Bố cục của luận văn Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận văn và Tài liệu tham khảo, luận văn có 3 Chương: Chương 1. Tổng quan một số vấn đề chuyển động của vật thể trong chất lỏng có khoang khí/hơi; chương 2. Tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM; chương 3. Ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha.
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 Ngành: Cơ kỹ thuật Chun ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 85200101.01 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2018 MỞ ĐẦU Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài Nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội người đặt vấn đề đòi hỏi phải sử dụng phương tiện, thiết bị làm việc mặt lịng nước, ví dụ tàu thủy, chân vịt, tàu lặn, … cần không ngừng nâng cao hiệu suất làm việc giảm thiểu tiêu thụ lượng chúng Nghiên cứu động lực học dịng chảy nhiều pha khơng có/có chuyển pha quan tâm dịng chảy quanh phương tiện, thiết bị nêu thường dòng chảy nhiều pha (chứa pha lỏng, pha khí/hơi, …) Trong dịng chảy nhiều pha, khoang khí/hơi xuất (theo cách nhân tạo tự nhiên) điều kiện dịng chảy thích hợp, đó, dịng chảy gọi dịng chảy có khoang khí/hơi Khi có khoang khí/hơi bao bọc bề mặt thiết bị dòng chảy, lực cản ma sát bề mặt thiết bị với chất lỏng xung quanh giảm đáng kể (có thể giảm 90%), nhiều thiết bị di chuyển với vận tớc cao mà tiêu thụ nhiên liệu [31] Vì vậy, dịng chảy có khoang khí/hơi quan tâm nghiên cứu ứng dụng giới Việt Nam Do phức tạp tượng dòng chảy việc nghiên cứu dòng chảy vẫn gặp nhiều khó khăn nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm cần tiếp tục thực nghiên cứu sâu sắc Những công cụ mô sớ góp sức đáng kể nghiên cứu dịng chảy Trong đó, OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation) cơng cụ có nhiều ưu điểm, bật cho phép người dùng can thiệp vào mã nguồn để hồn thiện mơ hình có sẵn phát triển mơ hình tính tốn phục vụ nhu cầu cụ thể nghiên cứu [35,37] Việc làm chủ OpenFOAM giúp thực nghiên cứu sâu sắc động lực học dòng chảy nói chung dịng chảy khơng có/có chuyển pha hay dịng chảy có khoang khí/hơi nói riêng Vì vậy, học viên lựa chọn đề tài Luận văn “Nghiên cứu, ứng dụng chương trình OpenFOAM tính tốn động lực học dịng chảy khơng có/có chuyển pha” Mục đích 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 OpenFOAM tính tốn động lực học dịng chảy khơng có/có chuyển pha qua tốn: Mơ dịng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể xâm nhập nước vật thể chuyển động nhanh lòng chất lỏng Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng hai phương pháp nghiên cứu chính: Phương pháp tổng hợp, phân tích tài liệu Phương pháp thí nghiệm sớ Bố cục luận văn Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục cơng trình khoa học tác giả liên quan đến luận văn Tài liệu tham khảo, luận văn có Chương: Chương Tổng quan sớ vấn đề chuyển động vật thể chất lỏng có khoang khí/hơi Chương Tổng quan chương trình mã nguồn mở OpenFOAM Chương Ứng dụng chương trình OpenFOAM tính tốn động lực học dịng chảy khơng có/có chuyển pha Phần Phụ lục đề cập tên ứng dụng giải chuẩn