Tóm tắt Luận án Ứng dụng lý thuyết CFD (Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam - Lê Văn Toàn

định các thông số của lời giải CFD phù hợp với đối tượng tàu tính toán. 4 Chương 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1. ĐÁNH GIÁ CHUNG Từ việc tổng quan các công trình nghiên cứu tính sức cản bằng phương pháp CFD trình bày trong luận án, cho phép chúng tôi rút ra một số nhận xét cụ thể như sau: (1) Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và máy tính, phương pháp tính CFD trong tính toán thủy động lực học nói chung và xác định sức cản tàu nói riêng cũng có sự phát triển mạnh mẽ, điển hình là sự phát triển từ phương pháp số của Michell, cho đến phương pháp phần tử biên BEM, Panel và hiện là phương pháp RANS. Các phương pháp như Mitchel, BEM, Panel thường sử dụng mô hình rối k-e nên có độ chính xác thấp vì xem lưu chất không có độ nhớt, phương trình chuyển động của dòng lưu chất được đưa về dạng hàm thế của tốc độ theo phương trình Laplace. Các nghiên cứu gần đây dùng phương trình RANS (Reynolds Average Equations) kết hợp mô hình rối SST k-w, kết hợp hai mô hình rối tiêu chuẩn là k-w và k-e, cho kết quả và lời giải phù hợp phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) khi rời rạc hóa miền tính toán cho các tàu chạy chậm với đặc trưng xuất hiện dòng xoáy mạnh (2) Mẫu tàu tính toán thường là tàu mảnh (tàu Wigley), tàu hàng có đoạn thân ống dài, mạn thẳng, hông tròn, kết cấu mũi quả lê như DTMB 5415 (Mỹ), KCS (Hàn Quốc). Chưa có công trình thực hiện đối với loại tàu kích thước bé, đoạn thân ống ngắn, mũi thẳng, tốc độ chậm, tương tự mẫu tàu cá vỏ gỗ truyền thống của Việt Nam. (3) Các công trình nghiên cứu trước đây thường sử dụng những ngôn ngữ lập trình khá mạnh như Fotran, Python, STAR-CCM+, MathLab hoặc các ngôn ngữ khác. Thời gian gần đây thường ứng dụng lập trình trên mã nguồn mở OpenFOAM để giải bài toán mô phỏng động lực học tàu như tính sức cản, sea-keeping, tối ưu hóa.. (4) Hầu hết các công trình nghiên cứu đều trình bày dưới dạng kết quả cuối cùng ít trình bày phương pháp giải, cũng như giá trị cụ thể của những thông số cần thiết khi giải các bài toán CFD, ví dụ thông số đầu vào, các hệ số xác định mô hình rối, kích thước không gian miền tính toán, lưới chia... phù hợp với các tàu tính toán. Các chương trình giải các bài toán CFD nếu có công bố cũng ít khi chạy được. 5 1.2. ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU Từ những phân tích và nhận xét nêu trên, chúng tôi đã rút ra được các định hướng trước mắt khi nghiên cứu giải quyết nội dung bài toán đặt ra trong luận án như sau: (1) Chọn tàu tính toán là các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ truyền thống của Việt Nam, thuộc loại tàu chưa thấy có trong bất kỳ nghiên cứu tính sức cản bằng CFD nào. Mặc dù logic của quá trình tính toán không thay đổi nhưng có thể với những đặc điểm hình học khác đặc điểm hình học của mẫu tàu chở hàng thông thường, đặc biệt là tàu lại thường xuyên chạy ở tốc độ thấp, tương ứng giá trị số Fn bé, do đó phương pháp thực