Luận văn: Ứng dụng OpenFOAM tính toán động lực học dòng chảy

OpenFOAM: Tìm hiểu về tính toán động lực học dòng chảy (CFD). Khám phá ứng dụng, ưu điểm và cách sử dụng OpenFOAM hiệu quả trong mô phỏng dòng chảy.

• Tác giả: Nguyễn Quang Thái
• Người hướng dẫn: Gs. Dương Ngọc Hải
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Kỹ Thuật
• Đề tài: Nghiên Cứu, Ứng Dụng Bộ Chương Trình OpenFOAM Trong Tính Toán Động Lực Học Dòng Chảy Không Có/Có Chuyển Pha
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ TRONG CHẤT LỎNG CÓ KHOANG KHÍ/HƠI
• 1.1. Dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong lòng chất lỏng
• 1.2. Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vật thể
• 1.3. Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi
• 1.4. Một số đặc tính chủ yếu của khoang khí/hơi xuất hiện quanh vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng
• 1.5. Một số ứng dụng hiện nay của dòng chảy khoang khí/hơi. Chân vịt siêu khoang
• 1.6. Ngư lôi siêu khoang
• 1.7. Giảm lực cản cho thân tàu thủy
• 1.8. Một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của vật thể dưới nước
• 1.9. Lực cản đối với vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng
• 1.10. Sự ăn mòn bề mặt khi vật thể chuyển động ở vận tốc cao
• 1.11. Tình hình nghiên cứu hiện nay
• 1.12. Nghiên cứu thực nghiệm
• 1.13. Nghiên cứu lý thuyết
• 1.14. Một số vấn đề nghiên cứu
• 2. TỔNG QUAN VỀ BỘ CHƯƠNG TRÌNH MÃ NGUỒN MỞ OPENFOAM
• 2.1. Lược sử sự phát triển của OpenFOAM
• 2.2. Sự ra đời và phát triển của OpenFOAM
• 2.3. Một số phần mềm và giao diện GUI có tích hợp với OpenFOAM
• 2.4. Cấu trúc của chương trình OpenFOAM
• 2.5. Các nhóm bộ giải chuẩn
• 2.6. Công cụ tiện ích
• 2.7. Lưới tính toán và các loại điều kiện biên được sử dụng trong OpenFOAM
• 2.8. Tổ chức dữ liệu mô hình hóa mô phỏng
• 2.9. Khả năng và các ưu, nhược điểm của OpenFOAM
• 2.10. Các khả năng tính toán của OpenFOAM
• 2.11. Những ưu, nhược điểm của OpenFOAM
• 2.12. Áp dụng minh họa khả năng của bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy
• 2.13. Đặt bài toán
• 2.14. Dựng lưới tính toán
• 2.15. Điều kiện biên và điều kiện đầu
• 2.16. Chạy chương trình tính toán, hiển thị kết quả
• 3. ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ CHUYỂN PHA
• 3.1. Một số bộ giải dòng chảy hai pha không có/có chuyển pha của OpenFOAM
• 3.2. Giới thiệu một số bộ giải có sẵn trong bộ cài đặt của OpenFOAM
• 3.3. Lựa chọn bộ giải phù hợp để phục vụ tính toán của luận văn
• 3.4. Ứng dụng OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy hai pha nước - không khí không có chuyển pha quanh vật thể xâm nhập vào nước
• 3.5. Các phương trình cơ bản
• 3.6. Mô hình tính toán động lực học dòng chảy mô phỏng sự xâm nhập nước của vật thể sử dụng OpenFOAM
• 3.7. Kết quả tính toán
• 3.8. Nhận xét chung
• 3.9. Ứng dụng OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy hai pha có chuyển pha quanh vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng
• 3.10. Các phương trình cơ bản
• 3.11. Mô hình hóa mặt phân tách lỏng - hơi bằng phương pháp VOF
• 3.12. Mô hình hóa quá trình rối bằng phương pháp LES
• 3.13. Mô hình hóa quá trình chuyển pha
• 3.14. Mô hình tính toán động lực học dòng chảy sử dụng OpenFOAM
• 3.15. Kết quả tính toán
• 3.16. Nhận xét chung
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• 3.17. Những bộ giải chuẩn trong nhóm bộ giải tính toán dòng chảy nhiều pha