có sẵn OpenFOAM phục vụ cho tính tốn mơ thủy động lực học dòng chảy nhiều pha Chương TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ TRONG CHẤT LỎNG CĨ KHOANG KHÍ/HƠI KHƠNG CĨ/CĨ CHUYỂN PHA 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 Hình 1.1 [59] minh họa khoang khí/hơi tự nhiên hình thành quanh cầu kim loại thả vào nước từ bên ngồi khơng khí Hình 1.1 Khoang khí/hơi hình thành cầu từ khơng khí vào nước Khoang chứa khí hình thành từ cầu bắt đầu tiếp xúc với mặt thống nước chiếm chỗ khơng khí vùng khơng gian trớng mà vật thể tạo sau xuyên qua mặt thoáng sâu vào lịng chất lỏng Tại vùng này, khoang chứa khí lấp đầy khơng khí nước sinh giảm áp tới áp suất bão hào chất lỏng xung quanh vật thể [12, 17,27,31] Do khoang chứa khí nên Luận văn gọi chung Khoang khí/hơi Trong dịng chảy có khoang khí/hơi, vùng chất lỏng lớp biên rới dòng chảy gần bề mặt vật thể xảy giảm áp tới áp suất bão hòa vùng chất lỏng gần bề mặt vật thể [12,17] Hình 1.2 Sự hình thành khoang lớp biên rối bề mặt vật thể Bằng kỹ tḥt nhân tạo, khoang khí/hơi tạo xung quanh vật thể chuyển động lịng chất lỏng gọi khoang khí/hơi nhân tạo Hình 1.4 Sự hình thành khoang khí nhân tạo bề mặt vật thể 1.1.2 Một số tham số đặc trưng dịng chảy khoang khí/hơi 𝑝∞−𝑃 • Sớ khoang (cavitation number) 𝜎 = 0.5𝜌𝑈2𝑐 • 𝑝 −𝑝 Hệ sớ áp suất 𝐶𝑝 = 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 ∞ 0.5𝜌𝑈∞ 𝜌𝑈 𝑐 Số Reynolds 𝑅𝑒 = 𝜇∞ 𝑈∞ Số Froude 𝐹𝑟 = 𝑔𝑐 √ 𝐹𝐷 Hệ số cản 𝐶𝐷 = 2𝐴 0.5𝜌𝑈∞ ∞ • • • (1.1) (1.2) (1.3) (1.4) (1.5) • Tỉ sớ blockage: tỷ lệ đường kính ống quan sát với đường kính đầu dính ướt [9,23] Giá trị tỉ số blockage ảnh hưởng tới số khoang σ nhỏ hệ ớng thủy động hình thành dược • 𝑄 Hệ sớ cấp khí 𝐶𝑄 = 𝑈 𝑎𝑖𝑟 𝐷2 ∞ 𝑐 (1.6) 1.2 Một số đặc tính chủ yếu khoang khí/hơi xuất quanh vật thể chuyển động lòng chất lỏng - Diện tích tiếp xúc bề mặt vật với chất lỏng chất lỏng thấp so với khơng có khoang khí/hơi - Sự biến khoang khí/hơi sinh xung áp lực lớn chất lỏng vị trí khoang khí/hơi đóng kín 1.3 Một số ứng dụng dịng chảy khoang khí/hơi 1.3.1 Chân vịt siêu khoang a) b) Hình 1.11 Chân vịt có thiết kế hình dạng cánh đặc biệt (hình a) chế hình thành khoang tự nhiên (hình b) 1.3.2 Ngư lơi siêu khoang a) b) Hình 1.12 Ngư lơi VA-111 Shkval sử dụng kỹ thuật hình thành khoang khí nhân tạo (a – Ngư lơi VA-111 Shkval; b – Đầu tạo khoang khí) [60] 1.3.3 Giảm lực cản cho thân tàu biển Hình 1.13 Khoang khí giúp giảm lực cản thân tàu 1.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động vật thể nước 1.4.1 Lực cản đối với vật thể chuyển động lòng chất lỏng FD = FD-apsuat+ FD-masat (1.7) Vật thể có chiều dài lớn so với chiều rộng có thành phần lực cản xung quanh lớn 1.4.2 Sự ăn mòn bề mặt vật thể chuyển động vận tốc cao Ngày nay, ứng dụng dịng chảy có khoang khí/hơi có tác dụng giúp giảm thiểu ảnh hưởng lực cản, ăn mòn xâm thực xảy [17] 1.5 Tình hình nghiên cứu 1.5.1 Nghiên cứu thực nghiệm 1.5.1.1 Những công cụ nghiên cứu thực nghiệm • • Kênh/ớng thủy động Hệ bể nước quan sát vật thể di chuyển tự 1.5.1.2 Một sớ kỹ tḥt hình thành khoang khí nhân tạo Hình 1.19 Mơ tả dịng chảy khoang khí hình thành theo