hiện và kết quả tính có thể sẽ có nhiều điểm khác biệt so với các nghiên cứu hiện nay. (2) Nghiên cứu phương pháp xây dựng và kiểm tra độ chính xác của mô hình 3D nhằm đảm bảo độ chính xác của mô hình hình học vỏ tàu và kết quả tính toán, cơ sở để có thể ứng dụng đối với các mẫu tàu khác. (3) Lựa chọn mô hình rối SST k-w để mô phỏng dòng lưu chất bao xung quanh tàu và dựa trên cơ sở đó xác định giá trị của các thông số cần thiết của mô hình rối bao gồm các hệ số rối k, w và cường độ rối I phù hợp với đối tượng tính toán. Đặc biệt, xây dựng hàm điều khiển (hàm trộn) quá trình kết hợp hai mô hình rối tiêu chuẩn k-w và k-e để đảm bảo phản ánh đúng bản chất của các dòng chảy trong dòng lưu chất chảy sát tường (bề mặt vỏ tàu), chảy bên trong lớp biến và dòng chảy tự do bên ngoài lớp biên đối với các tàu chạy chậm. (4) Xác định các thông số cần thiết của quá trình tính toán sức cản tàu bằng CFD như kích thước lưới chia bề mặt, kích thước của không gian miền tính toán, cùng với những giải pháp kiểm tra, nâng cao độ chính xác của kết quả tính toán ngay trong từng bước tính toán. (5) Ứng dụng các phương pháp và thuật toán giải các phương trình RANS hiện có và dựa trên cơ sở đó nghiên cứu sử dụng mã nguồn mở OpenFOAM để viết chương trình giải bài toán tính sức cản cho tàu tính toán và so sánh với kết quả thử nghiệm để tiến hành điều chỉnh và xác định lại các thông số cần thiết của bài toán CFD nhằm đảm bảo sự phù hợp với đối tượng tàu tính toán. 6 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. SỨC CẢN TÀU THỦY Khi chuyển động đều trong nước tĩnh, tàu chịu tác dụng của sức cản không khí Rkk và sức cản môi trường nước RT, nhiều khi được hiểu đó là sức cản toàn bộ của con tàu. Để thuận tiện trong nghiên cứu, tùy theo nguyên nhân xuất hiện và các bản chất vật lý, có thể chia sức cản nước theo nhiều cách, phổ biến là phân chia như sơ đồ hình 2.1. Hình 2.1. Sơ đồ các thành phần sức cản của nước tác dụng lên tàu Về lý thuyết, công thức tính các thành phần sức cản tàu có dạng chung như sau: R = CR W r 2 U2 (2.1) CR – hệ số sức cản ; U – vận tốc tàu, m/s ; r - khối lượng riêng của chất lỏng KG.s2/m4 W - diện tích phần vỏ tàu dưới nước (hay diện tích mặt ướt), m2. Sức cản của môi trường nước RT Sức cản dư RR Ảnh hưởng hình dạng đến ma sát ở lớp biên Sức cản áp suất RP Sức cản ma sát của lớp biên mỏng RFo (tấm phẳng tương đương) Sức cản ma sát RF Sức cản sóng RW Sức cản áp suất nhớt RPV do xoáy Sức cản tạo sóng RWM Sức cản sóng vỡ RWB Sức cản nhớt RV Sức cản toàn bộ RT 7 2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CFD 2.2.1. Các phương trình chủ đạo Hầu hết các dòng lưu chất hiện nay là dòng chất lỏng Newton ba chiều có độ nhớt, không nén và ở trạng thái ổn định nên lời giải phương trình năng lượng không cần nữa. Do đó các phương trình chủ đạo quản lý dòng lưu chất bao xung quanh thân tàu chỉ gồm phương trình liên tục và phương trình bảo toàn động lượng dưới dạng đơn giản như sau. • Phương trình liên tục 0U. t =Ñr+ ¶ r¶ (2.2) • Phương trình bảo toàn động lượng gUp Dt DU 2 r+ѵ+Ñ-=r (2.3) trong đó: ρ - mật độ chất lỏng, là hàm của các tọa độ (x, y, z) và thời gian t: r = r(x,y,z,t) U - vectơ vận tốc, được xác định theo các vector đơn vị i, j, k của hệ tọa độ Descartes theo công thức. U = u.i + v.j + w.k (2.4) với các thành phần vận tốc xác định theo các hướng tương ứng như sau: u = u(x,y,z,t) ; v = v(x,y,z,t) ; w = w(x,y,z,t) Ñ - toán tử vector (thuật ngữ trong tính toán CFD gọi là “del” hoặc “nabla”), được định nghĩa trong hệ tọa độ Descartes theo công thức chung sau: Ñ = i x¶ ¶ + j y¶ ¶ + k z¶ ¶ (2.5) Dt DU - ký hiệu của đạo hàm thực được xác định theo công thức: U.U t U Dt DU Ñ+ ¶ ¶ = (2.6) 8 2.2.2. Phương trình RANS (Reynolds Average Navier-Stokes Equations) Hai phương trình (2.2) và (2.3) kết hợp lại thành hệ phương trình Navier-Stokes dùng mô phỏng dòng lưu chất nhớt, không nén gồm 4 phương trình với 4 ẩn u, v, w, p. Do chuyển động của dòng chảy rối không ổn định nên để giải được hệ phương trình này thường sử dụng một số phương pháp số như LES, DNS nhưng phổ biến nhất là phương pháp Navier-Stokes Reynolds trung bình (RANS) được xây dựng trên cơ sở tách giá trị của các biến dòng lưu chất thành thành phần trung bình và thành phần biến động, sau đó thay vào hệ phương trình trên, sau một số biến đổi nhận được hệ phương trình RANS dưới dạng tổng quát như sau: ï î ï í ì +Ñ+Ñ-= =Ñ gUp dt Ud U rµr 2 0. (2.7) trong đó: p - trường áp lực trung bình; r - mật độ chất lưu; U - vector vận tốc trung bình; g - gia tốc trọng trường. 2.2.3. Mô hình dòng chảy rối Do trong các phương trình RANS xuất hiện thêm 6 biến số mới tương ứng với 6 thành phần ứng suất rối Reynolds biểu diễn cho sự sự gia tăng vận tốc của dòng lưu chất nên để giải được cần bổ sung thêm phương trình rối để đóng kín hệ phương trình RANS. Có nhiều mô hình dòng chảy rối nhưng phổ biến nhất hiện nay là mô hình k-e và k-w. Hiện tại, mô hình k-ε và k-ω đã trở thành những mô hình tiêu chuẩn công nghiệp và được sử dụng rất phổ biến cho hầu hết các dòng lưu chất trong những bài toán kỹ thuật, Tuy nhiên khi ứng dụng cho dòng lưu chất chảy xung quanh bề mặt vỏ tàu đã nhận thấy, mô hình k-e khá mạnh nhưng lại it chính xác khi tính lớp biên, trong khi mô hình k-w tuy chính xác hơn mô hình k-e trong lớp biên gần tường và dự đoán tốt hơn dòng chảy có gradient áp lực bất lợi nhưng lại rất nhạy cảm đối với các giá trị của dòng chảy tự do. Do dó để đảm bảo chính xác hơn, Menter đề xuất mô hình SST k-w kết hợp hai mô hình, trong đó mô hình k-w sử dụng ở lớp biên, mô hình k-e sử dụng trong dòng chảy tự do. 9 2.3. THUẬT TOÁN GIẢI Đối với chất lỏng không nén được, nhiều chương trình CFD hiện nay thường dùng thuật toán SIMPLE để giải hệ phương trình RANS và mô hình phương trình dòng rối. Tuy nhiên gần đây thường sử dụng mã nguồn mở OpenFOAM với sự kết hợp của csac thuật toán SIMPLE và PISO để giải hệ các phương trình RANS. Mạc dù có nhiều ưu điểm nhưng thuật toán này vẫn chưa thấy ứng dụng trong ngành tàu vì thế trong luận án sẽ sử dụng thuật toán này để tính trường dòng bao quanh tàu. Trong mỗi bước thời gian, bài toán được giải bằng thuật toán SIMPLE, sau đó sử dụng thuật toán PISO để hiệu chỉnh việc điều chỉnh áp lực, nghĩa là thuật toán PISO được lồng ghép vào một bước tính toán của thuật toán SIMPLE. Trong mỗi bước thời gian, thuật toán này có thể được tóm tắt như sau (Số hiệu các phương trình, công thức trong thuật toán được lấy như trong luận án): 1. Tính vận tốc *U từ phương trình. (2.90) với áp lực *P từ bước thời gian trước. 