ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN QUANG THÁI

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH

OPENFOAM TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ CHUYỂN PHA

Ngành: Cơ kỹ thuật

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 85200101.01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2018

1

MỞ ĐẦU

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội của con người đặt ra những vấn đề

đòi hỏi các phải sử dụng những phương tiện, thiết bị làm việc trên mặt và

trong lòng nước, ví dụ như tàu thủy, chân vịt, tàu lặn, … và cần không

ngừng nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng của

chúng. Nghiên cứu về động lực học dòng chảy nhiều pha không có/có

chuyển pha rất được quan tâm vì dòng chảy quanh các phương tiện, thiết

bị nêu trên thường là dòng chảy nhiều pha (chứa cả pha lỏng, pha

khí/hơi, …). Trong dòng chảy nhiều pha, khoang khí/hơi có thể xuất hiện

(theo cách nhân tạo hoặc tự nhiên) ở những điều kiện dòng chảy thích

hợp, khi đó, dòng chảy được gọi là dòng chảy có khoang khí/hơi. Khi có

khoang khí/hơi bao bọc bề mặt các thiết bị trong dòng chảy, lực cản do

ma sát giữa bề mặt thiết bị với chất lỏng xung quanh có thể giảm đáng kể

(có thể giảm 90%), nhiều thiết bị có thể di chuyển với vân tôc cao mà tiêu

thụ ít nhiên liệu hơn [31]. Vì vây, dòng chảy có khoang khí/hơi đang được

quan tâm nghiên cứu và ứng dụng hiện nay ở cả trên thế giới và Việt Nam.

Do sự phức tạp của các hiện tượng trong dòng chảy việc nghiên cứu

dòng chảy này cho đến nay vân gặp nhiều khó khăn cả trong nghiên cứu

ly thuyết và thực nghiệm cần tiếp tục thực hiện những nghiên cứu sâu sắc

hơn nữa. Những công cụ mô phỏng sô góp sức đáng kể trong nghiên cứu

dòng chảy này. Trong đó, OpenFOAM (Open Source Field Operation And

Manipulation) là một công cụ có nhiều ưu điểm, nổi bât nhất là cho phép

người dùng được can thiệp vào mã nguồn để hoàn thiện các mô hình có

sẵn và phát triển những mô hình tính toán mới phục vụ nhu cầu cụ thể của

các nghiên cứu [35,37]. Việc làm chủ được OpenFOAM sẽ giúp thực hiện

những nghiên cứu sâu sắc về động lực học dòng chảy nói chung và dòng

chảy không có/có chuyển pha hay dòng chảy có khoang khí/hơi nói riêng.

Vì vây, học viên lựa chọn đề tài của Luân văn là “Nghiên cứu, ứng dụng

bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy

không có/có chuyển pha”.

Mục đích của luận văn:

2

Làm chủ bộ chương trình OpenFOAM nhằm phục vụ nghiên cứu và

ứng dụng các đặc điểm động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha

Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan các vấn đề về dòng chảy không có/có chuyển

pha.

- Nghiên cứu tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM.

- Tiến hành ứng dụng OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng

chảy không có/có chuyển pha qua 2 bài toán: Mô phỏng dòng chảy có

khoang khí/hơi xung quanh vât thể xâm nhâp nước và vât thể đang

chuyển động nhanh trong lòng chất lỏng.

Phương pháp nghiên cứu

Luân văn sử dụng hai phương pháp nghiên cứu chính: Phương pháp

tổng hợp, phân tích tài liệu và Phương pháp thí nghiệm sô.

Bố cục của luận văn

Ngoài phần Mở đầu, Kết luân, Danh mục công trình khoa học của tác

giả liên quan đến luân văn và Tài liệu tham khảo, luân văn có 3 Chương:

Chương 1. Tổng quan một sô vấn đề chuyển động của vât thể trong

chất lỏng có khoang khí/hơi

Chương 2. Tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM

Chương 3. Ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán

động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha

Phần Phụ lục đề câp tên và ứng dụng của những bộ giải chuẩn có sẵn

trong OpenFOAM phục vụ cho các tính toán mô phỏng thủy động lực học

của dòng chảy nhiều pha.

Chương 1.

TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT

3

THỂ TRONG CHẤT LỎNG CÓ KHOANG KHÍ/HƠI KHÔNG

CÓ/CÓ CHUYỂN PHA

1.1. Dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong

lòng chất lỏng

1.1.1. Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vât thể

Hình 1.1 dưới đây [59] minh họa khoang khí/hơi tự nhiên hình thành

quanh một quả cầu kim loại được thả vào nước từ bên ngoài không khí.

