Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Công nghệ thông tin Luận văn cntt nghiên cứu, ứng dụng bộ chương trình openfoam trong tính toán động...

Tài liệu Luận văn cntt nghiên cứu, ứng dụng bộ chương trình openfoam trong tính toán động lực học dòng chảy không có có chuyển pha

.PDF
81
168
149

Mô tả:

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN QUANG THÁI NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ CHUYỂN PHA LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2018 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRANG BÌA PHỤ NGUYỄN QUANG THÁI NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ CHUYỂN PHA Ngành: Cơ kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 85200101.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TSKH. DƯƠNG NGỌC HẢI TS. NGUYỄN TẤT THẮNG HÀ NỘI – 2018 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu tôi đã tham gia. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Quang Thái iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa, Trường đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong thời gian tôi học tập tại Khoa và tại trường. Tôi cũng xin cảm ơn lãnh đạo Viện Cơ học đã tạo điều kiện công việc để tôi hoàn thành chương trình Thạc sỹ để nâng cao trình độ phục vụ công tác nghiên cứu khoa học. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới GS. TSKH. Dương Ngọc Hải và TS. Nguyễn Tất Thắng, những người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn các sinh viên thực tập: Nguyễn Phú Phượng, Trần Thị Thu Hương, Trần Khắc Việt và Đỗ Văn Đạt đã hỗ trợ tôi thực hiện Luận văn này trong thời gian các họ thực tập và làm Đồ án tốt nghiệp Kỹ sư tại Viện Cơ học. iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT (Dấu gạch ngang “-” tại mục Đơn vị đo thể hiện tham số không thứ nguyên) Ký tự Ý nghĩa Đơn vị đo (SI) 𝑝𝑐 Áp suất bên trong khoang khí/hơi N/m2 𝑝∞ Áp suất ở dòng vào N/m2 𝑝𝑣 Áp suất hơi bão hòa kg/m3 Áp suất tại một vị trí cụ thể kg/m3 pB Áp suất trong bọt hơi N/m2 RB Bán kính bọt hơi hình cầu m L Chiều dài của vật thể m 𝑐 Chiều dài đặc trưng m Chiều dài lớn nhất của khoang khí/hơi m 𝑝𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 Lmax  Độ nhớt động học của hỗn hợp lỏng-khí/hơi m2/s  Độ nhớt động lực học của hỗn hợp lỏngkhí/hơi kg/ms l Độ nhớt động lực học của chất lỏng kg/ms v Độ nhớt động lực học của hơi kg/ms 𝐷𝑐𝑎𝑣 Đường kính của đầu dính ướt vật thể m Dmax Đường kính lớn nhất của khoang khí/hơi m 𝑚/𝑠 2 𝑔 Gia tốc trọng trường CP Hệ số áp suất - CQ Hệ số cấp khí - CD Hệ số lực cản - 𝐶𝐷0 Hệ số lực cản khi 𝜎 = 0 - 𝜌 Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng-khí/hơi kg/m3 ρl Khối lượng riêng của chất lỏng. kg/m3 v Khối lượng riêng của hơi kg/m3 𝜌 Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng-khí/hơi kg/m3 v l Khối lượng riêng của chất lỏng 𝑚˙ Là tốc độ trao đổi khối lượng giữa hai pha 𝐹𝐷 Lực cản N 𝑇 Nhiệt độ o Fr Số Froude - 𝜎 Số khoang (cavitation number) - Re Số Reynolds - We Số Weber - kg/m3 C S Sức căng bề mặt γ Tỉ phần thể tích của pha lỏng A Tiết diện vuông góc với dòng chảy của vật thể m2 Vận tốc chất lỏng ở xa điểm đang xét m/s 𝑈∞ VOF Volume of Fraction OpenFOAM Open Source Field Operation And Manipulation LES Large Eddy Simulation CFD Computational Fluid Dynamics PIV Particle Image Velocity vi MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ ............................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .....................................................iv MỤC LỤC ......................................................................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................ix MỞ ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ TRONG CHẤT LỎNG CÓ KHOANG KHÍ/HƠI .........................................3 1.1. Dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong lòng chất lỏng .3 1.1.1. Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vật thể .........................................3 1.1.2. Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi ..............................6 1.2. Một số đặc tính chủ yếu của khoang khí/hơi xuất hiện quanh vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng ..................................................................................................9 1.3. Một số ứng dụng hiện nay của dòng chảy khoang khí/hơi.......................................9 1.3.1. Chân vịt siêu khoang .......................................................................................9 1.3.2. Ngư lôi siêu khoang ......................................................................................10 1.3.3. Giảm lực cản cho thân tàu thủy ....................................................................10 1.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của vật thể dưới nước ........................ 11 1.4.1. Lực cản đối với vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng........................... 11 1.4.2. Sự ăn mòn bề mặt khi vật thể chuyển động ở vận tốc cao ............................ 11 1.5. Tình hình nghiên cứu hiện nay ...............................................................................12 1.5.1. Nghiên cứu thực nghiệm ...............................................................................12 1.5.2. Nghiên cứu lý thuyết .....................................................................................21 1.5.3. Một số vấn đề nghiên cứu .............................................................................23 Chương 2. TỔNG QUAN VỀ BỘ CHƯƠNG TRÌNH MÃ NGUỒN MỞ OPENFOAM ......................................................................................................................25 2.1. Lược sử sự phát triển của OpenFOAM ..................................................................25 2.1.1. OpenFOAM là gì?.........................................................................................25 2.1.2. Sự ra đời và phát triển của OpenFOAM ......................................................26 2.1.5. Một số phần mềm và giao diện GUI có tích hợp với OpenFOAM ...............26 2.2. Cấu trúc của chương trình OpenFOAM .................................................................27 2.2.1. Các nhóm bộ giải chuẩn ...............................................................................27 2.2.2. Công cụ tiện ích ............................................................................................29 2.2.3. Lưới tính toán và các loại điều kiện biên được sử dụng trong OpenFOAM 29 2.2.4. Tổ chức dữ liệu mô hình hóa mô phỏng .......................................................32 vii 2.3. Khả năng và các ưu, nhược điểm của OpenFOAM ...............................................33 2.3.1. Các khả năng tính toán của OpenFOAM .....................................................33 2.3.2. Những ưu, nhược điểm của OpenFOAM ......................................................34 2.4. Áp dụng minh họa khả năng của bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy ...................................................................................................36 2.4.1. Đặt bài toán ..................................................................................................36 2.4.2. Dựng lưới tính toán.......................................................................................36 2.4.3. Điều kiện biên và điều kiện đầu ....................................................................38 2.4.4. Chạy chương trình tính toán, hiển thị kết quả ..............................................38 Chương 3. ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ CHUYỂN PHA .......41 3.1. Một số bộ giải dòng chảy hai pha không có/có chuyển pha của OpenFOAM .......41 3.1.1. Giới thiệu một số bộ giải có sẵn trong bộ cài đặt của OpenFOAM .............41 3.1.2. Lựa chọn bộ giải phù hợp để phục vụ tính toán của luận văn .....................41 3.2. Ứng dụng OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy hai pha nước - không khí không có chuyển pha quanh vật thể xâm nhập vào nước .................................42 3.2.1. Các phương trình cơ bản ..............................................................................42 3.2.2. Mô hình tính toán động lực học dòng chảy mô phỏng