Trên cơ sở đó, nội dung đề tài đƣợc thiết kế thành 4 chƣơng cụ thể nhƣ sau: Chƣơng 1: Phần tổng quan
Chƣơng này trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu, gồm các nội dung: Lý do thực hiện đề tài; Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đối với vấn đề trong đề tài; Mục tiêu, phƣơng pháp, nội dung, phạm vi nghiên cứu. Ngoài ra, trong phần này còn giới thiệu tổng quan các phần mềm Autoship và Ansys Fluent – các phần mềm đƣợc sử dụng giải quyết bài toán đặt ra. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Chƣơng này trình bày một số lý thuyết cơ bản, có liên quan đến nội dung của đề tài gồm lý thuyết về CFD, chủ yếu về điều kiện biên và kỹ thuật chia lƣới và lý thuyết về sức cản tàu thủy.
7 Chƣơng 3: Kết quả nghiên cứu
Chƣơng này trình bày kết quả nghiên cứu chính của đề tài, bao gồm nội dung sử dụng phần mềm AutoShip và Ansys Fluent để xây dựng mô hình của tàu khảo sát và tiến hành mô phỏng số động lực học tính sức cản mẫu tàu này. Chƣơng 4: Kết luận và khuyến nghị
Chƣơng này trình bày các kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu của đề tài và những khuyến nghị cần thiết, liên quan đến bài toán đặt ra.
1.3.5. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Trong phạm vi đề tài chỉ thực hiện nghiên cứu trong các giới hạn sau:
- Không nghiên cứu lý thuyết CFD và kỹ thuật mô phỏng số động lực học tàu, chỉ nghiên cứu sử dụng phần mềm Ansys Fluent mô phỏng động lực học tàu.
- Sử dụng mẫu tàu đánh cá M1317A đã có các số liệu thử mô hình tính sức cản, tạm gọi tên là mẫu tàu thực nghiệm, để làm cơ sở tính toán.
- Bài toán mô phỏng số động lực học thực tế còn có nhiều nội dung khác nữa, tuy nhiên trong đề tài chúng tôi chỉ quan tâm đến nội dung quan trọng nhất là tính sức cản tàu trên nƣớc tĩnh.
1.4. Tổng quan về phần mềm Autoship
AutoShip là một hệ thống phần mềm dùng thiết kế và triển khai công nghệ đóng tàu thủy do Công ty Autoship Systems Coporation của Mỹ xây dựng và phát triển từ năm 1980, bắt đầu từ phiên bản 6.0, sau đó là 7.0, 7.1, 8.0, cho đến phiên bản mới nhất hiện nay là 9.2 và hiện đang đƣợc sử dụng phổ biến ở rất nhiều nƣớc trên thế giới, trong đó có cả ở Việt nam. Autoship là một chƣơng trình thiết kế tàu thủy rất mạnh về xử lý đồ họa dƣới dạng 2D và 3D, chạy trong môi trƣờng Windows trên các máy tính cá nhân hoặc trên các máy tính nối mạng. Autoship là tên gọi chung của phần mềm và của mô đun thiết kế tuyến hình trong hệ thống bao gồm các mô đun (hình 1.2).