Tóm tắt

I. OpenFOAM là gì Tổng quan về tính toán động lực dòng chảy

OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation) là một phần mềm nguồn mở hàng đầu trong lĩnh vực CFD OpenFOAM. Thuộc sở hữu của OpenFOAM Foundation, nó được phân phối theo Giấy phép Công cộng GNU (GPL), cho phép người dùng tự do sửa đổi và phân phối lại. Điều này đảm bảo việc sử dụng miễn phí OpenFOAM, thúc đẩy sự hợp tác và đổi mới trong cộng đồng nghiên cứu và kỹ thuật. OpenFOAM nổi bật với khả năng mô phỏng dòng chảy OpenFOAM phức tạp, từ các dòng chảy phản ứng hóa học đến các hiện tượng nhiễu loạn và truyền nhiệt, cơ học chất rắn, điện từ. Nó cung cấp một thư viện cơ sở lớn gồm các khả năng cốt lõi, bao gồm các toán tử tensor, rời rạc hóa phương trình vi phân, giải hệ phương trình tuyến tính và hỗ trợ lưới động. Cấu trúc mô-đun và khả năng lập trình hướng đối tượng của OpenFOAM cho phép người dùng dễ dàng mở rộng và tùy chỉnh phần mềm để đáp ứng các nhu cầu cụ thể. OpenFOAM cung cấp sẵn nhiều bộ giải, phù hợp cho việc nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau. Theo tài liệu gốc, OpenFOAM ra đời năm 1989 và phát triển liên tục đến nay, chứng tỏ sức mạnh và tính linh hoạt của nó trong lĩnh vực tính toán động lực học chất lỏng.

1.1. Lịch sử phát triển và các phiên bản OpenFOAM

OpenFOAM được tạo ra bởi Henry Weller vào năm 1989 với tên gọi 'FOAM' ở Imperial College, London và được phát hành bởi OpenOffice của Henry Weller, Chris Greenshields và Mattijs Janssens vào tháng 12 năm 2004. Kể từ đó, OpenFOAM đã tiếp tục được quản lý và phát triển với các phiên bản mới được phát hành ra công chúng mỗi năm. OpenFOAM được Henry Weller tạo ra để phát triển một nền tảng mô phỏng tổng thể mạnh mẽ và linh hoạt hơn so với FORTRAN. Điều này dẫn đến sự lựa chọn của C++ như ngôn ngữ lập trình, do tính mô-đun và các tính năng hướng đối tượng của nó. Hrvoje Jasak làm nghiên cứu sinh Tiến sỹ ở Imperial College từ năm 1993 đến năm 1996, phát triển các sơ đồ bậc hai bị chặn để ước lượng sai số cho FOAM. Năm 2000, Jasak tham gia cùng với Weller trong một nỗ lực thương mại hóa FOAM thông qua công ty Nabla Ltd. Năm 2004, Nabla Ltd và Henry Weller, Chris Greenshields và Mattijs Janssens thành lập OpenCFD Ltd để phát triển và phát hành OpenFOAM.

1.2. Ưu điểm vượt trội của phần mềm Open Source CFD

Ưu điểm lớn nhất của OpenFOAM là khả năng tùy biến mã nguồn, cho phép người dùng điều chỉnh và tối ưu hóa các mô hình tính toán để phù hợp với nhu cầu cụ thể. Điều này trái ngược với các phần mềm thương mại như FLUENT, thường hạn chế khả năng can thiệp vào mã nguồn. Cộng đồng người dùng lớn và tích cực của OpenFOAM cũng cung cấp một nguồn tài nguyên phong phú về kiến thức, hướng dẫn và các công cụ hỗ trợ. OpenFOAM tương thích với nhiều hệ điều hành, bao gồm Linux, Windows và macOS. Tính năng này giúp đảm bảo khả năng tiếp cận cho nhiều người dùng. OpenFOAM cho phép thực hiện tính toán song song, cho phép chạy các mô phỏng phức tạp trên nhiều bộ xử lý, rút ngắn thời gian tính toán đáng kể. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các bài toán có kích thước lớn và độ phân giải cao.