sự xâm nhập nước của vật thể sử dụng OpenFOAM ..........................................................................................44 3.2.3. Kết quả tính toán ...........................................................................................46 3.2.4. Nhận xét chung .............................................................................................51 3.3. Ứng dụng OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy hai pha có chuyển pha quanh vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng .............................................52 3.3.1. Các phương trình cơ bản ..............................................................................52 3.3.2. Mô hình hóa mặt phân tách lỏng - hơi bằng phương pháp VOF .................53 3.3.3. Mô hình hóa quá trình rối bằng phương pháp LES......................................53 3.3.4. Mô hình hóa quá trình chuyển pha ...............................................................53 3.3.5. Mô hình tính toán động lực học dòng chảy sử dụng OpenFOAM ................54 3.3.6. Kết quả tính toán ...........................................................................................56 3.3.7. Nhận xét chung .............................................................................................58 KẾT LUẬN ...................................................................................................................59 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN .............................................................................................................60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................61 PHỤ LỤC Những bộ giải chuẩn trong nhóm bộ giải tính toán dòng chảy nhiều pha viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tỉ lệ thành phần lực cản của một số dạng vật thể ......................................... 11 Bảng 2.1. So sánh tính năng của OpenFOAM và FLUENT .........................................35 Bảng 3.1. Một số bộ giải chuẩn trong nhóm bộ giải tính toán dòng chảy nhiều pha của OpenFOAM .................................................................................................41 ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Khoang khí/hơi hình thành khi quả cầu đi từ không khí vào nước ................3 Hình 1.2. Sự hình thành khoang khí/hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể. .................4 Hình 1.3. Biểu đồ pha ......................................................................................................4 Hình 1.4. Sự hình thành khoang khí/hơi nhân tạo trên bề mặt vật thể ...........................5 Hình 1.5. Cấu trúc dòng chảy rối quanh vật thể trong dòng chảy chuyển pha có khoang khí/hơi (kết quả thực nghiệm và mô phỏng số) .............................................5 Hình 1.6. Khoang khí/hơi ở những số khoang khác nhau ..............................................6 Hình 1.7. Hệ số áp lực trên bề mặt vật thể trụ có đầu dạng phẳng.................................7 Hình 1.8. Giá trị số khoang thấp nhất đạt được trong dòng chảy có khoang khí/hơi nhân tạo hình thành trong ống thủy động ...............................................................8 Hình 1.9. Quan hệ giữa hệ số cấp khí và số khoang ......................................................8 Hình 1.10. Chân vịt với những lỗ nhỏ trên bề mặt để hình thành khoang khí/hơi nhân tạo ...................................................................................................................9 Hình 1.11. Chân vịt có thiết kế hình dạng cánh đặc biệt (hình a) và cơ chế hình thành khoang khí/hơi tự nhiên (hình b) .................................................................10 Hình 1.12. Ngư lôi VA-111 Shkval sử dụng kỹ thuật hình thành khoang khí/hơi nhân tạo (a – Ngư lôi VA-111 Shkval; b – Đầu tạo khoang khí) ..........................10 Hình 1.13. Khoang khí/hơi giúp giảm lực cản dưới thân tàu .......................................10 Hình 1.14. Mô hình ống thủy động kích cỡ lớn của Hải quân Mỹ................................ 13 Hình 1.15. Mô hình hệ ống thủy động tại Viện Cơ học xây dựng năm 2016 ...............13 Hình 1.16. Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi trong chất lỏng Ukraina (1990) ....14 Hình 1.17. Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi từ không khí vào nước ở Trung Quốc (2014) ...........................................................................................................14 Hình 1.18. Hệ thí nghiệm quan sát quỹ đạo chuyển động của vật tại Việt Nam (IMECH, 2014) ............................................................................................................14 Hình 1.19. Mô tả dòng chảy khoang khí/hơi hình thành theo các cách khác nhau (a – Khác nhau về vị trí lỗ phun; b – Khác nhau về hướng dòng khí được phun ra) ......................................................................................................................15 Hình 1.20. Sơ đồ mô tả một hệ thiết bị quan sát khoang khí/hơi sử dụng camera........15 Hình 1.21.Hình ảnh khoang khí/hơi thu được từ hai camera có tốc độ 60fps (hình trên) và 1000fps (hình dưới) .................................................................................16 Hình 1.22. Minh họa bố trí ống đo áp suất trong khoang khí/hơi gần đầu vật thể tạo khoang khí/hơi .............................................................................................17 Hình 1.23. Khối vật thể tạo khoang khí/hơi có đầu dính ướt 5mm và có ống đo áp suất ......................................................................................................................17 Hình 1.24. Vị trí miệng ống đo áp suất khoang khí/hơi tại đầu vật thể tạo khoang khí/hơi ......................................................................................................................17 Hình 1.25. Bố trí cột lỏng đo áp suất ống quan sát .......................................................18 x Hình 1.26. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đo đạc PIV ...........................................18 Hình 1.27. Vùng rối được đo đạc bằng phương pháp PIV ............................................19 Hình 1.28. Kết quả phân tích PIV trong nghiên cứu của Wornik..................................19 Hình 1.29. Cấu trúc dòng chảy tại vị trí đóng khoang khí/hơi nhân tạo và độ lệch của trục do trọng trường .....................................................................................19 Hình 1.30. Cấu trúc dòng chảy khi khoang khí/hơi đóng và dòng xoáy phía sau khoang khí/hơi. .........................................................................................................20 Hình 1.31. Khoang khí/hơi hình thành với một số dạng thân và đầu vật thể. ...............20 Hình 1.33. Khoang khí/hơi với đầu dính ướt dạng đặc biệt ..........................................20 Hình 1.33. Quan sát vật thể di chuyển trong nước với vận tốc âm (Mach=1.03) .........21 Hình 1.34. Mô tả một vật thể 3D trong hệ không gian Đề các......................................22 Hình 1.35. Mô phỏng CFD dòng chảy quanh vât thể di chuyển từ không khí vào trong nước bằng ANSYS Fluent ............................................................................23 Hình 1.36. Mô phỏng dòng chảy khoang khí/hơi quanh một vật thể tạo khoang khí/hơi nhân tạo bằng công cụ UNCEL code ...........................................................23 Hình 2.1. Chương trình OpenFOAM đang làm việc trong chế độ cửa sổ lệnh.............25 Hình 2.2. Mã nguồn hướng đối tượng giải phương trình (2.1) trong OpenFOAM .......25 Hình 2.3. Cấu trúc tổng thể của bộ chương trình OpenFOAM .....................................27 Hình 2.4. Sơ đồ thuật toán PIMPLE ..............................................................................28 Hình 2.5 Hình dạng của phần tử lưới với cách đánh số các đỉnh tương ứng ................30 Hình 2.6. Lưới Block và snappy của OpenFOAM ........................................................31 Hình 2.7. Tổ chức dữ liệu mô hình hóa mô phỏng ........................................................32 Hình 2.8. Sơ đồ điều kiện biên của bài toán và sự bố trí của các đỉnh, khối lưới (block) ......................................................................................................................36 