2. Tính xấp xỉ lượng chất lỏng chảy qua mặt ô ( ) ú ú û ù ê ê ë é ÷÷ ø ö çç è æ = fPa UHSF * * . r , điều này cần thiết để tính vế phải của phương trình áp lực (2.87). 3. Tính áp lực hiệu chỉnh **P bằng cách giải phương trình. (2.87) với thông lượng vừa được xấp xỉ. 4. Hiệu chỉnh thông lượng mặt bằng cách giải phương trình (2.89) với giá trị áp lực mới **P . 5. Tính toán giá trị áp lực mới newP trong mội ô tính toán dựa vào hệ số Pa giống như trong thuật toán SIMPLE. ( )**** PPPP Pnew -+= a 6. Chỉnh sửa vận tốc từ giá trị áp lực mới newP , sử dụng phương trình. (2.82). 7. Lặp lại các bước từ (2÷6) với số lần lặp bằng nCorrectors lần. 8. Kiểm tra sự hội tụ, nếu thỏa mãn thì chuyển sang bước thời gian tiếp theo, nếu không thỏa mãn thì lặp lại các bước 1-8 nOuterCorrectors lần. 10 Sơ đồ thuật toán được diễn giải như hình bên dưới: Hình 2.2. Sơ đồ thuật toán nghiên cứu Bắt đầu Ước đoán áp lực Tính vận tốc từ phương trình Tính xấp xỉ lượng chất lỏng chảy qua mặt ô: Tính áp lực mới : Tính áp lực hiệu chỉnh = Hiệu chỉnh thông lượng mặt SUf = Kiểm tra hội tụ Lặ p nC or re ct or s l ần Sai Hiệu chỉnh áp lực mới : Đúng Bước thời gian tiếp theo 11 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. MẪU TÀU TÍNH TOÁN 3.1.1. Đặc điểm các mẫu tàu tính toán Các mẫu tàu dùng tính toán là mẫu tàu cá dân gian khu vực miền Trung Việt Nam có ký hiệu M1317A và M1319 đã được TS Nguyễn Quang Vĩnh, KS Nguyễn Đức Thọ thử nghiệm ở bể thử Đại học Kỹ thuật và Công nghiệp cá Kaliningrat (Liên Xô cũ). Trong thực nghiệm, hai mẫu tàu được chế tạo theo tỷ lệ đồng dạng hình học 7:1k = . Các thông số hình học của các tàu ở tỷ lệ thực và ở tỷ lệ thử kéo mô hình trong bể thử được cho ở bảng 3.1. Bảng 3.1. Các thông số hình học của các mẫu tàu M1317A và M1319 ở tỷ lệ thực và ở tỷ lệ thử nghiệm kéo mô hình trong bể thử k = 1:7 Các thông số Ký hiệu Đơn vị M1317A M1319 Tỷ lệ 1:1 Tỷ lệ 1:7 Tỷ lệ 1:1 Tỷ lệ 1:7 Đặc điểm hình học mạn thẳng, gẫy góc nằm ở hông tàu Dạng vỏ dưa Chiều dài toàn bộ LOA m 21.90 3.129 17.40 2.485 Chiều dài đường nước LPP m 18.55 2.650 14.29 2.041 Chiều dài giữa hai trụ LWL m 19.00 2.714 14.80 2.114 Chiều rộng lớn nhất Bmax m 4.48 0.640 3.88 0.554 Chiều rộng đường nước BWL m 4.48 0.640 3.14 0.448 Chiều cao mạn D m 1.90 0.271 1.50 0.214 Chiều chìm d m 1.23 0.175 0.74 0.105 Diện tích mặt ướt Ω m2 95.06 1.940 45.08 0.92 Hệ số diện tích sườn giữa CM - 0.870 0.870 0.860 0.86 Hệ số đầy thể tích CB - 0.589 0.589 0.550 0.55 Hệ số đầy lăng trụ dọc CP - 0.677 0.677 0.639 0.639 Lượng chiếm nước D m3 61.17 0.178 19.51 0.057 Tốc độ tàu Us hl/h 8.65 3.264 9.13 3.445 U m/s 4.45 1.679 4.694 1.772 Số