1
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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI


2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu tôi đã tham gia.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Nguyễn Quang Thái


3


N/m2

Áp suất hơi bão hòa

kg/m3

Áp suất tại một vị trí cụ thể

kg/m3

pB

Áp suất trong bọt hơi

N/m2

RB

Bán kính bọt hơi hình cầu

m

L

Chiều dài của vật thể

m

Chiều dài đặc trưng


kg/ms

Dmax

Đường kính của đầu dính ướt vật thể

m

Đường kính lớn nhất của khoang khí/hơi

m

Gia tốc trọng trường
CP

Hệ số áp suất

-

CQ

Hệ số cấp khí

-

CD

Hệ số lực cản


ρl

Là tốc độ trao đổi khối lượng giữa hai pha


5

Fr

Lực cản

N

Nhiệt độ

o

C

Số Froude

-

Số khoang (cavitation number)

-

Re

Số Reynolds

Volume of Fraction

OpenFOAM

Open Source Field Operation And Manipulation

LES

Large Eddy Simulation

CFD

Computational Fluid Dynamics

PIV

Particle Image Velocity


6

MỤC LỤC

Những bộ giải chuẩn trong nhóm bộ giải tính toán dòng chảy nhiều pha
DANH MỤC CÁC BẢNG


7

DANH MỤC HÌNH VẼ

nữa.
Những công cụ mô phỏng số góp sức đáng kể trong những nghiên cứu về dòng
chảy có khoang khí/hơi bên cạnh những phương pháp thực nghiệm. Trong đó,
OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation) là một công cụ có
nhiều ưu điểm như chia sẻ mã nguồn chương trình có thể can thiệp, có nhiều bộ giải và
có tài liệu hướng dẫn cho phép thực hiện những nghiên cứu số về dòng chảy với
những khả năng mạnh mẽ. Trong đó, ưu điểm nổi bật nhất của OpenFOAM 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]. 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


9

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 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.


Chương 1
TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ TRONG
CHẤT LỎNG CÓ KHOANG KHÍ/HƠI
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 vật 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 trống mà vật
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 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].

những túi khí xung quanh bề mặt vật thể.

Hình 1.4. Sự hình thành khoang khí/hơi nhân tạo trên bề mặt vật thể
Do khoang khí/hơi nhân tạo được hình thành ở điều kiện sự giảm áp chưa đạt
tới áp suất hơi bão hòa nên không đòi hỏi vận tốc của dòng chảy lớn như đối với khí tự
nhiên [17]. Trong nhiều trường hợp, khoang khí/hơi nhân tạo được tạo ra để hỗ trợ các
phương tiện chuyển động với lực ma sát với chất lỏng xung quanh thấp hơn cho đến
khi đủ nhanh để hình thành nên khoang khí/hơi tự nhiên nhờ sự hóa hơi của chất lỏng
[31, 59-60]
Khi khoang khí/hơi xuất hiện, hình dạng của khoang khí/hơi thay đổi liên tục do
bị các xoáy rối cuốn trôi một phần lượng hơi bên trong khoang ra ngoài, làm xuất hiện
những bọt hơi nhỏ hơn dẫn tới kích thước của khoang khí/hơi giảm đi. Sự thay đổi
hình dạng và kích thước của khoang khí/hơi dẫn tới diện tích tiếp xúc với chất lỏng
của bề mặt vật thể thay đổi liên tục, kết quả là lực cản do ma sát của chất lỏng và
chuyển động của vật thể không ổn định [9, 11, 22]. Hình 1.5 dưới đây [11] mô tả phần
nào hình ảnh dòng chảy rối quanh vật thể trong quá trình hình thành khoang khí/hơi
qua mô phỏng số 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 ly 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].
1.1.2. Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi
• Số khoang (cavitation number)

Số khoang 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 được xác định
bởi biểu thức (1.1) dưới đây:


• 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.
(1.4)
• Hệ số cản CD

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


15
• 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.

Hình 1.8. Giá trị số khoang thấp nhất đạt được trong dòng chảy có khoang khí/hơi
nhân tạo hình thành trong ống thủy động
• Hệ số cấp khí CQ

Hệ số cấp CQ ảnh hưởng đến kích thước khoang khí/hơi hình thành khí được
tính theo công thức (1.6) dưới đây thể hiện lượng khí được cấp vào dòng chảy [9, 17,
22-23, 31, 49, 62]. Trong đó, Qair là lưu lượng của dòng khí cung cấp vào dòng chảy.
(1.6)

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]).


18

a)

b)

Hình 1.11. Chân vịt có thiết kế hình dạng cánh đặc biệt (hình a) và cơ chế hình thành
khoang khí/hơi tự nhiên (hình b)
1.3.2. Ngư lôi siêu khoang
Ngư lôi VA-111 Shkval do Nga chế tạo hiện nay là ngư lôi có tốc độ nhanh nhất
thế giới nhờ ứng dụng kỹ thuật tạo khoang khí/hơi trong quá trình phóng (xem Hình
1.12 dưới đây [60]).


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%

~10%

100%
0%


đo đạc 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.


22

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




24

Hình 1.18. Hệ thí nghiệm quan sát quỹ đạo chuyển động của vật tại Việt Nam
(IMECH, 2014)
Với các hệ bể nước, chất lỏng đứng yên và vật thể chuyển động nên các yếu tố
của dòng chảy trong ống thủy động được hạn chế. Tuy nhiên, vận tốc di chuyển của
vật thể lớn nên tốc độ ghi hình của camera ảnh hưởng rất nhiều tới dữ liệu quan trắc
được. Ngoài ra, để quan sát được chuyển động ba chiều của vật thể, cần phải sử dụng
tối thiểu 2 camera trở lên. Chi phí của camera tốc độ cao là một vấn đề phải xem xét
khi xây dựng những hệ thí nghiệm như vậy.
1.5.1.2. Một số kỹ thuật hình thành khoang khí/hơi nhân tạo
Một số nghiên cứu đã quan tâm đến các cách hình thành khoang khí/hơi khác
nhau. Hình 1.19 a) [49] và b) [22] dưới đây minh họa một số cách tạo khoang khí/hơi
đã được nghiên cứu trong một số nghiên cứu.
a)

b)
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)


25

1.5.1.3. Những phương pháp đo đạc các tham số dòng chảy có khoang khí/hơi
•

Quan sát khoang khí/hơi sử dụng camera tốc độ cao (Phương pháp quang học)