cách khác (a – Khác vị trí lỗ phun; b – Khác hướng dịng khí phun ra) 1.5.1.3 Những phương pháp đo đạc tham sớ dịng chảy có khoang hơi/khí • • Quan sát khoang khí sử dụng camera tớc độ cao (Phương pháp quang học) Phương pháp đo đạc áp suất dịng chảy ớng quan sát khoang khí Hiện có hai phương pháp để xác định áp suất bên khoang khí: - Tính ngược áp suất từ quan hệ kích thước khoang khí với số xâm thực - Đo đạc trực tiếp đầu đo đặt bề mặt vật thể • Phương pháp đo trường vận tớc dịng chảy phương pháp PIV 1.5.1.4 Cấu trúc dòng chảy chế đóng khoang hơi/khí Hình 1.30 Cấu trúc dịng chảy khoang khí/hơi đóng dịng xốy phía sau khoang khí/hơi 1.5.1.5 Hình dạng kích thước khoang hơi/khí • Hình dạng khoang hơi/khí Hình 1.31 Khoang hình thành với số dạng thân đầu vật thể [31] • Kích thước khoang hơi/khí Lc = Dc CD ln ; Dmax = Dc CD ; CD = CD0 (1 + ) (1.9) 1.5.1.6 Sự dãn nở chất lỏng vật thể di chuyển có khoang hơi/khí Hình 1.33 Quan sát vật thể di chuyển nước với vận tốc âm (Mach=1.03) 1.5.2 Nghiên cứu lý thuyết 1.5.2.1 Phương trình Rayleigh – Lamb cho động lực học bọt khí dạng hình cầu Trong q trình hình thành khoang khí/hơi, bọt khí/hơi nhỏ xuất tăng dần kích thước Phương trình Rayleigh – Lamb cho tớc độ phát triển bọt khí/hơi hình cầu dịng chảy mơ tả phương trình (1.10) [17,33] d RB dRB pB − p 2S + − = dt 2 dt l l RB RB (1.10) 1.5.2.2 Chuyển động vật thể duới nước có khoang khí/hơi Chuyển động vật thể tính tốn từ tương tác lực mô men q trình chuyển động 1.5.2.3 Các cơng cụ mơ số OpenFOAM [40, 43-44], ANSYS Fluent [10, 21], UNCEL code [2526] … 1.5.3 Một số vấn đề nghiên cứu 1.5.3.1 Nghiên cứu thực nghiệm - Hệ ông thủy động quy mơ lớn dịi hỏi chi phí xây dựng cao nên khơng nhiều sở nghiên cứu trang bị - Mơ hình vật thể nhỏ khó chế tạo, khó đo áp suất nên dù chi phí thấp vẫn có nhiều hạn chế - Cấu trúc dòng chảy chế hoạt động vị trí khoang khí/hơi đóng lại cịn chưa làm rõ - Việc quan sát camera chưa phản ánh đặc điểm ba chiều không gian khoang hơi/khí - Hiện nay, việc đo đạc trường vận tớc dịng chảy có khoang khí/hơi vẫn cịn nhiều khó khăn dịng chảy có tớc độ mức độ rối lớn Ngay phương pháp PIV nghiên cứu dịng chảy rới phía sau khoang khí/hơi 1.5.3.2 Nghiên cứu lý thuyết - Tính nén thường phải bỏ qua nghiên cứu, hầu hết nghiên cứu chưa quan tâm đến trường hợp chuyển động vận tốc âm (vận tốc âm nước 1400m/s) - Tính tốn CFD tốn chuyển động vật thể dịng chảy có khoang khí đặt vấn đề tới ưu hóa lưới tính tốn phương pháp tính chuyển động vật thể vận tốc lớn, cấu trúc dịng chảy phức tạp: nhiều pha, nhiễu động lớn, tính nén cần phải xem xét kỹ lưỡng… - Các mơ hình dịng chảy rới phần khoang khí/hơi đóng lại sóng (wake) phía sau cịn chưa kiểm chứng thiếu liệu thực nghiệm Chương TỔNG QUAN VỀ BỘ CHƯƠNG TRÌNH MÃ NGUỒN MỞ OPENFOAM 2.1 Lược sử phát triển OpenFOAM 2.1.1 OpenFOAM gì? OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation) phần mềm nguồn mở hàng đầu cho CFD, thuộc sở hữu Quỹ OpenFOAM phân phối độc quyền theo Giấy phép Công cộng (GPL) cho phép người dùng tự sửa đổi phân phối lại OpenFOAM đảm bảo tiếp tục sử dụng miễn phí điều khoản giấy phép Các 11 