Froude Fn - 0.329 0.329 0.396 0.396 12 3.1.2. Kết quả thử nghiệm Kết quả thử nghiệm kéo các mô hình tàu trong bể thử để xác định sức cản được cho trong bảng 3.2 và hình 3.1. Bảng 3.2. Kết quả thử nghiệm kéo trên nước tĩnh và khi chuyển đổi sang tàu thật của các mô hình tàu M1317A và M1319 Mẫu M1317A (d = 1.23 m) Mẫu M1319 (d = 0.74 m) U (m/s) Us (hl/h) RM (KG) Số Fn RH (N) U (m/s) Us (hl/h) RM (KG) Số Fn RH (N) 0.712 3.664 0.214 0.139 756.6 0.629 3.240 0.097 0.140 268.6 0.951 4.896 0.532 0.186 1562.9 0.904 4.655 0.253 0.202 752.9 1.029 5.299 0.755 0.202 2327.9 1.166 6.005 0.447 0.260 1360.5 1.251 6.441 1.081 0.245 3135.3 1.369 7.049 0.765 0.306 2401.1 1.402 7.210 1.390 0.275 4341.4 1.460 7.515 0.896 0.326 2826.6 1.478 7.658 1.721 0.291 5435.0 1.553 7.996 1.077 0.347 3422.0 1.544 7.946 2.086 0.303 6659.5 1.587 8.172 1.130 0.354 3594.3 1.633 8.406 2.507 0.320 8058.5 1.652 8.505 1.283 0.369 3925.8 1.697 8.739 2.907 0.332 9397.0 1.666 8.579 1.297 0.372 4144.7 1.73 8.907 3.077 0.339 9962.9 1.772 9.125 1.920 0.396 6250.9 1.758 9.035 3.252 0.345 10548 1.807 9.304 1.702 0.404 4969.2 Hình 3.1. Đồ thị đường cong sức cản của các tàu M1317A và M1319 13 3.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÌNH HỌC VỎ TÀU 3.2.1. Xây dựng mô hình 3D Từ bản vẽ đường hình gốc, dựng lại đường hình của các mẫu tàu trong AutoCad, sau đó dựng mô hình 3D trong phần mềm thiết kế tàu AutoShip và kiểm tra thông số hình học nhằm đảm bảo độ chính xác của mô hình 3D ngay trong Autoship (Hình 3.2). Mẫu tàu M1317A Mẫu tàu M1319 Hình 3.2. Xây dựng mô hình hình học 3D trong AutoCad và AutoShip 3.2.2. Tạo file STL của bề mặt hình học vỏ tàu Viết code nhận diện tọa độ điểm hình học từ file mô hình 3D của mẫu tàu tính toán và xây dựng file *.stl (StereoLithography) mô tả bề mặt đối tượng ở dạng lưới tam giác, một hình thức rời rạc hình học vỏ tàu được dùng nhiều trong bài toán CFD (Hình 3.3). vertices ( (x1 y1 z1) // điểm0 (x2 y2 z2) // điểm 1 // (xn yn zn) // điểm n ) Hình 3.3. Code và mô hình tàu M1317A chia lưới tam giác theo dạng file *.stl 14 3.3. XÁC LẬP KHÔNG GIAN MIỀN TÍNH TOÁN Xác định kích thước hợp lý cho không gian miền tính đối với mẫu tàu cá khảo sát bằng phương pháp tính gần đúng dần, dựa trên cơ sở thực hiện tính toán mô phỏng với các vị trí biên khác nhau và tiến hành phân tích trường áp suất xuất hiện cho đến khi không thấy ảnh hưởng của các hiệu ứng biên hoặc tương tác tàu – nước gây ra. Kết quả xác định được vị trí các biên hợp lý cho các mẫu tàu đang khảo sát (Hình 3.4a), khác vị trí các biên theo khuyến nghị của Hội nghị bể thử quốc tế ITTC-2011 (Hình3.4b). (a) (b) Hình 3.4. Vị trí của các biên tính toán theo (a) đề xuất và (b) ITTC-2011 Hình 3.5 biểu diễn sự biến động mặt thoáng nước bên ngoài tàu M1317A ở giá trị Fn = 0.404, nhận thấy nếu đặt vị trí các biên theo ITTC 2011 thì tính chất vật lý tại biên Inlet sẽ bị ảnh hưởng bởi sóng phản hồi do tàu tạo ra, ngược lại vị trí biên Outlet chỉ cần cách đường vuông góc lái khoảng 4Lpp thì đủ đáp ứng được tính chất vật lý biên Outlet. Bằng cách làm