Hình 1.1. Khoang khí/hơi hình thành khi quả cầu đi từ không khí vào nước

Khoang chứa khí này được hình thành ngay từ khi quả cầu bắt đầu tiếp

xúc với mặt thoáng của nước do sự chiếm chỗ của không khí tại vùng

không gian trông mà vât thể tạo ra sau khi xuyên qua mặt thoáng và đi

sâu vào lòng chất lỏng. Tại vùng này, khoang chứa khí được lấp đầy bởi

không khí và hơi nước sinh ra do sự giảm áp tới áp suất hơi bão hào của

chất lỏng xung quanh vât thể [12, 17,27,31]. Do khoang này chứa cả khí

và hơi nên Luân văn gọi chung là Khoang khí/hơi.

Trong dòng chảy có khoang khí/hơi, vùng chất lỏng tại lớp biên rôi

của dòng chảy ở gần bề mặt vât thể xảy ra sự giảm áp tới áp suất hơi bão

hòa của vùng chất lỏng gần bề mặt vât thể [12,17].

Hình 1.2. Sự hình thành khoang hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể.

4

Bằng các kỹ thuât nhân tạo, một khoang khí/hơi có thể được tạo ra

xung quanh các vât thể đang chuyển động trong lòng chất lỏng được gọi

là khoang khí/hơi nhân tạo.

Hình 1.4. Sự hình thành khoang khí nhân tạo trên bề mặt vật thể.

1.1.2. Một sô tham sô đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi

• Sô khoang (cavitation number) 𝜎 =𝑝∞−𝑃𝑐

0.5𝜌𝑈∞2 (1.1)

• Hệ sô áp suất 𝐶𝑝 =𝑝𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙−𝑝∞

0.5𝜌𝑈∞2 (1.2)

• Sô Reynolds 𝑅𝑒 =𝜌𝑈∞𝑐

𝜇 (1.3)

• Sô Froude 𝐹𝑟 =𝑈∞

√𝑔𝑐 (1.4)

• Hệ sô cản 𝐶𝐷 =𝐹𝐷

0.5𝜌𝑈∞2 𝐴

(1.5)

• Tỉ sô blockage: là tỷ lệ giữa đường kính trong ông quan sát với

đường kính đầu dính ướt [9,23]. Giá trị của tỉ sô blockage ảnh hưởng

tới sô khoang σ nhỏ nhất hệ ông thủy động có thể hình thành dược.

• Hệ sô cấp khí 𝐶𝑄 =𝑄𝑎𝑖𝑟

𝑈∞𝐷𝑐2 (1.6)

1.2. Một số đặc tính chủ yếu của khoang khí/hơi xuất hiện quanh vật

thể chuyển động trong lòng chất lỏng

- Diện tích tiếp xúc của bề mặt vât với chất lỏng và chất lỏng thấp

hơn so với khi không có khoang khí/hơi

- Sự biến mất của khoang khí/hơi có thể sinh ra xung áp lực lớn

trong chất lỏng tại vị trí khoang khí/hơi đóng kín

5

1.3. Một số ứng dụng hiện nay của dòng chảy khoang khí/hơi

1.3.1. Chân vịt siêu khoang

a) b)

Hình 1.11. Chân vịt có thiết kế hình dạng cánh đặc biệt (hình a) và cơ chế hình

thành khoang hơi tự nhiên (hình b)

1.3.2. Ngư lôi siêu khoang

a) b)

Hình 1.12. Ngư lôi VA-111 Shkval sử dụng kỹ thuật hình thành khoang khí

nhân tạo (a – Ngư lôi VA-111 Shkval; b – Đầu tạo khoang khí) [60]

1.3.3. Giảm lực cản cho thân tàu biển

Hình 1.13. Khoang khí giúp giảm lực cản dưới thân tàu

1.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của vật thể dưới nước

1.4.1. Lực cản đôi với vât thể chuyển động trong lòng chất lỏng

FD = FD-apsuat+ FD-masat (1.7)

Vât thể càng có chiều dài lớn so với chiều rộng thì càng có thành phần

lực cản xung quanh lớn.

6

1.4.2. Sự ăn mòn bề mặt khi vât thể chuyển động ở vân tôc cao

Ngày nay, những ứng dụng của dòng chảy có khoang khí/hơi sẽ có tác

dụng giúp giảm thiểu ảnh hưởng của lực cản, cũng như ăn mòn do xâm

thực xảy ra [17].