Hình 2.9. Phân khai báo tọa độ các đỉnh (verticals) ......................................................37 Hình 2.10. Khai báo thông tin các khối (blocks)...........................................................37 Hình 2.11. Khai báo các mặt biên (boundary) ...............................................................37 Hình 2.12. Khai báo điều kiện đầu của áp suất .............................................................38 Hình 2.13. Khai báo điều kiện đầu của vận tốc .............................................................38 Hình 2.14. Hình ảnh thể hiện đường đi của dòng chảy. ................................................38 Hình 2.15. Phân bố của áp suất p. .................................................................................39 Hình 2.16. Phân bố độ lớn vận tốc trong miền tính toán...............................................39 Hình 2.17. Phân bố vận tốc theo phương x (Ux) ...........................................................39 Hình 2.18. Phân bố vận tốc theo phương y (Uy) ...........................................................40 Hình 2.19. Phân bố vận tốc theo phương z (Uz) ...........................................................40 Hình 3.1. Sơ đồ điều kiện biên mô hình tính toán. ........................................................45 Hình 3.2. Lưới tính toán của mô hình tính toán. ...........................................................46 Hình 3.3. So sánh kết quả mô phỏng (hình bên phải) với quan sát thực nghiệm (bên trái) sự va chạm của vật thể với mặt thoáng với trường hợp V=1.72m/s (a) và V=2.17 m/s (b). ............................................................................................47 xi Hình 3.4. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm sự xuất hiện và đóng kín của khoang khí/hơi quanh vật thể tiết diện tròn với trường hợp vận tốc V=2.17m/s ......................................................................................................................48 Hình 3.5. So sánh kết quả mô phỏng với quan sát thực nghiệm sự xuất hiện và đóng kín của khoang khí/hơi quanh một thanh dài đầu phẳng với trường hợp vận tốc V = 3.10 m/s. ................................................................................................ 48 Hình 3.6. Ảnh hưởng của vận tốc di chuyển và hình dạng của vật thể. ........................50 Hình 3.7. Sơ đồ điều kiện biên của mô hình tính toán ..................................................54 Hình 3.8. Lưới tính toán: a - Lưới 3D được dựng; b, c - lưới bề mặt và gần biên cứng của quả cầu. ..................................................................................................55 Hình 3.9. Đánh giá ảnh hưởng của lưới tính .................................................................56 Hình 3.10. Khoang khí/hơi quanh quả cầu ở các số σ = 1.0, 0.5, 0.36 và 0.2 ..............56 Hình 3.11. Khoang khí/hơi quanh quả cầu ở các thời điểm t = 0.35ms (a – khoang khí/hơi chưa bị xoáy rối tác động), 2.45ms (b – xoáy rối xuất hiện làm thay đổi hình dạng bề mặt phân tách lỏng - hơi) và 2.85ms (c – xoáy rối cuốn hơi khỏi khoang khí/hơi tạo thành bọt hơi nhỏ hơn) với σ = 0.36 .............................57 1 MỞ ĐẦU Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài Nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội của con người đặt ra những vấn đề đòi hỏi các phải sử dụng những phương tiện, thiết bị làm việc trên mặt và trong lòng nước, ví dụ như tàu thủy, chân vịt, tàu lặn, … Vấn đề nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng của các phương tiện, thiết bị như vậy cũng được đặt ra và quan tâm trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Trong đó, nghiên cứu về động lực học dòng chảy nhiều pha không có/có chuyển pha là lĩnh vực rất được quan tâm vì dòng chảy xung quanh các phương tiện, thiết bị nêu trên thường là dòng chảy nhiều pha (chứa cả pha lỏng, pha khí/hơi, …). Trong dòng chảy nhiều pha, khoang khí/hơi có thể xuất hiện (theo cách nhân tạo hoặc tự nhiên) ở những điều kiện dòng chảy thích hợp, khi đó, dòng chảy được gọi là dòng chảy có