4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp của tác giả
3.1. Mô hình tàu sử dụng trong tính mô phỏng CFD
Trong luận văn này, tác giả sử dụng mô hình tàu hàng 3400 tấn àm đối tƣợng nghiên cứu tính toán mô phỏng. Trên cơ sở tính toán thiết kế tàu chở hàng 3400 tấn, trong phần này tác giả giới thiệu sơ bộ về các đặc điểm cơ bản của tàu.
Hình 3.1 thể hiện đƣờng hình dáng tàu hàng 3400 tấn đƣợc thiết kế. Các thông số kích thƣớc cơ bản của tàu đƣợc thể hiện trong bảng 3.1.
Hình 3.1. Đường hình dáng tàu hàng 3400T Bảng 3.1: Các thông số cơ bản của tàu
Tên Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Chiều dài thiết kế Ltk 83.50 m
Chiều rộng thiết kế B 14.50 m Chiều cao mạn H 7.100 m Mớn nƣớc T 5.600 m Khoảng sƣờn lý thuyết L 8.350 m Khoảng sƣờn thực tế a 500.0 mm Vận tốc thiết kế V 14.50 m/s
30
Hình 3.2. Biểu đồ trọng lư ng tàu khi tàu n m ngang
31
Bảng 3.2. Bảng tính lư ng chiếm nước của tàu khi tàu cân b ng và nghiêng 30
Không nghiêng Nghiêng dọc 30
Chiều chìm(mm) Trọng ƣợng (tấn) Chiều chìm(mm) Trọng ƣợng (tấn) 0 0 -2200 0 206 109.021 -1883 0.049 412 257.768 -1566 0.947 618 416.223 -1248 6.118 824 581.365 -931 26.52 1029 751.59 -614 73.099 1235 925.803 -297 149.81 1441 1103.211 21 257.806 1647 1283.438 338 397.528 1853 1466.088 655 569.169 1905 1512.646 972 772.54 2059 1650.98 1290 1006.61 2265 1837.805 1607 1267.716 2471 2026.508 1883 1512.646 2676 2217.052 1924 1548.879 2882 2409.414 2241 1844.213 3088 2603.584 2559 2150.807 3294 2799.581 2876 2468.818 3500 2997.458 3193 2797.299 3706 3197.29 3510 3133.23 3912 3399.21 3828 3474.932 4118 3603.425 4145 3821.273 4324 3810.217 4462 4171.121 4529 4019.842 4779 4523.997 4735 4232.499 5097 4879.82 4941 4448.314 5316 5128.204 5147 4667.42 5414 5238.344 5353 4890.056 5731 5598.38 5559 5115.82 6048 5959.094 5570 5128.204 6366 6320.553 5765 5343.936 6683 6682.849 5971 5573.965 7000 7046.01
32
Trong luận văn này, tác giả sẽ trình bày các tính toán mô phỏng với các trạng thái khác nhau của tàu. Trạng thái tàu cân b ng và trạng thái tàu nghiêng dọc 3 độ. Các thông số tính toán ƣợng chiếm nƣớc của tàu trong các trạng thái khảo sát đƣợc thể hiện trong hình 3.2, 3.3 và chi tiết trong bảng 3.1, 3.2. Hình 3.4 thể hiện mô hình tàu 3 đƣợc xây dựng để thực hiện các tính toán mô phỏng trong luận văn này.
Hình 3.4. ô hình tàu hàng 34 T
3.2. Thiết kế miền không gian tính toán, chia lƣới và đặt điều kiện biên
Để tính toán mô phỏng chuyển động của tàu, cần thiết kế miền không gian tính toán mô phỏng số xung quanh tàu. Nghiên cứu này thực hiện bài toán tính toán lực cản gió tác động lên tàu, miền không gian khảo sát đƣợc thiết kế lựa chọn theo các tài liệu hƣớng dẫn sử dụng CFD do tổ chức quốc tế về bể thử tàu công bố và các kết quả đ nghiên cứu đƣợc công bố [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Trong nghiên cứu này, không gian tính toán đƣợc thiết kế với chiều dài 5.35m chiều rộng 0.18m và cao 0.90m.
