Phân tích, mô phỏng hình ảnh sóng và tính toán sức cản tàu thủy sử dụng CFD

8/6/2018 Tóm tắt Ngày nay, khí động lực học tàu thủy đóng vai trò quan trọng trong vấn đề tính toán thiết kế tối ưu hình dáng nhằm tăng hiệu suất đẩy, tiết kiệm năng lượng cũng như giảm sức cản tác động lên tàu. Với sự phát triển của công nghệ máy tính, các nhà sản xuất đã thấy được khả năng tính toán động lực học dòng chảy thay vì thử nghiệm tại các bể thử đạt tiêu chuẩn để giảm thời gian thử nghiệm và tiết kiệm chi phí nghiên cứu và phát triển. Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày một nghiên cứu về giảm sức cản tác động lên tàu bằng cách sử dụng CFD. Chúng tôi áp dụng công cụ CFD để xác định sức cản và hình dạng đường dòng tác động lên thân tàu tại các vị trí mũi và đuôi. Kết quả mô phỏng CFD sau đó được so sánh với dữ liệu thử nghiệm để xác nhận tính chính xác. Từ khóa: CFD; Ansys-Fluent; lực cản tàu thủy. Abstract Nowadays, aerodynamics plays important role in shipbuilding in the matter of calculating the optimal shape design in order to increase efficiency, save energy as well as reduce impact resistance on board. For improvement in computer technology, manufacturers are using computational fluid dynamic softwares instead of testing in a towing tank to reduce the time for testing and save costs for development optimization the hull. In this study, the author present a study on the reduction of impact resistance on board using CFD method. The author used the CFD method to determine the drag and geometry of the line acting on the hull at the bow and stern of a ship. After that, the results of the CFD simulation are compare with the test data to confirm the accuracy. Keyword: CFD; Ansys-Fluent; ship resistance. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Với sự phát triển không ngừng của ngành kinh tế vận tải sông biển, thì việc nghiên cứu thủy động lực học tàu thủy và cải tiến các loại thiết bị đẩy tàu đóng một vai trò hết sức quan trọng. Bởi lẽ chúng có liên quan trực tiếp đến các chỉ tiêu kinh tế và khai thác của mỗi con tàu cụ thể [4, 5, 6]. Hiện nay, trong nghiên cứu lực cản chuyển động của tàu người ta thường dùng phương nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nguyên cứu thực nghiệm. Đặc biệt để thu được số liệu đáng tin cậy người ta thường sử dụng các mô hình tàu để xác định các hệ số thủy động lực học cho tàu thực sử dụng các phương pháp thí nghiệm bằng bể kéo hoặc bể thử nghiệm mô hình [4]. Tính toán lực cản chuyển động của tàu là một trong các vấn đề của bài toán ngoài của cơ chất lỏng để xác định lực thủy động của chất lỏng chảy bao vật thể. Để xác định công suất máy phù hợp theo yêu cầu của tốc độ tàu, chúng ta phải biết sức cản khi tàu chạy. Nói chung sức cản của nước là thành phần sức cản chủ yếu. Sức cản này phụ thuộc vào trị số hình dáng và tốc độ của tàu [1]. Mặc dù đã bỏ nhiều công nghiên cứu, đã có rất nhiều những công trình nghiên cứu trong và ngoài Người phản biện: 1. PGS.TS. Lê Văn Học 2. TS. Vũ Hoa Kỳ 54 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 nước nhưng đến nay vấn đề sức cản của nước vẫn chưa được giải thích một cách rõ ràng và chặt chẽ, vì quá trình diễn biến của hiện tượng quá phức tạp. Đã có những công thức kinh nghiệm dựa trên hàng loạt lần thử và khảo sát cho phép xác định sức cản này nhưng độ chính xác chưa cao. Vì vậy hiện nay, khi xác định sức cản thường có sự so sánh giữa những tàu đã đóng với những mô hình thân tàu thí nghiệm được kéo trong các bể thử [1, 8]. Trên cơ sở phân tích những hạn chế của vấn đề nghiên cứu sức cản tàu thủy ở Việt Nam hiện nay và những ưu điểm trong quá trình thừa kế những công thức kinh nghiệm trong các phương pháp tính toán sức cản, cũng như ứng dụng các phần mềm