Xây dựng đường đặc tính chân vịt bằng phương pháp số

Mục tiêu chính của bài viết này là sử dụng phương pháp số(CFD) trong việc phân tích và xây dựng đường đặc tính của chân vịt tàu thuỷ. Chân được sử dụng trong nghiên cứu có các thông số cơ bản như sau: Đường kính 3,65 m; Số vòng quay của chân vịt 200 vòng/ phút; bước trung bình của chân vịt 2,459m, tỷ số bầu 0,1730 .

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CHÂN VỊT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ Ths Nguyễn Chí Cơng Ths Phạm Ngọc Ánh Bộ mơn Kỹ thuật khí, Viện khí Tóm tắt: Mục tiêu báo sử dụng phương pháp số(CFD) việc phân tích xây dựng đường đặc tính chân vịt tàu thuỷ Chân sử dụng nghiên cứu có thơng số sau: Đường kính 3,65 m; số vịng quay chân vịt 200 vịng/ phút; bước trung bình chân vịt 2,459m, tỷ số bầu 0,1730 Bước trình nghiên cứu chia lưới làm mịn lưới miền không gian khảo sát Bước hai đặt điều kiện biên cho mơ hình khảo sát, chọn mơ hình thuật giải phù hợp với tốn nghiên cứu Bước cuối phân tích kết tính tốn mơ xây dựng đường đặc tính chân vịt Abstract: The main objective of the paper is to use the computational fluid dynamics (CFD) technique in analyzing and build the characteristic curves of marine propeller The propeller analyzed is at the following design condition: The diameter of 3,65 m; speed of 200 rpm; average pitch of 2,459 m, boss ratio of 0,1730 The first stage involves the mesh generation and refinement on domain of the designed propeller The second stage deals with the identification of initial and boundary conditions of the mesh-equipped module In the final stage, various results are calculated and build the characteristic curves of marine propeller Keywords: CFD, marine propeller Giới thiệu Ngày CFD đóng vai trị quan trọng việc giải toán học chất lỏng Với tiến phương pháp số khả xử lý tính tốn máy tính, thiết kế cánh bánh cơng tác cho máy cánh dẫn nói chung chân vịt tàu thuỷ nói riêng phân tích, tính tốn thơng qua giải gần phương trình Navier Stokes phương pháp số CFD từ dự đốn, nâng cao hiệu suất cánh bánh cơng tác máy thuỷ lực nói chung chân vịt nói riêng Năm 2003 nhóm tác giả Takayuki WATANABE, Takafumi KAWAMURA, Yoshihisa TAKEKOSHI, Masatsugu MAEDA, Shin Hyung RHEE thuộc trường đại học Tokyo nhật sử dụng phương pháp số để nghiên cứu bất ổn định xâm thực chân vịt tàu thuỷ [1] Năm 2008 nhóm tác giả J Bosschers, G Vaz, A.R Starke, E van Wijngaarden thuộc viện nghiên cứu Maritime Research Institute Ba Lan sử dụng mơ hình RAN để nghiên cứu xâm thực chân vịt tương tác vỏ tàu chân vịt [2] Năm 2012 nhóm tác giả Kinnas, Spyros A.Tian, Ye Sharma, Abhinav sử dụng phương pháp số để nghiên cứu hoạt động chân vịt điều kiện thời tiết khắc nghiệt có sóng lớn, tải trọng tác động nặng [3] Trong báo này, nhóm tác giả sử dụng phương pháp số để tính tốn, mơ phỏng, xây dựng đường đặc tính chân vịt tàu thuỷ ứng với vận tốc tiến khác tàu thiết kế từ có biện pháp cải tiến nâng cao hiệu suất chân vịt Cơ sở lý luận 2.1 Các thông số tính tốn mơ chân vịt Trong tính tốn, mơ chân vịt thơng số đặc trưng cho