8
Hình 1.2. Hệ thống các môđun của phần mềm Autoship
Autoship là bộ phần mềm thiết kế rất mạnh về mô phỏng các bề mặt không gian 3D phức tạp, đƣợc sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực thiết kế và mô phỏng 3D tàu thủy, đồng thời cung cấp môi trƣờng thiết kế gần gũi và hoàn thiện, cho phép thử nghiệm và thiết kế kỹ thuật và thiết kế công nghệ tàu đóng mới một cách nhanh chóng, hiệu quả. Kết hợp với việc tính các yếu tố tính nổi và sức cản, chúng ta có khả năng thử nghiệm kết quả tính các vỏ tàu mới, qua đó sẽ xác định đƣợc các thông số cần thiết cho tàu. Môđun Autoship là cơ sở để tạo và chuyển dữ liệu đến các môđun khác trong hệ thống có nhiệm vụ thiết kế đƣờng hình, thƣợng tầng và mô phỏng 3D hình dáng con tàu. Môđun này đƣợc thiết kế cho phép ngƣời dùng lựa chọn các phƣơng án thích hợp nhất, ví dụ thiết kế đƣờng hình tàu đảm bảo các thông số hình học cho trƣớc khi thiết kế mới
TUYẾN HÌNH TÀU MỚI -Vẽ theo các thông số cho trƣớc -Vẽ theo bảng tọa độ -Vẽ các hình dáng đặc biệt TUYẾN HÌNH TÀU CÓ SẴN -Bản vẽ từ các chƣơng trình CAD -Từ thiết bị Scaner, bút vẽ … - Từ bảng tọa độtuyến hình Vẽ các hình dáng đặc biệt AUTOSHIP (Thiết kế tuyến hình và KTTT) AUTOPOWER (Tính sức cản và thiết bị đẩy) AUTOHYDRO (Tính thủy lực và ổn) AUTOSTRUCTURE (Thiết kế kết cấu thân tàu)
AUTOPLATE
(Khai triển kết cấu, tôn bao)
AUTONEST
(Triển khai cắt trên máy CNC)
CAD SYSTEM
(Tự động cắt tôn và chế tạo kết cáu)
9
hoặc thiết kế đƣờng hình theo các mẫu có sẵn trong thƣ viện tàu mẫu của chƣơng trình Ngoài thiết kế mới, AutoShip cho phép nhập vào môđun thiết kế tuyến hình Autoship bản vẽ đƣờng hình vẽ giấy, vẽ trong các chƣơng trình CAD, bảng tọa độ đƣờng hình ... bằng các thiết bị hỗ trợ nhƣ máy scaner, bút vẽ ... và quản lý nó nhƣ đối với bản vẽ gốc. Ngoài ra, môđun Autoship còn có nhiều chức năng hỗ trợ việc thiết kế tàu nhƣ sau:
- Tạo, hiệu chỉnh, nối các đƣờng và mặt cong một cách rất dễ dàng, linh hoạt và chính xác.
- Quan sát dễ dàng và linh động các hình chiếu, kể cả hình mô phỏng 3D.
- Chỉ cần điều chỉnh một hình chiếu, các hình chiếu còn lại sẽ tự động cập nhật.
- Thêm hoặc bớt các đƣờng sƣờn, đƣờng nƣớc, đƣờng cắt dọc của đƣờng hình tàu một cách dễ dàng và chính xác.
- Khả năng tính toán nhanh chóng các tính năng hàng hải của tàu.
- Khả năng làm trơn bề mặt vỏ tàu.
- Khả năng tƣơng thích với các mẫu tàu hiện có.
- Tự động thiết lập bảng tọa độ đƣờng hình.
- Khả năng tạo ra đƣợc một số lƣợng lớn các mặt cắt sƣờn thực của tàu thiết kế một cách nhanh chóng và chính xác
1.5. Tổng quan về phần mềm Ansys Fluent
Hiện nay có khá nhiều phần mềm CFD nhƣng Fluent, môđun dùng tính CFD của bộ phần mềm Ansys đã và đang đƣợc sử dụng rất rộng rãi nhờ có nhiều tính ƣu việt. Do đó trong phần này chúng tôi giới thiệu tóm tắt về phần mềm Ansys Fluent
1.5.1. Giới thiệu chung về phần mềm Ansys Fluent
Ansys Fluent có khả năng mô hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy chất lƣu, rối, trao đổi nhiệt và phản ứng đƣợc áp dụng trong công nghiệp từ dòng chảy qua cánh máy bay, cho đến sự cháy trong một lò lửa, từ các cột bọt khí đến các đệm dầu, từ dòng chảy của mạch máu cho đến việc chế tạo các vật liệu bán dẫn và từ thiết kế các căn phòng sạch cho đến các thiết bị xử lý nƣớc thải [10]. Nhờ việc ứng dụng các mô hình tính đặc biệt nên giúp cho phần mềm này có khả năng
10
mô hình hóa buồng cháy động cơ cylinder, khí động học sự truyền âm, cánh máy bay và các hệ thống đa pha nhằm phục vụ cho việc mở rộng khả năng của phần mềm này. Ví dụ trên hình 1.3 là mô phỏng động lực học chân vịt tàu thủy.