II. Hướng dẫn cài đặt OpenFOAM và cấu trúc cơ bản của nó

Việc cài đặt OpenFOAM có thể khác nhau tùy thuộc vào hệ điều hành. Trên Linux, quá trình cài đặt thường đơn giản hơn so với Windows hoặc macOS. Trang web chính thức của OpenFOAM cung cấp hướng dẫn chi tiết về cách cài đặt phần mềm trên các hệ điều hành khác nhau. Hiểu rõ cấu trúc thư mục và các file cấu hình là điều cần thiết để sử dụng OpenFOAM hiệu quả. Thư mục 'system' chứa các file điều khiển bộ giải tính toán, dựng lưới và xuất kết quả. Thư mục 'constant' chứa các file cung cấp các hằng số vật lý và các thông số mô hình. Thư mục '0' chứa điều kiện biên và điều kiện đầu cho các biến số. Theo tài liệu gốc, OpenFOAM có cấu trúc tổng thể được chia thành các khối ứng dụng: tiền xử lý, giải và phân tích, thể hiện lời giải, giúp người dùng dễ dàng thao tác và quản lý các dự án mô phỏng CFD OpenFOAM.

2.1. Chi tiết các bước cài đặt OpenFOAM trên Linux Ubuntu

Cài đặt OpenFOAM trên Ubuntu thường bao gồm các bước: (1) Tải xuống gói cài đặt phù hợp với phiên bản Ubuntu của bạn từ trang web chính thức của OpenFOAM. (2) Giải nén gói cài đặt. (3) Chạy script cài đặt. (4) Thiết lập biến môi trường để OpenFOAM có thể được truy cập từ dòng lệnh. (5) Kiểm tra cài đặt bằng cách chạy một ví dụ đơn giản.

2.2. Khám phá cấu trúc thư mục quan trọng trong OpenFOAM

Các thư mục chính trong OpenFOAM bao gồm: 'system', 'constant', và '0'. Thư mục 'system' chứa các file điều khiển bộ giải, lưới và xuất kết quả. Thư mục 'constant' chứa các hằng số vật lý và các thông số mô hình. Thư mục '0' chứa điều kiện biên và điều kiện đầu. Các thư mục thời gian (time folder) được tạo ra trong quá trình mô phỏng để lưu trữ kết quả ở mỗi bước thời gian.

2.3. Giao diện người dùng GUI tích hợp với OpenFOAM

HELIX-OS, SimScale, iconCFD, SwiftBlock, SimFlow, SwiftSnap, FEAToll, VisualCFD giúp đơn giản hoá việc sử dụng OpenFOAM. Giao diện GUI cung cấp một môi trường trực quan để tạo mô hình, thiết lập các điều kiện biên, chạy mô phỏng và phân tích kết quả. Điều này giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và sử dụng OpenFOAM hơn, đặc biệt là những người mới bắt đầu.

III. Phương pháp tính toán số trong OpenFOAM Solver

OpenFOAM cung cấp nhiều bộ giải khác nhau cho các loại bài toán mô phỏng dòng chảy khác nhau. Các bộ giải này sử dụng các phương pháp số khác nhau để giải các phương trình điều khiển dòng chảy, như phương trình Navier-Stokes. Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Volume Method - FVM) là phương pháp chính được sử dụng trong OpenFOAM để rời rạc hóa các phương trình vi phân. Các thuật toán PISO, SIMPLE và PIMPLE là các thuật toán lặp được sử dụng để giải các phương trình tính toán số OpenFOAM. Việc lựa chọn bộ giải và phương pháp số phù hợp phụ thuộc vào đặc điểm của bài toán cần giải quyết.

3.1. Tìm hiểu phương pháp phần tử hữu hạn FVM trong CFD

Phương pháp FVM chia miền tính toán thành các phần tử nhỏ và áp dụng các phương trình bảo toàn cho mỗi phần tử. FVM đảm bảo bảo toàn các đại lượng vật lý như khối lượng, động lượng và năng lượng. OpenFOAM sử dụng FVM để rời rạc hóa các phương trình vi phân và chuyển chúng thành các phương trình đại số có thể giải được bằng máy tính.