hoạt động chân vịt là: Hệ số lực đẩy, hệ số mômen, hệ số tiến, hiệu suất chân vịt tính sau [4], [5]: Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 48 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 STT Tên Công thức Hệ số lực đẩy Hệ số mô men Hệ số tiến Hiệu suất chân vịt KT  T  n2 D [1] KT  Q  n D5 [2] J Va nD 0  KT J KQ 2 [3] [4] Trong T - Lực đẩy, Q - Mơmen, D - Đường kính chân vịt, Va - Vận tốc tiến thực tàu, n - Vận tốc góc chân vịt, - khối lượng riêng nước 2.2 Các phương trình Trong nghiên cứu nhóm tác giả sử dụng phần mềm thương mại Ansys fluent 14.0 tính tốn xây dựng đường đặc tính chân vịt Cơ sở toán học phần mềm Fluent phương trình bảo tồn khối lượng, phương trình bảo tồn mơmen cho dịng chảy nhớt, khơng nén trạng thái dừng hệ toạ độ quay (Moving reference frame) trình bày sau [6] Phương trình bảo toàn khối lượng   . vr  t [5]  (  vr )  .(  vr vr )   (2  vr      r  a  r  a )  p    F t [6] Phương trình bảo tồn mơmen Trong a  dvt dt tensơ ứng suất xác định sau   T       v  v  vI    [7] Tính tốn mơ số 3.1 Mơ hình chia lưới Trong báo nhóm tác giả thực phân tích, tính tốn mơ số với chân vịt tàu với tỷ số trượt J khác từ xây dựng đường đặc tính chân vịt Để tính tốn, xây dựng đường đặc tính chân vịt phương pháp số ta cần xây dựng khối chất lỏng bao quanh chân vịt hay gọi miền khơng gian khảo sát Miền khơng gian khảo sát có kích thước phù hợp với điều khả tính tốn máy tính độ xác tốn yêu cầu Trong báo miền không gian khảo sát khối trụ có chiều dài 7m, đường kính khối trụ 10m, mặt khối trụ đặt tên đầu vào, đầu ra, tường Mơ hình chân vịt khơng gian khảo Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 49 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 sát thể hình Sau ta chia lưới mơ hình bắt đầu tính tốn mơ Các thơng số lưới mơ hình thể bảng Hình 1: Mơ hình cánh chân vịt Hình 2: Mơ hình tốn khối chất lỏng sau chia lưới 3.2 Điều kiện biên phương pháp giải Bước chọn mơ hình tốn, đặt điều biên chọn thuật giải cho toán Trong báo nhóm tác giả sử dụng mơ hình rối RNG k­e để đóng kín phương trình Navier- Stock viết dạng số Reynolds trung bình Đầu vào đặt Velocity inlet với giả thiết vận tốc dọc trục số toàn đầu vào Đường đặc tính chân vịt xây dựng sở cố định vận tốc quay trục chân vịt thay đổi vận tốc đầu vào hay thay đổi tỷ số tiến J, vận tốc đầu vào theo tỷ số tiến J thể bảng Đầu đặt Pressure outlet với áp suất dư Pa, cánh trục chân vịt đặt tường với chức rotational wall, tường bên đặt tường cố định với chức tường tiêu chuẩn, khơng trượt Thuật tốn nội suy mối quan hệ vận tốc áp suất SIMPLE, điều kiện hội tụ toán sai số nhỏ 0.0001[7] Kết phân tích kết Hình kết phân bố áp suất tĩnh mặt hút mặt đẩy chân vịt J=0,6 Ta thấy phân bố áp suất mặt đẩy lớn mặt hút, áp suất lớn mặt hút 100000Pa, áp suất nhỏ mặt đẩy 12000Pa Tại mặt hút áp suất lớn đạt 100000Pa, áp suất nhỏ mặt hút đạt -12000Pa Phần lớn áp suất mặt đẩy đạt giá trị vào khoảng 80000Pa, phần lớn áp suất mặt hút - 34000Pa, tơng hợp phân bố áp suất mặt đẩy lớn mặt hút, chênh lệch áp suất lực đẩy chân vịt tạo để thắng sức cản