Tài liệu Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy.

LỜI CẢM ƠN Luận văn tiến sỹ của tôi – NCS Lê Thị Thái, chuyên ngành Cơ chất lỏng – với đề tài “Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy” đã hoàn thành trong thời gian quy định bốn năm và đạt đƣợc các kết quả đề ra. Nội dung thực hiện luận văn đã giúp tôi nâng cao khả năng tự nghiên cứu trong quá trình ứng dụng và phát triển khoa học kỹ thuật. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Quang và TS. Lê Thanh Tùng, ngƣời hƣớng dẫn trực tiếp cho tôi làm và hoàn thành các nội dung của đề tài. Những lời khuyên, hƣớng dẫn bổ ích của các thầy đã định hƣớng và giúp tôi tiếp cận tốt hơn với nội dung của đề tài. Tôi xin cảm ơn các Thầy Cô Viện Cơ Khí Động Lực, các bộ môn thuộc Viện Cơ Khí Động Lực đã tạo điều kiện tra cứu tài liệu, đóng góp ý kiến cho tôi hoàn thành tốt luận văn của mình. Xin cảm ơn trung tâm thí nghiệm xâm thực trƣờng Đại học Đại dƣơng quốc gia, Đài Loan đã tạo cơ hội cho tôi đƣợc thực nghiệm. Hà Nội, ngày 30 tháng 07 năm 2013 Nghiên cứu sinh Lê Thị Thái LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn tiến sỹ đề tài “Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy” đều do tôi tự thực hiện hoặc đồng thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn chính của PGS.TS Lê Quang và TS Lê Thanh Tùng Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ dùng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu nào khác. Không hề có sự sao chép, gian lận kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày 30 tháng 07 năm 2013 Nghiên cứu sinh Lê Thị Thái MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Phần mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan 1.1 Tổng quan về hiện tƣợng xâm thực 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Bản chất vật lý của xâm thực. 1.1.3 Điều kiện xuất hiện xâm thực 1.1.4 Phân loại xâm thực 1.2 Tổng quan về các phƣơng pháp số dự đoán xâm thực 1.2.1 Phƣơng pháp số 1.2.2 Phƣơng pháp mặt nâng 1.2.3 Phƣơng pháp phần tử biên 1.2.4 Phƣơng pháp EULER, RANS và dòng hai pha 1.3 Một số kết quả nghiên cứu về xâm thực thiết bị đẩy tàu thủy 1.4 Phạm vi áp dụng của đề tài 1 5 5 5 6 7 8 13 13 16 18 23 25 27 Chƣơng 2: Nghiên cứu, khảo sát dòng chảy bao chân vịt tàu thủy 29 2.1 Chân vịt và đặc tính làm việc của chân vịt tàu thủy 30 2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán 2.2.1. Mô tả vấn đề 2.2.2. Phƣơng trình tổng quát về dòng thế 2.2.3. Các điều kiện biên. 2.2.4. Các điều kiện biên bề mặt xâm thực. 2.3. Khảo sát dòng chảy bao chân vịt bằng phƣơng pháp số 2.3.1. Mô hình tính toán 32 32 34 35 37 45 45 2.3.2. Mô hình hình học và miền tính toán 2.2.3. Kết quả tính toán số 2.4 Kết luận Chƣơng 3: Nghiên cứu, mô phỏng dòng xâm thực qua chân vịt 3.1 Hiện tƣợng xâm thực trong thiết bị đẩy 3.2 Nghiên cứu số về mô hình xâm thực 2D 3.2.1 Sử dụng phƣơng pháp LES 3.2.2 Sử dụng phƣơng pháp RANS 48 48 55 56 56 57 57 65 3.3 Nghiên cứu số về mô hình xâm thực 3D 3.3.1 Tính toán dòng qua chân vịt tàu thủy 75 75 3.3.2 Tính toán dòng qua hệ thống chân vịt – bánh lái 3.4 Kết luận 80 84 Chƣơng 4: Khảo sát thực nghiệm đặc tính xâm thực của chân vịt 4.1. Khảo sát các dạng thiết bị phục vụ cho thực nghiệm 4.1.1 Thử nghiệm mặt thoáng 4.1.2 Thử nghiệm thiết bị đẩy 4.1.3 Các thử nghiệm xâm thực 4.2. Xây dựng mô hình thử nghiệm 4.2.1 Đặt vấn đề 4.2.2 Bài toán xây dựng mô hình 4.3. Phƣơng án thực nghiệm 4.3.1 Giới thiệu phƣơng pháp thực nghiệm 4.3.2 Thiết lập chƣơng trình thực