khoang khí/hơi. Tại Việt Nam, một số nghiên cứu bước đầu về dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh các vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng cũng đã được thực hiện trong một số trường hợp [1-8, 13-14,53,56,57]. Khi có khoang khí/hơi bao bọc bề mặt các thiết bị trong dòng chảy, lực cản do ma sát giữa bề mặt thiết bị với chất lỏng xung quanh có thể giảm đáng kể (có thể giảm 90%), nhiều thiết bị có thể di chuyển với vận tốc cao mà tiêu thụ ít nhiên liệu hơn [31]. Vì vậy, dòng chảy có khoang khí/hơi đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng hiện nay ở cả trên thế giới và Việt Nam. Do sự phức tạp của các hiện tượng trong dòng chảy có khoang khí/hơi, những hiểu biết về cơ chế xảy ra và duy trì khoang khí/hơi trong dòng chảy vẫn còn rất nhiều hạn chế. Trong dòng chảy có khoang khí/hơi, nhiều hiện tượng phức tạp xảy ra, chẳng hạn như sự trộn lẫn các pha với nhau, sự chuyển đổi giữa các pha với nhau, hoặc sự xuất hiện các khoang khí/hơi, sự rối của dòng chảy… [17, 31, 47, 49, 68]. Vì thế, việc nghiên cứu dòng chảy này cho đến nay vẫn gặp nhiều khó khăn cả trong nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Để ứng dụng dòng chảy có khoang khí/hơi trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật nhiều hơn, cần tiếp tục thực hiện những nghiên cứu sâu sắc hơn nữa. Những công cụ mô phỏng số góp sức đáng kể trong những nghiên cứu về dòng chảy có khoang khí/hơi bên cạnh những phương pháp thực nghiệm. Trong đó, OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation) là một công cụ có nhiều ưu điểm như chia sẻ mã nguồn chương trình có thể can thiệp, có nhiều bộ giải và có tài liệu hướng dẫn cho phép thực hiện những nghiên cứu số về dòng chảy với những khả năng mạnh mẽ. Trong đó, ưu điểm nổi bật nhất của OpenFOAM là cho phép người dùng được can thiệp vào mã nguồn để hoàn thiện các mô hình có sẵn và phát triển những mô hình tính toán mới phục vụ nhu cầu cụ thể của các nghiên cứu [35,37]. Đây cũng là ưu điểm của lớn OpenFOAm so với các phần mềm thương mại như FLUENT, CFX, … thường không có phép can thiệp chương trình. Việc làm chủ được OpenFOAM sẽ giúp thực hiện những nghiên cứu sâu sắc về động lực học dòng chảy nói chung và dòng chảy 2 không có/có chuyển pha hay dòng chảy có khoang khí/hơi nói riêng bằng những mô hình tính toán có sẵn hoặc những mô hình tính toán hoàn thiện hơn hoặc phát triển mới. Vì vậy, học viên lựa chọn đề tài của Luận văn là “Nghiên cứu, ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha”. Mục tiêu của luận văn Mục tiêu của Luận văn là làm chủ bộ chương trình OpenFOAM nhằm phục vụ nghiên cứu và ứng dụng các đặc điểm động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan các vấn đề về dòng chảy không có/có chuyển pha. Nghiên cứu tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM. Tiến hành ứng dụng bộ chương tình mã nguồn mở OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha thông qua hai bài toán: Mô phỏng dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể xâm nhập vào nước và vật thể đang chuyển động nhanh trong lòng chất lỏng. Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng hai phương pháp nghiên cứu chính: Phương pháp tổng hợp, phân tích tài liệu và Phương pháp thí nghiệm số. Bằng phương pháp tổng hợp, phân tích tài liệu khoa học Luận văn thực hiện, nghiên cứu tổng quan về tính toán thủy động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha và tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM. Sau đó, các tính toán mô phỏng số được thực hiện để nghiên cứu ứng dụng bộ chương trình mã nguồn mở trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha quanh một vật thể xâm nhập nước và một vật thể đang chuyển động trong lòng chất lỏng. Bố cục của luận văn Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục công trình khoa học của tác giả liên quan đến Luận văn và Tài liệu tham khảo, Luận văn có 3 Chương: • Chương 1. Tổng quan một số vấn đề chuyển động của vật thể trong chất lỏng có khoang khí/hơi • Chương 2. Tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM • Chương 3. Ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha Phần Phụ lục đề cập tên và ứng dụng của những bộ giải chuẩn có sẵn trong OpenFOAM phục vụ cho các tính toán mô phỏng thủy động lực học của dòng chảy nhiều pha. 3 Chương 1 TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ TRONG CHẤT LỎNG CÓ KHOANG KHÍ/HƠI 1.1. Dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong lòng chất lỏng 1.1.1. Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vật thể Hình 1.1 dưới đây [59] minh họa khoang khí/hơi tự nhiên hình thành quanh một quả cầu kim loại được thả vào nước từ bên ngoài không khí. Hình 1.1. Khoang khí/hơi hình thành khi quả cầu đi từ không khí vào nước Khoang chứa khí này được hình thành ngay từ khi quả cầu bắt đầu tiếp xúc với mặt thoáng của nước do sự chiếm chỗ của không khí tại vùng không gian trống mà vật thể tạo ra sau khi xuyên qua mặt thoáng và đi sâu vào lòng chất lỏng. Tại vùng này, khoang chứa khí được lấp đầy bởi không khí và hơi nước sinh ra do sự giảm áp tới áp suất hơi bão hào của chất lỏng xung quanh vật thể [12, 17,27,31]. Do khoang này chứa cả khí và hơi nên Luận văn gọi chung là Khoang khí/hơi. Khoang khí/hơi được hình thành mà không có tác động trực tiếp của con người đối với khí bên trong khoang thường được gọi là khoang khí/hơi tự nhiên (water entry cavity hoặc natural cavity) để phân biệt với khoang khí/hơi nhân tạo thường được hình thành bằng cách bơm khí không ngưng tụ từ dưới bề mặt vật thể vào chất lỏng [17, 31, 49,58-59]. Trong dòng chảy có khoang khí/hơi, vùng chất lỏng tại lớp biên rối của dòng chảy ở gần bề mặt vật thể xảy ra sự giảm áp tới áp suất hơi bão hòa của vùng chất lỏng gần bề mặt vật thể [12,17]. Nếu khoang khí/hơi hình thành khi vật thể đang di chuyển trong lòng chất lỏng quá trình hình thành khoang khí/hơi được biểu diễn trong Hình 1.2 dưới đây. Chất lỏng ở áp suất hơi bão hòa xảy ra sự chuyển pha và hình thành nên những bọt hơi và sau đó là các miền hơi do các bọt hơi kết hợp với nhau bao bọc vật thể. Để sự giảm áp đủ lớn để đạt đến áp suất hơi bão hòa, vận tốc tương đối giữa dòng chảy và vật thể thường lớn hơn nhiều so với trường hợp vật thể xâm nhập nước qua mặt thoáng [17]. 4 Hình 1.2. Sự hình thành khoang khí/hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể. Quá trình hóa hơi do giảm áp đến áp suất hơi bão hòa nêu trên là quá trình sôi ở nhiệt độ thường [12,17]. Hình 1.3 dưới đây [17] mô tả biểu đồ pha của một vật liệu. Theo đó, khi nhiệt độ tăng lên trong chất lỏng với áp suất không đổi thì sẽ dẫn tới sự sôi do nhiệt độ (boiling) và sự hóa hơi của chất lỏng xảy ra. Hình 1.3. Biểu đồ pha Tuy nhiên, khi nhiệt độ không đổi, việc giảm áp suất trong chất lỏng cũng dẫn tới sự chuyển pha từ lỏng sang hơi được gọi là sự tạo khí hơi (cavitation). Đây chính là quá trình dẫn tới sự hình thành khoang khí/hơi tự nhiên xung quanh vật thể chuyển động trong chất lỏng [17]. Để có thể làm xuất hiện khoang khí/hơi ở các điều kiện áp suất và nhiệt độ chưa cho phép sự hóa hơi xảy ra đủ để hình thành khoang khí/hơi, bằng các kỹ thuật nhân tạo (chủ yếu là bơm khí không ngưng tụ vào chất lỏng xung quanh vật thể), một khoang khí/hơi có thể được tạo ra xung quanh các vật thể đang chuyển động trong lòng chất lỏng được gọi là khoang khí/hơi nhân tạo [17, 31]. Lượng khí không ngưng tụ này có xu hướng bám lại bề mặt vật thể tại những khu vực dòng chảy phía ngay sau bề mặt vật thể (nơi có áp suất thấp hơn trong dòng chảy xung quanh vật thể) và hình thành nên một túi khí. Sự hình thành khoang khí/hơi nhân tạo có điểm tương tự với khoang khí/hơi tự nhiên. 