Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ DÒNG CHẢY CÓ TẠO BỌT
3.5 Hiệu chỉnh mô hình
3.5.1 Hiệu chỉnh quy trình nạp nhiên liệu đốt
Sau khi tiến hành thí nghiệm, hệ thống thí nghiệm được điều chỉnh sao cho phù hợp với nghiên cứu hơn. Để không tạo ra góc lệch trong quá trình ngắm bắn, súng được gắn cố định có chiều dài 90 cm, bình đốt được chế tạo lại dạng hình trụ tròn, với kích thước là chiều dài 8.5 cm, đường kính 8 cm, nhằm tạo ra vận tốc ổn định và cao hơn. Quy trình nạp nhiên liệu cũng được thiết lập như nhau giữa các lần bắn.
Hình 3.13 Súng gắn cố định sau khi hiệu chỉnh
50
Để giảm lượng khí kèm theo khi bắn từ ngoài không khí vào trong chất lỏng. Vật thể được thay bằng đạn kích thước dài hơn, chất liệu nhựa POM có tỷ trọng 1.42 - 1.45 g/ , đường kính thân 6.1 mm, dài 100 mm. Hơn nữa đuôi của vật cũng nghiên cứu thêm hai dạng là hình bán cầu và dạng hình nón. Để nghiên cứu ảnh hưởng của các dạng đuôi đến lượng khí kèm theo. Hình 3.14 là hình ảnh các mẫu vật được nghiên cứu nhằm giảm lượng khí không mong muốn.
Hình 3.14 Các vật mẫu dùng hiệu chỉnh thí nghiệm Thí nghiệm hiệu chỉnh
Sau khi hiệu chỉnh súng hơi và vật mẫu, thí nghiệm xác định quy trình nạp nhiên liệu được tiến hành với điều kiện như thống kê trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3 Điều kiện thí nghiệm hiệu chỉnh quy trình nạp nhiên liệu
Trường hợp 1 Số lần xịt cồn 5 lần
Vật đầu bán cầu, đuôi phẳng Dài L = 100 mm, Đường kính thân D = 6.1 mm Bán kính cong đầu R ≈ 3.05 mm Khối lượng (0.33 Độ sâu bắn ra h = 5 cm Nhiệt độ chất lỏng Áp suất Trường hợp 2 Số lần xịt cồn 10 lần
Kết quả sau 12 phát bắn đối với trường hợp nạp cồn là 10 lần và 7 phát bắn đối với trường hợp xịt cồn 5 lần, sơ đồ vận tốc thu được như trong Hình 3.15.
Đầu phẳng-3 dạng đuôi Đầu bán cầu-3 dạng đuôi Đầu nón-3 dạng đuôi
51
Hình 3.15 Vận tốc đạt được khi bắn đạn đầu bán cầu đuôi phẳng với các trường hợp nạp cồn 5 lần và 10 lần
Nhận xét: Vận tốc thu được ở bước thời gian thứ hai của hai trường hợp nạp cồn khá gần nhau. Với vận tốc đạt được ̅ . Điều đó chứng tỏ số lần nạp cồn ít ảnh hưởng đến vận tốc đạt được.
Quy trình đo đạc được thống nhất giữa các lần thí nghiệm như sau: 1. Lượng cồn như nhau là 10 lần bơm cồn,
2. Vị trí đặt vật ở giữa đầu nòng súng và bình đốt.
3. Thống nhất cùng một độ sâu (h = 5 cm), , 4. Với mỗi dạng đầu vật tiến hành thí nghiệm 10 lần.
Một số các hình ảnh thu được sau khi tiến hành thí nghiệm, lần lượt là các dạng đầu cản và dạng đuôi của vật mẫu. Hình 3.16 thể hiện hình ảnh khoang hơi của các vật có cùng dạng đuôi phẳng và đầu cản khác nhau (đầu phẳng, đầu bán cầu, dầu nón). Hình 3.17 là một trường hợp cùng dạng đầu phẳng và đuôi khác nhau (đuôi phẳng, hình bán cầu, hình nón).