33
Hình 3.5. Miền không gian tính toán mô phỏng CFD
Việc chia ƣới đƣợc thực hiện trên công cụ ICEM CFD trong phần mềm Ansys, để tăng độ chính xác và thể hiện rõ đƣợc sự thay đổi của các pha, áp suất, vận tốc xung quanh tàu, ƣới đƣợc chia mịn ở phần biên dạng tàu, thô dần ra. Chia ƣới miền không gian tính toán với kiểu ƣới không cấu trúc ƣới T, tạo đƣợc 1.73 triệu ƣới không cấu trúc tứ diện. Hình 3.6 và 3.7 thể hiện hình ảnh chia ƣới miền không gian tính toán cho bài toán.
34
Hình 3.7. hia lưới trên bề mặt thân tàu
Lƣới sau khi tinh chỉnh đạt yêu cầu sẽ đƣợc ƣu dƣới dạng fi e mesh để phục vụ việc tính toán. Tiếp theo việc chia ƣới, để thực hiện tính toán, cần thiết phải thiết lập các điều kiện biên cho bài toán. Trong nghiên cứu này, các bài toán đƣợc tiến hành với mô hình rối k-ε. Mô hình rối k-ε đƣợc các tác giả trên thế giới sử dụng rất phổ biến làm mô hình rối trong các bài toán mô phỏng số. Điều kiện biên cho bài toán mô phỏng số mà tác giả đ sử dụng là: vân tốc dòng khí thổi vào với vận tốc 14.5 m/s; nhiệt độ môi trƣờng đƣợc lấy là 27oC tƣơng đƣơng với 300oK; áp suất tại đầu ra đƣợc đặt b ng áp suất khí quyển; khối ƣợng riêng của không khí lấy
=1,225 kg/m3, hệ số nhớt không khí là 1,7894 x 10-5
kg/(ms). Các thông số đầu vào đƣợc thể hiện chi tiết trong bảng 3.3.
Bảng 3.3 Thiết lập một số điều kiện tính toán mô phỏng
Thông số Điều kiện Thông số Điều kiện
Viscous k-ε model Air viscosity 1.7894×10-5kg/m.s
Inlet Velocity inlet Air density 1.125kg/m3
35
3.3. Các bƣớc thực hiện tính toán mô phỏng
Trong các bài toán sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số C đều thực hiện quá trình giải theo các bƣớc nhƣ sau: Đặt vấn đề, Giải quyết vấn đề và Đánh giá kết quả.
a) Đặt vấn đề
Từ nhu cầu thực tiễn cần giải quyết các vấn đề mà chúng ta đặt ra vấn đề cho bài toán của mình, từ đó đi tìm ời giải cho chúng. Ví dụ về bài toán mô phỏng CFD cho một con tàu, ngƣời thiết kế cần tính toán một số thông số iên quan đến các vấn đề mà con tàu sẽ gặp phải khi chạy nhƣ hệ số ma sát, hệ số cản, hệ số đàn hồi của vật liệu, độ bền... Ngƣời thiết kế đặt ra câu hỏi, với dạng hình học nhƣ trong bản thiết kế thì đ tối ƣu chƣa?ứng suất sinh ra có vƣợt quá giới hạn cho phép không? có đảm bảo độ bền và an toàn không? ...Từ đó, ngƣời thiết kế cần tính toán đƣợc các thông số đầu vào, và cần phải tìm nhƣng thông số đầu ra nào cho bài toán CFD của mình.
b) Giải quyết vấn đề
Đây chính à phần quan trong nhất, nhiệm vụ trung tâm của bài toán CFD. Nó gồm ba giai đoạn là : Pre-Processing, Processing, và Post-Processing.
