dynamics approach, Proc IMechE Part M: J Engineering for the Maritime Environment 2016, Vol 230(3) 531–548 28 Patankar, S., Numerical Heat Transfer and Fluid Flow McGraw Hill, New York, 1980 29 Rigby, S G, Nicolaou D, Sproston J L, et al Numerical Modeling of The Water Flow Around Ship Hulls J Ship Res 2001; 45(2): 85–94 30 Versteeg, H K and Malalasekera, W., An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method, 2nd edition, Pearson Education Limited 1995, 2007 31 Wesseling, P., Principles of Computational Fluid Dynamics, Springer, 2001.Wilcox, D C., Turbulence Modeling for CFD, La Canada, CA: DCW Industries, 2000 ... sách TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU TRONG KỸ THUẬT TÀU THỦY trình bày tóm tắt mơn học tính toán động lực học chất lưu, trao đổi vấn đề khí động học kỹ thuật, mơ tác động dòng chảy chất lưu trình,...ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Trần Công Nghị (Chủ biên) Lê tất hiền TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU TRONG KỸ THUẬT TÀU THỦY NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ... nhỏ mơn học tính tốn động lực học chất lưu, trao đổi vấn đề khí động học kỹ thuật, mơ tác động dịng chảy chất lưu q trình Lĩnh vực thuộc ngành thủy khí động lực học sử dụng phương pháp tính phát