6. Bố cục của luận án
2.2.4.2. Chia lưới và phân tích
Để các tường wall của biên giới hạn miền dòng chảy không ảnh hưởng đến dòng chảy thử nghiệm thì miền này không được quá nhỏ vì nếu quá nhỏ dòng chảy có thể tác động lẫn nhau do biên giới hạn gần với bề mặt của mô hình thiết bị lặn sẽ ảnh hưởng đến kết quả phân tích CFD. Tuy nhiên cũng không được quá lớn, vì nếu lớn quá thì việc tính toán sẽ mất nhiều thời gian, bài toán có thể có sai số. Để thử nghiệm vận tốc của thiết bị lặn, thay vì cho thiết bị chạy với vận tốc yêu cầu chúng ta cho thiết bị lặn đứng yên và thiết lập vận tốc đầu vào Inlet tương đương với vận tốc của thiết bị. Thiết lập đầu ra Outlet với điều kiện là không có áp suất tương đối. Coi hình học thiết bị lặn và các điều kiện biên đều đối xứng về mặt phẳng trung tâm.
42
Hình 2.11. Kích thước bể thử nghiệm Bảng 2.3. Các thông số điều kiện thử nghiệm
Thông số Giá trị
Kích thước bể
thử 4m x 2m x 2m
Mô hình dòng
chảy rối k-ε model
Số Reynolds 8.73x105 - 6.11x106
Góc tấn 0o
Vận tốc 1m/s, 3 m/s, 5 m/s
Hình 2.12. Mô hình chia lưới loại AUV không có cánh năng lượng
Hình 2.13. Mô hình chia lưới loại AUV có cánh năng lượng
43
Bảng 2.4. Thông số chia lưới của mô hình
Thông số Thiết bị lặn AUV Thiết bị lặn SAUV
Số nút 61734 197660
Số thành phần 350221 1117283
Với các thông số được thiết lập như Bảng 2.3 và Bảng 2.4 sử dụng mô hình dòng chảy rối k-epsilon, các điều kiện biên phù hợp với mô hình khảo sát để bài toán đủ điều kiện hội tụ. Tác giả khảo sát sự ảnh hưởng của dòng chảy tác dụng lên thiết bị lặn có cánh năng lượng và loại không có cánh năng lượng.
Hình 2.14. Phân bố áp suất trên bề mặt của AUV tại vận tốc 3 m/s
Hình 2.15. Phân bố áp suất trên bề mặt SAUV tại vận tốc 3 m/s
Hình 2.16. Trường áp suất của AUV tại vận tốc 3 m/s
Hình 2.17. Trường áp suất của SAUV tại vận tốc 3 m/s
Hình 2.18. Phân bố áp suất phía trước AUV tại vận tốc 3 m/s
Hình 2.19. Phân bố áp suất phía trước SAUV tại vận tốc 3 m/s
44
Hình 2.20. Biểu đồ phân tán áp suất phía trước AUV tại vận tốc 3 m/s
Hình 2.21. Biểu đồ phân tán áp suất phía trước SAUV tại vận tốc 3 m/s
Sự phân bố áp suất xung quanh hai loại mô hình thiết bị lặn cho thấy áp suất lớn nhất tại các vị trí phần đầu, cánh và đuôi của thiết bị. Theo Hình 2.14 đến Hình 2.21 chúng ta thấy việc phân bố áp suất từ mũi đến cánh năng và phía sau cánh của SAUV có sự thay đổi rất lớn, cánh năng lượng làm dòng áp suất chia tách, thay đổi lớn thành hai luồng phía dưới và phía trên của thiết bị. Đối với loại AUV thì dòng áp suất ko có sự thay đổi nhiều dọc thân thiết bị sau phần đầu. Do đó dự đoán áp lực tác dụng lên SAUV theo hướng chuyển động và hướng từ dưới lên sẽ tăng lên đáng kể sau khi tích hợp thêm cánh năng lượng.
Hình 2.22. Sự phân bố véc tơ vận tốc quanh AUV tại 3 m/s
Hình 2.23. Sự phân bố véc tơ vận tốc quanh SAUV tại 3 m/s
Kết quả phân bố vận tốc như Hình 2.22, Hình 2.23 cho ta thấy có những sự thay đổi đáng kể giữa loại AUV và SAUV. Đối với SAUV vận tốc lớn nhất thu được là 5.36 m/s tại phần phía trước và đuôi của cánh năng lượng. Đối với loại AUV thì vận tốc lớn nhất là 4.77 m/s tại các phần chuyển tiếp giữa đầu và thân, phần đuôi của thiết bị. Như vậy với mô hình SAUV và AUV với cùng điều kiện biên, điều kiện đầu vào nhưng giá trị phân bố vận tốc tại vị trí phía trước và sau cánh năng lượng mặt trời loại SAUV lớn hơn loại AUV là 0.59 m/s.