tương tự, chúng tôi cũng đã xác định được vị trí của biên Side nằm cách mặt phẳng đối xứng tàu một khoảng 2Lpp là hợp lý đối với đối tượng tàu cá đang tính. Hình 3.5. Kích thước miền tính toán thực tế 2LPP 2LPP 4LPP 1LPP 1LPP Hướng chuyển động tàu 15 3.4. RỜI RẠC KHÔNG GIAN TÍNH TOÁN VÀ MÔ HÌNH HÌNH HỌC TÀU Quá trình xây dựng lưới chia bề mặt vỏ tàu trong OpenFOAM sẽ được thực hiện theo trình tự cụ thể như sau: - Nhập mô hình tàu đã chia lưới ở mục 3.2 vào OpenFOAM để xây dựng miền tính theo kích thước ở mục 3.3 và rời rạc bề mặt liên tục vỏ tàu thành xấp xỉ lưới chia hình tam giác có cùng định dạng lưới chia bề mặt ban đầu, sau đó nhúng vào miền tính toán. - Sử dụng hàm snappyHexMeshDict trong thư viện OpenFOAM với đoạn mã chương trình thực hiện việc rời rạc miền tính và mô hình hình học tàu đang tính, trong đó các nút lưới để liên kết miền tính với bề mặt tàu đều được gán biên wall là tường cứng tuyệt đối, không thấm nước như mô tả ở hình 3.6. blocks ( hex (0 1 2 3 4 5 6 7) (17 6 8) simpleGrading (1 1 0.05) hex (4 5 6 7 8 9 10 11) (17 6 50) simpleGrading (1 1 1) . hex (20 21 22 23 24 25 26 27) (17 6 20) simpleGrading (1 1 5) ); Edges - Xử lý lưới chia khu vực gần tường để mô phỏng chính xác dòng rối và sức cản, đồng thời kiểm tra và đánh giá chất lượng của lưới chia thông qua các thông số gồm hệ số tường y+ và hệ số Courant (CR) để đảm bảo độ chính xác lưới chia. Hình 3.6. Mô hình tàu và miền tính toán sau khi rời rạc hóa 16 3.5. THIẾT LẬP CÁC ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN Để mô phỏng dòng rối bằng mô hình SST k-w cần xác định các điều kiện ban đầu là hệ số động năng rối k, tiêu tán động năng rối w, tốc độ tiêu tán động năng rối e: k = ( )2. 2 3 UI ; w = 10 ppL U ; e = ppL k (3.1) I - cường độ rối; U - vận tốc dòng , m/s ; Lpp - chiều dài hai đường vuông góc tàu, m. Ban đầu, tham khảo hai mẫu tàu chở hàng KCS và DTMB-5415 đã được công bố, chúng tôi chọn giá trị hệ số của các tàu này là k = 0.00015, w = 2.0000 để tính nhưng trường dòng lưu chất quanh các tàu bị bất ổn mạnh và lời giải không hội tụ (hình 3.7), trong đó hệ thống sóng bị vỡ và rối mạnh ngay khi còn khá xa khu vực tàu hoạt động. Hình 3.7. Trường dòng bất ổn và lời giải không hội tụ trước khi hiệu chỉnh Sau đó áp dụng phương pháp tính đúng dần như khi xác định vị trí biên ở mục 2.3, chúng tôi đề xuất chọn giá trị đại lượng cường độ rối I cho các tàu đang tính như sau: I = 0.050 với giá trị số Fn ≥ 0.3 ; I = 0.035 với giá trị số Fn < 0.3 Áp dụng các số liệu này chúng tôi nhận được hình ảnh trường dòng ổn định với lời giải hội tụ như mô tả trên hình 3.8. Hình 3.8. Trường dòng ổn định và lời giải hội tụ sau khi hiệu chỉnh 17 Áp dụng các công thức nêu trên cho các tàu M1317A và M1319 đang nghiên cứu có thể xác định được điều kiện ban đầu về giá trị hệ số rối dùng thực hiện mô phỏng số ở các số Fn cụ thể cho các tàu M1317A và M1319 như cho ở bảng 3.3. Bảng 3.3. Giá trị các hệ số rối của tàu Đại lượng M1317A M1319 U 0.640 1.251 1.381 1.679 1.758 1.166 1.369 1.460 1.772 1.807 Fn 0.128 0.250 0.276 