chuỗi (ví dụ 5.0), nhóm ESI phát triển độc lập phiên OpenFOAM với định danh theo ngày phát hành (v1806) 2.1.5 Một sớ phần mềm giao diện GUI có tích hợp với OpenFOAM • • • • • HELYX-OS[15] • iconCFD[20] • SimFlow[50] • FEAToll [16] SimScale[51] SwiftBlock[38] SwiftSnap[39] VisualCFD[36] 2.2 Cấu trúc chương trình OpenFOAM Hình 2.3 Cấu trúc tổng thể chương trình OpenFOAM 2.2.1 Các nhóm giải chuẩn • • • • • Basic CFD codes: Incompressible flow: Compressible flow: Multiphase flow: Direct numerical simulation (DNS): • Combustion: • Heat transfer buoyancydriven flows: • Particle-tracking flows: • Discrete methods: • Electromagnetics: • Stress analysis of solids: • Finance: Hầu hết chương trình tính tốn dịng chảy OpenFOAM sử dụng thuật toán PISO (Pressure-Implicit Split-Operator), SIMPLE tương tự phần mềm CFD khác, sơ đồ kết hợp hai sơ đồ PIMPLE 12 2.2.2 Công cụ tiện ích 2.2.2.1 Các nhóm cơng cụ tiện ích Bộ chương trình OpenFOAM có sẵn nhiều cơng cụ phục vụ cơng việc mơ hình hóa tính tốn động lực học dịng chảy CFD, nhóm cơng cụ có sẵn: • • • • • Pre-processing: Mesh generation: Mesh conversion: Mesh manipulation: Post-processing: • • • • • Post-processing data converters: Surface mesh tools: Parallel processing: Thermophysical-related utilities: Miscellaneous utilities: 2.2.2.2 Môt số công cụ chuyển đổi định dạng lưới Môt số công cụ chuyển đổi định dạng lưới: fluentMeshToFoam, starToFoam, gambitToFoam, ideasToFoam, cfx4ToFoam 2.2.3 Lưới tính tốn loại điều kiện biên sử dụng OpenFOAM 2.2.3.1 Lưới tính tốn sử dụng OpenFOAM Lưới tính tốn sử dụng cho OpenFOAM lưới 3D với phần tử lưới có hình dạng khới OpenFOAM có sẵn cơng cụ chia lưới khối blockMesh cho lưới đơn giản Đối với tốn có dạng biên hình học phức tạp, cơng cụ snappyHexMesh cho phép tạo lưới phù hợp với biên dạng toán 2.2.3.2 Các loại điều kiện biên sử dụng OpenFOAM Các loại điều kiện biên sử dụng OpenFOAM: - fixedValue fixedGradient zeroGradient - calculated mixed fixedValue/ fixedGradient directionMixed 13 2.2.4 Tổ chức liệu mơ hình hóa mơ Để giải tốn động lực học dịng chảy, chương trình thư viện OpenFOAM tổ chức thành case thư mục Hình 2.7 mơ tả tổ chức liệu case thư mục Hình 2.7 Tổ chức liệu mơ hình hóa mơ 2.3 Khả ưu, nhược điểm OpenFOAM 2.3.1 Các khả tính tốn OpenFOAM OpenFOAM chứa thư viện sở lớn, cung cấp khả cớt lõi chương trình: • Tensor tốn tử tính tốn • Rời rạc hóa phương trình vi phân phần cách sử dụng cú pháp người dễ đọc hiểu • Giải hệ phương trình tuyến tính • Giải phương trình vi phân thường • Tự động song song hóa tính tốn nâng cao • Hỗ trợ lưới động • Các mơ hình vật lý tổng qt Các ứng dụng viết cú pháp cấp cao giới thiệu OpenFOAM, nhằm mục đích tái tạo cú pháp tốn học thơng thường Có hai loại ứng dụng tồn tại: • Bộ giải: thực tính tốn thực tế để giải vấn đề học liên tục cụ thể 14 • Tiện ích: chúng sử dụng để chuẩn bị lưới, thiết lập trường hợp mô phỏng, xử lý kết quả, để thực hoạt động khác giải vấn đề kiểm tra Mỗi ứng dụng cung cấp khả cụ thể: ví dụ, ứng dụng gọi blockMesh sử dụng để tạo mắt lưới từ tệp đầu vào người dùng cung cấp, ứng dụng khác gọi icoFoam giải phương trình