0 5 10 15 20 25 30 0 2 4 6 8 10 12 Lần bắn V (m/ s) Vận tốc theo các lần bắn 10 lần 5 lần
52
Đầu phẳng – đuôi phẳng Đầu bán cầu – đuôi phẳng Đầu nón – đuôi phẳng
53
Hình 3.16 Hình ảnh khoang hơi ở bước thời gian thứ 2 của ba dạng đầu (phẳng, bán cầu và nón) với một dạng đuôi phẳng
54
Đầu phẳng – đuôi phẳng Đầu phẳng – đuôi bán cầu Đầu phẳng – đuôi nón
0.23
55
56
0.35
Hình 3.17 Ảnh thu được ở bước thời gian thứ hai (t = 2/300 s) của vật đầu cản phẳng tương ứng các dạng đuôi (phẳng, bán cầu và nón)
57
Để nghiên cứu ảnh hưởng của dạng đầu, dạng đuôi có ảnh hưởng như thế nào đến kích thước khoang hơi, ta thiết lập đồ thị so sánh và đánh giá các kết quả so sánh. Đồ thị so sánh kích thước khoang hơi chỉ ra trong Hình 3.18 đối với vật đầu cản phẳng các dạng đuôi (phẳng, bán cầu, nón). Hình 3.19 vật đầu bán cầu các dạng đuôi và Hình 3.20 vật đầu nón các dạng đuôi.
(a) (b)
Hình 3.18 So sánh đường kính (a) và chiều dài (b) lớn nhất không thứ nguyên của khoang hơi giữa các vật đầu phẳng đuôi khác nhau.
(a) (b)
Hình 3.19 So sánh đường kính (a) và chiều dài (b) lớn nhất không thứ nguyên của khoang hơi giữa các vật đầu bán cầu đuôi khác nhau
58
(a) (b)
Hình 3.20 So sánh đường kính (a) và chiều dài (b) lớn nhất không thứ nguyên của khoang hơi giữa các vật đầu dạng nón đuôi khác nhau
Từ đồ thị so sánh đường kính và chiều dài không thứ nguyên của khoang hơi theo số xâm thực của vật một dạng đầu và ba dang đuôi (phẳng, bán cầu và nón), ta đều nhận thấy đường kính và chiều dài của khoang hơi thu được với cùng một số xâm thực (σ) là xấp xỉ bằng nhau. Trong khoảng 0.2<σ<0.4 sự sai khác về đường kính, cũng như chiều dài khoang hơi không đáng kể. Chứng tỏ rằng, hình dạng đuôi của vật ít ảnh hưởng đến kích thước của khoang hơi, điều này đúng cho cả ba dạng đầu cản của vật thể (phẳng, bán cầu và nón).
3.5.2 So sánh với một số các kết quả đã công bố
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm được so sánh với một số các kết quả nghiên cứu trước đây. Đồ thị so sánh được thể hiện lần lượt trong các Hình 3.21, Hình 3.22 đối với đạn đầu phẳng, Hình 3.23, Hình 3.24 cho đạn đầu bán cầu và Hình 3.25a, b là đạn đầu nón. Kết quả đo đạc thực nghiệm của đề tài so sánh với công thức lý thuyết của Reichardt 1946, [12], công thức bán thực nghiệm của Garabedian 1956, [27].
59
(a)
Hình 3.21 So sánh đường kính không thứ nguyên với các két quả trước đây của vật đầu phẳng-đuôi cầu
(b)
Hình 3.22 So sánh chiều dài không thứ nguyên với các két quả trước đây của vật đầu phẳng-đuôi cầu
Nhận xét: Với giá trị σ nhỏ (σ<0.3) kết quả có sai số ít. Như vậy ta có thể chấp nhận kết quả thực nghiệm với các số xâm thực nhỏ ứng với vận tốc lớn hơn. Các kết quả ở số xâm thực lớn có sự sai khác khá nhiều, nguyên nhân của hiện tượng này có thể do:
- Chất lượng hình ảnh của camera chưa đủ nét, cần một camera có độ nhạy sáng, tốc độ màn chập cao hơn.
