i

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

LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2018


i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TRANG BÌA PHỤ

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

nâng cao trình độ phục vụ công tác nghiên cứu khoa học. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng
biết ơn chân thành tới GS. TSKH. Dương Ngọc Hải và TS. Nguyễn Tất Thắng, những
người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn các sinh
viên thực tập: Nguyễn Phú Phượng, Trần Thị Thu Hương, Trần Khắc Việt và Đỗ Văn
Đạt đã hỗ trợ tôi thực hiện Luận văn này trong thời gian các họ thực tập và làm Đồ án
tốt nghiệp Kỹ sư tại Viện Cơ học.


iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
(Dấu gạch ngang “-” tại mục Đơn vị đo thể hiện tham số không thứ nguyên)

Ký tự

Ý nghĩa

Đơn vị đo (SI)

𝑝𝑐

Áp suất bên trong khoang khí/hơi

N/m2

𝑝∞

Áp suất ở dòng vào

N/m2


Chiều dài đặc trưng

m

Chiều dài lớn nhất của khoang khí/hơi

m

𝑝𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙

Lmax



Độ nhớt động học của hỗn hợp lỏng-khí/hơi

m2/s



Độ nhớt động lực học của hỗn hợp lỏngkhí/hơi

kg/ms

l

Độ nhớt động lực học của chất lỏng

kg/ms



Hệ số cấp khí

-

CD

Hệ số lực cản

-

𝐶𝐷0

Hệ số lực cản khi 𝜎 = 0

-

𝜌

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng-khí/hơi

kg/m3

ρl

Khối lượng riêng của chất lỏng.

kg/m3

v


o

Fr

Số Froude

-

𝜎

Số khoang (cavitation number)

-

Re

Số Reynolds

-

We

Số Weber

-

kg/m3

C


Large Eddy Simulation

CFD

Computational Fluid Dynamics

PIV

Particle Image Velocity


vi
MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ ............................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .....................................................iv
MỤC LỤC ......................................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................ix
MỞ ĐẦU 1
Chương 1. TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ
TRONG CHẤT LỎNG CÓ KHOANG KHÍ/HƠI .........................................3
1.1. Dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong lòng chất lỏng .3
1.1.1. Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vật thể .........................................3
1.1.2. Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi ..............................6
1.2. Một số đặc tính chủ yếu của khoang khí/hơi xuất hiện quanh vật thể chuyển động
trong lòng chất lỏng ..................................................................................................9

2.4.1. Đặt bài toán ..................................................................................................36
2.4.2. Dựng lưới tính toán.......................................................................................36
2.4.3. Điều kiện biên và điều kiện đầu ....................................................................38
2.4.4. Chạy chương trình tính toán, hiển thị kết quả ..............................................38
Chương 3. ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TOÁN
ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ CHUYỂN PHA .......41
3.1. Một số bộ giải dòng chảy hai pha không có/có chuyển pha của OpenFOAM .......41
3.1.1. Giới thiệu một số bộ giải có sẵn trong bộ cài đặt của OpenFOAM .............41
3.1.2. Lựa chọn bộ giải phù hợp để phục vụ tính toán của luận văn .....................41
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 vào nước .................................42
3.2.1. Các phương trình cơ bản ..............................................................................42
3.2.2. Mô hình tính toán động lực học dòng chảy mô phỏng sự xâm nhập nước của
vật thể sử dụng OpenFOAM ..........................................................................................44
3.2.3. Kết quả tính toán ...........................................................................................46
3.2.4. Nhận xét chung .............................................................................................51
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 .............................................52
3.3.1. Các phương trình cơ bản ..............................................................................52
3.3.2. Mô hình hóa mặt phân tách lỏng - hơi bằng phương pháp VOF .................53
3.3.3. Mô hình hóa quá trình rối bằng phương pháp LES......................................53
3.3.4. Mô hình hóa quá trình chuyển pha ...............................................................53
3.3.5. Mô hình tính toán động lực học dòng chảy sử dụng OpenFOAM ................54
3.3.6. Kết quả tính toán ...........................................................................................56
3.3.7. Nhận xét chung .............................................................................................58
KẾT LUẬN ...................................................................................................................59
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN
VĂN .............................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................61
PHỤ LỤC

