Luận Văn Thạc Sĩ: Mô Phỏng Tính Toán Khoang Hơi Quanh Vật Thể Chuyển Động Trong Nước

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu mô phỏng quá trình hình thành khoang hơi quanh vật thể chuyển động trong nước, thuộc lĩnh vực cơ khí.

• Tác giả: Lưu Vũ Phương Thảo
• Người hướng dẫn: GS. Dương Ngọc Hải
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật
• Đề tài: Mô Phỏng Quá Trình Hình Thành Khoang Hơi Trong Nước
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM, ĐỊNH NGHĨA
• 1.1. Khái niệm khoang hơi
• 1.2. Khái niệm áp suất hơi
• 1.3. Sự tạo bọt hơi trong chất lỏng thực và các đặc trưng riêng của dòng chảy có sự tạo bọt
• 1.4. Áp suất và gradient áp suất
• 1.5. Mặt phân cách lỏng – hơi
• 1.6. Các tham số phi thứ nguyên
• 1.6.1. Số cavitation
• 1.6.2. Hệ số áp lực
• 1.6.3. Tỉ số d/s
• 1.6.4. Số Reynolds
• 1.6.5. Hệ số cản
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ HIỆN TƯỢNG TẠO KHOANG HƠI
• 3. CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG ANSYS FLUENT ĐỂ NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TẠO KHOANG HƠI
• KẾT LUẬN
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Phỏng Quá Trình Hình Thành Khoang Hơi Trong Nước

Mô phỏng quá trình hình thành khoang hơi trong nước là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong cơ học chất lỏng. Hiện tượng này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất của các thiết bị chuyển động dưới nước mà còn có tác động lớn đến thiết kế và vận hành của chúng. Việc hiểu rõ về mô phỏng quá trình này giúp tối ưu hóa các tham số dòng chảy và giảm thiểu lực cản, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

1.1. Khái Niệm Về Khoang Hơi Trong Nước

Khoang hơi là hiện tượng xảy ra khi áp suất trong chất lỏng giảm xuống dưới áp suất hơi bão hòa, dẫn đến sự hình thành bọt khí. Hiện tượng này có thể quan sát được trong các thiết bị như chân vịt, nơi mà sự xuất hiện của khoang hơi có thể làm giảm lực cản và tăng hiệu suất.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Mô Phỏng Trong Nghiên Cứu Khoang Hơi

Mô phỏng số giúp nghiên cứu hiện tượng khoang hơi một cách hiệu quả mà không cần thực hiện thí nghiệm thực tế. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hạn chế về tài nguyên và thiết bị thí nghiệm. Các phần mềm như ANSYS Fluent cho phép mô phỏng chính xác các điều kiện dòng chảy và hình dạng vật thể.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Mô Phỏng Khoang Hơi

Mặc dù mô phỏng khoang hơi mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là độ chính xác của các mô hình mô phỏng. Các yếu tố như độ nhớt, áp suất và nhiệt độ đều ảnh hưởng đến sự hình thành khoang hơi. Việc lựa chọn mô hình phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo kết quả mô phỏng chính xác.

2.1. Độ Chính Xác Của Các Mô Hình Mô Phỏng

Độ chính xác của mô phỏng phụ thuộc vào việc lựa chọn mô hình và các giả thiết ban đầu. Các mô hình như Singhal hay Zwart-Gerber-Belamn có thể cho kết quả khác nhau tùy thuộc vào điều kiện biên và các tham số đầu vào.

2.2. Ảnh Hưởng Của Các Tham Số Vật Lý

Các tham số như độ nhớt, mật độ và áp suất có thể thay đổi đáng kể trong quá trình mô phỏng. Sự thay đổi này có thể dẫn đến những sai lệch lớn trong kết quả, do đó cần phải kiểm soát chặt chẽ các tham số này trong quá trình mô phỏng.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Quá Trình Hình Thành Khoang Hơi

Để mô phỏng quá trình hình thành khoang hơi, các nhà nghiên cứu thường sử dụng các phương pháp số như phương pháp thể tích hữu hạn. Phương pháp này cho phép phân tích chi tiết các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành khoang hơi và giúp tối ưu hóa thiết kế vật thể.

