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

Để có một lưới tốt thích hợp với mô hình tính thì phải xét đến loại lưới, miền lưới, phân bố và độ mịn của lưới, khoảng cách lớp biên… Trong bài viết này chúng tôi sẽ đưa ra cách thức chia lưới tự động trên OpenFoam cho bài toán mô phỏng chân vịt hướng đến tối ưu kết quả mô phỏng. Đây là phương pháp chia lưới không đòi hỏi nhiều kĩ năng về CAD nhờ đó giúp rút ngắn thời gian chia lưới cho bài toán mô phỏng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phương pháp chia lưới tự động cho bài toán mô phỏng chân vịt của tàu thủy 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 PHƯƠNG PHÁP CHIA LƯỚI TỰ ĐỘNG CHO BÀI TOÁN MÔ PHỎNG CHÂN VỊT CỦA TÀU THỦY AUTOMATIC MESH GENERATION FOR NUMERICAL MODELLING AND SIMULATION OF SHIP PROPELLER Bùi Khắc Huy, Phan Quốc Thiện, Ngô Khánh Hiếu Bộ môn Kỹ thuật Hàng không, Trường Đại học Bách khoa thanhkhac_1988@yahoo.com, phanquocthien@gmail.com, ngokhanhhieu@hcmut.edu.vn Tóm tắt: Chân vịt là bộ phận trực tiếp tạo nên lực đẩy cho tàu thuyền hoạt động, do đó đặc tính của chân vịt cần phải được nghiên cứu kĩ. Để có được đặc tính của chân vịt thì mô phỏng số là phương pháp đơn giản và kinh tế nhất. Tuy nhiên muốn được có một lời giải chính xác từ phương pháp mô phỏng số thì phải xem xét ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó lưới là một yếu tố cực kì quan trọng. Để có một lưới tốt thích hợp với mô hình tính thì phải xét đến loại lưới, miền lưới, phân bố và độ mịn của lưới, khoảng cách lớp biên… Trong bài viết này chúng tôi sẽ đưa ra cách thức chia lưới tự động trên OpenFoam cho bài toán mô phỏng chân vịt hướng đến tối ưu kết quả mô phỏng. Đây là phương pháp chia lưới không đòi hỏi nhiều kĩ năng về CAD nhờ đó giúp rút ngắn thời gian chia lưới cho bài toán mô phỏng. Từ khóa: Mô phỏng số, đặc tính thủy động của chân vịt, lưới cho chân vịt. Abstract: Ship propellers are parts directly create thrust for vessels, so its characteristics need to be researched. To obtain the characteristics of a ship propeller, the numerical simulation method is simple and economical. But in order to have an appropriate interpretation of the numerical simulation methods, they must consider the impact of many factors, of which the mesh generation is one extremely important factor. To have a good mesh generation suited for the calculation model should consider the type of mesh, grid domain, distribution and fineness of the mesh, distance boundary layer... In this article, we will offer an automatic meshing method on OpenFoam for simulations to optimize the ship propeller’s simulation. This method does not require much skills of CAD which helps shorten the time meshing for simulations. Keywords: Numerical simulation, hydrodynamic properties of ship propeller, mesh generation 1. Giới thiệu phải tương ứng với phân bố của vận tốc dòng Lưới là yếu tố không thể thiếu trong việc và vận tốc quay của chân vịt. giải một bài toán mô phỏng số. Trước hết Để có một kết quả mô phỏng chính xác lưới định hình cho miền tính toán và dạng thì việc trước tiên ta phải mô hình hóa được hình học của vật thể được nghiên cứu. Mỗi hình học của đối tượng cần khảo sát (trong bước giải của phương pháp số đều tính trên trường hợp này là chân vịt tàu thủy) trên máy các phần tử của lưới. Và các biên lưới là nơi tính một cách chính xác nhất so với hình học đặt các điều kiện biên mô tả các tính chất vật thật của vật thể. Theo đó, với các thông số lý của vật thể và môi trường tác động lên lưu đặc trưng hình học của chân vịt khảo sát chất trong miền. Do đó lưới quyết định tốc được nếu chân vịt khảo sát tuân theo một độ hội tụ của bài toán, độ chính xác của chuẩn thiết kế phổ biến hiện có thì hoàn toàn phương pháp rời rạc hóa và thuật giải, thời có thể đánh giá được tổng thể đặc trưng hoạt gian thực thi của máy tính. động của nó. Tuy nhiên với kỹ thuật gia công Để có một lưới tốt thì cần phải xem xét chân vịt dựa trên các phương pháp truyền các yếu tố sau: mật độ và phân bố lưới, dạng thống như đúc, mài… hiện nay thì việc đảm phần tử, độ xiên lệch (skewness), tỉ lệ của bảo được sự tuân thủ đặc tính hình học theo diện tích và thể tích của cell (aspect ratio), một chuẩn thiết kế hiện có là rất khó. Điều tính chất và phân bố lớp biên. Và để thỏa này dẫn đến nhu cầu đánh giá lại đặc tính mãn các yêu cầu về lưới cho bài toán mô hoạt động của chân vịt thực tế hoặc bằng phỏng chân vịt tàu thủy thì phân bố của lưới thực nghiệm, hoặc bằng phương pháp tính toán mô phỏng số. Đối tượng đề cập trong 28 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 bài viết này là mô hình chia lưới tự động phù Để hạn chế các ảnh hưởng của biên thì hợp cho chân vịt tàu thủy phục vụ bài toán lưới có kích thước tối thiểu như hình 2. mô phỏng số để đánh giá đặc tính hoạt động Khoảng cách tối thiểu từ biên dòng đi vào của chân vịt thực tế. đến chân vịt là 3D (với D là đường kính của Mẫu chân vịt tàu thủy áp dụng trong bài chân vịt), khoảng cách tối thiểu từ chân vịt viết là một chân vịt ba lá cánh bằng đồng có đến biên mà dòng đi ra là 4D và đường kính đường kính 400 mm hiện dùng khá phổ biến tối thiểu của miền ngoài là 4D cho lưới hình cho các tàu thủy nội địa. Hình 1.a thể hiện trụ có trục là trục của chân vịt [4]. hình ảnh thực tế của mẫu chân vịt tàu thủy được chọn là đối tượng khảo sát, Hình 1.b là hình học 3D của mẫu chân vịt này sau khi sử dụng phương pháp khảo sát biên dạng không tiếp xúc với thiết bị NextEngine 3D Scanner và xử lý dữ liệu đám mây điểm quét với phần mềm đồ họa 3D chuyên dụng. Các kết quả phân tích từ [1] cho thấy mẫu chân vịt này có Hình 2. Kích thước tối thiểu của toàn miền lưới đặc trưng hình học khá tương đồng với chuẩn thiết kế Wageningen B3.60 [2][3] ở hai tiêu Miền quay chứa toàn bộ chân vịt bên chí là phân bố của ...