nghiệm 4.3.3 Kếtluận Kết luận và kiến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC : Code chƣơng trình tính toán số về mô hình xâm thực 2D bằng phƣơng pháp LES 85 85 85 88 92 94 94 95` 96 96 99 103 104 106 109 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU A : Diện tích bề mặt cánh Ac : Diện tích vùng xâm thực Cw : Hàm mặt cong siêu xâm thực Cx, Cy, Cz : Hệ số lực theo 3 phƣơng x,y,z CL, CD : Hệ số lực nâng, hệ số lực cản 3D Cl, Cd : Hệ số lực nâng, hệ số lực cản 2D Cp : Hệ số áp suất D : Đƣờng kính chân vịt F(s1,s2,s3,t) : Hàm mô tả bề mặt xâm thực F(ξ,η) : Hàm mô tả tấm cong 2D F : Vector lực G(x,x) : Hàm Green’s J : Bƣớc tƣơng đối của chân vịt KT : Hệ số lực KQ : Hệ số mômen M : Vector mômen O : Thứ tự cƣờng độ Q = Mx : Mô men hoặc mô men quay R : Bán kính chân vịt C = бΩ : Lớp biên của trƣờng dòng SB : Bề mặt ƣớt của vật thể SC : Bề mặt xâm thực SBC : Bề mặt giao giữa xâm thực và vật thể Sw : Bề mặt dòng theo Swc : Bề mặt giao giữa dòng theo và xâm thực T : Lực đẩy (u,v) : Thành phần vận tốc tiếp tuyến và pháp tuyến V = (vx,vy,vz): Vận tốc tổng của dòng VC : Thể tích xâm thực VO : Vận tốc dòng tự do VS : Vận tốc dịch chuyển của vật thể Vg : Vận tốc lƣới Vm : Vận tốc trung bình dòng theo Vw(x,y,z) : Vận tốc không ảnh hƣởng VRef : Vận tốc tham chiếu VS1, VS2, VS3 : Thành phần vận tốc trong hệ thống tham chiếu không trực giao VU1, VU2, VU3 : Thành phần vận tốc trong hệ thống tham chiếu trực giao X = (X,Y,Z) : Khung tham chiếu không gian cố định g : Trọng lực g : Hàm ngầm định cho bề mặt siêu xâm thực (i,j,k) : Vector vận tốc đơn vị xâm thực tham chiếu cho vật thể cố định lC : Chiều dài xâm thực n Tốc độ vòng quay P : Áp suất PV : Áp suất hơi PRef : Áp suất tham chiếu r : Vector khoảng cách rf : Khoảng cách giữa các điểm trển đƣờng cong tấm tuyến tính tham chiếu SO : Chiều dài cung tại điểm tách xâm thực (S1,S2,S3) : Hệ tọa độ không trực giao t : Thời gian * t : Thời gian đặc trƣng đối lƣu (t1,t2,t3) : Vector đơn vị (u1,u2,u3) : Hệ tọa độ tham chiếu trực giao gắn với bề mặt ở dạng cong tuyến tính V : Vận tốc nhiễu loạn X = (x,y,z) : Hệ tọa độ tham chiếu cho vật thể cố định X = (x,r,θ) : Hệ tọa độ cực Δ : Biến, loại kích cỡ tấm (2D) Γ = - Δ : Hoàn lƣu Ω : Trƣờng dòng bên ngoài ⃗ : Vận tốc góc α : Góc tới δ : Chiều dài tại điểm kết thúc xâm thực η : Chiều dày xâm thực η0 : Hiệu suất chân vịt ηω : Chiều dài siêu xâm thực  : Thế nhiễu  : Độ cong λ : Bƣớc sóng ω : Tần số góc θ : Góc giữa t1 và t2 ρ : Mật độ nƣớc ζ : Số xâm thực  : Trọng lƣợng riêng của nƣớc Vl Vv : Thể tích pha lỏng : Thể tích pha hơi. Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU LÝ DO NGHIÊN CỨU, MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI Khái niệm về xâm thực đã trở thành quen thuộc đối với chuyên môn nghiên cứu trong hệ thống thiết bị đẩy. Ngƣời đầu tiên quan sát thấy những đốm trắng không phải là không khí lọt qua thủy tinh khi nghiên cứu về vòng xoáy (Newton 1704). Nhƣng phải đến khi phát hiện ra sự xuất hiện bọt khí ở chân vịt làm giảm tốc độ của tàu thủy (Reynolds 1873, Barnaby và Pasons 1893), các nghiên cứu về sự hình thành của xâm thực mới bắt đầu đƣợc quan tâm. Năm 1895, tên “Xâm thực – Cavitation’ đƣợc các nhà khoa học chính thức đặt tên cho hiện tƣợng xuất hiện các bọt khí hay khoang rỗng trong lòng chất lỏng khi có sự suy giảm áp suất cục bộ dƣới áp suất hơi bão hòa. Hệ thống thiết bị đẩy khi làm việc trong chất lỏng đều có khả năng bị xâm thực. Quan sát quá trình xâm thực xảy ra trên cánh dƣới