60
- Khi σ thấp khoang hơi rõ nên kết quả xử lý tốt hơn khi σ lớn, khả năng phân biệt vùng hơi mang tính chất định tính nên còn sai sót.
- Lượng khí kèm theo khi thực hiện bắn vật từ ngoài vào trong nước.
(a)
Hình 3.23 So sánh đường kính không thứ nguyên của khoang hơi vật đầu bán cầu - đuôi phẳng
(b)
Hình 3.24 So sánh chiều dài không thứ nguyên của khoang hơi vật đầu bán cầu- đuôi phẳng.
Nhận xét: Đối với các vật đầu bán cầu sai số tương đối ít. Các kết quả trong khoảng 0.2<σ<0.5 cho kết quả khá tốt. Hình 3.23, 3.24 cho thấy cả chiều dài và đường kính khoang hơi đều có sai số thấp.
61
(a) Hình 3.25a So sánh đường kính không thứ nguyên của khoang hơi vật đầu nón-
đuôi cầu
(b)
Hình 3.25b So sánh chiều dài không thứ nguyên của khoang hơi vật đầu nón- đuôi cầu
Nhận xét: Đối với các vật đầu nón kết quả cũng có sai số thấp. σ<0.3 đều có kết quả khá tốt. Chứng tỏ một điều khi vật có dạng đầu phẳng khả năng khí kèm theo nhiều. Nhìn chung từ kết quả so sánh, cho thấy đường kính lớn nhất khoang hơi phù hợp với công thức của Reichardt và Garabedian, nhưng về chiều dài còn có sự sai khác nhiều. Những hạn chế này sẽ khắc phục ở các nghiên cứu tiếp theo.
62
3.6 Ảnh hƣởng của một số tham số
3.6.1 Ảnh hưởng của chiều dài vật đối với quỹ đạo chuyển động
Các kết quả thí nghiệm cho thấy các vật thể có chiều dài lớn hơn đi thẳng và xa hơn, quỹ đạo chuyển động ổn định hơn. Hình 3.26 là hình ảnh so sánh quỹ đạo của vật đầu cản phẳng ở cùng một điều kiện thí nghiệm với các chiều dài từ 25 . t Lb = 25 mm Lb = 30 mm Lb = 35 mm Lb = 40 mm 0/300s 1/300s 5/300s 10/300s 15/300s
Hình 3.26 Ảnh hưởng của chiều dài vật thể đối với quỹ đạo chuyển động
3.6.2 Ảnh hưởng của các dạng hình học đầu cản
(a) (b)
Hình 3.27 So sánh đường kính (a) và chiều dài (b) không thứ nguyên của khoang hơi theo số xâm thực của đạn ba dạng đầu-đuôi phẳng
63
Nhận xét: Cùng một điều kiện thí nghiệm, vật đầu dạng hình phẳng có khoang hơi lớn nhất, sau đó là đầu bán cầu và nhỏ nhất là đầu dạng nón. Chứng tỏ kích thước khoang hơi phụ thuộc vào hình dạng và kích thước đầu cản của vật. Vật có diện tích đầu cản tiếp xúc với chất lỏng lớn hơn có kích thước khoang hơi lớn hơn. Điều này phù hợp với các nhận xét của các nghiên cứu trước đây. Hình 3.28.
Đầu phẳng Đầu bán cầu Đầu nón
(a)σ = 0.3 (b)σ = 0.3 (c)σ = 0.3
Hình 3.28 Ảnh hưởng hình dạng đầu cản vật đến kích thước khoang hơi
3.6.3 Ảnh hưởng của số xâm thực đến kích thước khoang hơi
Kích thước khoang khí tăng khi số xâm thực giảm. Hình 3.29 là hình dạng các khoang hơi ở các số xâm thực khác nhau với mỗi dạng đầu cản tương ứng. Với số xâm thực càng nhỏ kích thước khoang hơi càng lớn.
σ = 0.84 σ = 0.31 σ = 0.39 σ = 0.98 σ = 0.4 σ = 0.51 σ = 1.12 (a)Đầu phẳng σ = 0.54 (b)Đầu bán cầu σ = 0.87 (c)Đầu nón Hình 3.29 Ảnh hưởng của số xâm thực đối với kích thước khoang hơi
3.7 Kết luận
Một mô hình thí nghiệm tạo được khoang hơi có thể thực hiện được trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp thuật phóng ngoài. Thực hiện thí nghiệm TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
64
quan sát quỹ đạo của từng mô hình, từ đó đánh giá ảnh hưởng các mô hình đối với quỹ đạo chuyển động. Đưa ra mô hình cho quỹ đạo ổn định nhất.
Hơn nữa, nghiên cứu kích thước khoang hơi cho ba mô hình được đo đạc. Quan sát thấy rằng khoang hơi đối với vật đầu phẳng có diện tích tiếp xúc phía trước với chất lỏng lớn cho khoang hơi có kích thước lớn.Vận tốc nhanh hơn ứng với số xâm thực nhỏ.
Cuối cùng nghiên cứu đã đánh giá những ảnh hưởng của số cavitation (σ) lên hình dạng và kích thước khoang hơi, quan sát thấy rằng khi số xâm thực giảm thì kích thước khoang hơi tăng. Các kết quả được so sánh với một số các nghiên cứu trước đây và cho kết quả phù hợp về đường kính lớn nhất đối với vật mẫu dạng đầu nón và bán cầu.
65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong các hoạt động thực tiễn người ta rất hay gặp hiện tượng hình thành khoang hơi. Khoang hơi xuất hiện khi các thiết bị đang ở vận tốc lớn hoặc dòng chảy rối. Khoang hơi hình thành rất đa dạng quanh các thiết bị máy móc làm việc trong chất lỏng như chân vịt, tàu ngầm, ngư lôi, đạn nước, v.v. Với các điều kiện khác nhau khoang hơi có tác động đến các thiết bị khác nhau, phần nhiều ta gặp trong thực tế là các tác động tiêu cực khi nó còn ở giai đoạn đầu (giai đoạn các bọt hơi hay các bong bóng nhỏ), sự phá hủy của các bong bóng này gây ra nhiều tác động không mong muốn như tiếng ồn, rung lắc, ăn mòn, … các thiết bị dễ bị hư hại. Bên cạnh đó, trong lĩnh vực quân sự nói chung và các thiết bị phục vụ cho chiến đấu dưới nước nói riêng thì khoang hơi trong giai đoạn phát triển cực thịnh sẽ có tác động rất lớn đến việc duy trì vận tốc, do giảm ma sát tiếp xúc bề mặt và điều hướng chuyển động của các thiết bị. Vì vậy, việc tập chung vào khai thác lợi ích của khoang hơi, các nhà khoa học đã không ngừng làm chủ hiện tượng này, từ tính toán giải tích đến dự đoán bằng mô phỏng số, các công thức bán thực nghiệm thu nhận các thông tin như kích thước khoang hơi, khi nào khoang hơi xuất hiện, việc điều khiển chuyển động của các thiết bị theo ý muốn. Tuy nhiên, phương pháp nào thì cũng cần thực nghiệm kiểm chứng. Luận văn này xây dựng một mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để tạo ra được khoang hơi và đo đạc một vài các tham số. Kế thừa từ các mô hình thực nghiệm đã có trước đây. Đúc rút những kinh nghiệm và các hạn chế các mô hình đó để xây dựng nên mô hình nghiên cứu của luận văn.
Các kết quả nghiên cứu chính thu được như sau.
1. Đã hoàn thiện mô hình thí nghiệm đã xây dựng để nghiên cứu khoang hơi của vật chuyển động trong nước bằng phương pháp thuật phóng ngoài, đặt tại Viện Cơ học.
