I. Mô phỏng số dòng xoáy xâm thực hơi và khí không hòa tan
Mô phỏng số là phương pháp chính được sử dụng trong nghiên cứu này để phân tích hiện tượng dòng xoáy xâm thực hơi và khí không hòa tan trong nước. Phương pháp này cho phép dự đoán các đặc tính của dòng chảy phức tạp, bao gồm sự tương tác giữa các pha và hiệu ứng nhiệt động lực học. Mô hình đồng nhất được áp dụng để mô phỏng dòng xâm thực, giả thiết các pha lỏng, hơi bão hòa và khí không hòa tan ở trạng thái cân bằng động năng và nhiệt. Phương pháp này giảm thiểu thời gian tính toán và phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp.
1.1. Phương pháp mô phỏng số
Phương pháp mô phỏng số được chia thành hai cách tiếp cận chính: mô hình 2 pha 1 chất lỏng và mô hình 2 pha 2 chất lỏng. Mô hình 2 pha 1 chất lỏng giả thiết các pha có cùng vận tốc, áp suất và nhiệt độ, giúp đơn giản hóa hệ phương trình động lực học chất lưu. Phương pháp này phù hợp cho mô phỏng dòng xâm thực với số lượng bọt khí lớn. Mô hình 2 pha 2 chất lỏng tính toán riêng biệt cho từng pha, nhưng đòi hỏi khối lượng tính toán lớn hơn.
1.2. Ảnh hưởng của khí không hòa tan
Khí không hòa tan trong nước có ảnh hưởng đáng kể đến hiện tượng xâm thực. Sự xuất hiện của khí không hòa tan làm thay đổi áp suất cục bộ và nhiệt ẩn chuyển pha, dẫn đến sự phát triển của bọt khí. Nghiên cứu chỉ ra rằng, ở nhiệt độ cao, ảnh hưởng của khí không hòa tan cần được xem xét trong thiết kế các thiết bị thủy lực.
II. Hiệu ứng nhiệt động lực học trong xâm thực
Hiệu ứng nhiệt động lực học đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hiện tượng xâm thực. Khi xâm thực xảy ra, nhiệt ẩn chuyển pha được lấy từ môi trường chất lỏng xung quanh, làm giảm nhiệt độ và áp suất hóa hơi. Hiệu ứng này làm giảm kích thước khối khí xâm thực và cải thiện hiệu suất của thiết bị thủy lực. Nghiên cứu này tập trung vào việc tích hợp hiệu ứng nhiệt động lực học vào mô hình mô phỏng để dự đoán chính xác hơn các đặc tính của dòng chảy.
2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến hiện tượng xâm thực, đặc biệt trong các chất lỏng có hệ số nhiệt động lực học cao như nước nóng. Khi nhiệt độ tăng, hiệu ứng nhiệt động lực học trở nên rõ rệt hơn, làm giảm thể tích khối khí xâm thực. Điều này cần được tính đến trong thiết kế các thiết bị thủy lực làm việc ở nhiệt độ cao.
2.2. Mô hình ngưỡng áp suất chuyển pha
Mô hình ngưỡng áp suất chuyển pha được phát triển để tính toán ảnh hưởng của xoáy và biến dạng cắt lên hiện tượng xâm thực. Mô hình này tích hợp các yếu tố như áp suất hơi bão hòa, áp suất dao động và độ nhớt động lực học của chất lỏng, giúp dự đoán chính xác hơn sự hình thành và phát triển của bọt khí xâm thực.
III. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu
Nghiên cứu này đã phát triển một mô hình mô phỏng số tích hợp ảnh hưởng của xoáy, khí không hòa tan và hiệu ứng nhiệt động lực học để mô phỏng hiện tượng xâm thực trong nước. Kết quả mô phỏng được kiểm nghiệm với các thực nghiệm và dữ liệu công bố, cho thấy tính khả thi và độ chính xác cao của mô hình. Ứng dụng của nghiên cứu này có thể hỗ trợ thiết kế và vận hành các thiết bị thủy lực, giảm thiểu tác động tiêu cực của xâm thực.
3.1. Kết quả mô phỏng dòng xâm thực
Kết quả mô phỏng dòng xâm thực qua biên dạng cánh NACA0015 được so sánh với thực nghiệm, cho thấy sự tương quan cao về phân bố áp suất và thể tích khối khí xâm thực. Điều này khẳng định tính hiệu quả của mô hình mô phỏng được phát triển trong nghiên cứu.
3.2. Ứng dụng trong công nghiệp
Mô hình mô phỏng số này có thể được áp dụng trong thiết kế các thiết bị thủy lực như bơm, tua-bin và van điều khiển, giúp giảm thiểu hiện tượng xâm thực và nâng cao hiệu suất làm việc của thiết bị.