Pre-Processing à giai đoạn chuẩn bị để giải quyết bài toán C , đó à xây dựng mô hình hình học của vật thể, rời rạc hóa vấn đề b ng các điểm rời rạc hay còn gọi à các ƣới điểm.Phƣơng pháp rời rạc phải đảm bảo đƣợc các yêu cầu về khả năng làm việc của máy tính, đảm bảo độ chính xác và hội tụ của phƣơng pháp tính.Sau khi đ xây dựng đƣợc ƣới tính toán, chúng ta tiến hành lựa chọn các phƣơng pháp tính. Ở mỗi ĩnh vực cụ thể, C có các phƣơng trình, hệ phƣơng trình cụ thể để giải quyết bài toán thuộc phạm vi ĩnh vực đó. Tuy nhiên các phƣơng trình mô tả bài toán đều có dạng tích phân, hoặc vi phân không tuyến tính rất phức tạp. Mỗi loại phƣơng trình đòi hỏi những thông số tối thiểu, đủ để có thể giải và cho lời giải, đó à các điều kiện đầu, điều kiện biên, điều kiện khép kín...
Processing à giai đoạn tính toán đƣợc thực hiện, vấn đề còn lại đó à can thiệp vào các đại ƣợng thứ sinh (xuất phát từ tổ hợp các biến cơ sở trong hệ
36
phƣơng trình). Ở giai đoạn này chúng ta quyết định sử dụng các giải pháp nào cho phƣơng pháp tính để đảm bảo đƣợc một phƣơng án tối ƣu cho các yêu cầu về thời gian tính toán, khả năng tính toán và độ chính xác của lời giải.
Post-Processing à giai đoạn trực quan và xử lý kết quả. Sau khi giai đoạn Processing hoàn tất, toàn bộ dữ liệu của bài toán đƣợc ghi lại thành dữ liệu số, nhị phân, mã hóa ..trên ổ cứng của máy tính. Chúng ta hoàn toàn có thể xử chúng để thu đƣợc lời giải cho bài toán của mình.
c) Đánh giá kết quả
Phần này chúng ta so sánh kết quả vừa tìm đƣợc với các kết quả thực nghiệm và lời giải số học và để làm tiêu chuẩn điều chỉnh cho phƣơng pháp giải của mình. Đối với các bài toán đơn giản mà thực nghiệm có thể đƣa ra kết quả chính xác, các lời giải toán học cũng có kết quả chính xác thì kết quả của chúng ta cũng phải trùng khớp hoặc trong phạm vi sai số chấp nhận đƣợc, nếu sai số vƣợt quá giới hạn cho phép thì lúc này thì chúng ta phải điều chỉnh thế nào để có kết quả chính xác nhất. Đối với bài toán phức tạp thì thực nghiệm và lời giải số rất khó khăn để đƣa ra đƣợc kết quả chính xác, C có ƣu thế hơn ở trƣờng hợp này.Nếu một vấn đề phức tạp mà cả ba phƣơng pháp trên đều không đƣa ra đƣợc kết chính xác thì cả ba phƣơng pháp cùng đi nghiên cứu sâu về một đặc tính cụ thể nào đó, C ấy lời giải của hai ĩnh vực còn lại àm tiêu chí đánh giá kết quả của mình.
Về cơ bản, các bƣớc giải một bài toán trên LUENT tƣơng tự các bƣớc giải một bài toán trên CFD. Với phiên bản FLUENT V.15.0 trong ANSYS. Các bƣớc thực hiện gồm:
Bước 1: Xây dựng mô hình tính toán
Mô hình đƣợc xây dựng trên nhiều phần mềm CA nhƣ SOLI WORK, CATIA, INVENTOR, AutoShip, Napa ... sau đó đƣa vào ANSYS hoặc xây dựng trực tiếp mô hình từ các công cụ có sắn nhƣ Design Modeler trong ANSYS.
37
Bước 2: Xây dựng mô hình và chia lưới. Lƣới sẽ đƣợc chia trong ANSYS Meshing, ICEM CFD, Gambit, ... Lƣới cũng có thể đƣợc thực hiện chia từ các chƣơng trình iên kết khác với ANSYS, sau đó đƣa vào để tính toán.
Bước 3: Tính toán trong FLUENT
Các thao tác về ƣới: Kiểm tra ƣới, Scan, Thể hiện ƣới
Điều chỉnh kích thƣớc ƣới sẽ dùng cho tính toán và đơn vị đo b ng cách thay đổi tỉ lệ so với ƣới nguyên thuỷ.
Chọn mô hình giải: Mô hình pha, Mô hình dòng rối …
Đặt điều kiện biên: Thiết lập thuộc tính vật liệu, Xác định điều kiện biên cho từng mặt.
Quy định về độ chính xác, vòng lặp…Cài đặt độ chính xác (sai số), Đặt các thông số tính toán ban đầu, Chọn số vòng lặp…
ƣới đây thể hiện một số công việc chủ yếu trong thiết ập điều kiện tính toán và giải quyết vấn đề với Fluent:
- Khởi động phần mềm:
Khởi động phần mềm với kiểu 3D của phần mềm ANSYS FLUENT.
Hình 3.8. Giao diện khởi động tính toán mô phỏng sử dụng Fluent
38 i e →Read →Mesh.
Genera →Check
Hình 3.9. Giao diện đọc và kiểm tra lưới trong Fluent
Sau khi nhận đƣợc ƣới chia ANSYS FLUENT sẽ thực hiện kiểm tra khác nhau trên ƣới và báo cáo tiến độ trong giao diện. Chắc chắn r ng thể tích nhỏ nhất đƣợc báo cáo là một số dƣơng.
- Tỉ lệ lƣới và thay đổi đơn vị của chiều dài.
39
Hình 3.10. Hộp thoại thay đổi đơn vị và kích thước mô hình
Chắc chắn r ng Convert Units đ đƣợc chọn trong hộp thoại Scaling. Chọn mm trong hộp thoại Mesh Was Created In.
Bấm Scale để tỉ lệ ƣới
Chọn Specify Scaling Factors từ hộp thoại Scaling
ình 3.11. Thay đổi các thông số mô hình tính
Trong hộp thoại Scaling Factors điền các giá trị x, y ,z . 2 Bấm Scale để tỉ lệ ƣới
40 Đóng hộp thoại Scale Mesh
Kiểm tra ƣới.
General→Check. - Thiết lập chung:
Nhập các thông số thời gian và gia tốc trọng trƣờng cần thiết cho bài toán.
Hình 3.12. Thiết lập các thông số ban đầu cho bài toán
- Lựa chọn mô hình tính toán:
Models. Kích hoạt tiêu chuẩn k- mô hình chảy rối.
41
Hình 3.13. Thiết lập mô hình rối tính toán
Chọn k-(epsilon) (2eqn) trong danh sách Model.
Trong th Options chọn Full Buoyancy Effects Bấm Ok để đóng hộp thoại Viscous Model.
- Lựa chọn môi trƣờng tính toán:
Xác định các thuộc tính của môi trƣờng tính toán:
Materials→ Fluid→Creat Edit...
42
Giữ nguyên các lựa chọn của air từ danh sách FLUENT Fluid Material
- Thiết lập các điều kiện biên:
Boundary Conditions. Thiết lập các điều kiện biên cho hƣớng dòng chảy vào (inlet).
Boundary Conditions→ velocity-inlet→Edit...
Hình 3.15 Thiết lập điều kiện biên đầu vào
Chọn phƣơng pháp nhập trong ô Velocity Specification Method à Magnitude and Direction.
Nhập 14.5 m/s cho Velocity Magnitude, hƣớng -1 ngƣợc chiều trục X.
Chọn Intensity and Viscosity Ratio từ danh sách Specification Method trong hộp thoại Turbulence.
Nhập 5% cho Turbulent Intensity và Turbulent Viscosity Ratio. Bấm OK để đóng hộp thoại Velocity Inlet.
- Thiết lập các điều kiện biên cho dòng ra (outlet).
43
Hình 3.16 Thiết lập điều kiện biên đầu ra
Nhập 2% cho Turbulent Intensity và Turbulent Viscosity Ratio. Bấm OK để đóng hộp thoại Velocity Outlet.
Giữ nguyên các điều kiện biên mặc định cho các wall-1 và wall-2.
- Tính diện tích mặt hứng gió
Chọn Report→Projected Areas→Setup…
44
Trong hộp thoại Projected Surface Areas chọn các thông số nhƣ hình
Trong th Reference Values điền giá trị diện tích mặt hứng gió trong bƣớc trên vào mục Areas
Hình 3.18. Thiết lập các điều kiện đầu vào tính hệ số lực cản
- Thiết lập các tham số cho điều kiện hội tụ của bài toán:
Kích hoạt tính năng vẽ của sai số hội tụ.
Monitors→ Residuals→Edit...
Chắc chăn r ng Plot đ đƣợc chọn trong hộp thoại Options. Bấm OK để đóng bảng Residual Monitors.
45
Hình 3.19. Thiết lập các điều kiện hội tụ cho bài toán
- Đặt các điều kiện cho bài toán chuẩn bị thực hiện tính:
Solution Initialization:
Chọn Standard Initialization trong hộp thoại Initialization Methods. Bấm Initialize.
46
Hình 3.20. Khởi tạo các điều kiện cho bài toán
- Lƣu tập thông tin dữ liệu cho bài toán: File→Write→Case...
- Thực hiện thiết lập các bƣớc tính toán:
Bắt đầu tính với bƣớc thời gian 0.01s, yêu cầu số bƣớc thực hiện tính toán 500 bƣớc thực hiện.
Run Calculation:
Nhập 500 cho Number of Time Steps, nhập , 1 cho Time Steps Size Bấm Calculate.
47
Hình 3.21. Thiết lập bước thời gian tính toán và số vòng lặp cho bài toán
- Lƣu tập tin trƣờng hợp và dữ liệu.:
Fluent cung cấp đầy đủ các công cụ để thực hiện việc xử lý dữ liệu kết quả thu đƣợc.
Graphics and Animations→Views...
Graphics and Animations→Contours→Set Up...
Kích hoạt Filled trong hộp thoại Options.
48
Chắc chắn r ng Pressure... và Static Pressure đ đƣợc chọn trong danh sách
Contours of.
Chọn interface-duct, interface-hole1, interface-hole2, symmetry-1, symmetry- tet1, symmetry-tet2, wall-4, và wall-5 trong danh sách Surfaces.
Bấm Display trong hộp thoại Contours.
Việc xử lý kết quả tính toán, và xuất dữ liệu tính toán đƣợc ngƣời dùng xử lý theo yêu cầu của bài toán, cần có dữ liệu gì và cần thông số gì. Khi đó sẽ có công cụ để lấy các dữ liệu cần thiết từ các kết quả tính toán đ thực hiện.
Hình 3.23 và 3.24 thể hiện một số kết quả tính mô phỏng dòng chảy bao, phân bố áp suất và lực cản tác động ên tàu đ đƣợc tính toán.
Hình 3.23. Phân bố áp suất xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm
49
ình 3.25. Đồ thị lực khí động tác động lên tàu theo các góc hướng gió khác nhau Bảng 3.4. Bảng xuất kết quả tính lực cản từ Fluent tại một thời điểm tính toán
Rx Force Coeficient force
Zone Pressure Viscous Total Pressure Viscous Total cabin 1.7596 0.0192 1.7789 0.1312 0.0014 0.1326 hull 3.7088 0.1577 3.8665 0.2765 0.0118 0.2883 Net 5.4684 0.1769 5.6453 0.4077 0.0132 0.4209
Ry Force Coeficient force
Zone Pressure Viscous Total Pressure Viscous Total cabin -1.45960 -0.00494 -1.46453 -0.06533 -0.00022 -0.06555 hull -0.71326 0.00119 -0.71208 -0.03192 0.00005 -0.03187 Net -2.17286 -0.00375 -2.17661 -0.09725 -0.00017 -0.09742
50
CHƢƠNG 4. LỰC CẢN GIÓ TÁC ĐỘNG L N TÀU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM LỰC CẢN GIÓ CHO TÀU
4.1. Mô hình tàu tính toán khảo sát lực cản gió