Navier – Stokes cho dịng chảy phân tầng, không nén 2.3.2 Những ưu, nhược điểm OpenFOAM Nhìn chung, ưu nhược điểm chương trình OpenFOAM so với phần mềm thương mại tóm tắt bảng Bảng 2.1 So sánh tính OpenFOAM CFD thương mại Tên sản phẩm CFD thương mại (FLUENT) OpenFOAM Phương pháp FVM FVM Cơng cụ chia lưới, hiển thị kết Có Có Giao diện Giao diện cửa sổ dễ dung Khó dùng phải qua dịng lệnh Tính tốn nhiều pha Có Có Tính tốn song song Có Có Can thiệp mã nguồn Khơng Có Phí quyền cao Có Khơng phí 15 Phát triển chương trình tính Do nhà sản xuất phát hành Do người dùng thừa hưởng từ cộng đồng sử dụng OpenFOAM tự phát triển Hiện trạng Việt Nam Tương đới phổ biến Ít sử dụng khó sử dụng 2.4 Áp dụng minh họa khả chương trình OpenFOAM tính tốn động lực học dịng chảy 2.4.1 Đặt tốn Cho đoạn ớng có độ dài D2 =1.5(m) có độ rộng D1=1.5m, đoạn ống thay đổi tiết diện cách đầu vào đoạn 0.5(m), tiết diện sau ống 0.5 (m), sau thu hẹp 0.5m tiết diện lại 1.5m Vận tớc dịng chất lỏng U (1,0,0) m/s chảy theo phương x với độ lớn Ux =1(m/s) Ngoài áp suất đầu p= bar • Các phương trình áp dụng - Phương trình liên tục: ∇̇.U = - Phương trình áp suất cho dịng khơng nén được: ∇2p = • Điều kiện biên - Vận tớc dịng vào U = (1,0,0) m/s - Áp suất dòng p = bar Sử dụng giải icoFoam: giải dùng cho dịng chảy tầng khơng nén ổn định 2.4.2 Dựng lưới tính tốn Hình 2.8 Sơ đồ điều kiện biên tốn bố trí cá đỉnh, khối lưới (block) 16 2.4.4 Chạy chương trình tính tốn, hiển thị kết Hình 2.14 Hình ảnh thể đường dịng chảy Hình 2.15 Phân bố áp suất p Hình 2.16 Phân bố độ lớn vận tốc miền tính tốn Nhận xét Nhìn chung, kết mơ thể đặc tính dịng chảy quanh biên vật thể theo lý thuyết Kết thu mơ hình tính tốn cho thấy khả áp dụng OpenFOAM tính tốn động lực học dịng chảy Chương ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC DỊNG CHẢY KHƠNG CĨ/CĨ CHUYỂN PHA 3.1 Một số giải dòng chảy hai pha khơng có/có chuyển pha OpenFOAM 3.1.1 Giới thiệu sớ giải có sẵn cài đặt OpenFOAM Một sớ giải có sẵn cài đặt OpenFOAM: cavitatingFoam; interFoam; interDyMFoam; ChangeFoam; InterphaseChangeDyMFoam interphase- 17 3.1.2 Lựa chọn giải phù hợp để phục vụ tính tốn ḷn văn Đới với tốn tính tốn động lực học dịng chảy khơng có chuyển pha, nghiên cứu sử dụng giải interFoam để nghiên cứu dòng chảy xung quanh vật thể xâm nhập nước Đới với tốn tính tốn động lực học dịng chảy có chuyển pha, nghiên cứu sử dụng giải interPhaseChangeFoam để nghiên cứu dòng chảy xung quanh vật thể chuyển động nhanh lòng nước với khoang diện xung quanh bề mặt 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 nước Trong nghiên cứu này, mơ hình tính tốn mơ 2D cho dịng chảy hai pha lỏng – khí xây dựng 3.2.1 Các phương trình 3.2.1.1 Hệ phương trình Navier - Stokes cho hỗn hợp dịng chảy hai pha khơng nén Hệ phương trình Navier - Stokes cho hỗn hợp dịng chảy hai pha khơng nén gồm hai phương trình (3.1) (3.2) [33]: 3.2.1.2 Phương pháp VOF (Volume of Fluid) Phương pháp VOF thường áp dụng mơ hình hóa mặt phân tách lỏng – khí với tỉ phần thể tích γ pha lỏng thể tích kiểm tra định nghĩa theo biểu thứu (3.6): 