Nhƣ đã trình bày trong phần trên, mô hình hình học của đối tƣợng nghiên cứu có thể xây dựng trực tiếp trong ANSYS hoặc trong các phần mềm CAD thông dụng. Riêng đối với các mô hình có hình dáng hình học phức tạp nhƣ mô hình vỏ tàu thủy, để đảm bảo đƣợc độ chính xác theo yêu cầu, chúng tôi sẽ sử dụng kết hợp phần mềm AutoCad và phần mềm thiết kế tàu AutoShip trong xây dựng mô hình tàu cá M.1317A vì phần mềm AutoShip sẽ cho phép xuất ra chính xác bảng tọa độ đƣờng hình tàu và tính kiểm tra các đặc điểm hình học và các tính năng cần thiết của mẫu tàu khảo sát. Quá trình xây dựng mô hình tàu đánh cá M.1317A thực hiện theo trình tự sau:
3.2.1. Xây dựng đường hình 2D mẫu tàu M.1317A trong phần mềm AutoCad
Dựa vào bản vẽ đƣờng hình cho trong hình 3.3, tiến hành dựng lại đƣờng hình của mẫu tàu đang khảo sát trong phần mềm AutoCad dƣới dạng 2D theo trình tự sau.
- Quét scan bản vẽ đƣờng hình của mẫu tàu khảo sát và dựa vào ảnh scan này để dựng đƣờng hình mẫu tàu dƣới dạng 2D này trong phần mềmAutoCad.
- Tiến hành điều chỉnh đƣờng hình tàu vừa vẽ về các kích thƣớc tàu đã cho ở bảng 3.1 nhận đƣợc bản vẽ đƣờng hình mẫu tàu khảo sát cho trong phụ lục. Hình 3.4 là hình dạng các mặt cắt ngang của mẫu tàu khảo sát trên AutoCad.
47
3.2.2. Xây dựng mô hình tàu trong phần mềm AutoShip
Quá trình xây dựng mô hình tàu M1317A khảo sát trong phần mềm AutoShip đƣợc thực hiện theo trình tự sau.
(1) Xây dựng bản vẽ đƣờng hình tàu dƣới dạng 3D
- Sắp xếp các sƣờn nằm đúng vị trí dọc theo chiều dài tàu và vẽ những đƣờng cơ bản gồm đƣờng sống mũi, đƣờng dọc tâm, đƣờng mạn, đƣờng boong … Chuyển gốc tọa độ O (0,0,0) về sƣờn giữa bằng lệnh Move hay lệnh chuyển hệ tọa độ UCS bằng cách nhấp Origin UCS chọn điểm giữa tàu (hình 3.5). - Lƣu lại file mô hình Autocad 3D vừa tạo sang dạng file .dxf để có thể đƣa vào
phần mềm Autoship nhằm phục vụ các công việc tiếp theo bằng cách vào mục File → Save As → chọn vị trí để lƣu file, chọn kiểu file .dxf và đặt tên cho file này, ví dụ Tau M1317A.dxf → OK.
48
(2) Nhập mô hình tàu khảo sát vào phần mềm AutoShip
Sau khi dựng xong các sƣờn 3D của tàu khảo sát trong AutoCad, tiến hành nhập file AutoCad vào mô đun AutoShip để dựng mô hình bề mặt vỏ tàu theo trình tự sau:
- Tạo 1 file dự án mới trong phần mềm AutoShip bằng cách: File – New
Setting – Units chọn Meter và Tonnes OK Setting – Preferences
Coordinate system Engineer/Scientific OK File – Save, trong hộp thoại Project Info xuất hiện, nhập tên file dự án là “Tau M1317A” OK
xuất hiện hộp Save Project nhập tên “Tau M1317A.pr3” OK
- Nhập file sƣờn 3D tàu từ AutoCad vào phần mềm Autoship bằng cách: chọn
File → Import → DXF xuất hiện hộp thoại Import DXF chọn các tùy chọn có trong hộp thoại Import DXF nhƣ ở hình 3.6 và nhấp OK. tìm đƣờng dẫn tới File 3D của tàu “Tau M1317A.dxf và nhấp nút Open.