dạng tập hợp của nhiều profil có thể thấy quá trình xâm thực thông thƣờng nhƣ sau: Ban đầu các bọt khí nhỏ xuất hiện ở đầu cánh, vùng bọt khí xâm chiếm không đáng kể. Chân vịt tiếp tục quay, các bọt khí theo đuổi nhau tách khỏi mặt đầu cánh và lơ lửng trong chất lỏng một thời gian ngắn. Khi chân vịt quay với tốc độ giới hạn nhất định hiện tƣợng sủi bọt có thể bao trùm cả mặt hút của cánh và các bọt khí từ đây thoát ra liên tục. Nếu vận tốc quay và vận tốc tịnh tiến của chân vịt tăng lên nữa, hiện tƣợng sủi bọt có khả năng lây sang cả mặt đẩy. Khi xâm thực phát triển trong thiết bị dẩy tàu thủy, điều kiện làm việc ổn định của thiết bị thƣờng bị phá vỡ gây mất cân bằng, suy giảm hiệu suất và năng suất, gây rung động và tiếng ồn. Đặc biệt, hiện tƣợng ăn mòn xâm thực có thể xảy ra mãnh liệt và phá hủy bề mặt chi tiết. Mỗi một dạng thiết bị, một điều kiện làm việc hay chất lỏng làm việc khác nhau, xâm thực có thể xảy ra ở cƣờng độ và trạng thái hoàn toàn khác nhau. Bài toán xâm thực càng trở nên phức tạp khi có sự ảnh hƣởng của nhiệt độ, hàm lƣợng khí khó hòa tan, hoạt chất hóa học,… đòi hỏi phải nghiên cứu mang tính liên ngành. Sự phong phú, đa dạng và chịu ảnh hƣởng nhiều tham số khiến cho việc nghiên cứu xâm thực luôn là vấn đề khó khăn và thú vị đối với các nhà khoa học. Mặt khác để tiến hành thực nghiệm xâm thực trên hệ thống thiết bị đẩy tàu thủy cần xây dựng giá thí nghiệm chuyên dụng, camera quan sát tốc độ cao (triệu ảnh/giây) và các thiết bị đo 1 Lời mở đầu đồng bộ. Do vậy tác giả luận án lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy” áp dụng cho các bài toán nghiên cứu điển hình về xâm thực trong hệ thống thiết bị đẩy tàu thủy. Phƣơng pháp mô phỏng số động lực học dòng chảy đƣợc áp dụng trong nghiên cứu, phân tích đặc tính xâm thực.Kết quả lý thuyết đƣợc kiểm nghiệm bằng kết quả thực nghiệm. Những kết quả của luận án hƣớng tới ứng dụng vào thực tế công nghiệp đóng tàu cũng nhƣ xây dựng cơ sở dữ liệu về xâm thực cho dạng chân vịt phổ biến ở nƣớc ta. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Việc nghiên cứu các hiện tƣợng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy có ý nghĩa khoa học, ứng dụng vào việc xây dựng cơ sở lý thuyết cho quá trình thiết kế sản phẩm, tạo điều kiện thuận lợi cho nhà thiết kế phân tích, lựa chọn chế độ hoạt động của chân vịt trong khi thiết kế. Kết quả đề tài có ý nghĩa thực tiễn áp dụng cho việc dự báo sự hình thành xâm thực trên bề mặt chân vịt, đặc tính về động lực học và đánh giá hiệu suất làm việc tƣơng ứng của nó ở một số chế độ vận hành khác nhau. Các nội dung nghiên cứu của đề tài góp phần củng cố luận cứ khoa học cho quá trình thiết kế, sử dụng hiệu quả vào khai thác tàu. Việc ứng dụng tính toán mô phỏng trên máy tính bằng phƣơng pháp tiên tiến cho phép tiết kiệm thời gian thiết kế, giảm kinh phí đầu tƣ cho chế tạo và thử nghiệm. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Các chỉ tiêu, thông số động lực học dòng chảy và ảnh hƣởng của chúng đến sự hình thành xâm thực và các thông số đặc tính của chân vịt là yêu cầu quan trọng trong quá trình nghiên cứu, Để thực hiện nội dung đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu một số vấn đề sau:  Nghiên cứu về hiện tƣợng xâm thực xuất hiện khi chân vịt hoạt động.  Nghiên cứu các phƣơng pháp tính toán số đƣợc ứng dụng trong bài toán dòng qua chân vịt không xâm thực và có xâm thực.  