1.5. Tình hình nghiên cứu hiện nay

1.5.1. Nghiên cứu thực nghiệm

1.5.1.1. Những công cụ nghiên cứu thực nghiệm chính

• Kênh/ông thủy động

• Hệ bể nước quan sát vât thể di chuyển tự do

1.5.1.2. Một sô kỹ thuât hình thành khoang khí nhân tạo

Hình 1.19. Mô tả dòng chảy khoang khí hình thành theo các cách khác nhau (a

– Khác nhau về vị trí lỗ phun; b – Khác nhau về hướng dòng khí được phun ra)

1.5.1.3. Những phương pháp đo đạc các tham sô dòng chảy có khoang

hơi/khí

• Quan sát khoang khí sử dụng camera tôc độ cao (Phương pháp

quang học)

• Phương pháp đo đạc áp suất dòng chảy trong ông quan sát và

trong khoang khí

Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định áp suất bên trong

khoang khí:

- Tính ngược áp suất từ quan hệ của kích thước khoang khí với sô

7

xâm thực

- Đo đạc trực tiếp bằng các đầu đo đặt trên bề mặt vât thể

• Phương pháp đo trường vân tôc dòng chảy bằng phương pháp

PIV

1.5.1.4. Cấu trúc dòng chảy và cơ chế đóng khoang hơi/khí

Hình 1.30. Cấu trúc dòng chảy khi khoang khí/hơi đóng và dòng xoáy phía sau

khoang khí/hơi

1.5.1.5. Hình dạng và kích thước khoang hơi/khí

• Hình dạng khoang hơi/khí

Hình 1.31. Khoang hơi hình thành với một số dạng thân và đầu vật thể [31].

• Kích thước khoang hơi/khí

0ax

1ln ; ; (1 )D D

c c m c D D

C CL D D D C C

= = = + (1.9)

1.5.1.6. Sự dãn nở của chất lỏng khi vât thể di chuyển có khoang

hơi/khí

8

Hình 1.33. Quan sát vật thể di chuyển trong nước với vận tốc âm

(Mach=1.03) .

1.5.2. Nghiên cứu ly thuyết

1.5.2.1. Phương trình Rayleigh – Lamb cho động lực học của bọt khí

dạng hình cầu

Trong quá trình hình thành khoang khí/hơi, những bọt khí/hơi nhỏ xuất

hiện và tăng dần kích thước. Phương trình Rayleigh – Lamb cho tôc độ

phát triển của một bọt khí/hơi hình cầu trong dòng chảy được mô tả trong

phương trình (1.10) dưới đây [17,33]. 22

2

3 2

2

B B BB

l l B

d R dR p p SR

dt dt R

− + = −

(1.10)

1.5.2.2. Chuyển động của vât thể duới nước khi có khoang khí/hơi

Chuyển động của vât thể được tính toán từ tương tác của các lực và

mô men trong quá trình chuyển động.

1.5.2.3. Các công cụ mô phỏng sô

OpenFOAM [40, 43-44], ANSYS Fluent [10, 21], UNCEL code [25-

26] …

1.5.3. Một sô vấn đề nghiên cứu

1.5.3.1. Nghiên cứu thực nghiệm

- Hệ ông thủy động quy mô lớn dòi hỏi chi phí xây dựng cao nên không

nhiều cơ sở nghiên cứu có thể trang bị được.

- Mô hình vât thể nhỏ khó chế tạo, khó đo áp suất nên dù chi phí có

thể thấp hơn nhưng vân có nhiều hạn chế.

9

- Cấu trúc dòng chảy và cơ chế hoạt động ở vị trí khoang khí/hơi đóng

lại còn chưa được làm rõ

- Việc quan sát bằng camera chưa phản ánh được đặc điểm ba chiều

trong không gian của khoang hơi/khí

- Hiện nay, việc đo đạc trường vân tôc của dòng chảy có khoang

khí/hơi cơ bản vân còn nhiều khó khăn do dòng chảy có tôc độ và mức

độ rôi lớn. Ngay cả phương pháp PIV cũng mới chỉ nghiên cứu dòng chảy

rôi phía sau khoang khí/hơi.

1.5.3.2. Nghiên cứu ly thuyết

- Tính nén được thường phải bỏ qua trong các nghiên cứu, hầu hết các

nghiên cứu chưa quan tâm đến trường hợp chuyển động ở vân tôc trên âm

(vân tôc âm trong nước trên 1400m/s)

- Tính toán CFD bài toán chuyển động của vât thể trong dòng chảy có

khoang khí đặt ra vấn đề về tôi ưu hóa về cả lưới tính toán và phương

pháp tính do chuyển động của vât thể ở vân tôc lớn, cấu trúc dòng chảy

phức tạp: nhiều pha, nhiễu động lớn, tính nén cần phải được xem xét kỹ

lưỡng….

- Các mô hình dòng chảy rôi tại phần khoang khí/hơi đóng lại và sóng

(wake) phía sau còn chưa được kiểm chứng do thiếu dữ liệu thực nghiệm.

Chương 2.