- Chọn đƣờng dẫn đến nơi lƣu file import ta đƣơc khung sƣờn 3D sau khi import vào Autoship (hình 3.7)
Hình 3.7. Hình dạng khung sườn 3D sau khi nhập vào Autoship Hình 3.6. Hộp import DXF
49 (3) Thiết lập các điều kiện cho mô hình
- Sau khi import, AutoShip sẽ tự động gán tên mặc định cho các đƣờng sƣờn. Để thuận tiện trong việc quản lí, nên đổi tên
lại các đƣờng sƣờn bằng cách chọn mục
Edit – Attributes chọn các đƣờng muốn đổi tên và nhấp mục Properties (hình 3.8) để đặt lại tên các đƣờng OK đổi tên các đƣờng sƣờn, ví dụ đặt tên: suon 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 8,5 ; 9 ; 9,5 ; song mui, mep man, tƣơng ứng các sƣờn ở phía mũi, sƣờn 4 ; 3 ; 2 ; 1,5 ; 1 ; 0,5 ; 0 ; vách đuôi tƣơng ứng các sƣờn nằm ở phía đuôi tàu.
- Sau khi đổi tên các sƣờn, di chuyển gốc tọa độ về sƣờn giữa, sƣờn 5 để thuận lợi cho các bƣớc tiếp theo bằng cách chọn sƣờn 5, nhấp mục Edit để xem tọa độ điểm muốn chọn làm gốc tọa độ (0, 0, 0) nhấp phải chuột nút Set Base Point và nhập tọa độ vừa xem vào hộp Location (hình 3.9a).
- Sau khi chọn lựa điểm sƣờn giữa làm gốc tọa độ, di chuyển gốc tọa độ về điểm (0, 0, 0) bằng cách nhấp Ctrl+A để chọn tất cả đối tƣợng trong AutoShip
nhấp phải chuột vào nút Move và nhập các giá trị ngƣợc lại với tọa độ của điểm gốc vừa chọn (hình 3.9b).
(a) Hộp thoại chọn lại gốc tọa độ (b) Hộp thoại di chuyển gốc tọa độ Hình 3.9.Hộp thoại chọn lại gốc tọa độ và di chuyển gốc tọa độ về 0
Hình 3.8. Hộp thoại đổi tên lại các đường trong AutoShip
50
- Các đƣờng sƣờn sau khi nhập từ AutoCad vào AutoShip sẽ có rất nhiều điểm control làm cho việc tạo và chỉnh trơn bề mặt gặp rất nhiều khó khăn nên cần tiến hành bỏ bớt các điểm control bằng cách: tạo bản copy đƣờng muốn bỏ bớt các điểm control chọn đƣờng muốn bỏ bớt điểm control Nhấp Edit
Chọn những điểm control ở giữa muốn bỏ bớt nhấp chuột vào nút Delete
di chuyển những điểm control còn lại ở giữa sao cho đƣờng cong này trùng với biên dạng của đƣờng copy (hình 3.10). Tiến hành cho tất cả các đƣờng.
Hình 3.10. Di chuyển các điểm control
(4) Tạo bề mặt vỏ tàu từ tấm vách đuôi đến mũi tàu và chỉnh trơn
- Nhấp Creat Mode→ Create Surface→ xuất hiện hộp Creat Surface (hình 3.11).Trong hộp thoại Create Surface,
chọn thẻ Loft→ nhập vào ô Surface Name tên mặt, ở đây “ Mat vo tau” → chọn những đƣờng sƣờn để dựng mặt đi qua các đƣờng sƣờn ở đây chọn các đƣờng gồm “suon 0”, “suon 0,5”, “suon 1”, “suon 1,5”, “suon 2”, “suon 3”, “suon 4”, “suon 5”, “suon 6”, “suon 7”, “suon 8”, “suon 9”, “suon 9,5”, “suon 10”, “song mui” → OK.
51
- Sau khi dựng bề mặt vỏ tàu, nhập khoảng cách giữa các sƣờn trong AutoShip.
Để thuận lợi cho việc chỉnh trơn nên nhập khoảng sƣờn trong AutoShip trùng khoảng sƣờn trong AutoCad bằng cách:setting – contours: nhập giá trị của các sƣờn (stations), cắt dọc (buttocks), mặt đƣờng nƣớc (waterlines) (hình 3.12).
Hình 3.12. Hộp thoại (a) nhập khoảng sườn và (b) mặt cắt dọc
(5) Chỉnh trơn bề mặt vừa dựng và kiểm tra các hệ số.
Sau khi dựng xong bề mặt vỏ tàu, tiến hành chỉnh trơn bề mặt này bằng cách di chuyển những điểm control nằm trên các hàng và các cột của bề mặt vỏ tàu cho đến khi những đƣờng sƣờn, đƣờng cắt dọc và đƣờng nƣớc của đƣờng hình tàu khảo sát là đƣờng trơn đều (hình 3.13). Trong khi chỉnh trơn, nên bật contours để dễ quan sát.
52
Hình 3.13. Dịch chuyển các hàng và cột của mặt vỏ tàu
Sau khi chỉnh trơn xong bề mặt vỏ tàu, tiến hành tính kiểm tra lại các thông số hình học, đặc biệt là các hệ số hình dáng của vỏ tàu Cb, Cp, Cw xem thử có phù hợp với mẫu tàu đang vẽ hay không bằng cách chọn “mat vo tau” → Arrange→ Group→ nhập tên group là “ hull1” → OK (hình 3.14).
53
Sau khi nhóm (group) các mặt vỏ tàu, chọn Group hull1 vừa tạo và nhập các thông số trong hộp thoại Group (hình 3.15) để tạo mặt đối xứng vỏ tàu (hình 3.16).
Hình 3.16. Bề mặt vỏ tàu sau khi tạo đối xứng
Nhấp chuột trái vào kí tự H có trên thanh công cụ → sẽ xuất hiện hộp thoại Instant Hydrostatics → Group → chọn nhóm “hull1” ở trên. Trong ô Depth (mớn nƣớc) nhập mớn nƣớc thiết kế của tàu đang dựng
→ Update xuất hiện kết quả tính toán các yếu tố thủy tĩnh của tàu (hình 3.17). Trƣờng hợp chƣa đạt yêu cầu thì tiếp tục chỉnh trơn cho đến khi đạt đƣợc các thông số hình học giống nhƣ của tàu mẫu.
54
Bảng 3.4. So sánh các thông số hình học cơ bản của mẫu tàu M1317A và chính mẫu tàu đó sau khi được dựng lại trong phần mềm Autoship
TT Các thông số Ký hiệu Đơn vị Tàu mẫu M1317A
Tàu dựng trong Autoship 1 Chiều dài lớn nhất Lmax m 21.90 21.90
2 Chiều dài thiết kế LPP m 18.55 18.55
3 Chiều rộng lớn nhất Bmax m 4.48 4.48 4 Chiều rộng thiết kế Btk m 4.48 4.48 5 Chiều chìm trung bình dtb m 1.225 1.225 6 Thể tích chiếm nƣớc m3 59.68 60.46 7 Diện tích mặt ƣớt Ω m2 95.06 94.02 8 Hệ số diện tích mặt đƣờng nƣớc Cw - 0.870 0.854 9 Hệ số thể tích chiếm nƣớc Cb - 0.589 0.585 10 Hệ số mặt cắt ngang giữa tàu Cp - 0.677 0.665 Sau khi dựng xong mô hình, chọn group hull1 nhấp chọn mục View
Render để tô bóng toàn bộ mô hình tàu và lƣu lại mô hình tàu này dƣới dạng file có đuôi .iges bằng cách: chọn File Export IGES chọn nơi lƣu và nhập tên file, ví dụ Tau M1317 A.igs chọn Yes trong hộp câu hỏi: “Split Objects at Corners?”
