Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy

- 3 MỞ ĐẦU Lý do nghiên cứu, mục đích của đề tài Xâm thực là vấn đề quan trọng trong nghiên cứu thiết kế thiết bị đẩy tàu thủy.
- Khi xâm thực hình thành và phát triển, điều kiện làm việc ổn định của thiết bị thường bị phá vỡ gây mất ổn định, suy giảm hiệu suất và năng suất, gây rung động và tiếng ồn.
- Đặc biệt, hiện tượng ăn mòn xâm thực có thể xảy ra mãnh liệt và phá hủy bề mặt chi tiết và thiết bị.
- Do vậy tác giả luận án lựa chọn, nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy”.
- Những kết quả của luận án hướng tới ứng dụng và thực tế công nghiệp thiết kế và đóng tàu cũng như xây dựng cơ sở dữ liệu về xâm thực cho dạng chân vịt phổ biến ở nước ta.
- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Việc nghiên cứu các hiện tượng 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 tương ứng của nó ở một số chế độ vận hành khác nhau.
- Việc ứng dụng tính toán mô phỏng trên máy tính bằng phương pháp tiên tiến cho phép tiết kiệm thời gian thiết kế, giảm kinh phí đầu tư cho chế tạo và thử nghiệm.
- Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
- Nghiên cứu lý thuyết dựa trên cơ sở của cơ học chất lỏng, lý thuyết cánh và dòng nhiều pha.
- 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 hưởng của nó đến hiệu suất làm việc của chân vịt.
- Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành cho mẫu chân vịt mô hình tại phòng thí nghiệm xâm thực ngành đóng tàu, trường Đại học 4 Đại dương Quốc gia, Đài Loan.
- Bố cục luận án Luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung chính và phần kết luận-kiến nghị với tổng số trang là 105 trang được phân bố như sau: Mở đầu 4 trang Chương I Tổng quan 24 trang Chương II Nghiên cứu, khảo sát dòng chảy bao chân vịt tàu thủy 27 trang Chương III Nghiên cứu, mô phỏng dòng xâm thực qua chân vịt 29 trang Chương IV Khảo sát thực nghiệm đặc tính xâm thực chân vịt 19 trang Kêt luận Kết luận và kiến nghị 2 trang Chương I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về hiện tượng xâm thực Hiện tượng xâm thực là hiện tượng xuất hiện các bọt khí trong dòng chất lỏng khi áp suất cục bộ tại một điểm trong hệ thống nhỏ hơn hoặc bằng áp suất hơi bão hòa ứng với nhiệt độ của môi trường chất lỏng.
- Hiện tượng xâm thực xảy ra khi phần chất lỏng thay đổi từ pha lỏng sang pha hơi.
- Sự thay đổi này xảy ra khi chất lỏng tồn tại ở một nhiệt độ nhất định mà áp suất trong chất lỏng giảm đến giá trị nhất định nào đó.
- Đối với bài toán chân vịt quay trong chất lỏng thì ngoài điều kiện về áp suất thì xâm thực còn xảy ra khi ở một nhiệt độ nhất định nào đó nếu vận tốc của chân vịt tăng quá một giá trị nhất định.
- Xâm thực chân vịt tàu thủy thường xảy ra ở các dạng sau: Xâm thực dạng tấm, xâm thực dạng bọt, xâm thực dạng mây, xâm thực dạng xoáy 1.2 Tổng quan về các phương pháp số dự đoán xâm thực  Phương pháp mặt nâng: Với ưu điểm thời gian tính toán ngắn và độ tin cậy về chất lượng, những năm gần dây một số nhà nghiên cứu đã áp dụng phương pháp này cho nghiên cứu siêu xâm thực của cánh trong dòng chảy dừng và không dừng.
- Tuy nhiên, do hạn chế về sự không chính xác trong dự đoán phân bố áp suất tại mép vào và mép thoát cánh và giới hạn khả năng mô hình hóa chi tiết dòng chảy phức tạp chi phối bởi ảnh hưởng của nhớt.
- Do vậy, việc dự đoán về xâm thực xoáy đầu cánh và xâm thực từng phần bị giới hạn.
- 5  Phương pháp phần tử biên: Phương pháp này đã rất thành công khi áp dụng cho cánh 2D, dự đoán một cách chính xác và đạt hiệu quả trong tính toán cho các mẫu xâm thực.
- Tuy nhiên, phương pháp này chỉ sử dụng cho xâm thực tấm còn các dạng khác chưa được sử dụng nhiều (vì rất khó khan cho việc thiết lập mô hình.
