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

chảy không có/có chuyển pha qua 2 bài toán: Mô phỏng dòng chảy có
khoang khí/hơi xung quanh vật thể xâm nhập 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.
Bố cục của luận văn
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục công trình khoa học của tác
giả liên quan đến luận văn và Tài liệu tham khảo, luận văn có 3 Chương:
Chương 1. Tổng quan một số vấn đề chuyển động của vật 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 cập 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 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.


•

𝑝
−𝑝
Hệ số áp suất 𝐶𝑝 = 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 2 ∞
0.5𝜌𝑈∞
𝜌𝑈 𝑐
Số Reynolds 𝑅𝑒 = 𝜇∞
𝑈∞
Số Froude 𝐹𝑟 = 𝑔𝑐
√
𝐹𝐷
Hệ số cản 𝐶𝐷 =
2𝐴
0.5𝜌𝑈∞

∞

•
•
•

(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)

• Tỉ số blockage: là tỷ lệ giữa đường kính trong ống quan sát với
đường kính đầu dính ướt [9,23]. Giá trị của tỉ số blockage ảnh hưởng


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 đối với vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng
FD = FD-apsuat+ FD-masat

(1.7)

Vật 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 vật thể chuyển động ở vận tốc 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

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

Phương pháp đo trường vận tốc 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
Lc = Dc

CD



ln

1

+ 
−
 =
dt 2 2  dt   l  l RB
2

RB

(1.10)

1.5.2.2. Chuyển động của vật thể duới nước khi có khoang khí/hơi
Chuyển động của vật 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 số
OpenFOAM [40, 43-44], ANSYS Fluent [10, 21], UNCEL code [2526] …
1.5.3. Một số 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 vật thể nhỏ khó chế tạo, khó đo áp suất nên dù chi phí có
thể thấp hơn nhưng vẫn 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 vận tốc của dòng chảy có khoang
khí/hơi cơ bản vẫn còn nhiều khó khăn do dòng chảy có tốc độ và mức

với phương trình được giải quyết.
𝜕ρU
+ 𝛻.ϕU − 𝛻.𝜇𝛻U= − 𝛻𝑝
𝜕𝑡

(2.1)

Solve
(
fvm::ddt(rho, U) + fvm::div(phi, U) - fvm::laplacian(mu, U)
= - fvc::grad(p)
);
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 lý 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 nhuận mới thành
lập, quản lý OpenFOAM và phân phối nó cho công chúng. Vào
12/9/2012, Tập đoàn ESI đã công bố việc mua lại OpenCFD Ltd từ SGI.
Trong năm 2014, Weller và Greenshields rời ESI Group và tiếp tục
phát triển và quản lý OpenFOAM, thay mặt Quỹ OpenFOAM, tại CFD
Direct. CFD Direct phát triển OpenFOAM với định danh dựa trên


•
•
•
•

Basic CFD codes:
Incompressible flow:
Compressible flow:
Multiphase flow:
Direct numerical simulation
(DNS):
• Combustion:

• Heat transfer và buoyancydriven 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 thuật 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

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 khối. OpenFOAM có sẵn công cụ chia lưới khối
blockMesh cho các lưới đơn giản. Đối 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


Tiện ích: chúng được sử dụng để chuẩn bị lưới, thiết lập
các trường hợp mô phỏng, xử lý 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

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 đối phổ
biến

Ít sử dụng vì khó sử dụng hơn


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 vật thể theo lý 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 số bộ giải có sẵn trong bộ cài đặt của
OpenFOAM
Một số bộ giải có sẵn trong bộ cài đặt của OpenFOAM:

cavitatingFoam; interFoam; interDyMFoam;
ChangeFoam; InterphaseChangeDyMFoam

interphase-


17
3.1.2. Lựa chọn bộ giải phù hợp để phục vụ tính toán của luận văn
Đối 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 vật thể xâm nhập nước.
Đối với bài toán tính toán động lực học dòng chảy có chuyển pha,

3.2.2. Mô hình tính toán động lực học dòng chảy mô phỏng sự xâm
nhập nước của vật thể sử dụng OpenFOAM
Bộ giải interFoam hoạt động theo sơ đồ thuật 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 nhập nước của hai vật thể: vật thể tiết
diện tròn và vật thể dạng thanh dài đầu phẳng (có kích thước theo tỉ số
chiều dài = 10 x đường kính) được mô phỏng.
Vận tốc dòng chảy được lấy bằng với vận tốc của vật 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 nhập nước của vật 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).



21
3.3.1. Các phương trình cơ bản
Dòng chảy hai pha có chuyển pha quanh vật 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 rối 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 luận 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 rối LES. Mô hình trao đổi khối 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


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. Nhận xét chung
Những kết quả tính toán thu nhận về hình dạng của khoang hơi phù
hợp với kết quả của các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã được
công bố. 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 rối 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 luận chung, bao gồm:
Đã tìm hiểu và nắm bắt một số 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 Luận 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 số trường hợp.
Những kết quả thu được cho thấy OpenFOAM là một công cụ có nhiều
ưu điểm đối với việc nghiên cứu động lực học dòng chảy bằng phương
pháp mô phỏng số, trong đó, ưu điểm nổi bật nhất là khả năng cho phép
người dung can thiệp vào những chương trình, phát triển để hoàn thiện