Hình 1.3. Ứng dụng Fluent trong mô phỏng động lực học chân vịt [nguồn http://dasi.vn]
Ngày nay, hàng ngàn công ty trên thế giới đã thu đƣợc lợi nhuận khổng lồ từ việc sử dụng Ansys Fluent để phân tích thiết kế của họ và tối ƣu hóa quá trình phát triển sản phẩm, ví dụ tối ƣu hóa hình dáng của mũi tàu quả lê bằng Ansys Fluent (hình 1.4). Các bộ giải kỹ thuật tiên tiến đã giúp đƣa ra những kết quả CFD nhanh và chính xác, lƣới chia chuyển động hay biến dạng và khả năng tăng tốc độ khi máy chạy song song. Khả năng thiết lập bộ giải tƣơng tác, quá trình giải và hậu xử lý của Ansys Fluent làm dễ dàng có thể tạm dừng tính toán, kiểm tra kết quả với quá trình hậu xử lý đã đƣợc phân tích, thay đổi bất cứ thiết lập nào và sau đó tiếp tục tính toán với từng ứng dụng. Các tệp dữ liệu và các trƣờng hợp tính toán có thể đƣợc đọc vào trong Ansys CFD- Post với mục đích phân tích kỹ hơn bằng các công cụ xử lý kết quả tiên tiến.
11
Hình 1.4. Tối ưu hóa mũi quả lê bằng phần mềm Ansys Fluent
Sự tích hợp môđun Ansys Fluent vào Ansys Workbench của Ansys (hình 1.5) đã cung cấp cho ngƣời sử dụng hai hƣớng kết nối Ansys Fluent tới toàn bộ hệ thống CAD đồng thời cho phép xây dựng và thay đổi các bề mặt hình học một cách hữu hiệu với Ansys DesignModeler và công nghệ chia lƣới tiên tiến ngay trong Ansys Meshing [10]. Những chức năng cơ bản này cũng cho phép kết nối các dữ liệu và kết quả sẽ đƣợc chia sẻ giữa các ứng dụng với nhau bằng cách kéo và thả dễ dàng, cho tới việc sử dụng phép giải dòng chảy chất lỏng với các điều kiện biên của mô phỏng về kết cấu cơ khí. Sự kết hợp của những lợi ích này với hàng loạt khả năng mô hình hóa mô hình vật lý và những kết quả CFD nhanh chóng và chính xác, phần mềm Ansys Fluent cung cấp đƣợc kết quả dƣới dạng một trong những gói phần mềm toàn diện nhất cho quá trình mô hình hóa CFD trên thế giới hiện nay.
Hình 1.5. Fluent trong Ansys workbench
12
Hình 1.6. Trình tự mô phỏng số bằng phần mềm Ansys Fluent
- Mô hình hình học của tàu đƣợc xây dựng lại trên các phần mềm CAD 2D-3D, Autoship, Catia, Inventor ... dựa trên tuyến hình của tàu ở dạng 2D bao gồm các đƣờng sƣờn, đƣờng nƣớc, hoặc xây dựng trực tiếp từ Design Modeler.
- Turbo Grid, Ansys Meshing, Ansys ICEM CFD đƣợc dùng để chia lƣới tại các vùng cần quan tâm thông qua các môđun và hàm về lƣới.
- Ansys Fluent tính toán các bài toán về dòng chảy bao quanh vật thể chuyển động trong môi chất.
