Nghiên cứu tính toán lực cản tàu ngầm bằng phương pháp CFD

Bài báo trình bày kết quả mô phỏng, tính toán lực cản tàu ngầm hoạt động tại chế độ chạy ngầm bằng phương pháp CFD (computational fluid dynamic). Ảnh hưởng của kích thước lưới đến kết quả mô phỏng tính toán lực cản tàu được đề cập đến trong bài báo.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN LỰC CẢN TÀU NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD NUMERICAL PREDICTION RESISTANCE OF A SUBMARINE USING CFD METHOD TRẦN NGỌC TÚ*, NGUYỄN THỊ HẢI HÀ, PHẠM THỊ THANH HẢI 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 lực cản tàu ngầm hoạt động chế độ chạy ngầm phương pháp CFD (computational fluid dynamic) Ảnh hưởng kích thước lưới đến kết mơ tính tốn lực cản tàu đề cập đến báo Kết mơ có so sánh với kết thử mơ hình bể thử để khẳng định độ tin cậy kết mơ tính tốn Ngồi báo cịn đưa hình ảnh đường dịng bao quanh thân tàu ngầm tốc độ khác nhau, phục vụ cho tốn khác tối ưu hóa thiết kế hình dáng tàu ngầm Mơ hình tàu ngầm sử dụng nghiên cứu mơ hình tàu ngầm DARPA SUBOFF Mỹ Từ khóa: Lực cản, tàu ngầm, CFD, DARPA SUBOFF Abstract The paper presents numerical simulation results of the submarine resistance in submerged condition by Computational Fluid Dynamics (CFD) method Otherwise, the influence of the mesh size on the simulation results is also mentioned A comparison of the simulation results and the test results in the towing tank is made to confirm the reliability of the calculated simulation results Moreover, the article also provides details of flow around submarine like pressure distribution and skin friction on the hull surface of submarine, which serves to many different problems such as in optimizing the hull form of submarine to minimize its resistance The submarine model employed in this study is the US submarine model DARPA SUBOFF Keywords: Resistance, submarine, CFD, DARPA SUBOFF Mở đầu Một toán quan trọng thiết SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) kế tàu nói chung và thiết tàu ngầm nói riêng đó là bài toán xác định lực cản tàu bởi nó là thông số đầu vào thiết kế hệ thiết bị đẩy, xác định công suất máy để tàu đạt được tốc độ thiết kế đề ra, ngoài nó còn phục vụ cho nhiều bài toán khác bài tốn tối ưu hóa hình dáng thân tàu ngầm góc độ tối thiểu hóa lực cản Việc ứng dụng CFD vào việc mô phỏng tính toán các bài toán thủy động lực học tàu nói chung và bài toán tính toán lực cản tàu ngầm nói riêng đã được nhiều nhà nghiên cứu giới áp dụng Cơng trình [1] tác giả Budak, Gokhan và Beji, Serdar nghiên cứu tính toán lực cản tàu ngầm và ảnh hưởng thay đởi các phương án hình dáng khác đến lực cản tàu việc xác định hình dáng tối ưu cho tàu Đối tượng nghiên cứu nhóm tác giả là mơ hình tàu ngầm DARPA-SUBOFF Mỹ Kết tính toán được đối sánh với kết thử bể thử để khẳng định độ tin cậy kết thu được Cơng trình [2] tác giả Mark Bettle, Serge L Toxopeus nghiên cứu mơ phỏng tính tốn ảnh hưởng nước nông đến thông số thủy động tàu ngầm Walrus CFD Kết mô phỏng ở số trạng thái có đối sánh với kết thực nghiệm và đều cho kết tốt so với kết thử Cơng trình [3] nhóm tác giả Pan Yu-cun, Zhang Huai-xin nghiên cứu tính tốn thơng số thủy động tàu ngầm ở chế độ lặn sâu nước CFD Mô hình tàu ngầm DARPA-SUBOFF Mỹ được nhóm tác giả sử dụng làm đối tượng nghiên cứu nghiên cứu Kết mơ phỏng thu được sát so với kết đo đạc bể thử Như vậy, có thể nói với phát triển mạnh mẽ máy tính điện tử phần mềm tính tốn CFD mà ngày CFD đã trở thành công cụ đại cho phép người thiết kế giải được toán thủy động lực học phức tạp với kết xác nhiều so với việc sử dụng công thức bán thực nghiệm Chính vậy, báo sử dụng CFD với hỗ trợ giải Star-CCM+ để mơ phỏng dịng chảy bao quanh thân tàu tính tốn lực cản ngầm DARPA-SUBOFF Mỹ TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Mơ 2.1 Mơ hình tàu ngầm Mơ hình tàu ngầm được sử dụng nghiên cứu mơ hình tàu ngầm DARPA SUBOFF Phòng Carderock thuộc Trung tâm Naval Surface Warfare center (CDNSWC) và bể thử Hydronautics Ship (HSMB) tiến hành thiết kế và thử nghiệm Các số liệu thử lực cản mơ hình tàu ngầm DARPA SUBOFF được dùng cho việc kiểm nghiệm kết tính toán lực cản tàu CFD phục vụ cho việc phân tích dòng chảy quanh tàu ngầm Các thơng số chủ yếu, hình dáng 3D tàu DARPA SUBOFF được trình bày Bảng 1, các kết thử mơ hình tàu có tài liệu [4] ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình Cụ thể, chiều dài bể thử ảo có kích thước gấp 4,5 lần chiều dài tàu Trong đó, khoảng cách theo chiều dài phía trước tàu bể thử nằm cách mũi tàu đoạn 1,5L; khoảng cách theo chiều dài nằm phía sau tàu bể thử ảo nằm cách đuôi tàu đoạn 3,0L Chiều rộng bể thử ảo có kích thước 2,5 lần chiều dài tàu tính từ mặt phẳng dọc tâm tàu Phía và phía bể thử ảo nằm cách tàu đoạn lần chiều cao mạn tàu 2.2 Các thông số đầu vào Việc mô phỏng dòng bao quanh thân tàu ngầm được thực điều kiện giống điều kiện mơ hình tàu bể thử cụ thể với khối lượng riêng nước ρ=998,67kg/m3, độ nhớt động học nước ν=1,080.10-6m2/s, độ nhám bề mặt 0µm, dải tốc tốc độ tàu từ 3,05m/s đến 9,15m/s [4] Hình Kích thước bể thử ảo chế độ tàu chạy ngầm Bảng Bảng các thông số chủ yếu của mô hình tàu ngầm DARPA SUBOFF Các thông số của tàu Chiều dài tàu lớn mơ hình tàu Đường kính thân mơ hình tàu Chiều dài đài huy mơ hình tàu Ký hiệu Giá trị Lmax (m) 4,356 D (m) 0,508 Lsail (m) 0,368 Hình Kết quả chia lưới Hình Hình dáng hình học 3D của tàu ngầm DARPA SUBOFF 2.3 Thiết lập tính tốn Khi tàu ngầm chạy ngầm vùng nước sâu (khoảng cách từ đáy tàu ngầm đến đáy biển lớn ½ lần chiều dài tàu và khoảng cách từ điểm cao đài huy đến mặt thoáng lớn 1/3 lần chiều dài tàu [5]) không tồn tại ảnh hưởng mặt thoáng ảnh hưởng độ sâu đến lực cản tàu [5] Trong trường hợp này miền chất lỏng tính toán toán có pha là pha lỏng (nước) [6] Khi đó, kích thước miền chất lỏng tính toán được xác định 10 Điều kiện biên được sử dụng toán dự báo lực cản tàu ngầm ở chế độ chạy ngầm được lựa chọn sau: bể thử ảo, phía trước sử dụng điều kiện biên tốc độ dòng đến (velocity inlet), phía sau - áp suất đầu (pressure outlet), phía trên, dưới, mặt hơng - mặt đối xứng (symmetry plane) Đối với tàu ngầm loại điều kiện biên được sử dụng là tường không trượt (No-slip wall) Sau đã tạo được bể thử ảo Bước là tiến hành bài toán chia lưới Ở đây, loại lưới lục diện được sử dụng để chia miền chất lỏng thành thể tích hữu hạn, lưới lăng trụ được sử dụng để giải lớp biên bao quanh tàu ngầm loại, lưới bề mặt được sử dụng để chia bề mặt thân tàu ngầm thành bề mặt hữu hạn Ở đây, số lớp lưới lăng trụ được sử dụng lớp với độ dày lớp lưới lăng trụ SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY đầu tiên cách tường 0,0025m để giá trị Y+ trung bình là 80 Lưới được làm mịn tại vị trí quan trọng (khu vực gần thân tàu, khu vực mũi, đuôi và đài huy) Kết sau chia lưới được trình bày Hình Mơ hình vật lý được sử dụng mơ phỏng dịng bao quanh tàu ngầm mơ hình chất lỏng thực RANSE (phương trình Navier-Stokes trung bình theo Reynolds) với dịng chảy đều dòng chảy đến tàu ngầm hoạt động ở chế độ chạy ngầm dịng chảy đều Mơ hình dịng rối được sử dụng báo mơ hình dịng rối realizable k–ε two layer Đây là mơ hình dịng rối cho kết tin cậy tính tốn lực cản tàu nói chung tàu ngầm nói riêng [7] Tính toán và phân tích kết quả thu 3.1 Xác định hội tụ của lưới Xác định hội tụ lưới là bước đầu tiên tính tốn CFD, mục đích việc làm này là để tránh sai số việc chia lưới gây Việc xác định hội tụ lưới được tiến hành tại tốc độ tàu V=3,05m/s với kích thước lưới khác thay đổi - Hội tụ đơn điệu 0