tiên tiến vào tính toán thiết kế của những nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển trên thế giới, nhóm tác giả đưa ra phương pháp nghiên cứu tính toán đánh giá sức cản của tàu khi chuyển động để các trung tâm thiết kế nghiên cứu ứng dụng nhằm rút ngắn thời gian tính toán sức cản và tính chọn công suất máy cho tàu khi thiết kế, đồng thời đây sẽ là tài liệu nghiên cứu, giảng dạy trong nhà trường giúp cho sinh viên có cơ sở tính toán và nghiên cứu sức cản tàu thủy. Chúng tôi đã đề xuất phương pháp CFD kết hợp từ nhiều phần mềm phân tích số giúp chính xác hóa tính toán tối ưu sức cản. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương pháp Computational Fluid Dynamics (CFD) tính toán động lực học chất lỏng, đây là một nhánh của cơ học chất lỏng với sự giúp đỡ của máy tính, sử dụng phương pháp số để giải quyết và phân tích vấn đề liên quan đến dòng chảy chất lỏng. Máy tính được sử dụng để thực hiện các tính toán bằng việc thực hiện các vòng lặp, sau mỗi vòng lặp thì độ chính xác được cải thiện. Máy tính được sử dụng để thực hiện hàng triệu phép tính cần thiết để mô phỏng sự tương tác của chất lỏng và khí với bề mặt được xác định bởi các điều kiện biên. Ngay cả với các siêu máy tính tốc độ cao chỉ giải gần đúng có thể đạt được kết quả tốt trong nhiều trường hợp. Khả năng mô hình hóa vật lý của Fluent được ứng dụng rộng khắp trong mọi lĩnh vực công nghiệp: từ dòng chảy không khí qua cánh máy bay đến sự bốc cháy trong lò, từ các cột bọt khí đến việc sản xuất thủy tinh, từ dòng chảy trong các nhà máy xử lý nước thải. Phần mềm có khả năng mô hình hóa động cơ xilanh, đường đạn, máy và thiết bị turbin, và hệ thống đa pha. Ngày nay, hàng ngàn công ty trên thế giới được lợi từ việc sử dụng công cụ thiết kế và phân tích này. Được mở rộng bởi khả năng tương tác đa môi trường khiến phần mềm trở thành công cụ phổ thông trong cộng đồng CFD, với sự nổi tiếng về sự thân thiện và mạnh mẽ. Fluent tương đối dễ sử dụng đối với người mới bắt đầu. Fluent sử dụng công nghệ lưới phi cấu trúc, nghĩa là lưới có thể bao gồm các phần tử có hình dạng khác nhau, như lưới tứ giác và lưới tam giác cho các mô hình 2D và lưới lục diện, tứ diện, đa diện cho các mô hình 3D. Mô phỏng số và bộ giải mạnh mẽ đảm bảo Fluent có kết quả chính xác [3]. Ứng dụng để mô hình hóa dòng chảy rối phân tích trường áp suất, trường vận tốc sử dụng các pháp mô hình k-epsilon, k-omega, phương trình ứng suất Reynolds Cấu trúc của bộ phần mềm Fluent như sau: Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của bộ phần mềm Fluent Tuy nhiên, với việc phát triển Fluent tích hợp thành một module của Ansys thì các bước phân tích và chia lưới thông qua Gambit hiện nay được loại bỏ. Hiện nay, chúng tôi sử dụng phương pháp tạo mô hình trực tiếp từ các phần mềm CAE hoặc Autoship, Napa... sau đó đưa vào Fluent. Lựa chọn mẫu dòng chảy rối Có một thực tế là không có một mẫu dòng chảy rối độc lập nào có thể hiểu hết các tính chất, vấn đề của nó. Việc lựa chọn mẫu chảy rối sẽ phụ thuộc vào đặc điểm như tính chất vật lý của dòng, vấn đề thực tế của các lớp đặc biệt, mức độ yêu cầu chính xác, cơ sở tính toán và lượng thời gian 55 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 cần cho việc mô phỏng. Để có được sự lựa chọn phù hợp nhất cho mẫu ứng dụng, chúng ta cần hiểu khả năng và giới hạn của rất nhiều những lựa chọn khác nhau. Đối với phân tích này chúng tôi lựa chọn mô hình rối Mô hình có ba mẫu đó là Standard, RNG và Realizable. Cả ba mẫu này đều tương tự như nhau với những phương trình cần bằng cho k và . Những điểm khác nhau chính của mô hình này như sau: - Phương pháp tính toán độ nhớt dòng rối. - Sự phụ thuộc của số Prandlt vào sự khuếch tán k và . - Các toán hạng sinh ra và biến mất trong phương