TỔNG QUAN VỀ BỘ CHƯƠNG TRÌNH MÃ NGUỒN MỞ

OPENFOAM

2.1. Lược sử sự phát triển của OpenFOAM

2.1.1. OpenFOAM là gì?

OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation)

là phần mềm nguồn mở hàng đầu cho CFD, thuộc sở hữu của Quỹ

OpenFOAM và phân phôi độc quyền theo Giấy phép Công cộng (GPL)

cho phép người dùng tự do sửa đổi và phân phôi lại OpenFOAM và đảm

bảo tiếp tục sử dụng miễn phí trong các điều khoản của giấy phép. Các

10

phiên bản OpenFOAM được kiểm nghiệm độc lâp ở một sô bài toán bởi

ESI Group [35,37]. Các thư viện của OpenFOAM được xây dựng dựa

trên nền tảng lâp trình hướng đôi tượng của ngôn ngữ C++ để cú pháp

của các chương trình giải các phương trình vi phân từng phần sẽ gần giông

với phương trình được giải quyết.

𝜕ρU

𝜕𝑡+ 𝛻.ϕU − 𝛻.𝜇𝛻U= − 𝛻𝑝 (2.1)

Hình 2.2. Mã nguồn hướng đối tượng giải phương trình (2.1) trong

OpenFOAM

2.1.2. Sự ra đời và phát triển của OpenFOAM

OpenFOAM được tạo ra bởi Henry Weller vào năm 1989 dưới tên

"FOAM" ở Imperial College, London và được phát hành bởi OpenOffice

của Henry Weller, Chris Greenshields và Mattijs Janssens vào 12/2004.

Kể từ đó, OpenFOAM đã tiếp tục được quản ly và phát triển với các phiên

bản mới được phát hành ra công chúng mỗi năm.

Vào ngày 8/8/2011, OpenCFD đã được Silicon Graphisc

International (SGI) mua lại. Đồng thời, bản quyền của OpenFOAM được

chuyển giao cho Quỹ OpenFOAM, một tổ chức phi lợi nhuân mới thành

lâp, quản ly OpenFOAM và phân phôi nó cho công chúng. Vào

12/9/2012, Tâp đoàn ESI đã công bô việc mua lại OpenCFD Ltd từ SGI.

Trong năm 2014, Weller và Greenshields rời ESI Group và tiếp tục

phát triển và quản ly OpenFOAM, thay mặt Quỹ OpenFOAM, tại CFD

Direct. CFD Direct phát triển OpenFOAM với định danh dựa trên

Solve

(

fvm::ddt(rho, U) + fvm::div(phi, U) - fvm::laplacian(mu, U)

= - fvc::grad(p)

);

11

chuỗi (ví dụ 5.0), trong khi nhóm ESI phát triển độc lâp phiên bản

OpenFOAM với định danh theo ngày phát hành (v1806).

2.1.5. Một sô phần mềm và giao diện GUI có tích hợp với OpenFOAM

• HELYX-OS[15]

• iconCFD[20]

• SimFlow[50]

• FEAToll [16]

• SimScale[51]

• SwiftBlock[38]

• SwiftSnap[39]

• VisualCFD[36]

2.2. Cấu trúc của chương trình OpenFOAM

Hình 2.3. Cấu trúc tổng thể của bộ chương trình OpenFOAM

2.2.1. Các nhóm bộ giải chuẩn

• Basic CFD codes:

• Incompressible flow:

• Compressible flow:

• Multiphase flow:

• Direct numerical simulation

(DNS):

• Combustion:

• Heat transfer và buoyancy-

driven flows:

• Particle-tracking flows:

• Discrete methods:

• Electromagnetics:

• Stress analysis of solids:

• Finance:

Hầu hết các chương trình tính toán dòng chảy trong OpenFOAM sử

dụng một trong các thuât toán PISO (Pressure-Implicit Split-Operator),

SIMPLE tương tự các phần mềm CFD khác, hoặc một sơ đồ kết hợp của

cả hai sơ đồ trên PIMPLE.

12

2.2.2. Công cụ tiện ích

2.2.2.1. Các nhóm công cụ tiện ích

Bộ chương trình OpenFOAM cũng có sẵn nhiều công cụ phục vụ các

công việc mô hình hóa và tính toán động lực học dòng chảy CFD, dưới

đây là những nhóm công cụ có sẵn:

• Pre-processing:

• Mesh generation:

• Mesh conversion:

• Mesh manipulation:

• Post-processing:

• Post-processing data converters:

• Surface mesh tools:

• Parallel processing:

• Thermophysical-related utilities:

• Miscellaneous utilities:

2.2.2.2. Môt sô công cụ chuyển đổi định dạng lưới

Môt sô công cụ chuyển đổi định dạng lưới: fluentMeshToFoam,

starToFoam, gambitToFoam, ideasToFoam, cfx4ToFoam

2.2.3. Lưới tính toán và các loại điều kiện biên được sử dụng trong

OpenFOAM

2.2.3.1. Lưới tính toán sử dụng trong OpenFOAM

Lưới tính toán sử dụng cho OpenFOAM là lưới 3D với các phần tử ô

lưới có hình dạng khôi. OpenFOAM có sẵn công cụ chia lưới khôi

blockMesh cho các lưới đơn giản. Đôi với các bài toán có dạng biên hình

học phức tạp, công cụ snappyHexMesh cho phép tạo lưới phù hợp với

biên dạng của bài toán.

2.2.3.2. Các loại điều kiện biên cơ bản sử dụng trong OpenFOAM

Các loại điều kiện biên cơ bản sử dụng trong OpenFOAM:

- fixedValue

- fixedGradient

- zeroGradient

- calculated

- mixed

- fixedValue/ fixedGradient

- directionMixed

13

2.2.4. Tổ chức dữ liệu mô hình hóa mô phỏng

Để giải một bài toán động lực học dòng chảy, các chương trình

và thư viện của OpenFOAM được tổ chức thành một case thư mục. Hình

2.7 dưới đây mô tả tổ chức dữ liệu của một case thư mục.

Hình 2.7. Tổ chức dữ liệu mô hình hóa mô phỏng

2.3. Khả năng và các ưu, nhược điểm của OpenFOAM

2.3.1. Các khả năng tính toán của OpenFOAM

OpenFOAM chứa một thư viện cơ sở lớn, cung cấp các khả năng côt

lõi của chương trình:

• Tensor và các toán tử tính toán

• Rời rạc hóa phương trình vi phân từng phần bằng cách

sử dụng một cú pháp con người dễ đọc hiểu

• Giải được của hệ phương trình tuyến tính

• Giải được của phương trình vi phân thường

• Tự động song song hóa các tính toán nâng cao

• Hỗ trợ lưới động

• Các mô hình vât ly tổng quát

Các ứng dụng được viết bằng cú pháp cấp cao được giới thiệu bởi

OpenFOAM, nhằm mục đích tái tạo cú pháp toán học thông thường. Có

hai loại ứng dụng tồn tại:

• Bộ giải: thực hiện tính toán thực tế để giải quyết một vấn

đề cơ học liên tục cụ thể.

14

• Tiện ích: chúng được sử dụng để chuẩn bị lưới, thiết lâp

các trường hợp mô phỏng, xử ly các kết quả, và để thực hiện các hoạt

động khác hơn là giải quyết vấn đề đang được kiểm tra.

Mỗi ứng dụng cung cấp các khả năng cụ thể: ví dụ, ứng dụng gọi là

blockMesh được sử dụng để tạo các mắt lưới từ một tệp đầu vào do người

dùng cung cấp, trong khi một ứng dụng khác gọi là icoFoam giải các

phương trình Navier – Stokes cho dòng chảy phân tầng, không nén được.

2.3.2. Những ưu, nhược điểm của OpenFOAM

Nhìn chung, ưu nhược điểm của bộ chương trình OpenFOAM so với

các phần mềm thương mại có thể được tóm tắt trên bảng dưới đây

Bảng 2.1. So sánh tính năng của OpenFOAM và CFD thương mại

Tên sản phẩm CFD thương

mại (FLUENT) OpenFOAM

Phương pháp FVM FVM

Công cụ chia

lưới, hiển thị

kết quả

Có Có

Giao diện Giao diện cửa

sổ dễ dung

Khó dùng vì phải qua dòng

lệnh

Tính toán

nhiều pha Có Có

Tính toán song

song Có Có

Can thiệp mã

nguồn Không Có

Phí bản quyền

cao Có Không mất phí

15

Phát triển

chương trình

tính

Do nhà sản

xuất phát hành

Do người dùng hoặc thừa

hưởng từ cộng đồng sử dụng

OpenFOAM tự phát triển

Hiện trạng

Việt Nam

Tương đôi phổ

biến Ít sử dụng vì khó sử dụng hơn

2.4. Áp dụng minh họa khả năng của bộ chương trình OpenFOAM

trong tính toán động lực học dòng chảy

2.4.1. Đặt bài toán

Cho một đoạn ông có độ dài D2 =1.5(m) có độ rộng D1=1.5m, đoạn

ông thay đổi tiết diện cách đầu vào 1 đoạn 0.5(m), tiết diện sau của ông

là 0.5 (m), và sau khi thu hẹp 0.5m tiết diện lại là 1.5m.

Vân tôc của dòng chất lỏng là U (1,0,0) m/s chảy đều theo phương x

với độ lớn Ux =1(m/s). Ngoài ra áp suất tại đầu ra p= 0 bar.

• Các phương trình áp dụng

- Phương trình liên tục: ∇.U = 0

- Phương trình áp suất cho dòng không nén được: ∇2p = 0

• Điều kiện biên

- Vân tôc của dòng vào là U = (1,0,0) m/s

- Áp suất của dòng ra là p = 0 bar

Sử dụng bộ giải icoFoam: bộ giải dùng cho các dòng chảy tầng không

nén được và ổn định.

2.4.2. Dựng lưới tính toán

Hình 2.8. Sơ đồ điều kiện biên của bài toán và sự bố trí của cá đỉnh, khối lưới

(block)

16

2.4.4. Chạy chương trình tính toán, hiển thị kết quả

Hình 2.14. Hình ảnh thể hiện đường

đi của dòng chảy.

Hình 2.15. Phân bố của áp suất p.

Hình 2.16. Phân bố độ lớn vận tốc trong miền tính toán

Nhận xét

Nhìn chung, các kết quả mô phỏng thể hiện đúng đặc tính dòng chảy

quanh biên vât thể theo ly thuyết

Kết quả thu được của mô hình tính toán cho thấy khả năng áp dụng

của OpenFOAM trong các tính toán động lực học dòng chảy.

Chương 3.

ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH

TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ

CHUYỂN PHA

3.1. Một số bộ giải dòng chảy hai pha không có/có chuyển pha của

OpenFOAM

3.1.1. Giới thiệu một sô bộ giải có sẵn trong bộ cài đặt của

OpenFOAM

Một sô bộ giải có sẵn trong bộ cài đặt của OpenFOAM:

cavitatingFoam; interFoam; interDyMFoam; interphase-

ChangeFoam; InterphaseChangeDyMFoam

17

3.1.2. Lựa chọn bộ giải phù hợp để phục vụ tính toán của luân văn

Đôi với bài toán tính toán động lực học dòng chảy không có chuyển

pha, nghiên cứu sử dụng bộ giải interFoam để nghiên cứu dòng chảy xung

quanh một vât thể xâm nhâp nước.

Đôi với bài toán tính toán động lực học dòng chảy có chuyển pha,

nghiên cứu sử dụng bộ giải interPhaseChangeFoam để nghiên cứu dòng

chảy xung quanh một vât thể đang chuyển động nhanh trong lòng nước

với khoang hiện diện xung quanh bề mặt.

3.2. Ứng dụng OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy

hai pha nước - không khí không có chuyển pha quanh vật thể xâm

nhập nước

Trong nghiên cứu này, mô hình tính toán mô phỏng 2D cho dòng chảy

hai pha lỏng – khí được xây dựng.

3.2.1. Các phương trình cơ bản

3.2.1.1 Hệ phương trình Navier - Stokes cho hỗn hợp dòng chảy hai

pha không nén được

Hệ phương trình Navier - Stokes cho hỗn hợp dòng chảy hai pha không

nén được gồm hai phương trình (3.1) và (3.2) [33]:

3.2.1.2. Phương pháp VOF (Volume of Fluid)

Phương pháp VOF thường được áp dụng trong mô hình hóa mặt phân

tách lỏng – khí với tỉ phần thể tích γ của pha lỏng trong một thể tích kiểm

tra được định nghĩa như theo biểu thứu (3.6):

𝛾 =𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔

𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔 + 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑘ℎí (3.6)

18

3.2.1.3. Mô hình tính toán rôi

Dòng chảy rôi được mô hình hóa theo phương pháp mô phỏng xoáy

lớn LES (Large Eddy Simulation) được áp dụng nhiều trong mô phỏng

dòng chảy rôi khoang khí [40,44].

3.2.2. Mô hình tính toán động lực học dòng chảy mô phỏng sự xâm

nhâp nước của vât thể sử dụng OpenFOAM

Bộ giải interFoam hoạt động theo sơ đồ thuât toán PIMPLE được chọn.

Công cụ chia lưới blockMesh của OpenFOAM được sử dụng để dựng lưới.

Hình 3.1. Sơ đồ điều kiện biên

mô hình tính toán.

Hình 3.2. Lưới tính toán của mô hình

tính toán.

3.2.3. Kết quả tính toán

3.2.3.1. Các trường hợp tính toán mô phỏng

Trong nghiên cứu này, sự xâm nhâp nước của hai vât thể: vât thể tiết

diện tròn và vât thể dạng thanh dài đầu phẳng (có kích thước theo tỉ sô

chiều dài = 10 x đường kính) được mô phỏng.

Vân tôc dòng chảy được lấy bằng với vân tôc của vât thể khi va chạm

với mặt thoáng của nước và không đổi theo thời gian với các giá trị V =

1.72 m/s, 2.17m/s và V = 3.10 m/s.

Bước thời gian là t = 1x10-6 s.

3.2.3.2. So sánh kết quả mô phỏng sự với quan sát thực nghiệm sự

xâm nhâp nước của vât thể

19

Hình 3.3. So sánh kết quả mô phỏng (hình bên phải) với quan sát thực nghiệm

(bên trái) sự va chạm của vật thể với mặt thoáng với trường hợp V=1.72m/s (a)

và V=2.17 m/s (b).