Hình 1.13. Khoang khí/hơi giúp giảm lực cản dưới thân tàu .......................................10
Hình 1.14. Mô hình ống thủy động kích cỡ lớn của Hải quân Mỹ................................ 13
Hình 1.15. Mô hình hệ ống thủy động tại Viện Cơ học xây dựng năm 2016 ...............13
Hình 1.16. Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi trong chất lỏng Ukraina (1990) ....14
Hình 1.17. Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi từ không khí vào nước ở Trung Quốc
(2014) ...........................................................................................................14
Hình 1.18. Hệ thí nghiệm quan sát quỹ đạo chuyển động của vật tại Việt Nam (IMECH,
2014) ............................................................................................................14
Hình 1.19. Mô tả dòng chảy khoang khí/hơi 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)
......................................................................................................................15
Hình 1.20. Sơ đồ mô tả một hệ thiết bị quan sát khoang khí/hơi sử dụng camera........15
Hình 1.21.Hình ảnh khoang khí/hơi thu được từ hai camera có tốc độ 60fps (hình trên)
và 1000fps (hình dưới) .................................................................................16
Hình 1.22. Minh họa bố trí ống đo áp suất trong khoang khí/hơi gần đầu vật thể tạo
khoang khí/hơi .............................................................................................17
Hình 1.23. Khối vật thể tạo khoang khí/hơi có đầu dính ướt 5mm và có ống đo áp suất
......................................................................................................................17
Hình 1.24. Vị trí miệng ống đo áp suất khoang khí/hơi tại đầu vật thể tạo khoang khí/hơi
......................................................................................................................17
Hình 1.25. Bố trí cột lỏng đo áp suất ống quan sát .......................................................18


x
Hình 1.26. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đo đạc PIV ...........................................18
Hình 1.27. Vùng rối được đo đạc bằng phương pháp PIV ............................................19
Hình 1.28. Kết quả phân tích PIV trong nghiên cứu của Wornik..................................19
Hình 1.29. Cấu trúc dòng chảy tại vị trí đóng khoang khí/hơi nhân tạo và độ lệch của
trục do trọng trường .....................................................................................19
Hình 1.30. Cấu trúc dòng chảy khi khoang khí/hơi đóng và dòng xoáy phía sau khoang

Hình 3.2. Lưới tính toán của mô hình tính toán. ...........................................................46
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). ............................................................................................47


xi
Hình 3.4. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm sự xuất hiện và đóng kín của
khoang khí/hơi quanh vật thể tiết diện tròn với trường hợp vận tốc V=2.17m/s
......................................................................................................................48
Hình 3.5. So sánh kết quả mô phỏng với quan sát thực nghiệm sự xuất hiện và đóng kín
của khoang khí/hơi quanh một thanh dài đầu phẳng với trường hợp vận tốc
V = 3.10 m/s. ................................................................................................ 48
Hình 3.6. Ảnh hưởng của vận tốc di chuyển và hình dạng của vật thể. ........................50
Hình 3.7. Sơ đồ điều kiện biên của mô hình tính toán ..................................................54
Hình 3.8. Lưới tính toán: a - Lưới 3D được dựng; b, c - lưới bề mặt và gần biên cứng
của quả cầu. ..................................................................................................55
Hình 3.9. Đánh giá ảnh hưởng của lưới tính .................................................................56
Hình 3.10. Khoang khí/hơi quanh quả cầu ở các số σ = 1.0, 0.5, 0.36 và 0.2 ..............56
Hình 3.11. Khoang khí/hơi quanh quả cầu ở các thời điểm t = 0.35ms (a – khoang khí/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 khí/hơi tạo thành bọt hơi nhỏ hơn) với σ = 0.36 .............................57