3.1. Phương Pháp Thể Tích Hữu Hạn Trong ANSYS Fluent

Phương pháp thể tích hữu hạn là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong mô phỏng dòng chảy. ANSYS Fluent sử dụng phương pháp này để giải quyết các phương trình động lực học chất lỏng, cho phép mô phỏng chính xác sự hình thành khoang hơi.

3.2. Các Mô Hình Mô Phỏng Khác Nhau

Ngoài mô hình Singhal, còn có nhiều mô hình khác như mô hình Schnerr và Sauer. Mỗi mô hình có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn mô hình phù hợp là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Mô Phỏng Khoang Hơi

Mô phỏng khoang hơi có nhiều ứng dụng thực tiễn trong thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị chuyển động dưới nước. Việc hiểu rõ về hiện tượng này giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu lực cản, từ đó tiết kiệm năng lượng và tăng tuổi thọ cho thiết bị.

4.1. Tối Ưu Hóa Thiết Kế Vật Thể

Mô phỏng khoang hơi giúp các kỹ sư tối ưu hóa thiết kế vật thể để giảm lực cản. Điều này đặc biệt quan trọng trong ngành hàng hải, nơi mà hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu là rất cần thiết.

4.2. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Khoang Hơi Đến Hiệu Suất

Nghiên cứu cho thấy rằng sự xuất hiện của khoang hơi có thể làm giảm đáng kể lực cản, từ đó cải thiện hiệu suất của các thiết bị. Việc mô phỏng giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng này.

V. Kết Luận Về Mô Phỏng Quá Trình Hình Thành Khoang Hơi

Mô phỏng quá trình hình thành khoang hơi trong nước là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng với nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc sử dụng các phương pháp mô phỏng số giúp tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu suất của các thiết bị chuyển động dưới nước. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ mới trong công nghệ và ứng dụng thực tiễn.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Khoang Hơi

Nghiên cứu về khoang hơi sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mô phỏng số. Các phương pháp mới sẽ giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả của mô phỏng, từ đó mở ra nhiều cơ hội mới trong thiết kế và ứng dụng.

5.2. Những Thách Thức Cần Đối Mặt

Mặc dù có nhiều tiến bộ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc mô phỏng khoang hơi. Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện các mô hình và phương pháp, đảm bảo tính chính xác và khả thi trong thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng tạo khoang hơi quanh vật thể chuyển động trong nước là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong cơ học kỹ thuật, đặc biệt trong thiết kế các thiết bị chuyển động dưới nước như tàu thủy, ngư lôi, và chân vịt. Theo ước tính, khoang hơi giúp giảm lực cản nhớt đáng kể, từ đó tiết kiệm nhiên liệu và tăng hiệu suất vận hành. Tuy nhiên, việc đo đạc thực nghiệm khoang hơi gặp nhiều khó khăn do yêu cầu thiết bị phức tạp và điều kiện thí nghiệm khắt khe. Do đó, mô phỏng số trở thành phương pháp khả thi và hiệu quả để nghiên cứu hiện tượng này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình mô phỏng số sử dụng phần mềm ANSYS Fluent để tính toán quá trình hình thành khoang hơi quanh các vật thể có hình dạng đầu cản khác nhau, đồng thời mô phỏng chuyển động tự do của vật thể có vùng hơi bao quanh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mô hình 2D và 3D với vận tốc dòng chảy lên đến khoảng 50 m/s, tại nhiệt độ 20°C, trong môi trường nước với mật độ 998.5 kg/m³. Nghiên cứu nhằm cung cấp các số liệu chính xác về kích thước khoang hơi, phân bố áp suất và các tham số dòng chảy liên quan, góp phần tối ưu hóa thiết kế vật thể chuyển động dưới nước.

Việc mô phỏng thành công hiện tượng khoang hơi không chỉ giúp giảm chi phí thí nghiệm mà còn nâng cao độ chính xác trong dự báo hiệu suất thiết bị. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc phát triển công nghệ hàng hải, quân sự và các ngành công nghiệp liên quan đến chuyển động trong môi trường chất lỏng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong cơ học chất lỏng và động lực học dòng chảy hai pha, bao gồm:

• Phương trình Reynolds Navier-Stokes (RANS) cho dòng chảy hai pha hỗn hợp lỏng và hơi, mô tả sự bảo toàn khối lượng và động lượng trong môi trường có khoang hơi.
• Mô hình rối k-ε được áp dụng để đóng kín các phương trình RANS, phù hợp với dòng chảy có số Reynolds lớn (khoảng 1.7 × 10^5), đặc trưng cho dòng chảy rối quanh vật thể.
• Phương trình Reyleigh-Plesset dùng để mô tả sự phát triển và sụp đổ của các bọt hơi hình cầu, xác định tốc độ hóa hơi và ngưng tụ trong khoang hơi.
• Các mô hình truyền pha như Singhal, Zwart-Gerber-Belamri và Schnerr-Sauer được sử dụng để mô phỏng quá trình chuyển đổi khối lượng giữa pha lỏng và pha hơi. Trong đó, mô hình Schnerr-Sauer được lựa chọn chính do tính ổn định và độ chính xác cao trong mô phỏng chuyển động vật thể với vận tốc lớn.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: áp suất hơi bão hòa, hệ số áp lực, số cavitation, hệ số cản, và các tham số phi thứ nguyên như số Reynolds, số Froude, và tỉ số chiều dài cong trên bề mặt vật thể.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là kết quả mô phỏng số được thực hiện trên phần mềm ANSYS Fluent, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) để giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng. Cỡ mẫu lưới được chia mịn với khoảng 29,000 đến 39,000 phần tử loại Quadrilateral Cell cho mô hình 2D, tập trung tại vùng gần bề mặt vật thể để quan sát khoang hơi chi tiết.

Phương pháp chọn mẫu là mô hình đối xứng 2D, giả thiết vật thể đứng yên và dòng chảy chuyển động với vận tốc tương đương vận tốc vật thể, nhằm đơn giản hóa bài toán và giảm chi phí tính toán. Các điều kiện biên bao gồm: vận tốc không đổi tại đầu vào, áp suất không đổi tại đầu ra, biên tường không trượt cho bề mặt vật thể, và biên đối xứng cho trục mô hình.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, bao gồm các bước: xây dựng mô hình hình học, chia lưới, thiết lập mô hình giải, chạy mô phỏng, và phân tích kết quả so sánh với các công trình đã công bố trên thế giới.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng hình dạng đầu vật thể đến kích thước khoang hơi: Mô phỏng cho thấy vật thể có đầu phẳng tạo ra khoang hơi lớn nhất với chiều dài và đường kính khoang hơi đạt khoảng 48 mm và 5.7 mm tương ứng, trong khi đầu bán cầu và đầu nón có khoang hơi nhỏ hơn khoảng 15-20%. Điều này được hỗ trợ bởi phân bố tỉ phần thể tích pha hơi quanh vật thể và hệ số áp lực đo được.

2. Phân bố áp suất và hệ số áp lực: Hệ số áp lực tại điểm phân tách khoang hơi đạt giá trị âm lớn nhất, tương ứng với số cavitation nhỏ hơn 1, chứng tỏ áp suất tại mặt phân tách giảm xuống dưới áp suất hơi bão hòa. Ví dụ, tại vận tốc 50 m/s, áp suất tĩnh tại mặt phân tách giảm khoảng 30% so với áp suất dòng chảy tự do.

3. Hiệu quả mô hình Schnerr-Sauer trong mô phỏng khoang hơi: Mô hình này cho kết quả hội tụ nhanh và ổn định, phù hợp với các điều kiện dòng chảy rối và vận tốc cao. So sánh với các mô hình Singhal và Zwart-Gerber-Belamri, mô hình Schnerr-Sauer cho độ chính xác tương đương nhưng yêu cầu ít tham số đầu vào hơn.

4. Chuyển động tự do của vật thể có khoang hơi bao quanh: Mô phỏng bước đầu cho thấy khoang hơi giúp giảm lực cản đáng kể, tăng quãng đường đi được của vật thể lên đến khoảng 20% so với trường hợp không có khoang hơi, đồng thời duy trì vận tốc cao hơn trong thời gian dài hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt kích thước khoang hơi giữa các hình dạng đầu vật thể là do sự phân bố áp suất và gradient áp suất khác nhau trên bề mặt vật thể, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tạo bọt và phát triển khoang hơi. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm trước đây và lý thuyết Bernoulli về áp suất tại mặt phân tách.