0.336 0.352 0.261 0.312 0.326 0.396 0.404 I 0.035 0.035 0.035 0.050 0.050 0.035 0.050 0.050 0.050 0.050 K 0.000753 0.002876 0.003504 0.010571 0.011590 0.002498 0.007028 0.007994 0.011775 0.012245 w 2.357895 4.608947 5.087895 6.185789 6.476842 5.514865 6.475000 6.905405 8.381081 8.546622 e 0.010107 0.019757 0.021810 0.037880 0.039662 0.023640 0.039651 0.042287 0.051323 0.052337 Bảng 3.4 và 3.5 là mô tả đặc tính và tính chất vật lý tại các biên Bảng 3.4. Đặc tính của biên Tên gọi Ký hiệu Tính chất biên Mặt trên cùng Top Type patch, faces Mặt lưu chất đi vào Inlet Type patch, faces Mặt lưu chất đi ra Outlet Type patch, faces Mặt bên Sides Type symmetryPlane, faces Mặt đáy Bottom Type symmetryPlane, faces Mặt phẳng đối xứng tàu MidPlane Type symmetryPlane, faces Vỏ tàu Hull Wall function Bảng 3.5. Tính chất vật lý chất lỏng tại biên Kí hiệu biên U p k, w Inlet Fixed value Gradient = 0 Fixed value Top Fixed value p = p¥ Gradient = 0 Bottom Fixed value p = p¥ Gradient = 0 Side Fixed value Gradient = 0 Gradient = 0 MidPlan Symmetry Outlet Gradient = 0 Hull U = 0 Gradient = 0 Wall function 18 3.6. TÍNH TOÁN CHO CÁC MẪU TÀU THỰC NGHIỆM M1317A VÀ M1319 Phương trình chuyển động của dòng chất lỏng nhớt có dạng như sau ( ) ( ) !"#$$!$"#$!$"#$!$"# source V diffusion V convection V derivative_time V dVqdV.dVU.dV t òòòò f+fѵÑ=fÑ+¶ f¶ (3.2) Giải phương trình trên theo thuật toán đề xuất bằng mô đun mã có tên fvSchemes, lời giải được kết nối trong tập tin fvSolution, thực thi bởi bộ giải LTSInterFoam. Kết quả chạy chương trình nhận được phân bố trường dòng, lực và mômen thủy động, sức cản của các mẫu tàu tính toán như sau. 3.6.1. Kết quả tính toán trường dòng chất lỏng bao xung quanh tàu Kết quả tính trường dòng lưu chất cho các tàu M1317A ở Fn = 0.329 và tàu M1319 ở Fn = 0.396 được thể hiện ở các hình tiếp theo. Hình 3.9. Trường áp suât nước quanh tàu M1317A tại Fn = 0.329 Hình 3.10. Trường áp suât nước quanh tàu M1319 tại Fn = 0.396 19 Tàu M1317A Tàu M1319 Hình 3.11. Trường tốc độ Ux bao quanh các tàu M1317A và M1319 Tàu M1317A Tàu M1319 Hình 3.12. Giao diện pha của các tàu M1317A và M1319 Tàu M1317A Tàu M1319 Hình 3.13. Động năng rối k xung quanh các tàu M1317A và M1319 - Trường dòng chảy rối, với các vùng rối xuất hiện ngay sau đường vuông góc mũi tàu, dẫn tới sự biến thiên nhanh trường áp suất và trường vận tốc dòng dọc theo chiều dài tàu, đặc biệt là mẫu tàu M1317A. - Các tính toán đối với cả hai mẫu tàu trên đều được thực hiện ở tốc độ chậm, nhưng sóng do tàu tạo ra lớn, thể hiện trường áp suất phân bổ quanh tàu đạt giá trị cao tại khu vực mũi, lái và giữa tàu, hình thành các đỉnh sóng tại những vị trí tương ứng dọc tàu, với bước sóng gần bằng nửa chiều dài tàu. 20 3.6.2. Tính lực thủy động và mômen thủy động Kết quả tính ½ lực thủy động và mô men thủy động của các mẫu tàu cho trong bảng 3.6 và hình 3.14 Bảng 3.6. Lực và mômen thủy động của mẫu tàu M1317A và M1319 Các đại lượng Mẫu tàu M1317A Mẫu tàu M1319 Phương X Y Z X Y Z Tốc độ chuyển động U 1.679 m/s 1.772 m/s Giá trị số Froude Fn 0.329 