Ảnh hưởng xâm thực cánh tàu cánh ngầm đến đặc tính lực cản - lực nâng

CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019<br /> <br /> ẢNH HƯỞNG XÂM THỰC CÁNH TÀU CÁNH NGẦM ĐẾN ĐẶC TÍNH<br /> LỰC CẢN - LỰC NÂNG<br /> THE EFFECTS OF CAVITATION AROUND HYDROFOIL ON DRAG<br /> AND LIFT FORCE<br /> PHẠM VĂN DUYỀN<br /> Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam<br /> Email liên hệ: duyenpv.vck@vimaru.edu.vn<br /> Tóm tắt<br /> Trong một số chế độ khai thác của tàu cánh ngầm, cánh tàu cánh ngầm có thể xuất hiện<br /> xâm thực trên bề mặt cánh, hiện tượng xâm thực này gây ra nhiều ảnh hưởng tới đặc tính<br /> khai thác của tàu. Một trong số những ảnh hưởng là gây ra sự thay đổi tới đặc tính thủy động<br /> lực học như là thay đổi tới đặc tính lực cản, lực nâng đối với thiết bị cánh của tàu cánh ngầm.<br /> Để chỉ ra ảnh hưởng này thiết bị cánh mũi tàu cánh ngầm được nghiên cứu và tiến hành tính<br /> toán bằng phương pháp số. Mô hình xâm thực Rayleigh Plesset được sử dụng trong quá<br /> trình tính toán dòng xâm thực qua profin cánh dạng 3D với góc nâng thay đổi tương ứng với<br /> sự thay đổi của số xâm thực. Sự phát triển kích thước vết xâm thực phụ thuộc vào sự thay<br /> đổi các thông số liên quan đến số xâm thực  và thông số độ sâu hoạt động của thiết bị. Kết<br /> quả làm thay đổi hệ số lực cản CD và hệ số lực nâng CL khi hiện tượng xâm thực xảy ra.<br /> Từ khóa: Xâm thực cánh tàu cánh ngầm, xâm thực, tàu cánh ngầm.<br /> Abstract<br /> In some working conditions, cavitation can appear on hydrofoil and make some effects. One<br /> effect of cavitation is making changing of fluid dynamic characteristics such as drag force or<br /> lift force. In order to predict the effect of cavitation on hydrofoil characteristics, hydrofoil was<br /> studied numerically. Rayleigh Plesset cavitation model was used to calculate the cavitating<br /> flow around 3D hydrofoil with changing angle of attract and number cavitation. The<br /> development of cavitation depends on the changing of number cavitation and depth.<br /> Resulting in the changing of drag coefficiency and lift coefficiency.<br /> Keywords: Cavitation, hydrofoil, CFD.<br /> 1. Giới thiệu<br /> Khi hiện tượng xâm thực xuất hiện trên các thiết bị hàng hải như bánh lái tàu thủy, thiết bị<br /> cánh của tàu cánh ngầm, chân vịt tàu thủy. Nó làm thay đổi các đặc tính thủy động lực học của thiết<br /> bị như làm ảnh tới lực bẻ lái đối với thiết bị bánh lái tàu thủy [5] hay làm thay đổi đặc tính lực nâng,<br /> lực cản tới thiết bị cánh tàu cánh ngầm [1]. Đối với thiết bị chân vịt tàu thủy hiện tượng xâm thực<br /> làm giảm lực đẩy [6]. Kết quả gây ra tổn thất hiệu suất làm việc của thiết bị.<br /> Tàu cánh ngầm là một loại tàu có thiết kế đặc biệt với cánh được đặt phía dưới thân tàu. Khi<br /> tàu tăng tốc, các cánh ngầm có hình dạng khí động học đặc biệt tạo ra lực nâng để nâng thân tàu<br /> lên khỏi mặt nước. Từ đó giảm đáng kể lực cản tác dụng lên thân tàu, làm gia tăng tốc độ của tàu.<br /> Tuy nhiên, khi vận hành ở đường nước khai thác (ĐNKT), cánh tàu cánh ngầm ở vị trí gần mặt<br /> thoáng do đó hiện tượng xâm thực dễ dàng xảy ra và có ảnh hưởng trực tiếp tới đặc tính thủy động<br /> học tác dụng lên cánh cũng như đặc tính khai thác của loại tàu này.<br /> <br /> Hình 1. Bố trí chung tàu cánh ngầm và kích thước cánh<br /> <br /> Đã có nhiều công trình nghiên cứu được thực hiện để chỉ ra ảnh hưởng của xâm thực tới các<br /> thiết bị cánh tàu cánh ngầm. Khi hiện tượng xâm thực xảy ra, hệ số lực nâng và hệ số lực cản tăng<br /> cùng với việc tăng kích thước của vết xâm thực cho tới khi đạt tới kích thước lớn nhất của vết xâm<br /> thực, tuy nhiên các hệ số này cũng giảm nhanh chóng khi các bọt khí xâm thực tan vỡ. Nhóm tác<br /> giả J Yang đã đưa ra được ảnh hưởng của xâm đến sự thay đổi đặc tính lực nâng và lực cản khi<br /> <br /> Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải<br /> <br /> Số 57 - 01/2019<br /> <br /> 63<br /> <br /> CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019<br /> xâm thực hình thành trên cánh [1]. Mohammad shakil Ahmmed cùng với nhóm nghiên cứu đã tiến<br /> hành đánh giá ảnh hưởng của xâm thực tới cánh có biên dạng NACA0012 [2], khi xâm thực xảy ra<br /> ở các góc nâng với gia trị vận tốc khác nhau thì hệ số lực cản và hệ số lực nâng thay đổi, từ đó làm<br /> ảnh hưởng tới hiệu suất khai thác.<br /> Từ những nghiên cứu trên về ảnh hưởng của xâm thực tới thiết bị dạng cánh, bài viết này tập<br /> trung nghiên cứu ảnh hưởng của dòng xâm thực gần mặt thoáng đối với thiết bị cánh mũi tàu cánh<br /> ngầm dạng 3D bằng phương pháp số để chỉ ra ảnh hưởng của dòng xâm thực làm thay đổi hệ số<br /> lực cản CD và hệ số lực nâng CL với góc nghiêng của cánh là  = 8o và  = 10o cùng với sự thay đổi<br /> số xâm thực .<br /> 2. Cơ sở lý thuyết và mô hình xâm thực<br /> Cơ sở lý thuyết về lớp biên và sự tách thành lớp biên với vật thể dạng profile cánh [4]<br /> Mô hình xâm thực hai pha gồm pha nước (water phase) và pha hơi (vapour phase) được sử<br /> dụng trong quá trình tính toán với nhiệt độ là 25oC.<br /> Phương trình liên tục và phương trình động lượng cho dòng nhiều pha:<br /> <br />     u j <br /> <br /> 0<br /> t<br /> x j<br /> <br />    ui     ui u j <br /> p p<br /> <br /> <br /> <br /> t<br /> x j<br /> x i x i<br /> <br /> (1)<br /> <br /> <br />  u u j 2 ui  <br /> <br />  ij  <br />    l   i <br /> <br /> <br /> x<br /> <br /> x<br /> 3<br /> <br /> x<br /> <br /> i<br /> j<br />  j<br /> <br /> <br /> (2)<br /> <br /> , u, p là khối lượng riêng chất lỏng, vận tốc và áp suất;<br />  và l là hệ số nhớt động học và hệ số nhớt rối.<br /> Phương trình chuyển pha từ pha lỏng sang pha hơi:<br /> Trong đó:<br /> <br />    fv <br /> v v<br />   v v u    f v u <br />  R e  Rc<br /> t<br /> t<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (3)<br /> <br /> Với Ce = 0,02 và Cc = 0,01và ứng suất bề mặt  = 0,0717 N/m<br /> <br /> <br /> <br /> p  pv<br /> L<br /> D<br /> ; Cl <br /> ; CD <br /> 2<br /> 2<br /> 0.5 V<br /> 0.5 V A<br /> 0.5 V 2 A<br /> <br /> (4)<br /> <br /> 3. Xây dựng mô hình và điều kiện biên của bài toán<br /> <br /> Hình 2. Mô hình tính toán<br /> L x h x b =15 x 6 x 10 (m)<br /> <br /> Hình 3. Chia lưới vùng không<br /> gian tính<br /> <br /> Hình 4. Chia lưới cánh tính toán<br /> <br /> Mô hình dòng rối k- với số Reynolds trung bình Navier - Stokes (RANS) được sử dụng kết<br /> hợp với mô hình xâm thực Singhal. Mô hình tính toán với phương trình xâm thực Rayleigh-Plesset<br /> đươc ứng dụng cho bài toán mô phỏng xâm thực ổn định. Loại lưới tứ diện không cấu trúc được sử<br /> dụng với kích thước cỡ lưới nhỏ nhất là 3,5mm và cỡ lớn nhất là 100mm. Lưới được chia từ trong<br /> ra ngoài. Sau khi chia lưới, không gian tính bao gồm 916.445 phần tử và 160.585 nút lưới.<br /> Điều kiện biên bài toán được thiết lập:<br /> - Mô hình xâm thực: k-; cavitation;<br /> - Trao đổi nhiệt: None;<br /> o<br /> - Vật liệu: water phase, temperature 25 C; water vapour phase, temperature 25oC;<br /> - Thiết lập điều kiện biên:<br /> + Inlet: vận tốc dòng, Vinlet (m/s):<br /> + Outlet: Áp suất, Poutlet = 106.348Pa;<br /> <br /> 64<br /> <br /> + Open: Áp suất tại mặt thoáng 101.325Pa;<br /> + Tiêu chuẩn hội tụ: 10-4.<br /> <br /> Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải<br /> <br /> Số 57 - 01/2019<br /> <br /> CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019<br /> 4. Kết quả tính toán và đánh giá<br /> Dưới đây là kết quả thể hiện hệ số lực cản C D và hệ số lực nâng CL ứng với giá trị số xâm<br /> thực  khác nhau.