Thiết lập các bài toán dòng qua chân vịt bằng các phƣơng pháp khác nhau nhƣ phƣơng pháp RANS, LES và phƣơng pháp truyền thống trong thiết kế chân vịt tàu thủy. 2 Lời mở đầu  Thiết lập chƣơng trình thực nghiệm để khảo sát đặc tính xâm thực của chân vịt tàu thủy. So sánh kết quả mô phỏng số với thực nghiệm. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Nghiên cứu đƣợc thực hiện dựa trên cơ sở lý thuyết cơ học chất lỏng và lý thuyết cánh. Tác giả xây dựng mô hình tính toán khác nhau để mô phỏng dòng xâm thực và không xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy thông qua phần mềm ANSYS Fluent dựa trên nền tảng Computational Fluid Dynamics (CFD) xây dựng đặc tính chân vịt, dự đoán, đánh giá xâm thực trên chân vịt và ảnh hƣởng của nó đến hiệu suất làm việc của chân vịt. Nghiên cứu thực nghiệm đƣợc tiến hành cho mẫu chân vịt mô hình tại phòng thí nghiệm xâm thực chuyên ngành tàu thủy, trƣờng Đại học Đại dƣơng Quốc gia, Đài Loan. Kết quả thực nghiệm kiểm chứng cho các bài toán lý thuyết mô phỏng trên. BỐ CỤC LUẬN ÁN Luận án bao gồm phần mở đầu, phần kết luận-kiến nghị và bốn chƣơng: Chương 1.Tổng quan Trình bày khái quát về hiện tƣợng xâm thực, trình bày khái quát về các phƣơng pháp số dự đoán xâm thực trên cơ sở thống kê của tổ chức ITTC. Phân tích, đánh giá một số công trình nghiên cứu đã có của các tác giả nƣớc ngoài có liên quan đến đề tài luận án. Từ đó nêu những vấn đề còn tồn tại và những vấn đề mà luận án tập trung nghiên cứu, giải quyết. Chương 2.Nghiên cứu, khảo sát dòng chảy bao chân vịt tàu thủy Giới thiệu về chân vịt tàu thủy và các thông số đặc tính làm việc của chân vịt. Thiết lập cơ sở lý thuyết tính toán để trên cơ sở đó khảo sát dòng chảy qua chân vịt tàu thủy bằng phƣơng pháp số. Kết quả của bài toán này sẽ đƣa ra những nhận định về khả năng làm việc của chân vịt với các chế độ hoạt động khác nhau. Chương 3. Nghiên cứu, mô phỏng dòng xâm thực qua chân vịt tàu thủy 3 Lời mở đầu Với việc sử dụng phƣơng pháp LES trong OpenFoam và phƣơng pháp RANS trong ANSYS FLUENT để thiết lập bài toán dòng chảy xâm thực bao chân vịt ở dạng 2D và 3D đã dự đoán đƣợc xâm thực hình thành trên cánh chân vịt – bánh lái tàu và xây dựng đƣợc đặc tính chân vịt tàu theo nồng độ bọt khí trong nƣớc. Chương 4. Khảo sát thực nghiệm đặc tính xâm thực chân vịt Khảo sát các thiết bị phục vụ cho thực nghiệm trên cơ sở đó tiến hành thiết lập phƣơng án và chƣơng trình thực nghiệm bằng phƣơng pháp đánh giá hình ảnh để dự đoán xâm thực. 4 Chương 1: Tổng quan CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về hiện tƣợng xâm thực 1.1.1 Khái niệm Hiện tƣợng xâm thực, nghĩa là sự xuất hiện của những khoảng trống dạng hơi bên trong một môi trƣờng chất lỏng đồng nhất vào lúc ban đầu, đƣợc tìm thấy và xảy ra ở rất nhiều những trạng thái khác nhau. Tuỳ theo hình thể của dòng chảy và các thuộc tính vật lý của chất lỏng, nó có thể mang những đặc điểm khác biệt. Hiện tƣợng xâm thực có thể đƣợc định nghĩa nhƣ sự thay đổi của một môi trƣờng chất lỏng dƣới điều kiện áp suất rất thấp. Điều này khiến cho sự xâm thực liên quan đến lĩnh vực cơ toán học và nó đƣợc áp dụng đối với các trƣờng hợp mà ở đó chất lỏng ở dạng tĩnh hoặc dạng chuyển động. Xâm thực là sự phá hủy tính liên tục của chất lỏng kèm theo việc xuất hiện trên mặt vật thể các hốc chứa đầy hơi nƣớc hoặc không khí. Xâm thực xuất hiện ở những điểm mà tại đó áp suất cục bộ giảm đáng kể khi chất lỏng chuyển động cụ thể : - Theo quan điểm vật lý : muốn gián đoạn thì p < 0 khi đó xuất hiện xâm thực. - Thực tế : Khi áp suất chất lỏng nhỏ hơn trị số áp suất hơi bão hòa p - Xem thêm -