2. Đã nghiên cứu ảnh hưởng của ba dạng đầu, đuôi của vật mẫu đến kích thước khoang hơi. Các kết quả nghiên cứu của luận văn đã chỉ ra rằng vật có diện tích đầu cản tiếp xúc với chất lỏng lớn hơn thì kích thước khoang hơi lớn hơn, và với cùng kích thước đầu cản, quỹ đạo của vật dài hơn cho quỹ đạo ổn định hơn. So sánh với các công thức bán thực nghiệm của Reichardt và công thức của Garabedian thì phù hợp về đường kính lớn nhất của khoang hơi, nhưng về chiều dài vẫn có sự khác biệt.
Hướng tiếp theo của nghiên cứu là nghiên cứu khoang hơi khi vật thể đặt bên trong chất lỏng từ ban đầu và so sánh với kết quả mô phỏng số.
66
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
Các kết quả nghiên cứu của luận văn đã được báo cáo và in trong các tuyển tập như sau:
1. Duong Ngoc Hai, Nguyen Tat Thang, Nguyen Quang Thai, Truong Thi Phuong, Luu Vu Phuong Thao, Le Minh Thanh, Nguyen Trong Tuan, (2014), “Simulation of supercavitating flow around a highspeed moving object in water using Ansys Fluent ”, ICEMA3, Ha Noi, tr. 111-118.
2. Dương Ngọc Hải, Nguyễn Tất Thắng, Trương Thị Phượng, Nguyễn Quang Thái, Lưu Vũ Phương Thảo, Lê Minh Thành, (2015), “Đo đạc thực nghiệm khoang khí quanh vật thể đi vào nước”, Hội nghị đo lường toàn
quốc lần thứ 6, Hà Nội, tr. 740-747.
3. D. N. Hai, N. T. Thang, N. Q. Thai, L. V. P. Thao, T. T. Phuong, L. M.Thanh, N. T. Tuan, (2015), “Numerical simulation and experimental measurement of supercavitating flow around a highspeed moving object in water”, High performance scientific computing, Hà Nội.
67
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài Liệu Tiếng Việt
[1] Vũ Văn Duy, Nguyễn Thế Đức, Nguyễn Thế Mịch, (2007), “Mô phỏng vùng xâm thực trong vùng bao quanh profil cánh bằng phương pháp phân tử biên”, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học Thủy khí toàn quốc lần thứ 8, tập 3, Cơ học Thủy khí, Hà Nội, tr. 77-84.
[2] Nguyễn Anh Sơn, Trần Thu Hà, Dương Ngọc Hải , (2014), “Super cavity model of slender body moving fast in water”, Hội nghị cơ học ký thuật toàn quốc, Kỷ niệm 35 năm Viện Cơ học, Hà Nội.
Tài Liệu Tiếng Anh
[3] Kubota. A, et. (1992), “A new modeling of cavitating flows a numerical study of unsteady cavitation on a hydrofoil section”, J.Fluid Mech., Al vol. 240, pp 59-96.
[4] Worthing ton A.M. and Cole R.S. (1897), “Impact with a liquid surface, studied by the aid of instantaneous photography”, Philosophical
Transactions of the Royal Society of London A, vol. 189, pp. 137–148.
[5] Worthing ton A.M. and Cole R.S. (1900), “Impact with a liquid surface, studied by the aid of instantaneous photography: paper 2”, Philosophical
Transactions of the Royal Society of London A, vol.194, pp. 175–199.
[6] Gong C., Hart D.P. (1998), “Ultrasound induced cavitation and sonochemical yields”, J. Acoust. Soc. Am. 5, pp 1–8.
[7] Duong Ngoc Hai, Nguyen Tat Thang, Nguyen Quang Thai, Truong Thi Phuong, Luu Vu Phuong Thao, Le Minh Thanh, Nguyen Trong Tuan (2014), “Simulation of supercavitating flow around a highspeed moving