trình . Mô hình là mô hình đơn giản có thể áp dụng với hầu hết các bài toán thông thường với độ chính xác khá tốt. Tuy nhiên, trong các trường hợp đặc biệt, khi tính chất dòng bị thay đổi mạnh như xuất hiện sóng va thì việc áp dụng mô hình này cho kết quả không tốt. Trong bài báo này, việc nghiên cứu các dòng chảy xung quanh tàu khi tàu chuyển động bằng công cụ CFD. Việc tính toán sẽ sử dụng các mô hình của dòng chảy chất lỏng không nén được là nguyên nhân chính sinh ra lực cản chuyển động tác dụng lên tàu. CFD là chương trình ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết vấn đề. Mô hình mô tả dòng chảy không nén được của chất lỏng nhớt ở số Mach thấp (M < 0,3), số Reynolds. Mật độ điểm lưới có thể nhỏ, cho phép tính đến lực nâng. Mô hình bao gồm các phương trình Navier-Stokes, phương trình năng lượng. Phương trình Navier-Stokes để tìm vận tốc dòng chảy chuyển động có dạng: (1) (2) trong đó: S là giá trị ban đầu và được xác định bằng công thức: (3) Phương trình năng lượng có dạng: (4) Mô hình sử dụng VOF, mô hình hóa tàu để nghiên cứu dòng chảy khi tàu chuyển động với hai pha là nước và không khí. 3. MÔ HÌNH PHÂN TÍCH SỨC CẢN 3.1. Mô hình hình học tàu đa năng ứng phó sự cố tràn dầu Đối với phân tích này chúng tôi sử dụng phần mềm CFD tính toán sức cản của nước tác dụng lên thân tàu, sau đó các kết quả này được so sánh với kết quả kéo thử tàu tại bể thử tàu quốc gia và các phương pháp phân tích bằng thực nghiệm đã biết. Mô hình hình học sử dụng phần mềm thương mại Napa, quá trình xây dựng mô hình liên quan đến việc xuất nhập các bản thiết kế tàu vào Napa như hình 2. Những đường cong này nhằm tạo ra bề mặt vỏ tàu với mức chính xác được đánh giá thông qua công cụ đánh giá tự động của Napa. Mô hình cuối cùng chuyển thành một vật thể được đóng khối trước khi nhập vào Fluent. Các kích thước chính của tàu phân tích, tính toán trong nghiên cứu này được thể hiện trong bảng 1. Bảng 1. Các kích thước cơ bản của tàu Trạng thái tải trọng Design Chiều dài hai trụ Lpp m 50,84 Chiều dài đường nước Lwp m 50,84 Chiều rộng B m 12 Chiều chìm: mũi Tf m 4 Lái TA m 4 Hệ số béo thể tích Cb - 0,72 Hình 2. Mô hình tàu 56 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 3.2. Chia lưới thân tàu và mô hình hóa điều kiện biên Nhằm hạn chế một số điều kiện khi tính toán để giúp đơn giản hóa bài toán, trong mô phỏng này chúng tôi coi như mặt nước tĩnh để khảo sát sóng sinh ra khi tàu chuyển động. Để có thể tính toán và chọn các thông số mô hình trong phần mềm Fluent thì quy trình xây dựng mô hình trong phần mềm bao gồm các bước sau: - Tạo một mô hình ba chiều của thân tàu trong bất kỳ các phần mềm chuyên dụng nào của hệ thống thiết kế 3D, và sau đó chuyển mô hình này ở định dạng đuôi trung gian tương ứng có thể chuyển được vào Fluent. Đối với mô hình tính toán của đề tài, tác giả sử dụng phần mềm mô hình ba chiều của thân tàu được xây dựng bằng Napa. - Tạo một trường tính toán, mô phỏng môi trường, Fluent giải quyết bài toán trong chuyển động ngược đối với thân tàu, điều này cho phép kích thước tương đối nhỏ của miền tính toán để mô phỏng các chuyển động của tàu trong các thời gian tương ứng. Các miền tính toán trong Fluent được mô hình hóa dưới dạng miền không gian boxing (bể thử mô hình), boxing là một đoạn của khu vực kéo ảo mà trong đó tàu đang chuyển động. Kích thước của hộp ảnh hưởng rất lớn đến thời gian và độ chính xác của phép tính. Những thông số này được chọn vì lý do giảm thiểu tác động của điều kiện bên ngoài ranh giới đến mô hình tàu. Dưới đây là thông số giới hạn miền không gian tính toán đối với tàu, đồng thời quy định các điều kiện biên trong quá trình tính toán đối với bài tính toán mô phỏng tàu bằng phần mềm Fluent theo và cũng có thể áp dụng cho tính