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

hình tính toán mới phục vụ nhu cầu cụ thể của các nghiên cứu [35,37]. Đây cũng là ưu
điểm của lớn OpenFOAm so với các phần mềm thương mại như FLUENT, CFX, …
thường không có phép can thiệp chương trình. 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


2
không có/có chuyển pha hay dòng chảy có khoang khí/hơi nói riêng bằng những mô
hình tính toán có sẵn hoặc những mô hình tính toán hoàn thiện hơn hoặc phát triển mới.
Vì vậy, học viên lựa chọn đề tài của Luận văn là “Nghiên cứu, ứng dụng bộ chương
trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha”.
Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu của Luận văn là 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 bộ chương tình mã nguồn mở OpenFOAM trong tính toán
động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha thông qua hai bài toán: Mô
phỏng dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể xâm nhập vào nước và
vật thể đang chuyển động nhanh trong lòng chất lỏng.
Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng hai phương pháp nghiên cứu chính: Phương pháp tổng hợp,
phân tích tài liệu và Phương pháp thí nghiệm số. Bằng phương pháp tổng hợp, phân tích
tài liệu khoa học Luận văn thực hiện, nghiên cứu tổng quan về tính toán thủy động lực
học dòng chảy không có/có chuyển pha và tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở
OpenFOAM. Sau đó, các tính toán mô phỏng số được thực hiện để nghiên cứu ứng dụng

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 vật thể [12, 17,27,31]. Do khoang này chứa
cả khí và hơi nên Luận văn gọi chung là Khoang khí/hơi. Khoang khí/hơi được hình
thành mà không có tác động trực tiếp của con người đối với khí bên trong khoang thường
được gọi là khoang khí/hơi tự nhiên (water entry cavity hoặc natural cavity) để phân biệt
với khoang khí/hơi nhân tạo thường được hình thành bằng cách bơm khí không ngưng
tụ từ dưới bề mặt vật thể vào chất lỏng [17, 31, 49,58-59].
Trong dòng chảy có khoang khí/hơi, vùng chất lỏng tại lớp biên rối của dòng chảy
ở gần bề mặt vật thể xảy ra sự giảm áp tới áp suất hơi bão hòa của vùng chất lỏng gần
bề mặt vật thể [12,17]. Nếu khoang khí/hơi hình thành khi vật thể đang di chuyển trong
lòng chất lỏng quá trình hình thành khoang khí/hơi được biểu diễn trong Hình 1.2 dưới
đây. Chất lỏng ở áp suất hơi bão hòa xảy ra sự chuyển pha và hình thành nên những bọt
hơi và sau đó là các miền hơi do các bọt hơi kết hợp với nhau bao bọc vật thể. Để sự
giảm áp đủ lớn để đạt đến áp suất hơi bão hòa, vận tốc tương đối giữa dòng chảy và vật
thể thường lớn hơn nhiều so với trường hợp vật thể xâm nhập nước qua mặt thoáng [17].


4

Hình 1.2. Sự hình thành khoang khí/hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể.
Quá trình hóa hơi do giảm áp đến áp suất hơi bão hòa nêu trên là quá trình sôi ở
nhiệt độ thường [12,17]. Hình 1.3 dưới đây [17] mô tả biểu đồ pha của một vật liệu.
Theo đó, khi nhiệt độ tăng lên trong chất lỏng với áp suất không đổi thì sẽ dẫn tới sự sôi
do nhiệt độ (boiling) và sự hóa hơi của chất lỏng xảy ra.

Hình 1.3. Biểu đồ pha
Tuy nhiên, khi nhiệt độ không đổi, việc giảm áp suất trong chất lỏng cũng dẫn tới
sự chuyển pha từ lỏng sang hơi được gọi là sự tạo khí hơi (cavitation). Đây chính là quá
trình dẫn tới sự hình thành khoang khí/hơi tự nhiên xung quanh vật thể chuyển động
trong chất lỏng [17].

và quan sát thực nghiệm.

