BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NCS LÊ THỊ THÁI NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG XÂM THỰC BAO QUANH CHÂN VỊT TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC CHẤT LỎNG Hà nội – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NCS Lê Thị Thái NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG XÂM THỰC BAO QUANH CHÂN VỊT TÀU THỦY Chuyên ngành : Cơ học chất lỏng Mã số : 62442201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC CHẤT LỎNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Lê Quang TS Lê Thanh Tùng Hà nội - 2013 LỜI CẢM ƠN Luận văn tiến sỹ – NCS Lê Thị Thái, chuyên ngành Cơ chất lỏng – với đề tài “Nghiên cứu tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy” hoàn thành thời gian quy định bốn năm đạt kết đề Nội dung thực luận văn giúp nâng cao khả tự nghiên cứu trình ứng dụng phát triển khoa học kỹ thuật Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Quang TS Lê Thanh Tùng, người hướng dẫn trực tiếp cho làm hoàn thành nội dung đề tài Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích thầy định hướng giúp tiếp cận tốt với nội dung đề tài Tôi xin cảm ơn Thầy Cô Viện Cơ Khí Động Lực, môn thuộc Viện Cơ Khí Động Lực tạo điều kiện tra cứu tài liệu, đóng góp ý kiến cho hoàn thành tốt luận văn Xin cảm ơn trung tâm thí nghiệm xâm thực trường Đại học Đại dương quốc gia, Đài Loan tạo hội cho thực nghiệm Hà Nội, ngày 30 tháng 07 năm 2013 Nghiên cứu sinh Lê Thị Thái LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn tiến sỹ đề tài “Nghiên cứu tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy” tự thực đồng thực hướng dẫn PGS.TS Lê Quang TS Lê Thanh Tùng Để hoàn thành luận văn này, dùng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo mà không dùng tài liệu khác Không có chép, gian lận kết công trình nghiên cứu 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 Chương 1: Tổng quan 1.1 Tổng quan tượng xâm thực 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Bản chất vật lý xâm thực 1.1.3 Điều kiện xuất xâm thực 1.1.4 Phân loại xâm thực 1.2 Tổng quan phương pháp số dự đoán xâm thực 1.2.1 Phương pháp số 1.2.2 Phương pháp mặt nâng 1.2.3 Phương pháp phần tử biên 1.2.4 Phương pháp EULER, RANS dòng hai pha 1.3 Một số kết nghiên cứu xâm thực thiết bị đẩy tàu thủy 1.4 Phạm vi áp dụng đề tài Chương 2: Nghiên cứu, khảo sát dòng chảy bao chân vịt tàu thủy 5 13 13 16 18 23 25 27 29 2.1 Chân vịt đặc tính làm việc chân vịt tàu thủy 30 2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán 32 32 34 35 2.2.1 Mô tả vấn đề 2.2.2 Phương trình tổng quát dòng 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 phương pháp số 2.3.1 Mô hình tính toán 2.3.2 Mô hình hình học miền tính toán 2.2.3 Kết tính toán số 2.4 Kết luận Chương 3: Nghiên cứu, mô dòng xâm thực qua chân vịt 3.1 Hiện tượng xâm thực thiết bị đẩy 3.2 Nghiên cứu số mô hình xâm thực 2D 3.2.1 Sử dụng phương pháp LES 3.2.2 Sử dụng phương pháp RANS 37 45 45 48 48 55 56 56 57 57 65 3.3 Nghiên cứu số 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 Chương 4: Khảo sát thực nghiệm đặc tính xâm thực chân vịt 85 4.1 Khảo sát 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 85 85 88 92 94 94 4.2.2 Bài toán xây dựng mô hình 4.3 Phương án thực nghiệm 4.3.1 Giới thiệu phương pháp thực nghiệm 4.3.2 Thiết lập chương trình thực nghiệm 4.3.3 Kếtluận Kết luận kiến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC : Code chương trình tính toán số mô hình xâm thực 2D phương pháp LES 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 phương 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 : Đường kính chân vịt F(s1,s2,s3,t) : Hàm mô tả bề mặt xâm thực F(ξ,η) : Hàm mô tả cong 2D F : Vector lực G(x,x) : Hàm Green’s J : Bước tương đối chân vịt KT : Hệ số lực KQ : Hệ số mômen M : Vector mômen O : Thứ tự cường độ Q = Mx : Mô men mô men quay R : Bán kính chân vịt C = бΩ : Lớp biên trường dòng SB : Bề mặt ướt vật thể SC : Bề mặt xâm thực SBC : Bề mặt giao xâm thực vật thể Sw : Bề mặt dòng theo Swc : Bề mặt giao dòng theo xâm thực T : Lực đẩy (u,v) : Thành phần vận tốc tiếp tuyến pháp tuyến V = (vx,vy,vz): Vận tốc tổng dòng VC : Thể tích xâm thực VO : Vận tốc dòng tự VS : Vận tốc dịch chuyển vật thể Vg : Vận tốc lưới Vm : Vận tốc trung bình dòng theo Vw(x,y,z) : Vận tốc không ảnh hưởng VRef : Vận tốc tham chiếu VS1, VS2, VS3 : Thành phần vận tốc hệ thống tham chiếu không trực giao VU1, VU2, VU3 : Thành phần vận tốc 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 PRef : Áp suất tham chiếu r : Vector khoảng cách rf : Khoảng cách điểm đường cong tuyến tính tham chiếu SO : Chiều dài cung điểm tách xâm thực (S1,S2,S3) : Hệ tọa độ không trực giao t : Thời gian * t : Thời gian đặc trưng đối lưu (t1,t2,t3) : Vector đơn vị (u1,u2,u3) : Hệ tọa độ tham chiếu trực giao gắn với bề mặt 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 (2D) Γ = - Δ : Hoàn lưu Ω : Trường dòng bên ⃗ : Vận tốc góc α : Góc tới δ : Chiều dài 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 : Bước sóng ω : Tần số góc θ : Góc t1 t2 ρ : Mật độ nước σ : Số xâm thực  : Trọng lượng riêng nước Vl Vv : Thể tích pha lỏng : Thể tích pha GIẢI THÍCH CÁC TỪ VIẾT TẮT CFD ITTC FDM FEM SEM FVM BEM RANS LES DES DNS VM AFD EFD VOF KBC DBC : Computational Fluid Dynamics : Internationl Towing Tank Committee : Finite Difference Method : Finite Element Method : SpEctral Method : Finite Volume Method : Boundary Element Method : Reynolds – Average NavieStokes : Large Eddy Simulation : Detached Eddy Simulation : Direct Numerical Simulation : Vortex Method : Analysis Fluid Dynamics : Experimental Fluid Dynamics : Volume Of Fluid : Kinetics Boundary Conditions : Dynamics Boundary Conditions “UBlendingFactor", runTime.timeName(), mesh, IOobject::NO_READ, IOobject::NO_WRITE fvc::interpolate(gamma) # include "createPhi.H" Inforho2(); const dimensionedScalar& pSat = twoPhaseProperties->pSat(); // Need to store rho for ddt(rho, U) volScalarField rho IOobject "rho", runTime.timeName(), mesh, IOobject::READ_IF_PRESENT, IOobject::AUTO_WRITE gamma*rho1 + (scalar(1) - gamma)*rho2, gamma.boundaryField().types() rho.oldTime(); label pdRefCell = 0; scalar pdRefValue = 0.0; setRefCell(pd, mesh.solutionDict().subDict("PISO"), pdRefCell, pdRefValue); Info