Hình 3.4. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm sự xuất hiện và đóng kín

của khoang khí quanh vật thể tiết diện tròn với trường hợp vận tốc V=2.17m/s

Hình 3.5. So sánh kết quả mô phỏng với quan sát thực nghiệm sự xuất hiện và

đóng kín của khoang khí quanh một thanh dài đầu phẳng với trường hợp vận

tốc V = 3.10 m/s.

3.2.3.3. Ảnh hưởng của vân tôc và hình dạng vât thể đến sự xâm nhâp

nước của vât thể

20

Hình 3.6. Ảnh hưởng của vận tốc di chuyển và hình dạng của vật thể.

3.2.4. Nhân xét chung

Sử dụng tính tương đôi của chuyển động, mô hình tính toán mô phỏng

đã được xây dựng với bộ giải chuẩn interFoam dựa trên phương pháp

VOF cho dòng chảy hai pha, kết hợp với mô hình rôi LES và lưới

blockMesh của OpenFOAM. Hình dạng của mặt phân tách nước – không

khí, sự xuất hiện, đóng kín và biến mất của khoang khí thu nhân được phù

hợp tôt với quan sát thực nghiệm đã công bô. Sự ảnh hưởng của vân tôc

và hình dạng vât thể cũng đã được xem xét thông qua so sánh sự xâm

nhâp nước qua 4 giai đoạn: va chạm với mặt thoáng, xuất hiện, đóng kín

và biến mất của khoang khí khi vât thể xâm nhâp nước của 2 dạng vât thể

ở một sô vân tôc xâm nhâp khác nhau.

3.3. Ứng dụng OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy

hai pha có chuyển pha quanh vật thể chuyển động trong lòng chất

lỏng

21

3.3.1. Các phương trình cơ bản

Dòng chảy hai pha có chuyển pha quanh vât thể chuyển động nhanh

trong nước được mô tả bởi hệ phương trình Navier-Stokes cho hỗn hợp

dòng chảy hai pha không nén được tương tự như mục 3.2.1.

3.3.2. Mô hình hóa mặt phân tách lỏng - hơi bằng phương pháp VOF

Mặt phân tách giữa hai pha lỏng và hơi được mô hình hóa bởi phương

pháp VOF. Trong đó, tỉ phần thể tích γ của pha lỏng trong một thể tích

kiểm tra được định nghĩa theo biểu thức (3.15):

𝛾 =𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔

𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔 + 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 ℎơ𝑖 (3.15)

3.3.3. Mô hình hóa quá trình rôi bằng mô phỏng xoáy lớn (LES)

Mô hình LES cho dòng chảy khoang hơi được áp dụng tương tự mục

3.2.1.3 của luân văn.

3.3.4. Mô hình hóa quá trình chuyển pha

Các tính toán dòng chảy có chuyển pha của báo cáo này sử dụng bộ

giải interPhaseChangeFoam được OpenFOAM cung cấp kết hợp với sử

dụng mô hình tính toán rôi LES. Mô hình trao đổi khôi lượng của Kunz

được áp dụng.

3.3.5. Mô hình tính toán động lực học dòng chảy sử dụng OpenFOAM

3.3.5.1 Miền tính toán và điều kiện biên

Hình 3.7. Sơ đồ điều kiện biên của mô hình tính toán

22

3.3.5.2. Lưới tính toán của mô hình

a) b) c)

Hình 3.8. Lưới tính toán: a - Lưới 3D được dựng; b, c - lưới bề mặt và gần biên

cứng của quả cầu.

3.3.5.3. Bộ giải interPhaseChangeFoam

Bộ giải interPhaseChangeFoam cũng sử dụng thuât toán PIMPLE

tương tự bộ giải interFOAM.

3.3.5.4. Đánh giá sự hội tụ của lưới

Kết quả trên Hình 3.9 cho thấy lựa chọn lưới tính 210x80x80 là phù

hợp, vì khi tăng sô ô lưới kết quả tính cơ bản vân không thay đổi.