<br /> <br /> Hình 5. Hệ số lực cản CD và hệ số lực nâng CL<br /> <br /> Hình 6. Phân bố pha hơi trên cánh  = 8o<br /> <br /> Hình 7. Phân bố pha hơi trên cánh  = 10o<br /> <br /> Khi hiện tượng xâm chưa xảy ra trên bề mặt cánh thì đặc tính thủy động lực học tác dụng lên<br /> cánh hoàn toàn phụ thuộc vào kích thước hình học của cánh và góc nghiêng . Tuy nhiên khi ở<br /> những dải vận tốc lớn hơn thì trên bề mặt cánh xuất hiện những bọt khí xâm thực và kích thước vết<br /> xâm thực này phát triển nhanh chóng khi vận tốc tăng đến giá trị thích hợp. Lúc này đặc tính về lực<br /> nâng và lực cản tác dụng lên cánh còn phụ thuộc vào sự phát triển kích thước vết xâm thực. Hình<br /> 5 chỉ ra sự phân bố lực thủy động học tác dụng lên cánh qua hệ số lực cản CD và hệ số lực nâng CL<br /> ứng với góc nghiêng khảo sát  = 8o và  = 10o cùng với sự thay đổi của số xâm thực .<br /> <br /> Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải<br /> <br /> Số 57 - 01/2019<br /> <br /> 65<br /> <br /> CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019<br /> <br /> Hình 8. Phân bố pha hơi trên tiết diện ngang cánh  = 8o<br /> <br /> Hình 9. Phân bố pha hơi trên tiết diện ngang cánh  = 10o<br /> <br /> Phân bố thể tích pha hơi trên bề mặt vật thể được thể hiện qua Hình 6 và Hình 7. Ứng với số<br /> xâm thực  = 0,89 bọt khí xâm thực mới bắt đầu được hình thành trên bề mặt cánh, tuy nhiên khi số<br /> xâm thực giảm xuống đồng nghĩa tăng vận tốc thì kích thước vết bọt khí xâm thực tăng nhanh và bao<br /> phủ toàn bộ bề mặt cánh khi số xâm thực  = 0,42. Quá trình phát triển kích thước vết xâm thực trên<br /> cánh được thể hiện rõ nét thông qua Hình 8 và Hình 9. Kích thước vết xâm thực phát triển và bao phủ<br /> toàn bộ bề mặt trên của cánh khi vận tốc đạt tới giá trị nhất định. Bọt khí xâm thực hình thành và mất<br /> đi chính là nguyên nhân gây ra sự thay đổi đặc tính lực cản và lực nâng tác dụng lên cánh.<br /> 5. Kết luận<br /> Khi hiện tượng xâm thực xảy ra, các phần tử bọt khí xâm thực hình thành và mất đi mang tính<br /> chu kỳ chính là nguyên nhân gây ra sự thay đổi đặc tính lực nâng và lực cản từ môi trường tác dụng<br /> lên cánh, từ đó ảnh hưởng tới đặc tính khai thác của tàu cánh ngầm. Ngoài ra xâm thực cũng là<br /> nguyên nhân chính dẫn đến sự phá hủy lớp bề mặt vật liệu của cánh gây ra hiện tượng rỗ bề mặt<br /> và làm cho lực cản ma sát tăng, ảnh hưởng tới kết cấu cánh,...<br /> Đặc tính xâm thực cũng được chỉ ra khi tăng vận tốc và tăng giá trị góc nghiêng của cánh. Kết<br /> quả tính toán đã đưa ra mối quan hệ giữa số xâm thực  và kích thước vùng phân bố pha hơi.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1] J Yang et al., The effect of cavitation on the hydrofoil dynamic characteristics, International<br /> conference on Pumps and Fans with compressors and wind turbines, Vol. 52, Issue 1, 2013.<br /> [2] Mohammad Shakil Ahmmed et al., Numerical study of periodic cavitating flow aroud<br /> NACA0012 hydrofoil, International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, Vol.<br /> 7, Issue 5, September 2012, pp. 81-87.<br /> [3] Guanghao Chen., Numerical study on the influence of interphase interaction in sheet/cloud<br /> cavitating flows around a 2D hydrofoil, Journal of mechanic science and technology, Vol. 29,<br /> Issue 3, pp.1075-1083, 2015.<br /> [4] TS. Hoàng Thị Bích Ngọc, Lý thuyết lớp biên và phương pháp tính, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1999.<br /> [5] TS. Cổ Tấn Anh Vũ, Nghiên cứu ảnh hưởng của xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu tủy, 2018<br /> [6] TS. Lê Thị Thái, Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy, 2013.<br /> Ngày nhận bài:<br /> Ngày nhận bản sửa:<br /> Ngày duyệt đăng:<br /> <br /> 66<br /> <br /> 29/12/2018<br /> 14/01/2019<br /> 18/01/2019<br /> <br /> Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải<br /> <br /> Số 57 - 01/2019<br /> <br />