- Phương pháp Euler, RANS và dòng hai pha: Phương pháp này cũng chỉ áp dụng cho giai đoạn đầu tính toán xâm thực ở chân vịt tàu thủy, cần phải phát triển tiếp trên cơ sở chú ý của RANS trong việc dự đoán dòng xoáy ở mép cánh và có thể dùng RANS code để dự đoán xâm thực do xoáy ở đầu cánh.
- 1.3 Phạm vi áp dụng của đề tài Qua nghiên cứu tổng quan về xâm thực và phương pháp số dự đoán xâm thực, định hướng nghiên cứu cho luận án như sau.
- Nghiên cứu các phương pháp tính toán cho dòng chảy bao chân vịt.
- Trên cơ sở đó lập thuật toán tính toán khảo sát dòng chảy bao quanh profile cánh làm kiểm chứng cho việc mô phỏng dòng quanh profile cánh bằng phần mềm thương mại ANSYS Fluent.
- Mô phỏng để khảo sát ảnh hưởng của các tham số động lực học lên dòng chảy bao chân vịt.
- Mô phỏng dòng xâm thực qua chân vịt.
- Và tiến hành kiểm chứng thực nghiệm trên một mẫu chân vịt cụ thể.
- Kết luận Trên cơ sở của việc nghiên cứu khái quát về hiện tượng xâm thực, cơ chế hình thành và phát triển, kết hợp với tổng quan về các phương pháp số dự đoán xâm thực mà tổ chức ITTC đã công nhận, tác giả đưa ra cách tiếp cận, giải pháp nghiên cứu trong việc áp dụng phương pháp số vào bài toán xâm thực.
- Từ đó xây dựng bài toán cụ thể cần giải quyết trong phạm vi nghiên cứu của luận án.
- Cụ thể áp dụng phương pháp RANS và các mô hình nhiều pha để thiết lập các bài toán mô phỏng số nghiên cứu, khảo sát dòng không xâm thực và xâm thực qua chân vịt tàu thủy phục vụ cho việc xác định đặc tính làm việc của chân vịt và dự đoán các hiện tượng xâm thực trên chân vịt.
- CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT DÒNG CHẢY BAO CHÂN VỊT TÀU THỦY 2.1 Chân vịt và đặc tính làm việc của chân vịt tàu thủy Chân vịt là một dạng thiết bị đẩy tàu.
- Trong tính toán thiết kế chân vịt tàu thủy, việc xây dựng đường đặc tính chân vịt của tàu là cần thiết 6 mà từ đó, nó cho phép xác định các hệ số lực đẩy, hệ số mô men và hiệu suất làm việc của chân vịt một cách nhanh chóng.
- Đặc tính thủy động của chân vịt tàu thủy Sự làm việc của chân vịt trong môi trường chất lỏng được xác định bằng hai dạng chuyển động đồng thời và độc lập[20]: chuyển động tịnh tiến dọc trục với tốc độ vA và chuyển động quay quanh trục đó với vận tốc Ω=2πn, trong đó: n – số vòng quay của chân vịt.
- Khoảng cách hướng trục mà chân vịt đã thực hiện sau một vòng quay gọi là bước tiến tuyệt đối hp của chân vịt.
- Khi sử dụng khái niệm bước tiến tương đối của chân vịt J, là tỷ số giữa bước tiến tuyệt đối và đường kính của chong chóng, ta có: J = hp/D = vA/(nD) (2.1) Các đặc tính của chân vịt trong nước tự do theo qui ước được biểu diễn dưới dạng hệ số lực đẩy KT và hệ số mômen KQ theo hệ số bước tiến J, trong đó.
- Hiệu suất làm việc của chân vịt trong nước tự do là tỷ số giữa công suất có ích T.vA với công suất phải bỏ ra PD để quay nó được xác định theo các công thức trên.
- (2.4) Các đặc tính thuỷ động lực không thứ nguyên KT , KQ và 0 được biểu diễn theo bước tiến tương đối J - gọi là đặc tính làm việc của chân vịt.
- 2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán Xét dòng qua chân vịt tàu thủy chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay có mô hình chân vịt và bánh lái và các mặt biên của trường dòng như hình vẽ sau.
- 7 H2.1: Mô hình chân vịt và bánh lái H2.2: Các biên của trường dòng theo 3D Trên cơ sở lý thuyết tổng quát của dòng thế là phương trình Laplace và phương trình Becnuly hoặc phương trình liên tục và phương trình Navie-Stoke, có đưa vào các thông số không thứ nguyên hệ số áp suất Cp và số xâm thực σ 212refprefppCV.
