Phương pháp chia lưới tự động cho bài toán mô phỏng chân vịt của tàu thủy

27<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016<br /> <br /> <br /> PHƯƠNG PHÁP CHIA LƯỚI TỰ ĐỘNG CHO BÀI TOÁN MÔ<br /> PHỎNG CHÂN VỊT CỦA TÀU THỦY<br /> AUTOMATIC MESH GENERATION FOR NUMERICAL MODELLING AND<br /> SIMULATION OF SHIP PROPELLER<br /> <br /> Bùi Khắc Huy, Phan Quốc Thiện, Ngô Khánh Hiếu<br /> Bộ môn Kỹ thuật Hàng không, Trường Đại học Bách khoa<br /> thanhkhac_1988@yahoo.com, phanquocthien@gmail.com, ngokhanhhieu@hcmut.edu.vn<br /> <br /> Tóm tắt: Chân vịt là bộ phận trực tiếp tạo nên lực đẩy cho tàu thuyền hoạt động, do đó đặc tính<br /> của chân vịt cần phải được nghiên cứu kĩ. Để có được đặc tính của chân vịt thì mô phỏng số là<br /> phương pháp đơn giản và kinh tế nhất. Tuy nhiên muốn được có một lời giải chính xác từ phương<br /> pháp mô phỏng số thì phải xem xét ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó lưới là một yếu tố cực kì<br /> quan trọng. Để có một lưới tốt thích hợp với mô hình tính thì phải xét đến loại lưới, miền lưới, phân<br /> bố và độ mịn của lưới, khoảng cách lớp biên… Trong bài viết này chúng tôi sẽ đưa ra cách thức chia<br /> lưới tự động trên OpenFoam cho bài toán mô phỏng chân vịt hướng đến tối ưu kết quả mô phỏng. Đây<br /> là phương pháp chia lưới không đòi hỏi nhiều kĩ năng về CAD nhờ đó giúp rút ngắn thời gian chia<br /> lưới cho bài toán mô phỏng.<br /> Từ khóa: Mô phỏng số, đặc tính thủy động của chân vịt, lưới cho chân vịt.<br /> Abstract: Ship propellers are parts directly create thrust for vessels, so its characteristics need to<br /> be researched. To obtain the characteristics of a ship propeller, the numerical simulation method is<br /> simple and economical. But in order to have an appropriate interpretation of the numerical simulation<br /> methods, they must consider the impact of many factors, of which the mesh generation is one<br /> extremely important factor. To have a good mesh generation suited for the calculation model should<br /> consider the type of mesh, grid domain, distribution and fineness of the mesh, distance boundary<br /> layer... In this article, we will offer an automatic meshing method on OpenFoam for simulations to<br /> optimize the ship propeller’s simulation. This method does not require much skills of CAD which helps<br /> shorten the time meshing for simulations.<br /> Keywords: Numerical simulation, hydrodynamic properties of ship propeller, mesh generation<br /> <br /> 1. Giới thiệu phải tương ứng với phân bố của vận tốc dòng<br /> Lưới là yếu tố không thể thiếu trong việc và vận tốc quay của chân vịt.<br /> giải một bài toán mô phỏng số. Trước hết Để có một kết quả mô phỏng chính xác<br /> lưới định hình cho miền tính toán và dạng thì việc trước tiên ta phải mô hình hóa được<br /> hình học của vật thể được nghiên cứu. Mỗi hình học của đối tượng cần khảo sát (trong<br /> bước giải của phương pháp số đều tính trên trường hợp này là chân vịt tàu thủy) trên máy<br /> các phần tử của lưới. Và các biên lưới là nơi tính một cách chính xác nhất so với hình học<br /> đặt các