3.3.6. Kết quả tính toán

3.3.6.1. So sánh với quan sát thực nghiệm

Hình 3.10. Khoang hơi quanh quả cầu ở các số σ= 1.0, 0.5, 0.36, 0.2

3.3.6.2. Sự tương quan giữa sự xuất hiện của các xoáy rôi và sự thay

đổi của hình dạng khoang hơi

23

Hình 3.11. Khoang hơi quanh quả cầu ở các thời điểm t = 0.35ms (a – khoang

hơi chưa bị xoáy rối tác động), 2.45ms (b – xoáy rối xuất hiện làm thay đổi

hình dạng bề mặt phân tách lỏng - hơi) và 2.85ms (c – xoáy rối cuốn hơi khỏi

khoang hơi tạo thành bọt hơi nhỏ hơn) với σ = 0.36

3.3.7. Nhân xét chung

Những kết quả tính toán thu nhân về hình dạng của khoang hơi phù

hợp với kết quả của các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã được

công bô. Các kết quả mô phỏng cho thấy khả năng ứng dụng OpenFOAM

trong nghiên cứu động lực học của dòng chảy có chuyển pha. Đồng thời,

phân tích trong báo cáo đã cho thấy các xoáy rôi có tác động ảnh hưởng

trực tiếp đến sự không ổn định cả về hình dạng và kích thước khoang hơi.

24

KẾT LUẬN

Trong thời gian quy định, học viên đã thực hiện các nội dung nghiên

cứu và đạt được những kết luân chung, bao gồm:

Đã tìm hiểu và nắm bắt một sô điểm chung về tình hình nghiên cứu,

ứng dụng của dòng chảy không có/có chuyển pha. Những kết quả tổng

quan về dòng chảy không có/có chuyển pha thu được làm nền tảng để

thực hiện việc ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong các nội dung

khác của Luân văn.

Đã tìm hiểu về bộ chương trình OpenFOAM, cấu trúc chương trình và

những ưu nhược điểm và khả năng của bộ chương trình trong tính toán

động lực học dòng chảy và áp dụng tính toán cho một sô trường hợp.

Những kết quả thu được cho thấy OpenFOAM là một công cụ có nhiều

ưu điểm đôi với việc nghiên cứu động lực học dòng chảy bằng phương

pháp mô phỏng sô, trong đó, ưu điểm nổi bât nhất là khả năng cho phép

người dung can thiệp vào những chương trình, phát triển để hoàn thiện

các mô hình có sẵn hoặc thử nghiệm những mô hình tính toán mới.

Trong Luân văn đã trình bày một sô ứng dụng bộ chương trình

OpenFOAM trong nghiên cứu động lực học dòng chảy không có/có

chuyển pha. Các tính toán mô phỏng sô đã được trình bày để nghiên cứu

động lực học dòng chảy hai pha quanh các vât thể khi xâm nhâp vào nước

(không có chuyển pha) và khi đang chuyển động trong lòng nước (có

chuyển pha). Những kết quả mô phỏng trường áp suất và vân tôc của dòng

chảy quanh các vât thể đã được thể hiện bằng công cụ ParaView tích hợp

sẵn với OpenFOAM.

Trong việc xây dựng mô hình tính toán, việc ghép nôi bộ giải dòng

chảy rôi LES với bộ giải dòng chảy hai pha có chuyển pha

interPhaseChangFoam (chưa ghép nôi với bộ giải dòng rôi) đã được thực

hiện để phục vụ nghiên cứu của luân văn. Các kết quả nghiên cứu phù

hợp với các kết quả đã công bô.

Các kết quả nghiên cứu của Luân văn đã được thể hiện trong các công

bô mà tác giả có tham gia thực hiện trong thời gian học tâp.

25

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN

QUAN ĐẾN LUẬN VĂN

Tạp chí:

1. Nguyen Tat Thang., Duong Ngoc Hai, Nguyen Quang Thai and

Trương Thị Phượng. “Experimental measurements of the

cavitating flow after horizontal water entry”. Fluid Dynamics

Research, 49(5) (2017), 055508. (SCI-E)

2. Nguyen Tat Thang, Duong Ngoc Hai, Nguyen Quang Thai and

H. Kikura. (2017). “CFD simulations of the natural cavitating

flow around high speed submerged bodies”. In: Lecture Notes in

Mechanical Engineering, Vol. Part 3, Springer, pp. 851-873.

(SCOPUS).

Báo cáo Hội nghị

1. Duong Ngoc Hai, Nguyen Tat Thang, Nguyen Quang Thai and

Truong Thi Phuong (2016), “Development of a Ventilated

Cavitation Apparatus and Test Measurements”. Proceedings of

ICEMA4. Hanoi, pp.1-9.

2. Duong Ngoc Hai, Nguyen Tat Thang, Nguyen Quang Thai and

Truong Thi Phuong (2016). “Some results of the experimental

measurements of the cavitating flow after horizontal water entry”.

Proc. of the 8th APHydro, Hanoi, pp.341-354.

3. Dương Ngọc Hải, Nguyễn Quang Thái, A.A. Gubaidullin,

Nguyễn Tất Thắng, N.G. Musakaev, (2017). “OpenFOAM và

ứng dụng trong tính toán động lực học dòng chảy có chuyển pha”.

Tuyển tập Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Tập 3. Cơ học

Thủy khí, Hà Nội, ISBN:978-604-913-752-5. Trang 53-60.