- Với pv : áp suất hơi.
- vận tốc tham chiếu.
- D: Đường kính chân vịt.
- xây dựng được các điều kiện biên động học và động lực học trên các bề mặt biên của trường dòng tương ứng với các dạng xâm thực từng phần và siêu xâm thực.
- 2.3 Khảo sát dòng chảy bao chân vịt bằng phương pháp số  Mô hình tính toán : dựa trên hai phương trình cơ bản là phương trình liên tục, phương trình động lượng và mô hình rối lựa chọn là mô hình k.
- Áp dụng phương pháp tính RANS trong mô phỏng.
- Mô hình hình học: Chân vịt dùng trong trường hợp này được thiết kế cho tàu chở hàng với một số thông số chính như tải trọng 5500 tấn, chân vịt quay trái khi nhìn theo chiều dòng chảy, đường kính của nó là D = 3.0 mét, tốc độ quay là 200 vòng/phút, vận tốc tịnh tiến của chân vịt là 5.48m/s và công suất máy là 2910CV.
- Các kích thước hình học đặc trưng của mô hình được thể hiện trên hình dưới đây.
- Mà trong đó D chính là đường kính của chân vịt.
- H2.4: Mô hình hình học của bài toán chân vịt  Kết quả tính toán số Mô phỏng RANS cho dòng chảy bao chân vịt với các tốc độ quay n khác nhau, được thực hiện cho dải n = 120v/p đến n = 300 v/p.
- Với mỗi trường hợp, thu được sự phân bố vận tốc trên các mặt cắt, phân bố áp suất trên mặt hút, mặt đẩy của chân vịt và các giá trị hệ số lực đẩy và hệ số mô men quay tương ứng.
- Trường hợp số vòng quay chân vịt n = 300v/p nhận được kết quả như sau: H 2.18 : Phân bố vận tốc khi n=300 vòng/phút Hình 2.19 : Phân bố áp suất khi n=300 vòng/phút Khi số vòng quay chân vịt càng tăng, áp suất phân bố vận tốc và áp suất càng thay đổi rõ ràng.
- Áp suất thấp đã phủ rộng bề mặt hút của chân vịt khi số vòng quay chân vịt n = 300v/p.
- Kết quả về hệ số lực đẩy và mô men được trình bày trong bảng sau: 9 Thông số chân vịt Kết quả mô phỏng n (vòng /phút) J KT KQ Bảng 2.2 : Trị số đặc tính chân vịt theo mô phỏng  Xây dựng đặc tính chân vịt bằng phương pháp truyền thống Thiết kế tính toán thiết bị đẩy cho tàu hàng 5500T được thực hiện theo trình tự: Tính toán lực cản và công suất kéo của tàu: Trên cơ sở tính toán xây dựng được đồ thị R và PE theo các giá trị vận tốc giả thiết.
- Tính toán thiết kế chân vịt: Dựa trên bài toán tối ưu cho thiết kế chân vịt.
- Tính toán được chân vịt có đường kính D = 3m.
- Trên cơ sở của các tốc độ vòng quay khác nhau thiết lập bảng trị số đặc tính chân vịt như sau: Thông số chân vịt Kết quả tính toán thiết kế n(v/p) n(m/s) J KT KQ T Q Bảng 2.1: Giá trị đặc tính chân vịt theo tính toán thiết kế Kết quả tính toán theo mô phỏng và tính toán thiết kế theo phương pháp truyền thống được thể hiện trên đường đặc tính sau: H1.19: Đồ thị đặc tính của chân vịt theo lý thuyết và mô phỏng Theo đồ thị thấy rằng các kết quả được tính bởi phần mềm Fluent tương đối gần với các kết quả thu được từ lý thuyết thực nghiệm.
- Kết luận - Các kết quả tính toán số thu được từ phương pháp RANS rất phù hợp với các kết quả tính toán bằng phương pháp tính toán truyền thống.
- Điều đó khẳng định độ tin cậy của phương pháp RANS trong mô phỏng.
- Bằng phương pháp RANS, xây dựng đường đặc tính của các loại chân vịt thông dụng, trên cơ sở đó có thể đánh giá chế độ hoạt động hiệu quả của chân vịt đó trong khai thác thực tế.