3.2. So sánh thuật toán PISO SIMPLE và PIMPLE để giải Navier Stokes

PISO (Pressure-Implicit Split-Operator) là một thuật toán lặp được sử dụng để giải các phương trình Navier-Stokes cho dòng chảy không ổn định. SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations) là một thuật toán lặp được sử dụng để giải các phương trình Navier-Stokes cho dòng chảy ổn định. PIMPLE là một thuật toán kết hợp giữa PISO và SIMPLE, cho phép giải các bài toán dòng chảy không ổn định với thời gian bước lớn hơn.

3.3. Các loại bộ giải chuẩn solver trong phần mềm OpenFOAM

OpenFOAM cung cấp nhiều bộ giải chuẩn cho các loại bài toán khác nhau, bao gồm icoFoam (cho dòng chảy tầng không nén được), pisoFoam (cho dòng chảy rối không nén được), rhoCentralFoam (cho dòng chảy nén được), multiphaseEulerFoam (cho dòng chảy đa pha), combustionFoam (cho quá trình đốt cháy) và heatTransferFoam (cho truyền nhiệt).

IV. Ứng dụng OpenFOAM Mô phỏng dòng chảy có chuyển pha

OpenFOAM có khả năng mạnh mẽ trong việc mô phỏng các dòng chảy phức tạp, bao gồm cả dòng chảy có chuyển pha. Chuyển pha là hiện tượng vật chất thay đổi trạng thái, ví dụ như từ lỏng sang hơi (hóa hơi) hoặc từ hơi sang lỏng (ngưng tụ). OpenFOAM turbulence models có thể mô phỏng chuyển pha bằng cách sử dụng các mô hình toán học phức tạp. Các ứng dụng của OpenFOAM multiphase flow có thể mô phỏng sự hình thành và phát triển của bong bóng, sự sôi, sự ngưng tụ và các hiện tượng liên quan khác. Các mô hình VOF (Volume of Fluid) và LES (Large Eddy Simulation) thường được sử dụng để mô phỏng dòng chảy có chuyển pha trong OpenFOAM.

4.1. Mô hình hóa mặt phân tách lỏng hơi bằng phương pháp VOF

VOF (Volume of Fluid) là một phương pháp số được sử dụng để mô phỏng dòng chảy đa pha, trong đó các pha khác nhau được phân biệt bởi một hàm chỉ thị. Hàm chỉ thị có giá trị 1 trong một pha và giá trị 0 trong pha khác. VOF cho phép mô phỏng chính xác sự hình thành và phát triển của mặt phân tách giữa các pha.

4.2. Giới thiệu về mô hình hóa dòng chảy rối bằng phương pháp LES

LES (Large Eddy Simulation) là một phương pháp mô phỏng dòng chảy rối, trong đó các xoáy lớn được giải trực tiếp và các xoáy nhỏ được mô hình hóa bằng một mô hình dưới lưới. LES cho phép mô phỏng chính xác các hiện tượng rối trong dòng chảy có chuyển pha.

4.3. Các mô hình toán học mô tả quá trình chuyển pha trong OpenFOAM

OpenFOAM cung cấp nhiều mô hình toán học để mô tả quá trình chuyển pha, bao gồm mô hình Lee, mô hình Kurganov-Tadmor và mô hình Schnerr-Sauer. Việc lựa chọn mô hình phù hợp phụ thuộc vào đặc điểm của quá trình chuyển pha cần mô phỏng.

V. Tối ưu hóa lưới và điều kiện biên trong OpenFOAM CFD

Chất lượng lưới tính toán và việc lựa chọn điều kiện biên phù hợp có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác và hiệu quả của mô phỏng CFD. Lưới cần phải đủ mịn để giải quyết các chi tiết quan trọng của dòng chảy, nhưng không quá mịn để tránh tăng thời gian tính toán. Các điều kiện biên cần phải phản ánh chính xác điều kiện vật lý của bài toán. OpenFOAM cung cấp nhiều công cụ để tạo và tối ưu hóa lưới, cũng như nhiều loại điều kiện biên khác nhau. Theo tài liệu gốc, có các công cụ như OpenFOAM mesh được phát triển để phục vụ cho công tác này.

5.1. Các loại lưới tính toán phổ biến và cách tạo lưới trong OpenFOAM

OpenFOAM hỗ trợ nhiều loại lưới khác nhau, bao gồm lưới cấu trúc, lưới phi cấu trúc và lưới hỗn hợp. blockMesh là một công cụ được sử dụng để tạo lưới cấu trúc đơn giản. snappyHexMesh là một công cụ được sử dụng để tạo lưới phức tạp hơn, phù hợp với các hình học phức tạp.

5.2. Ảnh hưởng của độ mịn lưới đến kết quả tính toán

Độ mịn lưới có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả tính toán. Lưới càng mịn, kết quả càng chính xác, nhưng thời gian tính toán cũng tăng lên. Cần phải tìm một sự cân bằng giữa độ chính xác và thời gian tính toán.

5.3. Các loại điều kiện biên cơ bản và cách áp dụng chúng trong OpenFOAM

OpenFOAM cung cấp nhiều loại điều kiện biên khác nhau, bao gồm fixedValue (giá trị cố định), fixedGradient (gradient cố định), zeroGradient (gradient bằng 0) và calculated (tính toán từ các trường khác). Việc lựa chọn điều kiện biên phù hợp phụ thuộc vào điều kiện vật lý của bài toán.

VI. Ứng dụng và hướng phát triển của OpenFOAM cho kỹ thuật

OpenFOAM được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau, bao gồm OpenFOAM cho kỹ thuật hàng không vũ trụ, ô tô, năng lượng, môi trường và y sinh. Các ứng dụng của OpenFOAM bao gồm thiết kế khí động học, mô phỏng đốt cháy, phân tích truyền nhiệt, giải pháp CFD OpenFOAM và mô phỏng dòng chảy trong các thiết bị y tế. Các hướng phát triển của OpenFOAM bao gồm phát triển các mô hình toán học tiên tiến hơn, cải thiện hiệu suất tính toán và mở rộng khả năng mô phỏng các hiện tượng vật lý phức tạp.

6.1. Các ứng dụng thực tế của OpenFOAM trong ngành công nghiệp

Trong ngành hàng không vũ trụ, OpenFOAM được sử dụng để thiết kế khí động học của máy bay và tên lửa. Trong ngành ô tô, OpenFOAM được sử dụng để mô phỏng quá trình đốt cháy trong động cơ và thiết kế hệ thống làm mát. Trong ngành năng lượng, OpenFOAM được sử dụng để phân tích hiệu suất của các nhà máy điện và thiết kế các thiết bị năng lượng tái tạo.

6.2. Hướng dẫn tạo OpenFOAM custom solver theo nhu cầu

OpenFOAM cho phép người dùng tạo các bộ giải tùy chỉnh để giải quyết các bài toán cụ thể. Để tạo một bộ giải tùy chỉnh, cần phải có kiến thức về C++ và hiểu rõ các phương trình điều khiển dòng chảy. Quá trình tạo một bộ giải tùy chỉnh bao gồm các bước: (1) Xác định các phương trình cần giải. (2) Chọn phương pháp số phù hợp. (3) Viết mã C++ để thực hiện các phương pháp số. (4) Biên dịch và chạy bộ giải.

6.3. Xu hướng phát triển và tương lai của Open Source CFD

Tương lai của OpenFOAM hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ với sự đóng góp của cộng đồng người dùng và các nhà phát triển. Các xu hướng phát triển chính bao gồm phát triển các mô hình toán học tiên tiến hơn, cải thiện hiệu suất tính toán và mở rộng khả năng mô phỏng các hiện tượng vật lý phức tạp. OpenFOAM sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp và thúc đẩy sự đổi mới trong nhiều lĩnh vực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ TRONG CHẤT LỎNG CÓ KHOANG KHÍ/HƠI 1. Dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong lòng chất lỏng 1. Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vật thể Hình 1.1 dưới đây [59] minh họa khoang khí/hơi tự nhiên hình thành quanh một quả cầu kim loại được thả vào nước từ bên ngoài không khí. Khoang khí/hơi hình thành khi quả cầu đi từ không khí vào nước Khoang chứa khí này được hình thành ngay từ khi quả cầu bắt đầu tiếp xúc với mặt thoáng của nước do sự chiếm chỗ của không khí tại vùng không gian trống mà vật thể tạo ra sau khi xuyên qua mặt thoáng và đi sâu vào lòng chất lỏng.

Tại vùng này, khoang chứa khí được lấp đầy bởi không khí và hơi nước sinh ra do sự giảm áp tới áp suất hơi bão hào của chất lỏng xung quanh vật thể [12, 17,27,31]. Do khoang này chứa cả khí và hơi nên Luận văn gọi chung là Khoang khí/hơi. Khoang khí/hơi được hình thành mà không có tác động trực tiếp của con người đối với khí bên trong khoang thường được gọi là khoang khí/hơi tự nhiên (water entry cavity hoặc natural cavity) để phân biệt với khoang khí/hơi nhân tạo thường được hình thành bằng cách bơm khí không ngưng tụ từ dưới bề mặt vật thể vào chất lỏng [17, 31, 49,58-59]. Trong dòng chảy có khoang khí/hơi, vùng chất lỏng tại lớp biên rối của dòng chảy ở gần bề mặt vật thể xảy ra sự giảm áp tới áp suất hơi bão hòa của vùng chất lỏng gần bề mặt vật thể [12,17].

Nếu khoang khí/hơi hình thành khi vật thể đang di chuyển trong lòng chất lỏng quá trình hình thành khoang khí/hơi được biểu diễn trong Hình 1. Chất lỏng ở áp suất hơi bão hòa xảy ra sự chuyển pha và hình thành nên những bọt hơi và sau đó là các miền hơi do các bọt hơi kết hợp với nhau bao bọc vật thể. Để sự giảm áp đủ lớn để đạt đến áp suất hơi bão hòa, vận tốc tương đối giữa dòng chảy và vật thể thường lớn hơn nhiều so với trường hợp vật thể xâm nhập nước qua mặt thoáng [17]. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Sự hình thành khoang khí/hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể. Quá trình hóa hơi do giảm áp đến áp suất hơi bão hòa nêu trên là quá trình sôi ở nhiệt độ thường [12,17].3 dưới đây [17] mô tả biểu đồ pha của một vật liệu. Theo đó, khi nhiệt độ tăng lên trong chất lỏng với áp suất không đổi thì sẽ dẫn tới sự sôi do nhiệt độ (boiling) và sự hóa hơi của chất lỏng xảy ra. Biểu đồ pha Tuy nhiên, khi nhiệt độ không đổi, việc giảm áp suất trong chất lỏng cũng dẫn tới sự chuyển pha từ lỏng sang hơi được gọi là sự tạo khí hơi (cavitation).

Đây chính là quá trình dẫn tới sự hình thành khoang khí/hơi tự nhiên xung quanh vật thể chuyển động trong chất lỏng [17]. Để có thể làm xuất hiện khoang khí/hơi ở các điều kiện áp suất và nhiệt độ chưa cho phép sự hóa hơi xảy ra đủ để hình thành khoang khí/hơi, bằng các kỹ thuật nhân tạo (chủ yếu là bơm khí không ngưng tụ vào chất lỏng xung quanh vật thể), một khoang khí/hơi có thể được tạo ra xung quanh các vật thể đang chuyển động trong lòng chất lỏng được gọi là khoang khí/hơi nhân tạo [17, 31]. Lượng khí không ngưng tụ này có xu hướng bám lại bề mặt vật thể tại những khu vực dòng chảy phía ngay sau bề mặt vật thể (nơi có áp suất thấp hơn trong dòng chảy xung quanh vật thể) và hình thành nên một túi khí. Sự hình thành khoang khí/hơi nhân tạo có điểm tương tự với khoang khí/hơi tự nhiên.

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.4 dưới đây [49] minh họa sự hình thành khoang khí/hơi bởi cách bơm khí không ngưng tụ vào những vùng áp suất thấp hơn trong chất lỏng để hình thành nên những túi khí xung quanh bề mặt vật thể. Sự hình thành khoang khí/hơi nhân tạo trên bề mặt vật thể Do khoang khí/hơi nhân tạo được hình thành ở điều kiện sự giảm áp chưa đạt tới áp suất hơi bão hòa nên không đòi hỏi vận tốc của dòng chảy lớn như đối với khí tự nhiên [17]. Trong nhiều trường hợp, khoang khí/hơi nhân tạo được tạo ra để hỗ trợ các phương tiện chuyển động với lực ma sát với chất lỏng xung quanh thấp hơn cho đến khi đủ nhanh để hình thành nên khoang khí/hơi tự nhiên nhờ sự hóa hơi của chất lỏng [31, 59-60] Khi khoang khí/hơi xuất hiện, hình dạng của khoang khí/hơi thay đổi liên tục do bị các xoáy rối cuốn trôi một phần lượng hơi bên trong khoang ra ngoài, làm xuất hiện những bọt hơi nhỏ hơn dẫn tới kích thước của khoang khí/hơi giảm đi. Sự thay đổi hình dạng và kích thước của khoang khí/hơi dẫn tới diện tích tiếp xúc với chất lỏng của bề mặt vật thể thay đổi liên tục, kết quả là lực cản do ma sát của chất lỏng và chuyển động của vật thể không ổn định [9, 11, 22].5 dưới đây [11] mô tả phần nào hình ảnh dòng chảy rối quanh vật thể trong quá trình hình thành khoang khí/hơi qua mô phỏng số và quan sát thực nghiệm.

Cấu trúc dòng chảy rối quanh vật thể trong dòng chảy chuyển pha có khoang khí/hơi (kết quả thực nghiệm và mô phỏng số) Cho đến nay, các nguyên lý cơ học của dòng chảy rối có khoang khí/hơi xuất hiện xung quanh vật thể chuyển động dưới nước vẫn chưa được hiểu rõ hết và là vấn đề đang được quan tâm [9, 11, 44, 62-63, 22]. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Một số tham số đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi • Số khoang (cavitation number) 𝜎 Số khoang 𝜎 là tham số không thứ nguyên thường được sử dụng trong các so sánh đồng dạng của nhiều nghiên cứu về dòng chảy có khoang khí/hơi. Số 𝜎 được xác định bởi biểu thức (1.5𝜌𝑈∞ Trong đó: 𝑝∞ - áp suất chất lỏng ở dòng vào; 𝑝𝑐 - áp suất bên trong khoang khí/hơi; 𝜌 - khối lượng riêng của chất lỏng; U - vận tốc chất lỏng ở dòng vào Hình 1.6 dưới đây [45] mô tả khoang khí/hơi hình thành được ở các số khoang khác nhau với hai dạng đầu dính ướt phẳng và bán cầu.

