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 -