𝛾= 𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔 𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔 + 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑘ℎí (3.6) 18 3.2.1.3 Mơ hình tính tốn rới Dịng chảy rới mơ hình hóa theo phương pháp mơ xốy lớn LES (Large Eddy Simulation) áp dụng nhiều mơ dịng chảy rới khoang khí [40,44] 3.2.2 Mơ hình tính tốn động lực học dịng chảy mơ xâm nhập nước vật thể sử dụng OpenFOAM Bộ giải interFoam hoạt động theo sơ đồ tḥt tốn PIMPLE chọn Cơng cụ chia lưới blockMesh OpenFOAM sử dụng để dựng lưới Hình 3.1 Sơ đồ điều kiện biên mơ hình tính tốn Hình 3.2 Lưới tính tốn mơ hình tính tốn 3.2.3 Kết tính tốn 3.2.3.1 Các trường hợp tính tốn mơ Trong nghiên cứu này, xâm nhập nước hai vật thể: vật thể tiết diện tròn vật thể dạng dài đầu phẳng (có kích thước theo tỉ sớ chiều dài = 10 x đường kính) mơ Vận tớc dịng chảy lấy với vận tốc vật thể va chạm với mặt thống nước khơng đổi theo thời gian với giá trị V = 1.72 m/s, 2.17m/s V = 3.10 m/s Bước thời gian t = 1x10-6 s 3.2.3.2 So sánh kết mô với quan sát thực nghiệm xâm nhập nước vật thể 19 Hình 3.3 So sánh kết mơ (hình bên phải) với quan sát thực nghiệm (bên trái) va chạm vật thể với mặt thoáng với trường hợp V=1.72m/s (a) V=2.17 m/s (b) Hình 3.4 So sánh kết mơ với thực nghiệm xuất đóng kín khoang khí quanh vật thể tiết diện trịn với trường hợp vận tốc V=2.17m/s Hình 3.5 So sánh kết mô với quan sát thực nghiệm xuất đóng kín khoang khí quanh dài đầu phẳng với trường hợp vận tốc V = 3.10 m/s 3.2.3.3 Ảnh hưởng vận tớc hình dạng vật thể đến xâm nhập nước vật thể 20 Hình 3.6 Ảnh hưởng vận tốc di chuyển hình dạng vật thể 3.2.4 Nhận xét chung Sử dụng tính tương đới chuyển động, mơ hình tính tốn mơ xây dựng với giải chuẩn interFoam dựa phương pháp VOF cho dòng chảy hai pha, kết hợp với mơ hình rới LES lưới blockMesh OpenFOAM Hình dạng mặt phân tách nước – khơng khí, xuất hiện, đóng kín biến khoang khí thu nhận phù hợp tốt với quan sát thực nghiệm công bố Sự ảnh hưởng vận tớc hình dạng vật thể xem xét thông qua so sánh xâm nhập nước qua giai đoạn: va chạm với mặt thống, xuất hiện, đóng kín biến khoang khí vật thể xâm nhập nước dạng vật thể số vận tốc xâm nhập khác 3.3 Ứng dụng OpenFOAM tính tốn động lực học dịng chảy hai pha có chuyển pha quanh vật thể chuyển động lòng chất lỏng 21 3.3.1 Các phương trình Dịng chảy hai pha có chuyển pha quanh vật thể chuyển động nhanh nước mơ tả hệ phương trình Navier-Stokes cho hỗn hợp dịng chảy hai pha khơng nén tương tự mục 3.2.1 3.3.2 Mơ hình hóa mặt phân tách lỏng - phương pháp VOF Mặt phân tách hai pha lỏng mơ hình hóa phương pháp VOF Trong đó, tỉ phần thể tích γ pha lỏng thể tích kiểm tra định nghĩa theo biểu thức (3.15): 𝛾= 𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔 𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔 + 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 ℎơ𝑖 (3.15) 3.3.3 Mơ hình hóa q trình rới mơ xốy lớn (LES) Mơ hình LES cho dòng chảy khoang áp dụng tương tự mục 3.2.1.3 ḷn văn 3.3.4 Mơ hình hóa q trình chuyển pha Các tính tốn dịng chảy có chuyển pha báo cáo sử dụng giải interPhaseChangeFoam OpenFOAM cung cấp kết hợp với sử dụng mơ hình tính tốn rới LES Mơ hình trao đổi khới lượng Kunz áp dụng 3.3.5 Mơ hình tính tốn động lực học dòng chảy sử dụng OpenFOAM 3.3.5.1 Miền tính tốn điều kiện biên Hình 3.7 Sơ đồ điều kiện biên mơ hình tính tốn 22 3.3.5.2 Lưới tính tốn mơ hình 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 toán PIMPLE tương tự giải interFOAM 3.3.5.4 Đánh giá hội tụ lưới Kết Hình 3.9 cho thấy lựa chọn lưới tính 210x80x80 phù hợp, tăng sớ lưới kết tính vẫn khơng thay đổi 3.3.6 Kết tính tốn 3.3.6.1 So sánh với quan sát thực nghiệm Hình 3.10 Khoang quanh cầu số σ= 1.0, 0.5, 0.36, 0.2 3.3.6.2 Sự tương quan xuất xốy rới thay đổi hình dạng khoang 23 Hình 3.11 Khoang quanh cầu thời điểm t = 0.35ms (a – khoang 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 tạo thành bọt nhỏ hơn) với σ = 0.36 3.3.7 Nhận xét chung Những kết tính tốn thu nhận hình dạng khoang phù hợp với kết nghiên cứu thực nghiệm mô công bố Các kết mô cho thấy khả ứng dụng OpenFOAM nghiên cứu động lực học dịng chảy có chuyển pha Đồng thời, phân tích báo cáo cho thấy xốy rới có tác động ảnh hưởng trực tiếp đến khơng ổn định hình dạng kích thước khoang 24 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 sớ 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 tốn cho số trường hợp Những kết thu cho thấy OpenFOAM cơng cụ có nhiều ưu điểm đới với việc nghiên cứu động lực học dịng chảy phương pháp mơ sớ, 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 Ḷn văn trình bày sớ ứng dụng chương trình OpenFOAM nghiên cứu động lực học dịng chảy khơng có/có chuyển pha Các tính tốn mơ sớ trình bày để nghiên cứu động lực học dịng chảy hai pha quanh vật thể xâm nhập vào nước (khơng có chuyển pha) chuyển động lịng nước (có chuyển pha) Những kết mơ trường áp suất vận tớc dịng chảy quanh vật thể thể công cụ ParaView tích hợp sẵn với OpenFOAM Trong việc xây dựng mơ hình tính tốn, việc ghép nới giải dịng chảy rới LES với giải dịng chảy hai pha có chuyển pha interPhaseChangFoam (chưa ghép nới với giải dịng rới) 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 cơng bớ mà tác giả có tham gia thực thời gian học tập 25 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Tạp chí: 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) 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 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 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 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 toàn quốc lần thứ X, Tập Cơ học Thủy khí, Hà Nội, ISBN:978-604-913-752-5 Trang 53-60 ... thu mơ hình tính tốn cho thấy khả áp dụng OpenFOAM tính tốn động lực học dịng chảy Chương ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC DỊNG CHẢY KHƠNG CĨ/CĨ CHUYỂN PHA 3.1 Một... Vì vậy, học viên lựa chọn đề tài Luận văn ? ?Nghiên cứu, ứng dụng chương trình OpenFOAM tính tốn động lực học dịng chảy khơng có/có chuyển pha? ?? Mục đích luận văn: Làm chủ chương trình OpenFOAM. .. nguồn mở OpenFOAM Chương Ứng dụng chương trình OpenFOAM tính tốn động lực học dịng chảy khơng có/có chuyển pha Phần Phụ lục đề cập tên ứng dụng giải chuẩn có sẵn OpenFOAM phục vụ cho tính tốn