Hình 1.5. Cấu trúc dòng chảy rối quanh vật thể trong dòng chảy chuyển pha có khoang
khí/hơi (kết quả thực nghiệm và mô phỏng số)
Cho đến nay, các nguyên lý cơ học của dòng chảy rối có khoang khí/hơi xuất hiện
xung quanh vật thể chuyển động dưới nước vẫn chưa được hiểu rõ hết và là vấn đề đang
được quan tâm [9, 11, 44, 62-63, 22].


6
1.1.2. Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi
• Số khoang (cavitation number) 𝜎
Số khoang 𝜎 là tham số không thứ nguyên thường được sử dụng trong các so sánh
đồng dạng của nhiều nghiên cứu về dòng chảy có khoang khí/hơi. Số 𝜎 được xác định
bởi biểu thức (1.1) dưới đây:
𝜎=

𝑝∞−𝑃𝑐
2
0.5𝜌𝑈∞

(1.1)

Trong đó: 𝑝∞ - áp suất chất lỏng ở dòng vào; 𝑝𝑐 - áp suất bên trong khoang
khí/hơi; 𝜌 - khối lượng riêng của chất lỏng; U - vận tốc chất lỏng ở dòng vào
Hình 1.6 dưới đây [45] mô tả khoang khí/hơi hình thành được ở các số khoang
khác nhau với hai dạng đầu dính ướt phẳng và bán cầu.

Hình 1.6. Khoang khí/hơi ở những số khoang khác nhau
• Hệ số áp suất CP

• Số Froude Fr
Khi xem xét ảnh hưởng của lực trọng trường, số Froude Fr thường được áp dụng.
Biểu thứ (1.4) dưới đây xác định số Fr với g là gia tốc trọng tường và c là chiều dài đặc
trưng của vật thể hoặc chiều dài của khoang khí.
𝐹𝑟 =

𝑈∞

(1.4)

√𝑔𝑐

• Hệ số cản CD
Hệ số cản được xác định bởi các biểu thức (1.5) dưới đây sau với 𝐹𝐷 là lực cản;
A là tiết diện vuông góc với dòng chảy của vật thể:
𝐶𝐷 =

𝐹𝐷
2𝐴
0.5𝜌𝑈∞

(1.5)

• Tỉ số blockage
Tỉ số blockage là tỷ lệ giữa đường kính trong của ống quan sát của hệ kênh thủy
động với đường kính đầu dính ướt của vật mẫu [9,23]. Giá trị của tỉ số blockage ảnh
hưởng tới số khoang σ nhỏ nhất hệ ống thủy động có thể hình thành được. Hình 1.8 dưới
đây [23] mô tả sự ảnh hưởng của tỉ số tỉ số blockage đối với σmin.



khi không có khoang khí/hơi [17, 31]. Đối với những vật thể có chiều dài tương đối lớn
so với kích thước chiều rộng, đặc tính này của khoang khí/hơi có ích trong việc giảm
lực ma sát. Ngoài ra, sự suất hiện của khoang khí/hơi đủ lớn bao bọc những cấu trúc
kém bền vững trên bề mặt vât thể có thể giúp hạn chế sự phá hủy cấu trúc này do sự ăn
mòn của chất lỏng.
• 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
Quá trình đóng kín hoặc biến mất khoang khí/hơi có thể sinh ra những xung áp
lực lớn, có thể lên tới cỡ hàng trăm bar [17]. Những xung áp lực này gây nên tiếng ồn
khi dòng chảy có khoang khí/hơi. Đặc tính này đã được ứng dụng trong việc kích hoạt
cơ chế kích nổ của một số loại thủy lôi dưới nước bằng xung áp lực do khoang khí/hơi
sinh ra.