- Bằng phần mềm ANSYS Fluent có thể mô phỏng dòng chảy bao quanh chân vịt với các tốc độ quay khác nhau và vận tốc tịnh tiến không đổi.
- Từ đó có thể dự đoán được những trường hợp có ảnh hưởng đến chế độ hoạt động của chân vịt.
- CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG DÒNG XÂM THỰC QUA CHÂN VỊT TÀU THỦY 3.1 Hiện tượng xâm thực trong thiết bị đẩy tàu KT 10KQ P J : Lý thuyết.
- Mô phỏng RANS 11 Chân vịt và bánh lái khi làm việc trong chất lỏng đều có khả năng bị xâm thực.
- Quan sát quá trình xâm thực xảy ra trên cánh: 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 đạt tới giá trị tốc độ giới hạn, hiện tượng 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 của chân vịt tăng lên nữa, hiện tượng sủi bọt có khả năng lây sang cả mặt đẩy[25].
- Khi bánh lái được đặt sau chân vịt, nó cũng tham gia vào hoạt động chung của thiết bị đẩy do vậy dòng bao bánh lái cũng được xét đến để đưa ra các hiện tượng có thể xảy ra trên bánh lái và sự tương tác bánh lái đến đặc tính làm việc của chân vịt trong chất lỏng đang xét cũng được tính đến.
- Xâm thực ảnh hưởng đến đặc tính chân vịt và gây thiệt hại cho hệ thống trong quá trình làm việc.
- Điều quan trọng nhất là xâm thực xuất hiện ở đâu và khi nào xuất hiện xâm thực, nhưng rất khó khăn trong việc nắm bắt và mô tả các hiện tượng xâm thực không ổn định.
- Nội dung của chương này sẽ đề cập đến phương pháp số trong nghiên cứu, mô phỏng dòng xâm thực qua chân vịt.
- Từ đó có thể đánh giá được hiện tượng xâm thực xảy ra trên hệ thống thiết bị đẩy nói chung khi hệ thống đó hoạt động ở các chế độ thích hợp.
- 3.2 Nghiên cứu số về mô hình xâm thực 2D 3.2.1 Nghiên cứu bằng phương pháp LES (Large Eddy Simulation.
- Mô hình tính toán Bằng việc tiến hành chọn lựa các số hạng bậc thấp trong các phương trình Navier-Stokes sử dụng hàm chọn lọc được định nghĩa trước G = G(x,delta), các phương trình của mô hình LES thu được như sau mBSpvvvmvt Với các số hạng ở trên là các biến phụ thuộc được chọn lọc.
- Mô hình xâm thực Theo lý thuyết về VOF, thì các tính chất vật lý của chất lỏng được biểu thị thông qua chỉ số tỷ lệ phần trăm thể tích, gamma=thể tích chất lỏng/tổng thể tích, mà xuất hiện trong phương trình chuyển động của chất lỏng, với gamma=1 ứng với trường hợp nước hoàn toàn.
- tốc độ chuyển pha .m được mô hình hóa bởi các mô hình chuyển pha tương ứng.
- Kiểm tra chương trình cho profile NACA0018 Mô hình lưới và miền tính toán Với chiều dài dây cung c = 200mm, profile NACA0018 được quay một góc 5 độ quanh tâm của trọng lực và tạo ra một miền khảo sát có kích thước là 1400x570mm, bằng 2 lần chiều dài dây cung tính từ đầu cánh, và 4 lần tính từ đuôi cánh và với sự mở rộng theo phương thẳng đứng đối xứng sang hai phía của miền khảo sát.
- Hình 3.1: Miền tính toán Hình 3.2: Lưới vùng quanh profile Điều kiện biên và điều kiện ban đầu Vận tốc cố định là 5.48 m/s tại đầu vào và áp suất là 0Pa tại đầu ra.
- Kết quả tính toán số Phần này được thực hiện bởi Fieldview.
- Đồ thị của hệ số áp suất dọc theo cánh và bề mặt tính toán của tỷ lệ phân trăm thể tích gamma được tạo ra để minh họa cho sự phát triển xâm thực.
- Dòng không xâm thực Hệ số áp suất dọc theo cánh của dòng chất lỏng bao quanh được xác định bởi công thức sau: Mặt dưới của đường cong kín là mặt hút và phần trên là mặt đẩy (hay mặt áp) của cánh.
- Hình 3.3 : Hệ số áp suất dọc profile không xâm thực Dòng xâm thực Số xâm thực thông qua biểu thức sau: (3.9) 14 Với Pref là áp suất tham chiếu, Pv là áp suất hơi bão hòa của chất lỏng, U là vận tốc tham chiếu ρ là khối lượng riêng của chất lỏng.