toán và mô phỏng tàu khi sử dụng các phần mềm khác như CFX, Flowvision [2, 7]. Hình 3. Miền không gian tính toán 4. PHÂN TÍCH Đối với công việc này như đã được trình bày ở trên thì sức cản tàu thủy chủ yếu là sức cản của nước tác dụng lên thân tàu. Do vậy, trong phân tích này chúng tôi bỏ qua sức cản gió, sức cản của phần nhô, như vậy giảm lắc, ky tàu, chong chóng, ống bao... Chính vì thế mô hình phân tích dưới đây, các phần nhô đó sẽ được cắt giảm trong mô hình khi tính toán. Trong quá trình kéo thử tàu tại bể thử, mô hình được gia công phù hợp với bản vẽ tuyến hình tàu, với tỉ lệ 1:15,33. Để đánh giá chính xác đường dòng chảy qua thân tàu trong quá trình mô phỏng bằng phần mềm Fluent, tác giả đã dựng lại mô hình tàu với kích thức bằng kích thước của tàu mô hình. Thử nghiệm dòng chảy quanh thân tàu nhằm mục đích đánh giá chất lượng của tuyến hình tàu dưới góc độ dòng chảy. Nếu dòng chảy tại tất cả các vị trí đều, không rối thì có thể coi là tuyến hình đạt yêu cầu. Ngoài ra, có thể dựa vào kết quả thử nghiệm dòng chảy để bố trí vây giảm lắc nhằm mục đích giảm tối đa sức cản do vây giảm lắc gây ra. Sau quá trình tính toán bằng phần mềm Fluent với tốc độ tàu là 1,58 m/s, số vòng lặp là 150 vòng, ta có kết quả như sau: a) b) Hình 4. Dòng chảy qua mũi tàu (a) phân tích CFD; (b) thử nghiệm 57 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 a) b) Hình 5. Dòng chảy qua đuôi tàu (a) phân tích CFD; (b) thử nghiệm Hình 6. Hình ảnh sóng khi mô phỏng bằng CFD a) b) Hình 7. Hình ảnh sóng khi kéo trong bể thử (a) sóng giữa tàu; (b) sóng đuôi tàu Qua tính toán và so sánh kết quả của mô hình tương đương xây dựng và tính toán bằng CFD so sánh với các công thức tính toán sức cản bằng các công thức thực nghiệm như Holtrop, Fung... kết hợp với kết quả tính toán tại bể thử quốc gia, tác giả có đồ thị so sánh dưới đây (kết quả tính toán này là đối với mô hình). Hình 8. Đồ thị so sánh sức cản của tàu - Từ kết quả tính toán trên cho kết quả tính toán sức cản là sát với thực tế. Ở dải tốc độ của mô hình trên 1,5 m/s, kết quả tính toán sức cản bằng CFD có xu hướng lớn hơn so với các phương pháp khác. - Đường dòng bao quanh thân tàu tương đối sát với mô hình đã kéo trong bể thử. - Ứng dụng vào tính mô phỏng nhằm làm giảm chi phí chế tạo và kéo thử mô hình. 5. KẾT LUẬN Theo kết quả của nghiên cứu này, tác giả đã mô phỏng được dòng chảy xung quanh thân tàu bằng 58 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 cách sử dụng CFD. Đã nhận được hình ảnh của bề mặt sóng khi tàu chuyển động, các mô hình kết quả của sóng là sát với thực tế mô hình đã chế tạo và kéo thử nghiệm tại bể thử tàu quốc gia. Việc ứng dụng CFD vào quá trình tính toán sẽ giúp tăng năng suất, giảm chi phí do không phải đầu tư chi phí cho bể thử và kéo thử mô hình trong bể thử. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Jacek Jachowski (2008). Assessment of ship squat in shallow water using CFD. Archives of Civil Mechanical Engineering, Vol. 8, No 1, pp. 27-36. [2]. L.J. Doctors and M.R. Renilson (1992). Corections for finite-water-depth effects on ship resistance. University of Tamania, Hobart, Australia 14-18. [3]. Fluent Totorial Guide (2001). Fluent Inc. [4]. Viện Khoa học Công nghệ tàu thủy Việt Nam. Báo cáo kết quả thử nghiệm tàu trên nước tĩnh MH080 - 250NM. [5]. Nguyễn Tiến Lai (2006). Giáo trình động lực học tàu thủy. Đại học Hàng hải Việt Nam. [6]. Trương Sỹ Cáp (1997). Lực cản tàu thủy. NXB Giao thông vận tải Hà Nội. [7]. B.R Clayton and R.E.D. Bishop (1981). Mechanics of marine vehicles. University College London. University of California. [8]. Hongxuan Peng (2001). Numerical computation of multi-hull ship resistance and motion. Doctor thesis Naval Architecture at Dalhousie University.