1.3. Một số ứng dụng hiện nay của dòng chảy khoang khí/hơi
1.3.1. Chân vịt siêu khoang
Một số mẫu chân vịt với thiết kế hình thành khoang khí/hơi tự nhiên và khoang
khí/hơi nhân tạo đã được thiết kế để tận dụng lợi ích của dòng chảy có khoang khí/hơi.
Hình 1.10 dưới đây [54] minh họa cho hai mẫu chân vịt được thiết kế

Hình 1.10. Chân vịt với những lỗ nhỏ trên bề mặt để hình thành khoang khí/hơi nhân
tạo
Một loại chân vịt với hình dạng đặc biệt cũng được phát triển nhằm hình thành nên
khoang khí/hơi tự nhiên trong quá trình chuyển động (xem Hình 1.11 dưới đây [58]).


10

a)

b)

chất lỏng và bề mặt vật thể. Biểu thức (1.7) dưới đây biểu thị lực cản tổng FD tác dụng
lên vật thể khi chuyển động trong lòng chất lỏng:
FD = FD-apsuat+ FD-masat

(1.7)

Trong quá trình chuyển động dưới nước, với những hình dạng khác nhau, lực cản
do áp suất và lực cản do ma sát có thể chiếm tỉ lệ khác nhau. Bảng 1.1 dưới đây mô tả
về mức độ ảnh hưởng của các thành phần lực cản ở một số dạng vật thể đơn giản.
Bảng 1.1. Tỉ lệ của các thành phần lực cản so với lực cản tổng FD của dòng chảy tác
dụng lên một số dạng vật thể
Dạng vật thể

Tỉ lệ % lực
cản thành
phần so với
lực cản tổng
%FD- apsuat/FD
%FD- masat/FD

0%

~10%

~90%

100%

~90%


được các tham số dòng chảy một cách đầy đủ và dễ dàng. Các thông số của dòng chảy
được quan tâm chủ yếu là: tốc độ dòng chảy, lưu lượng dòng khí phun vào, áp suất trong
chất lỏng, áp suất trong khoang khí và kích thước khoang khí. Để đo đạc được những
thông số này, phương pháp đo đạc thích hợp cần phải được áp dụng. Các mục dưới đây
trình bày một số công cụ nghiên cứu hiện nay và phương pháp đo đạc có thể áp dụng
cho dòng chảy có khoang khí.
1.5.1.1. Những công cụ nghiên cứu thực nghiệm chính
Để nghiên cứu hệ dòng chảy có khoang khí/hơi quanh vật thể chuyển động dưới
nước, hai công cụ chính được sử dụng là Kênh hay Ống Thủy động và Bể quan sát vật
chuyển động. Kênh/ống thủy động được dùng cho các nghiên cứu mà vật thể sẽ được
gắn cố định vào phần ống quan sát của hệ, chất lỏng sẽ được máy bơm đẩy đi và hình
thành nên dòng chảy quanh vật thể. Trong khi đó, với bể quan sát. Chất lỏng sẽ được đổ
đầy bể quan sát và vật thể được bắn đi bằng các loại máy phóng khác nhau. Mỗi công
cụ có một diểm mạnh riêng cho từng trường hợp nghiên cứu. Dưới đây trình bày một số
hệ thí nghiệm đang được sử dụng hiện nay.
• Kênh/ống thủy động
Hình 1.14 [58] và 1.15 dưới đây là một số mô hình ống thủy động đã được sử dụng
làm thí nghiệm quan sát dòng chảy. Mô hình này có độ cao tương đương một tòa nhà 10
tầng, có máy bơm tuần hoàn chạy bởi một động cơ 14000 Hp (1Hp = 0.736 kW) [58].
Hình 1.15 là mô hình thí nghiệm cỡ nhỏ được xây dựng tại Viện Cơ học, Việt Nam năm
2016.


13

Hình 1.14. Mô hình ống thủy động kích cỡ lớn của Hải quân Mỹ

Hình 1.15. Mô hình hệ ống thủy động tại Viện Cơ học xây dựng năm 2016
Ưu điểm của phương pháp này là kiểm soát được vận tốc. Mặt khác nhược điểm là
khá cồng kềnh và phức tạp, kinh phí tốn kém, khó nghiên cứu được trong phòng thí