1.5.2. Khả năng của Ansys Fluent
Phƣơng pháp giải (Solution method) rất quan trọng trong tính toán bằng CFD. Có rất nhiều phƣơng pháp giải đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nói chung và trong ngành đóng tàu hiện nay nói riêng, trong đó để mô phỏng đƣợc dòng chảy rối bao quanh thân tàu hiệu quả chúng ta cần lựa chọn đƣợc phƣơng pháp tính phù hợp. Trong Ansys Fluent có ba phƣơng pháp tính nhƣ sau:
(1) Phương pháp tính trực tiếp (Direct Numeriacal Simulation - DNS)
- Giải phƣơng trình Navier-Stokes đầy đủ bằng phƣơng pháp số;
- Giải quyết mọi chuyển động rối trong dòng chảy;
- Không cần các mô hình rối; ANSYS Design Modeler Các phần mềm CAD 2D và 3D khác Turbo Grid ANSYS Meshing Ansys ICEM CFD ANSYS FLUENT Ansys CFD Port
13
- Chi phí và khối lƣợng tính toán quá lớn, không khả thi với những bài toán công nghiệp.
(2) Phương pháp mô phỏng xoáy lớn (Large Eddy Simulation – LES)
- Trung bình hóa phƣơng trình Navier-Stokes theo không gian;
- Tính trực tiếp các xoáy lớn và xoáy nhỏ (nhỏ hơn lƣới) đƣợc trung bình hóa;
- Khối lƣợng tính ít hơn so với DNS nhƣng vẫn cần tài nguyên và khối lƣợng tính tƣơng đối lớn cho những bài toán thực tế.
(3) Phương pháp RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulation)
Phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất để mô phỏng các dòng chảy trong công nghiệp, với các đặc điểm cơ bản sau:
- Trung bình hóa phƣơng trình Vanier-Stokes theo thời gian;
- Tất cả các rối đƣợc mô hình hóa trong RANS;
- Có sẵn nhiều mô hình rối khác nhau;
Các chế độ của dòng nƣớc chảy qua thân tàu sẽ chuyển dần từ trạng thái ổn định, đến chảy tầng và cuối cùng là chế độ rối hoàn toàn khi số Reynolds ≥ 3.105 [6]. Trong thực tế, một mô hình tàu có chiều dài 2m chạy trong nƣớc với tốc độ vào khoảng 5 m/s thì giá trị số Reynolds khoảng 107 và với giá trị số Reynolds này thì dòng nƣớc khi chảy qua thân tàu là rối hoàn toàn (Williamson, 1996) [6].
Phần mềm Ansys Fluent có khả năng mô hình hóa các mô hình vật lý cần thiết cho các mô hình dòng chảy, rối, truyền nhiệt và phản ứng để giải các bài toán sau:
- Mô hình dòng chảy 2D, 3D;
- Mô hình dòng chảy tĩnh (steady) hay dòng tức thời (unsteady) tức là dòng chảy có phụ thuộc vào thời gian;
- Mô hình dòng chảy nén đƣợc hay không nén đƣợc;
- Mô hình dòng chảy tầng hoặc dòng chảy rối;
- Các đặc tính của phản ứng hóa học, quá trình phun nhiên liệu, quá trình nổ…
- Mô hình dòng nhiều pha (lỏng - khí, lỏng - lỏng);
14
- Mô hình màng thấm, tấm lọc…
- Mô hình quạt, bơm, động cơ tuabin…
- Mô hình các tấm chuyển động.
Ansys Fluent hỗ trợ các mô hình rối sau:
- Mô hình Splart – Allmaras
- Mô hình k – ε
- Mô hình k – ω
- Mô hình Transition SST
- Mô hình ứng suất Reynolds
- Mô hình xoáy lớn.