45
Để đánh giá các yếu tố dòng chảy tác dụng lên hai loại thiết bị lặn tác giả đi phân tích tại một số các vận tốc khác nhau: v=1 m/s, v= 3 m/s, v=5 m/s. Với hệ tọa độ đã chọn OXYZ cho cả hai trường hợp thử nghiệm mô hình AUV và SAUV như Hình 2.11, các thành phần lực và mô men dòng chảy tác dụng lên mô hình AUV và SAUV sau khi phân tích được xác định như trong Bảng 2.5, Bảng 2.6 và Bảng 2.7.
Bảng 2.5. Lực và mô men tác dụng lên thiết bị lặn tại vận tốc v= 1m/s
AUV SAUV Lực (N) Fx 0.00032 0.177 Fy 4.568 6.505 Fz 0.337 14.885 Mô men (Nm) Mx 0.169 2.732 My 0.505 12.153 Mz 4.399 3.773
Bảng 2.6. Lực và mô men tác dụng lên thiết bị lặn tại vận tốc v= 3m/s
AUV SAUV Lực (N) Fx 0.038 1.915 Fy 40.930 58.522 Fz 2.754 138.310 Mô men (Nm) Mx 1.456 25.720 My 4.210 106.144 Mz 39.475 26.425
Bảng 2.7. Lực và mô men tác dụng lên thiết bị lặn tại vận tốc v= 5m/s
AUV SAUV Lực (N) Fx 0.327 5.760 Fy 113.480 162.758 Fz 7.468 388.969 Mô men (Nm) Mx 4.094 69.640 My 11.580 319.328 Mz 109.388 93.118
46
Hình 2.24. Biểu đồ quan hệ lực cản Fx theo vận tốc
Hình 2.25. Biểu đồ quan hệ lực nâng Fz theo vận tốc
0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 Lực c ản (N ) Vận tốc (m/s) Fx-v AUV SAUV 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 1 2 3 4 5 6 Lực c ản (N ) Vận tốc (m/s) Fz-v AUV SAUV
47
Hình 2.26. Biểu đồ quan hệ mô men My theo vận tốc
Qua các kết quả thu được sau khi phân tích bằng công cụ ANSYS-CFD. Ta thấy rằng các thành phần lực cản và lực nâng tác dụng lên thiết bị lặn tăng dần theo vận tốc dòng tới với hàm bậc 2, phù hợp với phương trình tính lực cản. Tuy nhiên đối với loại SAUV thì lực cản tăng lên nhiều. Vận tốc càng cao thì khoảng chênh lệch lực cản giữa hai mô hình AUV và SAUV càng lớn như Hình 2.24. Lực cản tác dụng lên SAUV lớn hơn AUV tại 1m/s là 1,937 N, trong khi đó tại vận tốc 3m/s là 17,592 N, nhưng tại 5m/s đã tăng lên là 49,278 N. Trong khí đó lực nâng (lực cản theo trục Z) thì có sự chênh lệch rất lớn giữa hai mô hình như Hình 2.25 khi tăng vận tốc, điều này thể hiện sự ảnh hưởng của cánh năng lượng đến khả năng di chuyển của SAUV theo phương này. Tại vận tốc 1m/s lực nâng tác dụng lên SAUV cao hơn AUV là là 14,547 N, tại vận tốc 3m/s cao hơn là 135,556 N, khi vận tốc tăng lên 5 m/s thì giá trị cao hơn là 381.501 N. Mô men cũng có sự tăng đáng kể đặc biệt My như Hình 2.26, tại vận tốc 5 m/s giá trị của mô hình SAUV lớn hơn AUV là 307,748 Nm, trong khi đó tại vận tốc 3 m/s độ chênh lệch chỉ là 101,934 Nm, còn ở vận tốc 1 m/s là 11,648 Nm. Do đó tác giả đề xuất giải pháp thiết kế, xây dựng mô hình thiết bị lặn tự hành có cánh năng lượng linh hoạt. Chỉ mở ra khi nhận năng lượng mặt trời và đóng lại trong quá trình di chuyển để giảm lực cản và vẫn đảm bảo thu năng lượng bổ sung.