tác động lên tàu chế độ khai thác Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 50 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 Hình 3: Phân bố áp suất mặt hút mặt đẩy cánh chân vịt Hình 4: Đường đặc tính chân vịt Hình thể đường đặc tính chân vịt tỷ số tiến J khác Ta thấy đường đặc tính chân vịt hồn tồn phù hợp với lý thuyết máy cánh dẫn hướng trục khẳng định tài liệu [8], [9] Trong trình tính tốn, mơ số cố định số vịng quay trục chân vịt n = 200 vòng/phút thay đổi vận tốc đầu vào từ 1,22-8,52 m/s để tạo tỷ số J thay đổi từ 0,1-0,7 Khi tỷ số J nhỏ từ 0,1 - 0,5 hiệu suất tăng gần tuyến tính với tỷ số J hiệu suất chân vịt đạt giá trị lớn 0,678 tỷ số tiến J=0,6 ứng với vận tốc 7.3m/s Kết luận Bài báo sử dụng phương pháp số để tính tốn, mơ xây dựng đường đặc tính chân vịt Các kết thu từ tính tốn mơ số CFD phân bố áp suất, phân bố vận tốc hoàn toàn phù hợp với lý thuyết cánh dẫn máy thuỷ lực hướng trục Hiệu suất chân vịt đạt giá trị lớn 0,678 tỷ số J=0,6 tương ứng với vận tốc tiến tàu 7,3m/s, hiệu suất chân vịt thấp tỷ số tiến J nhỏ đặc biệt tỷ số tiến J gần TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Takayuki WATANABE, T.K., Yoshihisa TAKEKOSHI, Masatsugu MAEDA, Shin Hyung RHEE, Simulation of steady and unsteady cavitation on a marine propeller Using a RANS CFD code 2003: p [2] J Bosschers, G.V., A.R Starke, E van Wijngaarden, Computational analysis of propeller sheet cavitation and propeller-ship interaction RINA conference “MARINE CFD2008, 2008: p 13 [3] Kinnas, S.A., Y Tian, and A Sharma, Numerical Modeling of a Marine Propeller Undergoing Surge and Heave Motion International Journal of Rotating Machinery, 2012 2012: p 1-8 Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 51 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 [4] Chen, Z., CFD Investigation in Scale Effects on Propellers with Different Blade Area Ratio 2015: p 71 [5] Kurt Mizzi∗, Y.K.D., Charlotte Banks, Osman Turan, and M.A Panagiotis Kaklis, Design optimisation of Propeller Boss Cap Fins for enhanced propeller performance 2017 [6] ANSYS Fluent Theory Guide 2013: p 814 [7] ANSYS Fluent Tutorial Guide 2013 [8] Carlton, J., Marine Propellers and Propulsion 1994: p 556 [9] John P Breslin, P.A., Hydrodynamics Of Ship Propellers 1994: p 600 [10] Jr, J.D.A., Fundamental of aerodynamics 2001: p 912 [11] IRA H ABBOTT, A.E.V.D., Theory of Wing sections 1958: p 705 Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 52 ... thực phân tích, tính tốn mô số với chân vịt tàu với tỷ số trượt J khác từ xây dựng đường đặc tính chân vịt Để tính tốn, xây dựng đường đặc tính chân vịt phương pháp số ta cần xây dựng khối chất... Phân bố áp suất mặt hút mặt đẩy cánh chân vịt Hình 4: Đường đặc tính chân vịt Hình thể đường đặc tính chân vịt tỷ số tiến J khác Ta thấy đường đặc tính chân vịt hồn tồn phù hợp với lý thuyết máy... tuyến tính với tỷ số J hiệu suất chân vịt đạt giá trị lớn 0,678 tỷ số tiến J=0,6 ứng với vận tốc 7.3m/s Kết luận Bài báo sử dụng phương pháp số để tính tốn, mơ xây dựng đường đặc tính chân vịt