điều kiện biên mô tả các tính chất vật thật của vật thể. Theo đó, với các thông số<br /> lý của vật thể và môi trường tác động lên lưu đặc trưng hình học của chân vịt khảo sát<br /> chất trong miền. Do đó lưới quyết định tốc được nếu chân vịt khảo sát tuân theo một<br /> độ hội tụ của bài toán, độ chính xác của chuẩn thiết kế phổ biến hiện có thì hoàn toàn<br /> phương pháp rời rạc hóa và thuật giải, thời có thể đánh giá được tổng thể đặc trưng hoạt<br /> gian thực thi của máy tính. động của nó. Tuy nhiên với kỹ thuật gia công<br /> Để có một lưới tốt thì cần phải xem xét chân vịt dựa trên các phương pháp truyền<br /> các yếu tố sau: mật độ và phân bố lưới, dạng thống như đúc, mài… hiện nay thì việc đảm<br /> phần tử, độ xiên lệch (skewness), tỉ lệ của bảo được sự tuân thủ đặc tính hình học theo<br /> diện tích và thể tích của cell (aspect ratio), một chuẩn thiết kế hiện có là rất khó. Điều<br /> tính chất và phân bố lớp biên. Và để thỏa này dẫn đến nhu cầu đánh giá lại đặc tính<br /> mãn các yêu cầu về lưới cho bài toán mô hoạt động của chân vịt thực tế hoặc bằng<br /> phỏng chân vịt tàu thủy thì phân bố của lưới thực nghiệm, hoặc bằng phương pháp tính<br /> toán mô phỏng số. Đối tượng đề cập trong<br /> 28<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016<br /> <br /> <br /> bài viết này là mô hình chia lưới tự động phù Để hạn chế các ảnh hưởng của biên thì<br /> hợp cho chân vịt tàu thủy phục vụ bài toán lưới có kích thước tối thiểu như hình 2.<br /> mô phỏng số để đánh giá đặc tính hoạt động Khoảng cách tối thiểu từ biên dòng đi vào<br /> của chân vịt thực tế. đến chân vịt là 3D (với D là đường kính của<br /> Mẫu chân vịt tàu thủy áp dụng trong bài chân vịt), khoảng cách tối thiểu từ chân vịt<br /> viết là một chân vịt ba lá cánh bằng đồng có đến biên mà dòng đi ra là 4D và đường kính<br /> đường kính 400 mm hiện dùng khá phổ biến tối thiểu của miền ngoài là 4D cho lưới hình<br /> cho các tàu thủy nội địa. Hình 1.a thể hiện trụ có trục là trục của chân vịt [4].<br /> hình ảnh thực tế của mẫu chân vịt tàu thủy<br /> được chọn là đối tượng khảo sát, Hình 1.b là<br /> hình học 3D của mẫu chân vịt này sau khi sử<br /> dụng phương pháp khảo sát biên dạng không<br /> tiếp xúc với thiết bị NextEngine 3D Scanner<br /> và xử lý dữ liệu đám mây điểm quét với phần<br /> mềm đồ họa 3D chuyên dụng. Các kết quả<br /> phân tích từ [1] cho thấy mẫu chân vịt này có Hình 2. Kích thước tối thiểu của toàn miền lưới<br /> đặc trưng hình học khá tương đồng với chuẩn<br /> thiết kế Wageningen B3.60 [2][3] ở hai tiêu Miền quay chứa toàn bộ chân vịt bên<br /> chí là phân bố của tỉ số (c/D).(Z/AE/AO) và trong và có cùng trục quay với chân vịt và có<br /> phân bố của tỉ số a/c theo vị trí bán kính kích thước tối thiểu được mô tả như hình 3.<br /> (r/R). Tuy nhiên, tiêu chí phân bố của tỉ số Không để miền quay quá nhỏ sẽ thiếu chính<br /> b/c theo r/R lại sai biệt khá lớn. Do đó, để có xác do ảnh hưởng của xoáy lớn khi càng gần<br /> thể đánh giá được đặc tính hoạt động của chân vịt. Tuy nhiên nếu kích thước miền<br /> chân vịt này, mô hình 3D của nó (xem Hình quay quá lớn sẽ làm tăng thời gian tính toán.<br /> 1.b) sẽ được sử dụng để tạo lưới cho bài toán Điều kiện biên có thể thiết lập như hình 4<br /> mô phỏng số. và dựa vào đó để tách biên cho lưới.<br /> Ở các phần tiếp theo của bài viết, trình tự<br /> xây dựng mô hình lưới cho chân vịt khảo sát<br /> với công cụ tạo lưới tự động của OpenFoam<br /> sẽ được mô tả chi tiết.<br /> 2. Phương pháp chia lưới tự động cho<br /> hình học 3D của chân vịt tàu thủy<br /> 2.1. Xây dựng miền mô phỏng cho Hình 3. Kích thước tối thiểu của miền quay<br /> chân vịt tàu thủy<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Chân vịt tàu thủy nội địa phổ biến trong nước<br /> Hình 4. Các biên của miền mô phỏng của chân vịt<br /> Để mô phỏng chân vịt tàu thủy thì<br /> 2.2. Tạo lưới cho hình học 3D của<br /> phương pháp số yêu cầu phân chia lưới thành<br /> chân vịt tàu thủy với OpenFOAM<br /> hai miền riêng biệt để áp vào các hệ tham<br /> chiếu khác nhau. Hai miền này sẽ có một OpenFOAM [5] hỗ trợ chia lưới với<br /> miền quay chứa chân vịt và một miền không phần tử có thể với hình dạng bất kì. Một<br /> quay cho phần không gian còn lại. Và như phần tử lưới chia bởi OpenFOAM có thể có<br /> vậy sẽ xuất hiện một mặt biên chung giữa hai số mặt tùy ý và mỗi mặt có thể có số cạnh<br /> miền lưới này. tùy ý. Hình dạng tự do của phần tử lưới tạo<br />  29<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016<br /> <br /> <br /> cho OpenFOAM khả chia lưới linh hoạt và sở nên có dạng càng gần dạng lập phương<br /> lưới có thể bao quanh hình dạng bất kì. Điều càng tốt. Kích thước mỗi cạnh phần tử lập<br /> này khiến cho việc chia lưới chân vịt trở nên phương vào khoảng 0.1D đến 0.3D. Nếu<br /> dễ dàng và tiết kiệm thời gian hơn vì bản kích thước phần tử cơ sở càng nhỏ thì lưới<br /> thân hình học của chân vịt khá phức tạp. Tuy lớn và thời gian tạo lưới cũng như tính toán<br /> nhiên sẽ khó khăn để điều khiển các tính chất cũng sẽ lâu hơn.<br /> của lưới do quá trình chia lưới là hoàn toàn<br /> tự động theo các thông số điều khiển mà<br /> người dùng đặt vào.<br /> Các bước chia lưới tự động bằng<br /> OpenFOAM:<br /> 2.2.1. Chuẩn bị hình học<br /> Để định hình các miền lưới thì trước tiên<br /> cần đưa vào các bề mặt định dạng .stl hoặc Hình 6. Quá trình bắt lưới từ lưới cơ sở<br /> .obj. Trong bài báo này định dạng .stl được 2.2.3. Bắt hình học và chia lưới tự<br /> sử dụng vì định dạng này phổ biến và hầu động bằng snappyHexMesh<br /> như phần mềm CAD đều hỗ trợ xuất hình<br /> Có 3 phần chính mô tả quá trình tạo lưới<br /> học ở định dạng này. Để OpenFOAM đọc<br /> tự động với OpenFOAM bằng module<br /> được thì định dạng .stl phải như bên dưới:<br /> snappyHexMesh là xây dựng lưới, bắt hình<br /> solid name<br /> facet normal ni nj nk học và tạo lớp biên. Các đặc trưng của lưới<br /> outer loop được mô tả trong file system/<br /> vertex v1x v1y v1z snappyHexMeshDict có định dạng như sau:<br /> vertex v2x v2y v2z<br /> vertex v3x v3y v3z castellatedMesh true;<br /> endloop snap true;<br /> endfacet addLayers true;<br /> endsolid name geometry<br /> {<br /> Như mô tả trên hình 5, các bề mặt file_name.stl<br /> OuterCylinder bao phủ toàn miền tính và { type triSurfaceMesh;<br /> name file_name; }<br /> InnerCylinder phân định miền quay và miền zone_name.stl<br /> không quay. Chân vịt cũng được nhận diện { type triSurfaceMesh;<br /> bằng một bề mặt dạng .stl hoặc .obj và nằm name file_name; }}<br /> castellatedMeshControls<br /> gọn trong InnerCylinder. Kích thước và vị trí { ...global properties...<br /> của các bề mặt này thỏa mãn các kích thước features<br /> về miền tính toán đã đề cập ở phần trên. (<br /> { file "edge_name.eMesh";<br /> level integer_number;});<br /> refinementSurfaces<br /> { surface_name<br /> { level (min max);}<br /> zone_name<br /> { level (min max);<br /> cellZone zone_name;<br /> Hình 5. Các bề mặt hình học cần có cho miền lưới faceZone zone_name;<br /> của chân vịt celZoneInside inside;}}<br /> resolveFeatureAngle phi;<br /> 2.2.2. Tạo lưới cơ sở bằng blockMesh refinementRegions<br /> Công cụ blockMesh trong OpenFOAM { surface_name.stl<br /> { mode distance;<br /> được sử dụng để tạo ra một lưới cơ sở để đựa levels ( (distance1 level1)<br /> vào đó các bước nhận dạng hình học và làm (distance2 level2));}<br /> mịn lưới. Lưới cơ sở có dạng như hình 6 (a) zone_name<br /> { mode inside;<br /> vừa chứa phần OuterCyliner bên trong và có levels ((min max));}}<br /> các phần tử lưới rất thô. Các phần tử lưới cơ locationInMesh (x y z);<br /> allowFreeStandingZoneFaces false;}<br /> 30<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016<br /> <br /> snapControls Rex là số Reynolds tương ứng chiều dài<br /> { ...snap control parameters ...}<br /> addLayersControls x.<br /> { layers Do dạng hình học của chân vịt khá phức<br /> { "boundary_name"<br /> { nSurfaceLayers n;}}<br /> tạp nên việc chia lưới tự động không đảm<br /> ...layerProperties ...} bảo lớp biên sẽ được tạo ra trên toàn bộ diện<br /> meshQualityControls tích. Do đó kích thước nhỏ nhất của phần tử<br /> { ...mesh quality control parameter ...}<br /> debug ...;<br /> lưới trong trường hợp này nên tương đương<br /> mergeTolerance ...; với kích thước của bề dày lớp biên để cho<br /> Quá trình bao gồm làm mịn các vùng ứng xử của dòng gần bề mặt chân vịt thỏa<br /> lưới theo cấp độ định trước, cắt các phần tử mãn các giới hạn của mô hình tường (wall<br /> và kéo giãn lưới cho khớp với các mặt hình function). Dựa trên kích thước này có thể<br /> học đưa vào và tạo lớp biên. Một cách đơn tính toán để đưa ra cấp độ làm mịn phù hợp<br /> giản có thể tạo lưới với hai vùng tách biệt từ lưới cơ sở. Theo đó, tại các góc cạnh đại<br /> như lưới ở hình 7 (a). Tuy nhiên đằng sau diện cho hình học của chân vịt mà cần giữ<br /> chân vịt, dòng rất rối do đó yêu cầu lưới phải đúng hình học thì lưới cũng cần được chia<br /> được chia mịn hơn. Do đó chúng tôi đề nghị mịn như trên hình 8.<br /> mô hình lưới như hình 8 (b). Cách chia lưới<br /> như vậy cũng giúp cho việc chuyển lưới giữa<br /> các vùng mượt mà hơn giúp tăng độ chính<br /> xác cho kết quả mô phỏng.<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Làm mịn lưới tại các góc của chân vịt và<br /> vùng không gian gần chân vịt<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Mặt cắt toàn miền lưới của chân vịt<br /> Trên bề mặt của chân vịt thì lưới cần<br /> được chia mịn vì vận tốc quay của chân vịt<br /> tương đối lớn. Độ mịn của lưới phải thỏa<br /> mãn tính chất của lớp biên. Việc ước lượng<br /> kích thước của phần tử lưới có thể được thực<br /> hiện bằng công thức gần đúng dưới đây [6]:<br /> x U o x<br />   0.382 1/5 , Re x <br /> Re x <br /> Với:<br />  là chiều dày lớp biên;<br /> x là chiều dài đặc trưng của dòng trên<br /> chân vịt;<br /> Uo là vận tốc lớn nhất khi so sánh vận<br /> tốc dòng tự do và vận tốc dài của đầu mút<br /> chân vịt;<br />  là khối lượng riêng của chất lỏng;  là<br /> Hình 9. Các thông số khi kiểm tra lưới<br /> độ nhớt động lực học của chất lỏng;<br />  31<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016<br /> <br /> <br /> Lưới sau khi tạo thỏa mãn hầu hết các và công nghệ, Đại học Quốc gia Tp.<br /> tiêu chuẩn lưới của OpenFOAM (xem hình HCM, K7-2015, 110-116.<br /> 9) và sẵn sàng để chạy bài toán mô phỏng với [2] J.S. Carlon (1994), Marine Propeller<br /> chính chương trình mã nguồn mở này. and Propulsion, Butterworth –<br /> 3. Kết luận Heinemann Ltd.<br /> Trong bài báo này, trình tự cơ bản nhất [3] Nguyễn Đức Ân, Nguyễn Bân (2005),<br /> của việc tạo lưới tự động với chương trình Lý thuyết tàu thủy (tập 2), Hà Nội, NXB.<br /> OpenFOAM đã được đưa ra thông qua mô Giao thông vận tải.<br /> hình 3D của mẫu chân vịt tàu thủy nội địa. [4] S. Subhas, V F Saji, S. Ramakrishna and<br /> Phương pháp tạo lưới tự động có rất nhiều H. N Das (2012), CFD Analysis of a<br /> thông số cần phải điều khiển nên không thể Propeller Flow and Cavitation,<br /> làm chủ hết tất cả quá trình chia lưới. Tuy International Journal of Computer<br /> nhiên với cách thức như bài báo vừa nêu việc Applications (0975-8887), Volume 55.<br /> có thể tạo ra một lưới tốt thỏa mãn các tiêu<br /> [5] DFM Europe, DOFI User Guide.<br /> chuẩn và vẫn đảm bảo được các tính chất về<br /> hình học và động học chất lỏng là hoàn toàn [6] Schlichting, H. (1979), Boundary-Layer<br /> có thể. Sau khi có các kết quả mô phỏng thì Theory, McGraw Hill, New York,<br /> việc chia lưới sẽ được phát triển để có những U.S.A.<br /> đánh giá chi tiết hơn. [7] Bùi Khắc Huy, Khảo sát đặc tính lực<br /> Lời cảm ơn đẩy chân vịt của tàu sông nhỏ, báo cáo<br /> luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật<br /> Công trình được thực hiện tại Trường<br /> Hàng không, Trường Đại học Bách<br /> Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành<br /> khoa, Đại học Quốc gia Tp. HCM,<br /> phố Hồ Chí Minh thông qua đề tài nghiên<br /> 01/2016.<br /> cứu cấp Đại học Quốc gia loại B năm 2015<br /> (mã số: B2015-20-01)  Ngày nhận bài: 22/12/2015<br /> Ngày chấp nhận đăng: 06/01/2016<br /> Tài liệu tham khảo<br /> Phản biện: PGS.TS. Vũ Ngọc Bích<br /> [1] Ngô Khánh Hiếu, Lê Tất Hiển (2015),<br /> Đặc trưng hình học và đặc tính thủy ThS. Lê Văn Toàn<br /> động lực chân vịt phương tiện thủy nội<br /> địa cỡ nhỏ, Tạp chí Phát triển khoa học<br />