0.396 Lực thủy động, N Lực áp suất -10.551 179.832 365.869 -6.821 91.088 226.676 Lực nhớt -2.881 -0.197 -0.119 -2.441 -0.168 - 0.002 Mômen thủy động, N.m Áp suất -28.612 1029.540 -504.743 402.198 -161.673 - Nhớt 0.004 0.354 -0.219 0.459 -0.074 - Tàu M1317A Tàu M1319 Hình 3.14. Lực thủy động tác dụng lên các tàu - Đa số tàu cá vỏ gỗ nước ta có kích thước nhỏ, đặc tính thủy động lực học không tốt nên thành phần sức cản áp suất chiếm tỷ lệ lớn trong sức cản toàn bộ. Tỷ lệ này đạt (73 ÷ 77)% như kết quả tính là phù hợp thực tế và giá trị tốc độ tàu thường đã gần đạt đến ngưỡng giới hạn, rất khó vượt qua! - Tốc độ hội tụ của bài toán tính sức cản theo phương pháp CFD là khá nhanh, tương ứng với số lần lặp khoảng 4000 lần thì kết quả tính toán đã hội tụ được. cho phép kết luận mô hình tính và phương pháp giải đã phân tích và lựa chọn là đảm bảo độ tin cậy đối với các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ của Việt Nam. 21 3.6.3. Xác định và đánh giá kết quả tính sức cản Để đánh giá độ tin cậy của nghiên cứu, tiến hành so sánh kết quả tính sức cản theo CFD và theo số liệu thử nghiệm của các mẫu tàu trong bể thử đã giới thiệu ở mục 3.1. Kết quả so sánh giá trị tính sức cản của các mẫu tàu được trình bày trong bảng 3.7 và hình 3.15 đối với tàu M1317A; bảng 3.8 và hình 3.16 đối với tàu M1319. Bảng 3.7. So sánh kết quả tính sức cản tàu M1317A theo CFD với thực nghiệm Hình 3.15. So sánh kết quả tính sức cản tàu M1317A theo CFD với thực nghiệm TT Đại lượng tính Ký hiệu Đơn vị m/s 1.69 3.31 3.65 4.44 4.65 hl/h 3.3 6.4 7.1 8.6 9 2 Giá trị số Froude Fn - 0.126 0.245 0.271 0.329 0.345 3 Sức cản áp suất tàu thật tính CFD (RP)t N 247.5 1855.2 2946 7238 8544.5 4 Sức cản nhớt tàu thật tính CFD (RV)t N 352.1 1333.5 1531 1977 2238.8 5 Sức cản toàn bộ tàu thật tính CFD (RT)t N 599.6 3188.7 4476 9215 10783 6 Sức cản toàn bộ tàu thật thử nghiệm (RT)ThN N 611.3 3135.3 4362 8988 10548 7 Sai số tính toán so với thực nghiệm DR % -1.9 1.7 2.6 2.5 2.2 Giá trị tính 1 Tốc độ chạy tàu U 0.0 2000.0 4000.0 6000.0 8000.0 10000.0 12000.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 R, (N ) US, (hl/h) Đường cong sức cản tàu M1317A (Rp)t (Rv)t (RT)t (RT)ThN 22 Bảng 3.8. So sánh kết quả tính sức cản tàu M1319 theo CFD với thực nghiệm Hình 3.16. So sánh kết quả tính sức cản tàu M1319 theo CFD với thực nghiệm - Sai lệch kết quả tính sức cản tàu theo CFD và theo thực nghiệm đều dưới 3%, chứng tỏ độ tin cậy của kết quả nghiên cứu. - Quy luật thay đổi theo vận tốc tàu của sức cản nhớt Rv gần như là tuyến tính, còn sức cản áp suất RP thay đổi theo qui luật thường gặp với tàu thông dụng, ở dãi vận tốc thấp, đường RP có giá trị thấp hơn nhưng lại dốc hơn đường RV, do đó khi tăng vận tốc, đường RP tiệm cận và vượt qua RV ở dải vận tốc lớn, đến giá trị vận tốc giới hạn nhất định, độ dốc đường RP sẽ tăng đáng kể. - Qui luật thay đổi của đường cong sức cản toàn bộ có các đặc điểm giống đường cong sức cản áp suất RP. TT Đại lượng tính Ký hiệu Đơn vị m/s 3.08 3.62 3.86 4.69 4.78 hl/h 6 7 7.5 9.1 9.3 2 Giá trị số