nhập trong hộp thoại Accep table Tolerance (m) giá trị 0.01 OK (hình 3.18)
55
3.3. Mô phỏng số dòng chất lỏng chảy quanh bề mặt tàu
Quá trình mô phỏng mẫu tàu trong Ansys Fluent thực hiện theo trình tự sau: (1) Lựa chọn tỷ lệ xây dựng mô hình
(2) Xác định miền tính toán
(3) Chia lƣới mô hình tàu tính toán
(4) Nhập mô hình tàu từ phần mềm AutoShip vào phần mềm Ansys Fluent (5) Xác định điều kiện biên
(6) Giải và xuất kết quả
3.3.1. Lựa chọn tỷ lệ xây dựng mô hình
Trong thử nghiệm mô hình để xác định lực cản mẫu tàu M1317A, các tác giả đã sử dụng tàu mô hình với tỉ lệ thu nhỏ 1:7, sau đó tính chuyển đồng dạng sang tàu thật, Trong mô phỏng số, ban đầu chúng tôi đã sử dụng kích thƣớc thực của mẫu tàu này, sau đó dùng tỉ lệ 1:7 để mô phỏng nhƣng thất bại vì số lƣợng phần tử lƣới chia quá lớn Do đó chúng tôi sử dụng mô hình tàu có tỷ lệ 1:10 so với mẫu tàu M1317A nhằm giảm số lƣợng phần tử lƣới chia và thời gian tính toán nhƣng vẫn đảm bảo độ chính xác, Bảng 3.5 giới thiệu các thông số của tàu thực và của mô hình mô phỏng theo tỷ lệ 1:10 xét trong trƣờng hợp tàu chuyển động trên nƣớc tĩnh.
Bảng 3.5. Các thông số hình học cơ bản của tàu thực và tàu mô hình mô phỏng TT Các thông số Ký hiệu Đơn vị Tàu thực Tàu mô hình
1 Chiều dài lớn nhất Lmax M 21.90 2.190
2 Chiều dài thiết kế Ltk M 18.55 1.855
3 Chiều rộng lớn nhất Bmax M 4.48 0.448 4 Chiều rộng thiết kế Btk M 04.48 0.448 5 Chiều chìm trung bình dtb M 1.225 0.1225 6 Thể tích chiếm nƣớc m3 59.68 0.05968 7 Diện tích mặt ƣớt Ω m2 95.06 0.9506 8 Hệ số diện tích mặt đƣờng nƣớc Cw - 0.870 0.87 9 Hệ số thể tích chiếm nƣớc Cb - 0.589 0.589
56
3.3.2. Chia lưới mô hình tàu tính toán
Chia lƣới đƣợc hiểu là việc rời rạc không gian tính toán thành các phần tử nhỏ. Đây chính là một trong những công đoạn quan trọng nhất của lĩnh vực mô phỏng trong các bài toán kỹ thuật, có ảnh hƣởng trực tiếp đến kết quả của bài toán mô phỏng số. Các môi trƣờng vật lý khác nhau sẽ yêu cầu những cách tiếp cận về lƣới khác nhau. Riêng trong mô phỏng tàu thủy, do bề mặt vỏ tàu là mặt cong phức tạp nên yêu cầu lƣới có chất lƣợng cao cả về hình dạng lẫn độ mƣợt khi có sự thay đổi kích thƣớc. Hiện có khá nhiều phần mềm chia lƣới nhƣ Ansys Meshing, ICEM CFD, Gambit… Mỗi phần mềm đều có tính ƣu việt và phạm vi ứng dụng riêng, ví dụ Ansys Meshing có các tính năng chia lƣới hiện đại, tham số hóa và ổn định, tự động cao và linh hoạt dễ cho ngƣời dùng nhƣng với bài toán đòi hỏi lƣới có yêu cầu cao thì Ansys Meshing lại khó có khả năng thực hiện và Ansys ICEM CFD sẽ đƣợc thay thế để làm điều đó. Ansys ICEM CFD là phần mềm chuyên dụng cho quá trình chia lƣới từ mô hình CAD, nằm trong gói phần mềm của Ansys, do đó các giao diện tƣơng quan nhau, dể sử dụng. Các khả năng chính của ICEM CFD gồm khả năng tạo và chỉnh sửa mô hình hình học, tạo và chỉnh sửa lƣới phi cấu trúc, lƣới thích nghi điều kiện biên, xuất lƣới cho nhiều bộ giải, đọc hoặc sửa đƣợc các mô hình hình học từ các phần mềm thiết kế CAD khác, tạo lƣới cấu trúc hexa bằng phƣơng pháp block mà về cơ bản đây là một phép ánh xạ: mô hình → khối, mặt cong → mặt phẳng, đƣờng cong → đƣờng thẳng, điểm → đỉnh. Do bề mặt tàu có độ cong phức tạp nên chia nó thành nhiều vùng có kích thƣớc lƣới khác nhau tùy theo sự thay đổi bề mặt vỏ tàu và độ chính xác yêu cầu (hình 3.19).