Khoang khí/hơi ở những số khoang khác nhau • Hệ số áp suất CP Hệ số áp suất 𝐶𝑝 là tham số không thứ nguyên được xác định bởi biểu thức (1.5𝜌𝑈∞ Trong đó: 𝑝𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 - áp suất của chất lỏng tại một vị trí cụ thể được khảo sát. Hệ số áp suất thường được dùng để mô tả phân bố áp suất không thứ nguyên trên bề mặt vật thể.7 dưới đây [14] mô tả phân bố của áp suất qua hệ số Cp. Trong đó, ta có thể thấy, giá trị Cpmin=- σ và phần đồ thị nằm ngang mô tả cho vùng bề mặt vật thể bị bao phủ bởi khoang khí. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Hệ số áp lực trên bề mặt vật thể trụ có đầu dạng phẳng • Số Reynolds Re Số Reynolds là tham số không thứ nguyên được xác định bởi biểu thức (1.3) dưới đây với 𝑐 - chiều dài đặc trưng ; μ - độ nhớt động lực học của chất lỏng: 𝜌𝑈∞ 𝑐 (1.3) 𝑅𝑒 = 𝜇 • Số Froude Fr Khi xem xét ảnh hưởng của lực trọng trường, số Froude Fr thường được áp dụng.4) dưới đây xác định số Fr với g là gia tốc trọng tường và c là chiều dài đặc trưng của vật thể hoặc chiều dài của khoang khí.4) 𝐹𝑟 = √𝑔𝑐 • Hệ số cản CD Hệ số cản được xác định bởi các biểu thức (1.5) dưới đây sau với 𝐹𝐷 là lực cản; A là tiết diện vuông góc với dòng chảy của vật thể: 𝐹𝐷 (1.5𝜌𝑈∞ • Tỉ số blockage Tỉ số blockage là tỷ lệ giữa đường kính trong của ống quan sát của hệ kênh thủy động với đường kính đầu dính ướt của vật mẫu [9,23]. Giá trị của tỉ số blockage ảnh hưởng tới số khoang σ nhỏ nhất hệ ống thủy động có thể hình thành được.8 dưới đây [23] mô tả sự ảnh hưởng của tỉ số tỉ số blockage đối với σmin. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Giá trị số khoang thấp nhất đạt được trong dòng chảy có khoang khí/hơi nhân tạo hình thành trong ống thủy động • Hệ số cấp khí CQ Hệ số cấp CQ ảnh hưởng đến kích thước khoang khí/hơi hình thành khí được tính theo công thức (1.6) dưới đây thể hiện lượng khí được cấp vào dòng chảy [9, 17, 22-23, 31, 49, 62].

Trong đó, Qair là lưu lượng của dòng khí cung cấp vào dòng chảy.6) 𝐶𝑄 = 𝑈∞ 𝐷𝑐2 Thay đổi hệ số cấp khí giúp đạt được kích thước khoang khí/hơi ở các điều kiện số khoang khác nhau.9 dưới đây [18] thể hiện kết quả quan sát của Wornik về kích thước khoang khí/hơi tương ứng với số khoang và hệ số cấp khí khác nhau. Ở đây, số khoang đươc xác định từ kích thước khoang khí/hơi thu được. Quan hệ giữa hệ số cấp khí và số khoang TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Một số đặc tính chủ yếu của khoang khí/hơi xuất hiện quanh vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng • Diện tích tiếp xúc của bề mặt vật với chất lỏng và chất lỏng thấp hơn so với khi không có khoang khí/hơi Khoang khí/hơi bao quanh bề mặt vật thể làm giảm thiểu diện tích tiếp xúc giữa bề mặt vật rắn với chất lỏng ban đầu, dẫn tới lực ma sát tác dụng lên vật thể giảm so với khi không có khoang khí/hơi [17, 31].

Đối với những vật thể có chiều dài tương đối lớn so với kích thước chiều rộng, đặc tính này của khoang khí/hơi có ích trong việc giảm lực ma sát. Ngoài ra, sự suất hiện của khoang khí/hơi đủ lớn bao bọc những cấu trúc kém bền vững trên bề mặt vât thể có thể giúp hạn chế sự phá hủy cấu trúc này do sự ăn mòn của chất lỏng. • Sự biến mất của khoang khí/hơi có thể sinh ra xung áp lực lớn trong chất lỏng tại vị trí khoang khí/hơi đóng kín Quá trình đóng kín hoặc biến mất khoang khí/hơi có thể sinh ra những xung áp lực lớn, có thể lên tới cỡ hàng trăm bar [17]. Những xung áp lực này gây nên tiếng ồn khi dòng chảy có khoang khí/hơi.

Đặc tính này đã được ứng dụng trong việc kích hoạt cơ chế kích nổ của một số loại thủy lôi dưới nước bằng xung áp lực do khoang khí/hơi sinh ra. Một số ứng dụng hiện nay của dòng chảy khoang khí/hơi 1. Chân vịt siêu khoang Một số mẫu chân vịt với thiết kế hình thành khoang khí/hơi tự nhiên và khoang khí/hơi nhân tạo đã được thiết kế để tận dụng lợi ích của dòng chảy có khoang khí/hơi.