Việc lựa chọn mô hình Schnerr-Sauer được khẳng định là phù hợp với bài toán dòng chảy rối có khoang hơi, nhờ khả năng mô phỏng chính xác quá trình truyền pha và sự phát triển bọt hơi. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố tỉ phần thể tích pha hơi quanh vật thể, bảng so sánh kích thước khoang hơi và đồ thị phân bố hệ số áp lực dọc theo bề mặt vật thể.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp một công cụ mô phỏng số tin cậy, giúp thiết kế các vật thể chuyển động dưới nước với hiệu suất tối ưu, giảm lực cản và tiết kiệm nhiên liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa hình dạng đầu vật thể: Thiết kế đầu vật thể dạng bán cầu hoặc nón góc 45° để giảm kích thước khoang hơi không cần thiết, từ đó cải thiện tính ổn định và giảm lực cản, áp dụng trong vòng 1-2 năm bởi các nhà thiết kế tàu thủy và ngư lôi.

2. Ứng dụng mô hình Schnerr-Sauer trong mô phỏng thiết kế: Khuyến nghị sử dụng mô hình này trong các phần mềm CFD để mô phỏng khoang hơi cho các dự án phát triển thiết bị chuyển động dưới nước, giúp giảm chi phí thí nghiệm thực tế, thực hiện ngay trong các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

3. Phát triển mô hình 3D chi tiết hơn: Mở rộng nghiên cứu sang mô hình 3D với các điều kiện dòng chảy phức tạp hơn, bao gồm tác động của trọng lực và dòng chảy không đối xứng, nhằm nâng cao độ chính xác mô phỏng, dự kiến trong 3-5 năm tới.

4. Xây dựng mô hình thí nghiệm kiểm chứng: Thiết kế và triển khai mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để kiểm chứng kết quả mô phỏng số, tăng độ tin cậy và khả năng ứng dụng thực tế, phối hợp giữa viện nghiên cứu và trường đại học trong vòng 2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà thiết kế và kỹ sư hàng hải: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa thiết kế tàu thủy, chân vịt, ngư lôi nhằm giảm lực cản và tăng hiệu suất vận hành.

2. Các nhà nghiên cứu cơ học chất lỏng và CFD: Sử dụng mô hình và phương pháp mô phỏng trong luận văn làm cơ sở phát triển các nghiên cứu sâu hơn về dòng chảy hai pha và hiện tượng khoang hơi.

3. Doanh nghiệp công nghệ và sản xuất thiết bị dưới nước: Áp dụng mô phỏng số để giảm chi phí thử nghiệm thực tế, rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm mới.

4. Giảng viên và sinh viên ngành cơ học kỹ thuật, cơ học chất lỏng: Tham khảo luận văn để hiểu rõ hơn về lý thuyết, mô hình và ứng dụng thực tế của hiện tượng khoang hơi trong môi trường nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Khoang hơi là gì và tại sao nó quan trọng trong thiết kế vật thể dưới nước?
   Khoang hơi là vùng hơi bao quanh vật thể chuyển động trong nước khi áp suất giảm dưới áp suất hơi bão hòa. Nó giúp giảm lực cản nhớt, tiết kiệm nhiên liệu và tăng tốc độ vận hành, rất quan trọng trong thiết kế tàu thủy và ngư lôi.

2. Tại sao mô phỏng số được ưu tiên hơn thí nghiệm thực tế trong nghiên cứu khoang hơi?
   Mô phỏng số dễ thực hiện, chi phí thấp, có thể nghiên cứu nhiều hình dạng và điều kiện dòng chảy khác nhau, đồng thời cung cấp dữ liệu chi tiết mà thí nghiệm thực tế khó đo đạc chính xác.

3. Mô hình Schnerr-Sauer có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
   Mô hình Schnerr-Sauer cho kết quả ổn định, chính xác, yêu cầu ít tham số đầu vào và phù hợp với dòng chảy rối có vận tốc cao, giúp mô phỏng hiệu quả hiện tượng khoang hơi.

4. Làm thế nào để xác định điểm phân tách khoang hơi trên bề mặt vật thể?
   Điểm phân tách là vị trí có áp suất nhỏ nhất trên bề mặt vật thể hoặc điểm phân tách phân tầng của dòng chảy, được xác định qua mô phỏng áp suất và vận tốc dòng chảy.

5. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng khoang hơi?
   Hình dạng đầu vật thể, vận tốc dòng chảy, áp suất môi trường, nhiệt độ và các tham số dòng chảy như số Reynolds, số cavitation đều ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển khoang hơi.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng số hiện tượng khoang hơi quanh vật thể chuyển động trong nước sử dụng ANSYS Fluent với mô hình Schnerr-Sauer.
• Kích thước và hình dạng khoang hơi phụ thuộc rõ rệt vào hình dạng đầu vật thể, ảnh hưởng đến lực cản và hiệu suất vận hành.
• Mô phỏng chuyển động tự do của vật thể có khoang hơi cho thấy khả năng giảm lực cản và tăng quãng đường đi được.
• Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết trước đây, khẳng định tính chính xác của phương pháp.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu mô hình 3D và xây dựng mô hình thí nghiệm kiểm chứng trong các bước tiếp theo nhằm nâng cao ứng dụng thực tiễn.

Để tiếp tục phát triển nghiên cứu, các nhà khoa học và kỹ sư được khuyến khích áp dụng mô hình mô phỏng này trong thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị chuyển động dưới nước, đồng thời phối hợp xây dựng mô hình thí nghiệm để kiểm chứng và hoàn thiện kết quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Chƣơng 1. TỔNG QUAN Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ HIỆN TƢỢNG TẠO KHOANG HƠI Chƣơng 3. ÁP DỤNG ANSYS FLUENT ĐỂ NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG TẠO KHOANG HƠI KẾT LUẬN DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 10 Chƣơng I.

Các khái niệm, định nghĩa 1. Khái niệm khoang hơi Do những lợi ích mà khoang hơi đem lại mà trong thời gian gần đây, bài toán về khoang hơi rất được quan tâm nghiên cứu. Khi xung quanh vật có xuất hiện khoang hơi, vùng sát biên vật là dạng hơi lẫn khí do vật được bắn từ ngoài không khí vào môi trường nước. Ta có thể quan sát hiện tượng khoang hơi bằng camera tốc độ cao.1 là hình ảnh một khoang hơi xung quanh một vật đi vào môi trường chất lỏng.

1 Khoang hơi của vật bắn từ không khí vào môi trường chất lỏng Đối với các thiết bị chuyển động dưới nước, hiện tượng tạo khoang hơi là một hiện tượng rất hữu ích cho việc giảm cản nhớt. Khi khoang hơi chiếm một phần thân 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. Khi vật giảm tốc độ, kích thước khoang hơi giảm và dần biến mất. Khái niệm 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 ở Hình 1.2 chỉ ra rằng đường cong xuất phát từ điểm phân ba 𝑇𝑟 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 𝑃𝑣 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. Nói cách khác sự tạo bọt giống như sự đun sôi, nhưng cơ chế hình thành không phải là thay đổi nhiệt độ mà là thay đổi áp suất, thường được điều khiển bằng động lực học dòng chảy [7].

LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 11 Áp suất của khoang hơi: 𝑃𝑐 = 𝑃𝑣 + 𝑃𝑔 (1.1) Trong đó: 𝑃𝑐 : Áp suất bên trong khoang hơi 𝑃𝑣 : Áp suất hơi bão hòa 𝑃𝑔 ∶ Áp suất khí không ngưng bên trong khoang Trong các chất lỏng lý tưởng thì áp suất của khoang hơi coi như là áp suất hơi bão hòa (𝑃𝑐 = 𝑃𝑣 , 𝑃𝑔 = 0). 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 (Hình 1. 2 Biểu đồ pha lỏng – pha hơi của nước [7] Đường cong 𝑃𝑣 (T𝑓 ) không phải là ranh giới tuyệt đối giữa trạng thái lỏng và hơi.

Sự thay đổi giữa các pha một cách đột ngột sẽ làm đường cong đó bị lệch đi. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 3 Đường đẳng nhiệt ANDREWS [7] Ngay trong điều kiện gần như tĩnh một pha thay đổi có thể xảy ra ở áp suất thấp hơn áp suất hơi 𝑃𝑣. Chẳng hạn xem xét đường đẳng nhiệt Andrews trong sơ đồ 𝑝 − 𝜗 (Hình 1.3), trong đó 𝜗 = 1/𝜌 là thể tích xem xét và mật độ 𝜌.

Đường cong được xấp xỉ giữa pha lỏng và pha hơi cho bởi phương trình cân bằng Vander Waals. Dọc theo đường cong AM chất lỏng ở trạng thái cân bằng siêu bền, có thể chịu được áp lực tuyệt đối, tức là sức căng bề mặt, không có bất kỳ sự thay đổi pha nào. Sự tạo bọt hơi trong chất lỏng thực và các đặc trƣng riêng của dòng chảy có sự tạo bọt 1. Áp suất và gradient áp suất Trong dòng chảy không tạo bọt chỉ cần quan tâm đến gradient áp suất, mức áp suất tham chiếu không ảnh hưởng đến động lực học dòng chảy.

Nhưng trong dòng chảy có tạo bọt, khi hạ áp suất tham chiếu thì bọt hơi xuất hiện và phát triển, do đó dòng chảy tạo bọt phụ thuộc chủ yếu vào mức áp suất tham chiếu, nên cần quan tâm đến gradient áp suất và giá trị tuyệt đối của áp suất trong dòng chảy có khoang hơi. Để dự đoán thời điểm khởi đầu của sự tạo bọt bằng lý thuyết hay bằng phương pháp số, ta thường sử dụng áp suất hơi làm ngưỡng để so sánh giá trị tính toán áp suất trong miền tới hạn của dòng chảy. Khi đó sẽ dự đoán được khởi LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 13 đầu sự tạo bọt bằng lý thuyết hoặc thực nghiệm. Các phương pháp tính toán phụ thuộc vào cấu hình dòng chảy.

+ Dòng chảy ổn định, một chiều, trong ống có tính đến tổn thất ban đầu: sử dụng phương trình Bernoulli để xác định miền áp suất tối thiểu và các giá trị tối thiểu khác. + Dòng chảy ổn định trượt không đáng kể (có thể 13hop13à dòng thế): trước tiên cần giải quyết các vấn đề về động học bằng cách sử dụng phương trình Bernoulli để tính áp suất. Áp lực tối thiểu thường ở trên biên của dòng chảy, kiểm chứng kết quả bằng thực nghiệm. + Dòng chảy trượt rối: được kiểm chứng bằng cả thực nghiệm và bán thực nghiệm.

Sử dụng các tiến bộ trong động lực học tính toán để dự đoán khởi đầu của khoang hơi. + Dòng xoáy 13hop: có thể sử dụng các mô hình xoáy đơn giản như Rankine hoặc Burgers. Trong sự phát triển của khoang hơi thì áp suất đóng vai trò quan trọng và là nguồn gốc của sự phức tạp trong dòng tạo bọt. + Đối với các mô hình bọt bám dính trên các cánh ngầm hay chân vịt thì điều kiện là áp suất không đổi dọc theo biên của bọt.

Theo quan điểm vật lý, sự thay đổi trong phân bố áp suất gây ra sự thay đổi trong gradient áp suất và do đó làm thay đổi ứng xử của lớp biên. Khi đó, bản chất bài toán nghiên cứu bị thay đổi. + Khi một lượng lớn các bong bóng vỡ ở vùng có áp suất thấp, ban đầu dòng không tạo bọt, phân bố áp suất có thể thay đổi đáng kể. Khi đó, sẽ xem xét đến sự tương tác giữa dòng không tạo bọt và dòng tạo bọt.

Sự phát triển của dòng rối, các xoáy bọt không thể dự đoán bằng các phương trình cơ học chất lỏng thông thường như phương trình bảo toàn khối lượng và sự tuần hoàn của các sợi xoáy. Khi lõi của sợi xoáy tạo bọt và chứa đầy hơi sau đó nó sẽ phụ thuộc vào trường áp suất tương ứng. Nói cách khác bọt sẽ phá vỡ các liên kết giữa độ căng 𝛿𝑙 của sợi xoáy và tốc độ 𝜔 xoáy của nó, thể hiện thông qua biểu thức 𝜔/𝛿𝑙 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Mặt phân cách lỏng – hơi Dòng bọt khí là dòng chất lỏng hai pha lỏng – khí đặc trưng bởi các mặt tương tác. Tuy nhiên chúng phản ứng với các xáo trộn bên ngoài, ví dụ như sự tăng áp suất. Dòng chảy hai pha chứa bọt khí thường không thay đổi về mật độ trung bình (ngoại trừ trong trường hợp của sóng xung kích). Do bản chất không ngưng tụ của khí trao đổi là ổn định trong toàn miền dòng chảy [6].

Các mặt tương tác trong dòng có bọt rất mất ổn định. Do các mặt tương tác của các đối tượng trên các cạnh có áp suất không đổi (bằng áp suất hơi) nên chúng không thể duy trì một áp suất ngoài tăng hoặc giảm một cách nhanh chóng về cả hình dạng và kích thước. 4 Mặt phân cách lỏng – hơi Qua một mặt phân cách giữa pha lỏng và pha hơi, lưu lượng khối lượng trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt 𝑚 tỉ lệ với vận tốc pháp của chất lỏng hoặc vận tốc hơi nước tiếp xúc với bề mặt. Phương trình thể hiện sự bảo toàn khối lượng trên bề mặt [7]: 𝑑𝑛 𝑑𝑛 𝑚 = 𝜌𝑙 𝑣𝑙𝑛 − = 𝜌𝑣 𝑣𝑣𝑛 − (1.2) 𝑑𝑡 𝑑𝑡 Trong đó: 𝑚: lưu lượng khối lượng trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt 𝜌𝑙 : khối lượng riêng của chất lỏng 𝜌𝑣 : khối lượng riêng của hơi nước 𝑣𝑙𝑛 : vận tốc pháp của chất lỏng 𝑣𝑣𝑛 : vận tốc pháp của hơi nước tiếp xúc với bề mặt 𝑑𝑛 : tốc độ của bề mặt 𝑑𝑡 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 15 Hai trường hợp đặc biệt được quan tâm: + Bong bóng bọt hình cầu có bán kính 𝑅 là hàm của thời gian, vận tốc pháp của bề mặt là 𝑑𝑅/𝑑𝑡.

Trong trường hợp lưu lượng không đáng kể 𝑣ln = 𝑣vn = 𝑑𝑅/𝑑𝑡 + Khoang ổn định gắn liền với biên bao quanh bởi dòng chất lỏng, 𝑑𝑛/𝑑𝑡 = 0. Giả sử lưu lượng khối qua bề mặt không đáng kể thì vận tốc pháp của chất lỏng và hơi tại bề mặt cùng bằng 0. Khi đó vận tốc bên ngoài dòng chảy tại bề mặt tiếp tuyến với biên khoang hơi [7]. Tác dụng nhiệt Sự biến đổi nhiệt độ khi bọt khí hình thành có hai tác dụng chính: + Tại nơi áp suất không đổi, sự tăng về nhiệt độ chất lỏng dẫn đến bọt gia tăng.

Do sự gia tăng áp suất pha hơi, cần hạ áp suất xuống nhỏ hơn để đạt được các đường thay đổi pha. + Sự tạo bọt khí đòi hỏi nhiệt truyền từ lỏng sang bề mặt chất lỏng hoặc hơi, độ trễ nhiệt 𝑇 − 𝑇′. Các tham số phi thứ nguyên  Số cavitation Ta sử dụng số cavitation để đặc trưng cho khả năng xuất hiện bọt khí do chất lỏng hóa hơi của dòng chảy. Biểu thức xác định tham số cavitation: 𝑃∞ − 𝑃𝑐 𝜍= 1 (1.3) 𝜌𝑉 2 2 Trong đó: 𝑃𝑐 : áp suất bên trong khoang hơi 𝑃∞ : áp suất chất lỏng ở dòng chảy tự do 𝜌 : khối lượng riêng của chất lỏng 𝑉 : vận tốc dòng chảy Do áp suất bên trong khoang hơi 𝑃𝑐 thường được lấy bằng áp suất hơi bão hòa 𝑃𝑣 nên (1.3) có thể viết lại dưới dạng: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4) 𝜌𝑉 2 2 Thông thường, trong trường hợp xuất hiện khoang hơi số 𝜍 đều nhỏ hơn 1.

Trong các nghiên cứu về khoang hơi, số cavitation thường được sử dụng làm tham số đồng dạng chính.  Hệ số áp lực Biểu thức xác định hệ số áp lực 𝐶𝑝 : 𝑝𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 − 𝑝∞ 𝐶𝑝 = 1 (1.