57
Về cơ bản là ta chuyển các dạng hình học phức tạp (mặt cong, đƣờng cong) về các dạng hình học đơn giản (mặt phẳng, đƣờng thẳng) để chia lƣới, sau đó ánh xạ lƣới này lên mô hình hình học ban đầu để tạo lƣới. Áp dụng phƣơng pháp này cho mô hình hình học của tàu (xem hình 3.20), các khối block sẽ đƣợc tạo sao cho chúng bám sát các biên dạng hình học của hình để từ đó ta có thể ánh xạ lƣới sau khi tạo xong block.
Hình 3.20. Khối block xung quanh tàu
Sau khi tạo các block, tiến hành tạo lƣới và ánh xạ lƣới với số lƣợng phần tử, chất lƣợng hình học của lƣới sẽ quyết định xem lƣới tạo ra tốt hay không (hình 3.21).
58
Đối với lƣới cho bài toán CFD, thƣờng quan tâm đến hai chỉ số lƣới là Skew (độ chuẩn) và Orthogonal Quality (chỉ số trực giao) và nếu 2 chỉ số này lớn hơn 0,1 là tốt. Sử dụng tính năng kiểm tra chất lƣợng lƣới trong ICEM CFD, nhƣ ở hình 3.22 và 3.23, nhận thấy 2 chỉ số này đều đạt yêu cầu, trong đó chỉ số Skew là xấp xỉ 0.25 là khá tốt cho một mô hình mô phỏng 3D.
Hình 3.22. Kiểm tra chỉ số chất lượng hình học Orthogonal Quality
59
Kết thúc quá trình chia lƣới, ta xuất lƣới sang định dạng lƣới Mesh ship.msh để Ansys Fluent có thể đọc đƣợc, hình 3.24 kết quả kiểm tra lƣới chia trong Ansys Fluent.
Hình 3.24. Kết quả kiểm tra lưới chia trong Ansys Fluent
Kết quả số phần tử chia lƣới:
+ 561030 hexahedral cells, zone 18, binary.
+ 561030 cell partition ids, zone 18, 8 partitions, binary. + 1656723 quadrilateral interior faces, zone 19, binary. + 8820 quadrilateral wall faces, zone 20, binary.
+ 4552 quadrilateral wall faces, zone 22, binary.
+ 11760 quadrilateral symmetry faces, zone 23, binary. + 10212 quadrilateral wall faces, zone 25, binary.
+ 2700 quadrilateral pressure-outlet faces, zone 26, binary. + 11990 quadrilateral symmetry faces, zone 24, binary. + 2700 quadrilateral mass-flow-inlet faces, zone 21, binary. + 587696 nodes, binary.
60
3.3.3. Nhập mô hình tàu từ AutoShip vào Ansys Fluent và thiết lập các thuộc tính
Sau khi chia lƣới trong phần mềm ICEM, tiến hành nhập mô hình tàu đã đƣợc chia lƣới vào Ansys Fluent bằng cách: nhấp chọn mục File trong menu chƣơng trình
→ Read → Mesh… → đến nơi lƣu tập tin Mesh_ship.msh → Open để mở tập tin này. Tiếp theo, thiết lập các thuộc tính cho bài toán chung và cho mô hình tính nhƣ sau:
Thiết lập các thuộc tính chung
Thiết lập thuộc tính chung của bài toán bằng cách vào General → giữ nguyên các tùy chọn nhƣ mặc định và chọn gia tốc trọng trƣờng theo hƣớng y là -9.81 m/s2.
Thiết lập mô hình tính
Thiết lập thuộc tính mô hình bằng cách: Models → chọn Multipphase Model →