5 Hình 1.4 dưới đây [49] minh họa sự hình thành khoang khí/hơi bởi cách bơm khí không ngưng tụ vào những vùng áp suất thấp hơn trong chất lỏng để hình thành nên những túi khí xung quanh bề mặt vật thể. Hình 1.4. Sự hình thành khoang khí/hơi nhân tạo trên bề mặt vật thể Do khoang khí/hơi nhân tạo được hình thành ở điều kiện sự giảm áp chưa đạt tới áp suất hơi bão hòa nên không đòi hỏi vận tốc của dòng chảy lớn như đối với khí tự nhiên [17]. Trong nhiều trường hợp, khoang khí/hơi nhân tạo được tạo ra để hỗ trợ các phương tiện chuyển động với lực ma sát với chất lỏng xung quanh thấp hơn cho đến khi đủ nhanh để hình thành nên khoang khí/hơi tự nhiên nhờ sự hóa hơi của chất lỏng [31, 59-60] Khi khoang khí/hơi xuất hiện, hình dạng của khoang khí/hơi thay đổi liên tục do bị các xoáy rối cuốn trôi một phần lượng hơi bên trong khoang ra ngoài, làm xuất hiện những bọt hơi nhỏ hơn dẫn tới kích thước của khoang khí/hơi giảm đi. Sự thay đổi hình dạng và kích thước của khoang khí/hơi dẫn tới diện tích tiếp xúc với chất lỏng của bề mặt vật thể thay đổi liên tục, kết quả là lực cản do ma sát của chất lỏng và chuyển động của vật thể không ổn định [9, 11, 22]. Hình 1.5 dưới đây [11] mô tả phần nào hình ảnh dòng chảy rối quanh vật thể trong quá trình hình thành khoang khí/hơi qua mô phỏng số và quan sát thực nghiệm. Hình 1.5. Cấu trúc dòng chảy rối quanh vật thể trong dòng chảy chuyển pha có khoang khí/hơi (kết quả thực nghiệm và mô phỏng số) Cho đến nay, các nguyên lý cơ học của dòng chảy rối có khoang khí/hơi xuất hiện xung quanh vật thể chuyển động dưới nước vẫn chưa được hiểu rõ hết và là vấn đề đang được quan tâm [9, 11, 44, 62-63, 22]. 6 1.1.2. Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi • Số khoang (cavitation number) 𝜎 Số khoang 𝜎 là tham số không thứ nguyên thường được sử dụng trong các so sánh đồng dạng của nhiều nghiên cứu về dòng chảy có khoang khí/hơi. Số 𝜎 được xác định bởi biểu thức (1.1) dưới đây: 𝜎= 𝑝∞−𝑃𝑐 2 0.5𝜌𝑈∞ (1.1) Trong đó: 𝑝∞ - áp suất chất lỏng ở dòng vào; 𝑝𝑐 - áp suất bên trong khoang khí/hơi; 𝜌 - khối lượng riêng của chất lỏng; U - vận tốc chất lỏng ở dòng vào Hình 1.6 dưới đây [45] mô tả khoang khí/hơi hình thành được ở các số khoang khác nhau với hai dạng đầu dính ướt phẳng và bán cầu. Hình 1.6. Khoang khí/hơi ở những số khoang khác nhau • Hệ số áp suất CP Hệ số áp suất 𝐶𝑝 là tham số không thứ nguyên được xác định bởi biểu thức (1.2) dưới đây: 𝐶𝑝 = 𝑝𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 − 𝑝∞ 2 0.5𝜌𝑈∞ (1.2) Trong đó: 𝑝𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 - áp suất của chất lỏng tại một vị trí cụ thể được khảo sát. Hệ số áp suất thường được dùng để mô tả phân bố áp suất không thứ nguyên trên bề mặt vật thể. Hình 1.7 dưới đây [14] mô tả phân bố của áp suất qua hệ số Cp. Trong đó, ta có thể thấy, giá trị Cpmin=- σ và phần đồ thị nằm ngang mô tả cho vùng bề mặt vật thể bị bao phủ bởi khoang khí. 7 Hình 1.7. Hệ số áp lực trên bề mặt vật thể trụ có đầu dạng phẳng • Số Reynolds Re Số Reynolds là tham số không thứ nguyên được xác định bởi biểu thức (1.3) dưới đây với 𝑐 - chiều dài đặc trưng ; μ - độ nhớt động lực học của chất lỏng: 𝑅𝑒 = 𝜌𝑈∞ 𝑐 𝜇 (1.3) • Số Froude Fr Khi xem xét ảnh hưởng của lực trọng trường, số Froude Fr thường được áp dụng. Biểu thứ (1.4) dưới đây xác định số Fr với g là gia tốc trọng tường và c là chiều dài đặc trưng của vật thể hoặc chiều dài của khoang khí. 𝐹𝑟 = 𝑈∞ (1.4) √𝑔𝑐 • Hệ số cản CD Hệ số cản được xác định bởi các biểu thức (1.5) dưới đây sau với 𝐹𝐷 là lực cản; A là tiết diện vuông góc với dòng chảy của vật thể: 𝐶𝐷 = 𝐹𝐷 2𝐴 0.5𝜌𝑈∞ (1.5) • Tỉ số blockage Tỉ số blockage là tỷ lệ giữa đường kính trong của ống quan sát của hệ kênh thủy động với đường kính đầu dính ướt của vật mẫu [9,23]. Giá trị của tỉ số blockage ảnh hưởng tới số khoang σ nhỏ nhất hệ ống thủy động có thể hình thành được. Hình 1.8 dưới đây [23] mô tả sự ảnh hưởng của tỉ số tỉ số blockage đối với σmin. 8 Hình 1.8. Giá trị số khoang thấp nhất đạt được trong dòng chảy có khoang khí/hơi nhân tạo hình thành trong ống thủy động • Hệ số cấp khí CQ Hệ số cấp CQ ảnh hưởng đến kích thước khoang khí/hơi hình thành khí được tính theo công thức (1.6) dưới đây thể hiện lượng khí được cấp vào dòng chảy [9, 17, 22-23, 31, 49, 62]. Trong đó, Qair là lưu lượng của dòng khí cung cấp vào dòng chảy. 𝐶𝑄 = 𝑄𝑎𝑖𝑟 𝑈∞ 𝐷𝑐2 (1.6) Thay đổi hệ số cấp khí giúp đạt được kích thước khoang khí/hơi ở các điều kiện số khoang khác nhau. Hình 1.9 dưới đây [18] thể hiện kết quả quan sát của Wornik về kích thước khoang khí/hơi tương ứng với số khoang và hệ số cấp khí khác nhau. Ở đây, số khoang đươc xác định từ kích thước khoang khí/hơi thu được. Hình 1.9. Quan hệ giữa hệ số cấp khí và số khoang
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan