Chương 1. Tổng quan về dòng chảy có tạo bọt hơi Chương 2. Phương pháp đo đạc thực nghiệm khoang hơi Chương 3. Bước đầu nghiên cứu thực nghiệm khoang hơi Các kết quả chính được tóm tắt trong phần Kết luận và kiến nghị.
Các công trình đã công bố liên quan đến luận văn. Phần Phụ lục là mã macro xây dựng trong phần mềm ImageJ để vẽ hình dạng khoang hơi và thu nhận các kích thước khoang hơi. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 13 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ DÒNG CHẢY CÓ TẠO BỌT 1.1 Giới thiệu Trong thực tế chúng ta thường bắt gặp các thiết bị chuyển động dưới nước như tàu ngầm, ngư lôi, đạn bắn trong nước, v. Các thiết bị này thường bị giới hạn bởi tốc độ, nguyên nhân chính là do lực cản ma sát trên toàn bề mặt của chúng.
Khi một vật chuyển động trong chất lỏng sẽ xuất hiện một lớp chất lỏng bám trên bề mặt vật. Sự tương tác này gây ra lực cản trên toàn bề mặt của vật thường được gọi là ma sát cản bề mặt. Lực cản trong nước gồm hai thành phần cản ma sát và cản áp lực. Trong thực tế, nước sinh ra lực cản gấp 1000 lần không khí.
Trong các ứng dụng thì tốc độ càng cao là điều mà chúng ta mong muốn. Tuy nhiên tốc độ cao không có được chỉ bằng cách tinh giản vật thể hoặc cải thiện các động cơ đẩy. Những giải pháp này cung cấp một số cải tiến về tốc độ nhưng không làm giảm đáng kể ma sát cản bề mặt. Một sự cải tiến vượt bậc về tốc độ và giảm đáng kể ma sát cản bề mặt là thông qua supercavitation (hiện tượng tạo khoang hơi).
Supercavity (khoang hơi) xuất hiện khi một vật chuyển động trong chất lỏng với vận tốc đủ lớn, áp suất chất lỏng giảm xuống dưới áp suất hơi bão hòa và tại đó mật độ chất lỏng rất thấp, ở dạng giống như hơi. Nói cách khác, nếu áp lực không đủ lớn để liên kết giữa các phân tử lỏng với nhau, chúng sẽ bị phân tách và hóa hơi. Khoang hơi có thể bao trọn toàn bộ vật [26]. Trong dòng chảy có khoang hơi, chất lỏng không tiếp xúc trực tiếp với bề mặt của vật, đây là nguyên nhân làm giảm đáng kể ma sát cản bề mặt.
Vì thế, mà khoang hơi được khai thác triệt để nhằm duy trì được tốc độ cao và lực cản thấp nhất. Một ví dụ về khoang hơi xung quanh một vật chuyển động trong nước như được chỉ ra trong Hình 1.1 Khoang hơi quanh một ngư lôi chuyển động trong nước Hiện tượng tạo khoang hơi là một hiện tượng rất hữu ích cho việc giảm cản nhớt đối với các thiết bị chuyển động dưới nước. Khi khoang hơi chiếm một TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 14 phần cơ thể vật thì việc điều khiển hướng, vận tốc cũng như quỹ đạo của vật phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của khoang hơi. Những đặc trưng của dòng có tạo khoang hơi sẽ được trình bày cụ thể trong Chương này.
Phần đầu giới thiệu về sự tạo bọt (cavitation) và sự hình thành khoang hơi (supercavitation), các khái niệm và định nghĩa về hiện tượng tạo bọt hơi, phân loại các dạng bọt hơi. Phần hai giới thiệu về sự tạo bọt hơi trong chất lỏng thực gồm: các chế độ tạo bọt, áp suất hơi, các đặc trưng khi có khoang hơi của dòng tạo bọt, các tác động về nhiệt độ và các tham số liên quan đến quá trình hình thành khoang hơi. Phần ba điểm lại các nghiên cứu trước đây, đặc biệt là các nghiên cứu bằng thực nghiệm. Cuối cùng đi đến kết luận về hướng nghiên cứu của luận văn.2 Hiện tƣợng tạo bọt hơi (cavitation) và hiện tƣợng tạo khoang hơi (supercavitation) Hiện tượng tạo bọt hơi (tạm dịch từ: cavitation) nghĩa là xuất hiện các bọt hơi bên trong một môi trường chất lỏng ban đầu đồng nhất [9].
Hiện tượng này, xảy ra phụ thuộc vào các điều kiện khác nhau của dòng chảy. Một cách nói khác khi một chất lỏng ở nhiệt độ không đổi, áp suất của chất lỏng giảm xuống dưới áp suất hơi bão hòa. Quá trình phá vỡ một chất lỏng bằng việc giảm áp suất ở nhiệt độ không đổi như vậy được gọi là sự tạo bọt hơi. Hiện tượng này tương tự như hiện tượng sôi của nước chỉ khác nhau về cơ chế hình thành, các bong bóng khi đun sôi là do tăng nhiệt độ môi trường còn của tạo bọt hơi là làm giảm áp suất.
Hơn nữa, các bong bóng được tạo ra trong quá trình đun sôi là ổn định và chúng thoát lên bề mặt hoặc giải phóng nhiệt cho chất lỏng xung quanh. Còn các bong bóng hình thành trong quá trình tạo bọt hơi, chúng phụ thuộc vào áp suất thấp của các chất lỏng xung quanh để tồn tại. Khi áp lực của chất lỏng xung quanh tăng đến một mức độ nào đó thì các bọt này vỡ đột ngột và biến mất. Dòng bọt hơi thường được mô tả bởi số xâm thực.
Số xâm thực là đại lượng đặc trưng cho kích thước bọt được trình bày trong mục 1. Các bọt hơi được quan sát thấy trong các hệ thống đẩy và các động cơ điện như máy bơm, vòi phun, trong ống hẹp, xung quanh các vật chuyển động như cánh quạt của tàu ngầm, chân vịt, v. Ngay cả trong chất lỏng tĩnh, khi một trường áp suất dao động đặt lên một bề mặt chất lỏng, các bọt bong bóng có thể xuất hiện nếu biên độ dao động của áp suất là đủ lớn [9]. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 15 Dựa vào điều kiện và cấu trúc hình học của dòng chảy ta có thể quan sát được các kiểu tạo bọt khác nhau, mỗi kiểu lại có đặc trưng riêng.
Có 5 kiểu chính được mô tả tóm tắt dưới đây [28]: - Các bọt di chuyển (traveling cavitation) gồm các bọt riêng rẽ hình thành và di chuyển trong chất lỏng, chúng được quan sát thấy trên các tàu cánh ngầm. Các bọt di chuyển này xuất hiện thành một mảng.2a minh họa các bọt di chuyển trên một tàu cánh ngầm. Sự trào ngược của các đám mây bọt theo một chu kỳ là cơ chế hình thành nên các đám mây bọt, hình minh họa cho trường hợp này Hình 1. - Các mảng bọt (sheet cavitation) hay các rãnh bọt tĩnh và ổn định.
Hiện tượng này được chỉ ra trong Hình 1. Sự tương tác giữa pha lỏng và pha hơi có thể ở dạng phẳng, trong suốt hoặc có hình dạng sôi tại bề mặt. Hơi chất lỏng trở thành các gợn sóng và vỡ ra tại vùng đóng kín của các bọt khí. Tại vùng hạ lưu nơi tồn tại các xoáy lớn chiếm ưu thế bởi các cụm bọt.
- Hiện tượng tạo khoang hơi (Supercavitation) xuất hiện khi mảng bọt lớn lên bao trọn lấy vật. Người ta mong muốn đạt được khoang hơi để làm giảm lực cản nhớt đối với các thiết bị hoạt động ở dưới nước với tốc độ cao. Một kiểu giảm lực nhớt khác như tăng lực nâng bằng cách tạo ra khoang khí tại mặt trên ở cùng một áp suất.2d là khoang hơi của cánh ngầm. - Các xoáy bọt (vortex cavitation) xuất hiện tại các đỉnh của các cánh quay như Hình 1.
Các bọt này hình thành tại tâm của các xoáy trong vùng trượt cao. Dạng bọt này không bị hạn chế bởi các cánh quay. Nó có thể xảy ra tại vùng phân tách ở bất kỳ vị trí nào của vật. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Các hình thái bọt hơi Khoang hơi xuất hiện bằng hai cách: 1.
Khi tốc độ của vật đủ lớn làm hóa hơi nước xung quanh vật gọi là khoang hơi tự nhiên. Người ta cung cấp liên tục khí xung quanh vật ở áp suất gần với áp suất của môi trường xung quanh gọi là khoang hơi nhân tạo. Ba giai đoạn hình thành và phát triển của một khoang hơi: 1. Khoang hơi bắt đầu xuất hiện tại mũi tiếp xúc giữa vật và chất lỏng.
Khoang hơi phát triển bao trọn một phần vật, vận tốc của vật tiếp tục tăng lên. Khoang hơi lớn nhất bao trọn vật thể và giữ được ổn định. Khi vật được bao trọn bởi một khoang hơi như vậy chỉ mũi của nó là tiếp xúc với nước ở dạng lỏng, dẫn đến ma sát bề mặt giảm. Khi khoang hơi xuất hiện, vật đạt được tốc độ cao hơn rất nhiều so với vật khi chưa có khoang hơi với cùng một lực đẩy.
Do khi khoang hơi xuất hiện thì vật như đang chuyển động trong môi trường không khí. Và khi vật giảm tốc độ thì kích thước khoang giảm và dần biến mất. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1 Áp suất hơi Khái niệm về áp suất hơi được xem là đáng tin cậy nhất là quan điểm nhiệt động lực học cổ điển. Trong biểu đồ pha cho ở dưới (Hình 1.3) chỉ ra rằng đường cong xuất phát từ điểm phân ba tới điểm tới hạn C phân tách vùng chất lỏng và vùng hơi.
Qua đường cong đó biểu diễn sự chuyển đổi pha khả nghịch ở trạng thái tĩnh (hay trạng thái cân bằng), tức là sự bay hơi hay ngưng tụ của chất lỏng ở áp suất hơi là hàm của nhiệt độ T. Vì thế, sự tạo bọt trong chất lỏng có thể được thực hiện bằng cách giảm áp suất ở nhiệt độ không đổi trong dòng chảy thực. Từ đó sự tạo bọt giống như sự đun sôi, ngoại trừ cơ chế hình thành không phải là thay đổi nhiệt độ mà là thay đổi áp suất, thường được điều khiển bằng các dòng chảy động lực học [9]. Trong hầu hết các trường hợp (đặc biệt là với nước lạnh), chỉ cần một lượng nhiệt thay đổi nhỏ là đủ cho sự hình thành một thể tích bọt hơi (nguồn nhiệt cho sự bay hơi), do đó chỉ cần làm thay đổi nhiệt độ một lượng nhỏ là đủ.
Đường trong sơ đồ pha trên thực tế là đường đẳng nhiệt (xem Hình 1.3 Biểu đồ pha lỏng - hơi của nước Tuy nhiên, trong một vài trường hợp việc truyền nhiệt là cần thiết cho sự bay hơi, giống như sự chuyển pha xảy ra ở nhiệt độ T' thấp hơn nhiệt độ chất lỏng môi trường T. Sự chênh lệch nhiệt độ T-T' được gọi là nhiệt trễ trong sự tạo bọt. Độ chênh lệch nhiệt sẽ càng lớn nếu nhiệt độ môi trường càng gần với nhiệt độ tới hạn của chất lỏng. Từ những quan niệm lý thuyết thuần túy dẫn đến các giai đoạn phân biệt của sự tạo bọt: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 18 - Sự phá hủy hay tạo khoảng trống, - Lấp khoảng trống bởi hơi, - Trạng thái hơi bão hòa.
Thực tế cả ba giai đoạn này xảy ra đồng ở giai đoạn thứ 2. Đường cong (T) không phải là ranh giới tuyệt đối giữa trạng thái lỏng và hơi.