Tuy nhiên trong thực tế chúng ta không thể áp dụng một mô hình rối cho tất cả các bài toán, mỗi mô hình rối chỉ cho kết quả đúng trong một số trƣờng hợp nhất định. Điều đó đòi hỏi chúng ta phải nắm rõ bản chất cũng nhƣ trƣờng hợp áp dụng của chúng để có thể đƣa ra đƣợc những lựa chọn hợp lý cho từng bài toán CFD cụ thể. Bảng 1.1 giới thiệu các mô hình rối đang đƣợc áp dụng trong phần mềm Ansys Fluent, cùng với phạm vi áp dụng của các mô hình này.
Bảng 1.1. Mô hình rối và phạm vi áp dụng
Mô hình Đặc điểm Ứng dụng
Spalart Allmaras
- Giải phƣơng trình chuyển động cho xoáy nhớt rút gọn
- Cần bộ nhớ ít khi giải trƣờng dòng chảy trong lớp biên quá độ; khá ổn định và hội tụ tốt
- Cho kết quả tốt với lớp biên chịu gradient áp suất ngƣợc
- Không chính xác đối với dòng chảy trƣợt, dòng chảy phân ly, hoặc dòng chảy rối tắt dần.
Đặc biệt ứng dụng cho hàng không, máy cánh bao gồm cả dòng biên tƣờng.
- Giải hai biến số: k - năng lƣợng động lực học rối; - tỉ lệ giảm năng lƣợng động lực học rối.
Mô phỏng khá tốt những bài
15
k -
- Sử dụng hàm tƣờng nhƣng dòng chảy trong vùng đệm không đƣợc mô phỏng
- Tốc độ hội tụ khá tốt và yêu cầu bộ nhớ thấp.
- Không chính xác khi tính toán trƣờng dòng chảy có gradient áp suất ngƣợc, dòng chảy có độ cong lớn hoặc dòng phun. toán dòng chảy bao quanh những vật thể hình học phức tạp. k-
- Tƣơng tự nhƣ mô hình k-, - tỉ lệ riêng của sự giảm năng lƣợng động lực học.
- Dùng hàm tƣờng với bộ nhớ tƣơng đƣơng mô hình k-.
- Hiệu suất tốt hơn nhiều mô hình k- cho các dòng chảy lớp biên.
- Với bài toán tách dòng, chuyển tiếp, ảnh hƣởng Re thấp và va chạm, mô hình k- chính xác hơn mô hình k-.
- Chính xác và tối ƣu cho một loạt lớp biên dòng với gradient áp suất.
- Khó hội tụ và nhạy cảm với các giả thiết ban đầu nên mô hình k- thƣờng sử dụng để tìm điều kiện ban đầu.
Dòng chảy cong, dòng chảy bên trong, dòng phân ly và dòng phun. SST
- Mô hình vật lý đầy đủ nhất (quá trình, sự vận chuyển, tính không đẳng hƣớng ứng suất rối đều đƣợc giải thích.
- Kết hợp mô hình k- trong dòng chảy tự do và mô hình k- gần tƣờng.
- Không sử dụng hàm tƣờng và chính xác nhất khi sử dụng để giải dòng chảy gần tƣờng.
- Khó hội tụ nên mô hình k- hoặc k- thƣờng đƣợc giải trƣớc để đƣa ra những điều kiện ban đầu chính xác.
16
Để mô phỏng dòng chất lỏng bao quanh thân tàu khi chuyễn động trên nƣớc tĩnh chúng tôi chọn mô hình rối phổ biến đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và nghiên cứu hiện nay chính là mô hình Reynolds - Averaged Navier-Stokes (RANS). Các phƣơng trình cơ bản của RANS dẫn từ phƣơng trình Navier-Stokes nhƣ sau. - Phƣơng trình liên tục (Continuities)
( i) 0 i u t x (1.1)
- Phƣơng trình động lƣợng (momentum equation)
' ' ij ( ) ( ) 2 3 i j j i i m i j j i j j i m j u u u u p u u u u