- Trong trường hợp này, áp suất tham chiếu được chọn là 0Pa tại đầu ra và vận tốc tham chiếu là 5.48m/s tại đầu vào.
- Thông thường theo thực nghiệm, để đạt được số xâm thực mong muốn, áp suất cần được giảm dần nhưng trong tính toán áp suất hơi bão hòa được điều chỉnh để khớp với số xâm thực đã chọn =1 bằng cách đặt pSat= -18000Pa.
- Hình 3.4 : Hệ số áp suất dọc profile có xâm thực Một chuỗi các giá trị phần trăm thể tích hơi tức thời sẽ minh họa sự tách xâm thực tuần hoàn như biểu diễn trên hình dưới đây.
- Xâm thực dạng tấm sẽ bắt đầu tại đầu cánh, nhưng sau đó nó sẽ di chuyển dọc theo bề mặt của cánh và khi vượt quá kích thước cho phép, nó trở nên bất ổn định và tách ra một cách tuần hoàn.
- Quá trình này được điều khiển bởi một tia ngược đang hình thành ở phía sau của xâm thực và di chuyển theo hướng ngược lại hướng về đầu cánh.
- Tia ngược này sẽ chia vùng xâm thực hình thành sự tách ra của các đám mây xâm thực mà di chuyển theo dòng tự do về phía đuôi cánh.
- (3.10) x/c Cp 15 Hình 3.5: Tỷ lệ phần trăm thể tích 3.2.2 Nghiên cứu bằng phương pháp RANS Xây dựng mô hình tính toán Mô hình tính toán mà trong đó, các kích thước của mô hình được tính toán theo chiều dài dây cung của profile cánh C sao cho sự ảnh hưởng trở lại của các biên ở xa vô cùng tới profile cánh là ít nhất.
- H 3.6: Kích thước mô hình H 3.7: Kích thước của profile Với M∞ là số Mach của dòng không nhiễu ở vô cùng.
- Mô hình lưới Mô hình lưới được thực hiện trong ICEM CFD với tiêu chuẩn: tiêu chuẩn về góc lưới, về độ vặn xoắn, về tỷ số dạng của phần tử lưới.
- H3.8: Lưới cho toàn miền tính H3.9: Lưới bao quanh profile cánh Điều kiện biên Tên vùng biên Đầu vào Đầu ra Thành ở xa ∞ Profile cánh Loại điều kiện biên Áp suất vào Áp suất ra Mặt tự do Thành 16 Vận tốc đầu vào có giá trị 5.48 m/s sẽ được quy đổi về áp suất động trước khi tiến hành tính toán.
- Ngoài ra giá trị áp suất hơi bão hòa được chọn để giải bài toán 2 pha có giá trị là 3540 Pa và mô hình xâm thực là mô hình xâm thực toàn phần với tên gọi Singhal-et-al.
- Kết quả tính toán số - Trường hợp khi profile nghiêng một góc 5độ, vận tốc dòng vào v=5.48m/s thì các đặc trưng về vận tốc, áp suất và tỷ lệ phần trăm của pha hơi được thể hiện như sau: Hệ số lực nâng Hệ số lực cản Phân bố vận tốc Phân bố áp suất Tỷ lệ phần trăm của pha hơi tại 2.15s H3.11: Kết quả tính toán số trường hợp α = 50 Khi góc tấn α = 5 độ, trường áp suất hai bên mặt profile đã có thay đổi.
- Khi góc nghiêng của profile càng tăng sự chênh lệch về vận tốc và áp suất giữa hai mặt của profile càng rõ rệt và túi khí bám trên mặt cánh càng lớn.
- Kết luận trên cơ sở so sánh giữa LES và RANS Các ảnh hưởng của dòng xâm thực tới các đại lượng như lực nâng, lực cản, phân bố vận tốc, áp suất bao quanh profile cũng được đưa ra bằng cả hai phương pháp LES và RANS.
- Trên cơ sở đó so sánh giữa hai phương pháp nhận được kết quả lực cản và lực nâng gần như nhau.
- Đó chính là tiền đề cho việc nghiên cứu tiếp theo về dòng xâm thực qua chân vịt.
- 3.3 Nghiên cứu số về mô hình xâm thực 3D 3.3.1 Tính toán dòng qua chân vịt tàu thủy độc lập

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt