Nghiên cứu tính toán các thông số thủy động của chong chóng bằng phương pháp CFD

Bài viết trình bày kết quả mô phỏng, tính toán các thông số thủy động của chong chóng (hệ số lực đẩy KT, hệ số mô men KQ và hiệu suất của chong chóng η0) hoạt động trong điều kiện tự do bằng phương pháp động lực học chất lưu (CFD). Phương pháp hệ tọa độ quay được sử dụng để mô phỏng chuyển động quay của chong chóng. Ảnh hưởng của kích thước lưới đến kết quả mô phỏng được đề cập đến trong bài báo.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ THỦY ĐỘNG CỦA CHONG CHÓNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD NUMERICAL PREDICTION PROPELLER PERFORMANCE BY CFD METHOD TRẦN NGỌC TÚ*, LÊ THANH BÌNH, NGUYỄN THỊ THU QUỲNH Khoa Đóng tàu, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: tutn.dt@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày kết mơ phỏng, tính tốn thơng số thủy động chong chóng (hệ số lực đẩy KT, hệ số mô men KQ hiệu suất chong chóng η0) hoạt động điều kiện tự phương pháp động lực học chất lưu (CFD) Phương pháp hệ tọa độ quay sử dụng để mơ chuyển động quay chong chóng Ảnh hưởng kích thước lưới đến kết mơ đề cập đến báo Kết mô có so sánh với kết thử mơ hình bể thử để khẳng định độ tin cậy kết tính tốn Ngồi báo cịn đưa hình ảnh phân bố áp suất bề mặt cánh chong chóng, đường dịng bao quanh chong chóng bước tiến tương đối khác chong chóng, phục vụ cho tốn khác thiết kế chong chóng Từ khóa: Chong chóng, CFD, hiệu suất, hệ số lực đẩy, hệ số mô men Abstract This paper presents the results of numerical prediction of propeller characteristics (thrust coefficient KT, toque coefficient KQ, and propeller efficiency η0) in open water condition by using CFD method Moving reference frame method is used to model propeller rotation The effect of mesh density on numerical results are analyzed The simulation results are compared with the experimental results to confirm the reliability of the calculation results In addition, the article also provided the images of the pressure distribution on the propeller blades surface, the flow around propeller at different advance coefficient of the propeller, which will be the sources for solving different problems in propeller design Keywords: Propeller, CFD, performance, thrust coefficient, Torque coefficient 56 Mở đầu Trong thiết kế tàu, việc tính tốn xác thơng số thủy động lực học tàu nói chung thơng số thủy động chong chóng nói riêng có vai trị đặc biệt quan trọng liên quan đến việc lựa chọn hợp lý xác hệ động lực cho tàu để tàu đạt tốc độ thiết kế đặt Ngày nay, phương pháp CFD sử dụng rộng rãi giới việc giải toán thủy động lực học tàu thủy nói chung tốn tính tốn thơng số thủy động chong chóng nói riêng, phương pháp tính cho kết tin cậy so với kết thử mơ hình bể thử [1] Ngồi ra, so với phương pháp thử mơ hình bể thử phương pháp CFD có lợi mặt kinh tế khơng phải chế tạo mơ hình vật lý để thử, thời gian cho kết nhanh hơn, việc xử lý sau tính tốn CFD cịn cho phép người thiết kế quan sát chi tiết đường dịng bao quanh chong chóng để phục vụ cho việc tối ưu hóa chong chóng Tuy nhiên, CFD cơng cụ tính nên độ xác kết tính CFD phụ thuộc nhiều vào kỹ người tính tốn việc lựa chọn kích thước miền chất lỏng tính tốn, loại lưới, kích thước lưới, mơ hình vật lý, phương pháp mơ phỏng, [2, 3] Việc áp dụng CFD vào mơ phỏng, tính tốn thơng số thủy động chong chóng nhiều tác giả thực [2, 4-7] Tác giả Judyta Felicjancik [6] cộng tiến hành nghiên cứu mơ phỏng, tính tốn hiệu suất chong chóng dạng tỷ lệ mơ hình CFD qua phần mềm thương mại Star-CCM+ Để mô chuyển động quay chong chóng, nhóm tác giả sử dụng phương pháp hệ tọa độ quay, loại lưới mà nhóm tác giả sử dụng mô lưới đa diện Kết mô mà tác giả thu cho sai số từ 2,5 đến 11% so với kết thử mơ hình bể thử tùy thuộc vào bước tương đối chong chóng Nhóm tác giả Nakisa cộng [5] tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng mơ hình dịng rối khác đến kết tính tốn thơng số thủy động chong chóng Kết nghiên cứu rằng, việc sử dụng mơ hình dịng rối SỐ 66 (4-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY SST K-omega với việc sử dụng lưới trượt cho kết gần với kết thử mô hình bể thử Sai số lớn hệ số mô men hệ số lực đẩy chong chóng so với kết thử mơ hình bể thử 9,6% 7,4% Tác giả Xiao-Qian Dong cộng [7] sử dụng CFD để nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ mô hình đến kết tính tốn hiệu suất chong chóng hoạt động điều kiện tự Kết nghiên cứu rằng, tỷ lệ mơ hình có ảnh hưởng đến kết tính tốn lực đẩy mơ men chong chóng Nhóm tác giả Tu.TN [2] sử dụng CFD với hỗ trợ phần mềm Star-CCM+ để tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng loại lưới, kích thước lưới mơ hình dịng rối đến kết tính tốn thơng số thủy động chong chóng dạng tỷ lệ mơ hình Kết nghiên cứu rằng, loại lưới, kích thước lưới mơ hình dịng rối yếu tố ảnh hưởng đến kết mơ Trong việc sử dụng loại lưới lục diện kết hợp với mơ hình dịng rối SST K-omega cho kết tốt so với kết thử mơ hình bể thử Các nghiên cứu trước kể đóng vai trò quan trọng việc áp dụng CFD vào tính tốn thơng số thủy động chong chóng Tuy nhiên, nghiên cứu đa phần tập trung vào nghiên cứu mô phỏng, tính tốn thơng số thủy động chong chóng dạng tỷ lệ mơ hình Bài báo này, sở kế thừa nghiên cứu trước tiến hành tính tốn, mơ thơng số thủy động chong chóng dạng tỷ lệ thực hoạt động điều kiện tự phương pháp CFD Mơ hình chong chóng sử dụng tính tốn mơ hình chong chóng Potsdam [8] dạng tỷ lệ thực Các yếu tố ảnh hưởng đến kết mô gồm cách chia lưới, mật độ lưới phân tích tính đến nhằm nâng cao độ tin cậy kết mô thu Thiết lập mơ 2.1 Mơ hình chong chóng Hình Hình dáng chong chóng Potsdam [8] SỐ 66 (4-2021) Mơ hình chong chóng sử dụng nghiên cứu chong chóng Potsdam [8] Hình dáng thơng số chủ yếu chong chóng trình bày Bảng Hình Kết thử bể thử chong chóng cơng bố website [8] Bảng Các thông số kỹ thuật chong chóng Potsdam Các thơng số Đường kính D chong chóng Tỷ số đĩa AE/A0 Tỷ số bước P0,7/D Số cánh Z Số vòng quay n Độ nhám ks Chiều quay - Đơn vị Giá trị m 3,00 Vịng/giây µm 0,779 1,6295 4,33 10 Quay phải - 2.2 Phương pháp mơ mơ hình vật lý Để mơ chong chóng CFD, có ba phương pháp khác gồm [9]: Phương pháp sử dụng hệ tọa độ quay, phương pháp toàn miền chất lỏng quay phương pháp lưới trượt Trong phương pháp hệ tọa độ quay cho kết không khác nhiều so với hai phương pháp lại thời gian tính tốn nhanh Chính vậy, báo sử dụng phương pháp hệ tọa độ quay để mơ chuyển động quay chong chóng Mơ hình vật lý sử dụng mô mô hình chất lỏng thực RANSE (phương trình Navier-Stokes trung bình theo Reynolds) với dòng chảy dòng chảy đến chong chóng điều kiện tự dịng chảy Mơ hình dịng chảy rối sử dụng mơ mơ hình dịng rối SST K-omega Đây mơ hình dịng rối cho kết tin cậy so với mơ hình dịng rối khác mơ chong chóng [2] 2.3 Thiết lập kích thước miền tính tốn điều kiện biên Kích thước miền chất lỏng tính tốn điều kiện biên yếu tố ảnh hưởng đến kết mô Kích thước miền chất lỏng tính tốn cần phải đủ lớn để đảm bảo dịng chảy đến chong chóng dịng chảy dịng chảy phía sau chong chóng khơng bị dội lại Theo khuyến nghị ITTC [10], kích thước miền tính tốn mơ chong chóng hoạt động điều kiện tự có dạng hình lăng trụ với đường kính gấp lần đường kính chong chóng, biên trước biên sau cách chong chóng đoạn lần đường kính chong chóng Điều kiện biên áp dụng sau: Dòng chảy 57 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ đến chong chóng tốc độ dịng đến, dịng chảy sau chong chóng áp suất dịng ra, miền chất lỏng bao quanh chong chóng mặt đối xứng, điều kiện biên áp dụng cho phần chong chóng (cánh, củ, trục) tường khơng trượt ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2.5 Thiết lập điều kiện trường hợp tính Việc tính tốn thơng số thủy động chong chóng thực điều kiện giống điều kiện thử thực tế với khối lượng riêng nước ρ=1,02587t/m3, độ nhớt động học nước ν=1,188.10-6m2/s, độ nhám cánh 10µm, vịng quay chong chóng 4,33 vịng/giây Việc tính tốn thực dải bước tương đối chong chóng, J từ 0,80 đến 1,60 với bước 0,2 Kết mơ tính tốn 3.1 Nghiên cứu hội tụ lưới Hình Kích thước miền tính tốn điều kiện biên [2] 2.4 Lựa chọn lưới chia lưới Loại lưới, cách chia lưới kích thước lưới yếu tố đầu vào ảnh hưởng đến kết mơ Trong mơ chong chóng loại lưới thường sử dụng loại lưới hexahedral loại lưới prism layer dùng để giải lớp biên bao quanh chong chóng Để số lượng lưới sử dụng đảm bảo độ xác mô phỏng, lưới làm mịn vị trí quan trọng (khu vực gần chong chóng, khu vực mép cánh) Kết chia lưới trình bày Hình Trên Hình 3, ta quan sát thấy khu vực quan trọng lưới làm mịn, nghĩa kích thước lưới khu vực nhỏ so với khu vực khơng quan trọng Bước tính toán CFD ta cần phải nghiên cứu hội tụ lưới để tránh sai số việc chia lưới gây Ở đây, theo khuyến nghị Hiệp hội bể thử quốc tế (ITTC) [11], việc nghiên cứu hội tụ lưới tiến hành với ba mật độ (kích thước) lưới khác với thay đổi tỷ lệ độ mịn lưới rG  Theo đó, mật độ lưới sử dụng nghiên cứu hội tụ lưới gồm lưới thô, lưới cỡ trung lưới mịn ứng với số lượng lưới 1,8, 3,45 6,28 triệu Việc nghiên cứu tiến hành bước tiến tương đối đối J=1,2 Sự thay đổi kết tính thu sử dụng lưới có kích thước khác xác định theo biểu thức: 12  ( S1  S2 ) / S1;  23  ( S2  S3 ) / S2 (1) Ở đây: S1, S2, S3 - kết tính tốn thơng số thủy động chong chóng sử dụng kích thước lưới khác lưới mịn, lưới cỡ trung lưới thô Sự hội tụ kết mô đánh giá dựa biểu thức (2) Tùy thuộc vào dấu giá trị Rk, có trường hợp xảy gồm: - Hội tụ đơn điệu 0