ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN QUANG THÁI

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH
OPENFOAM TRONG TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC
DỊNG CHẢY KHƠNG CĨ/CĨ CHUYỂN PHA

Ngành: Cơ kỹ thuật
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 85200101.01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2018


1
MỞ ĐẦU
Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội của con người đặt ra những vấn đề
đòi hỏi các phải sử dụng những phương tiện, thiết bị làm việc trên mặt và
trong lịng nước, ví dụ như tàu thủy, chân vịt, tàu lặn, … và cần không
ngừng nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng của
chúng. Nghiên cứu về động lực học dòng chảy nhiều pha khơng có/có
chuyển pha rất được quan tâm vì dịng chảy quanh các phương tiện, thiết
bị nêu trên thường là dòng chảy nhiều pha (chứa cả pha lỏng, pha
khí/hơi, …). Trong dịng chảy nhiều pha, khoang khí/hơi có thể xuất hiện
(theo cách nhân tạo hoặc tự nhiên) ở những điều kiện dịng chảy thích
hợp, khi đó, dịng chảy được gọi là dịng chảy có khoang khí/hơi. Khi có

khoang khí/hơi bao bọc bề mặt các thiết bị trong dòng chảy, lực cản do
ma sát giữa bề mặt thiết bị với chất lỏng xung quanh có thể giảm đáng kể
(có thể giảm 90%), nhiều thiết bị có thể di chuyển với vận tớc cao mà tiêu
thụ ít nhiên liệu hơn [31]. Vì vậy, dịng chảy có khoang khí/hơi đang được
quan tâm nghiên cứu và ứng dụng hiện nay ở cả trên thế giới và Việt Nam.
Do sự phức tạp của các hiện tượng trong dòng chảy việc nghiên cứu
dòng chảy này cho đến nay vẫn gặp nhiều khó khăn cả trong nghiên cứu
lý thuyết và thực nghiệm cần tiếp tục thực hiện những nghiên cứu sâu sắc
hơn nữa. Những công cụ mô phỏng sớ góp sức đáng kể trong nghiên cứu
dịng chảy này. Trong đó, OpenFOAM (Open Source Field Operation And
Manipulation) là một cơng cụ có nhiều ưu điểm, nổi bật nhất là cho phép
người dùng được can thiệp vào mã nguồn để hồn thiện các mơ hình có
sẵn và phát triển những mơ hình tính tốn mới phục vụ nhu cầu cụ thể của
các nghiên cứu [35,37]. Việc làm chủ được OpenFOAM sẽ giúp thực hiện
những nghiên cứu sâu sắc về động lực học dịng chảy nói chung và dịng
chảy khơng có/có chuyển pha hay dịng chảy có khoang khí/hơi nói riêng.
Vì vậy, học viên lựa chọn đề tài của Luận văn là “Nghiên cứu, ứng dụng
bộ chương trình OpenFOAM trong tính tốn động lực học dịng chảy
khơng có/có chuyển pha”.
Mục đích của luận văn:


2
Làm chủ bộ chương trình OpenFOAM nhằm phục vụ nghiên cứu và
ứng dụng các đặc điểm động lực học dòng chảy khơng có/có chuyển pha
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan các vấn đề về dịng chảy khơng có/có chuyển
pha.
- Nghiên cứu tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM.
- Tiến hành ứng dụng OpenFOAM trong tính tốn động lực học dịng

chảy khơng có/có chuyển pha qua 2 bài tốn: Mơ phỏng dịng chảy có
khoang khí/hơi xung quanh vật thể xâm nhập nước và vật thể đang
chuyển động nhanh trong lòng chất lỏng.
Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng hai phương pháp nghiên cứu chính: Phương pháp
tổng hợp, phân tích tài liệu và Phương pháp thí nghiệm sớ.
Bố cục của luận văn
Ngồi phần Mở đầu, Kết ḷn, Danh mục cơng trình khoa học của tác
giả liên quan đến luận văn và Tài liệu tham khảo, luận văn có 3 Chương:
Chương 1. Tổng quan một sớ vấn đề chuyển động của vật thể trong
chất lỏng có khoang khí/hơi
Chương 2. Tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM
Chương 3. Ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính tốn
động lực học dịng chảy khơng có/có chuyển pha
Phần Phụ lục đề cập tên và ứng dụng của những bộ giải chuẩn có sẵn
trong OpenFOAM phục vụ cho các tính tốn mơ phỏng thủy động lực học
của dịng chảy nhiều pha.
Chương 1.
TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT


3
THỂ TRONG CHẤT LỎNG CĨ KHOANG KHÍ/HƠI KHƠNG
CĨ/CĨ CHUYỂN PHA
1.1. Dịng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong
lịng chất lỏng
1.1.1. 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 ngồi khơng khí.


Hình 1.1. Khoang khí/hơi hình thành khi quả cầu đi từ khơng 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 khơng khí tại vùng
không gian trống mà vật thể tạo ra sau khi xun qua mặt thống và đi
sâu vào lịng chất lỏng. Tại vùng này, khoang chứa khí được lấp đầy bởi
khơng 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 Ḷn văn gọi chung là Khoang khí/hơi.
Trong dịng chảy có khoang khí/hơi, vùng chất lỏng tại lớp biên rới
của dịng 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].

Hình 1.2. Sự hình thành khoang hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể.


4
Bằng các kỹ tḥt nhân tạo, một khoang khí/hơi có thể được tạo ra
xung quanh các vật thể đang chuyển động trong lịng chất lỏng được gọi
là khoang khí/hơi nhân tạo.

Hình 1.4. Sự hình thành khoang khí nhân tạo trên bề mặt vật thể.

1.1.2. Một số tham số đặc trưng của dịng chảy khoang khí/hơi
𝑝∞−𝑃

•

Sớ khoang (cavitation number) 𝜎 = 0.5𝜌𝑈2𝑐


•

𝑝
−𝑝
Hệ sớ áp suất 𝐶𝑝 = 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 2 ∞
0.5𝜌𝑈∞
𝜌𝑈 𝑐
Sớ Reynolds 𝑅𝑒 = 𝜇∞
𝑈∞
Số Froude 𝐹𝑟 = 𝑔𝑐
√
𝐹𝐷
Hệ số cản 𝐶𝐷 =
2𝐴
0.5𝜌𝑈∞

∞

•
•
•

(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)

• Tỉ sớ blockage: là tỷ lệ giữa đường kính trong ớng quan sát với
đường kính đầu dính ướt [9,23]. Giá trị của tỉ số blockage ảnh hưởng

tới số khoang σ nhỏ nhất hệ ớng thủy động có thể hình thành dược.
•

𝑄

Hệ sớ cấp khí 𝐶𝑄 = 𝑈 𝑎𝑖𝑟
𝐷2
∞ 𝑐

(1.6)

1.2. 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 khơng có khoang khí/hơi
- 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


5
1.3. Một số ứng dụng hiện nay của dòng chảy khoang khí/hơi
1.3.1. Chân vịt siêu khoang

a)

b)

Hình 1.11. Chân vịt có thiết kế hình dạng cánh đặc biệt (hình a) và cơ chế hình
thành khoang hơi tự nhiên (hình b)


1.3.2. Ngư lơi siêu khoang

a)

b)

Hình 1.12. Ngư lơi VA-111 Shkval sử dụng kỹ thuật hình thành khoang khí
nhân tạo (a – Ngư lơi VA-111 Shkval; b – Đầu tạo khoang khí) [60]

1.3.3. Giảm lực cản cho thân tàu biển

Hình 1.13. Khoang khí giúp giảm lực cản dưới thân tàu

1.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của vật thể dưới nước
1.4.1. Lực cản đối với vật thể chuyển động trong lịng chất lỏng
FD = FD-apsuat+ FD-masat

(1.7)

Vật thể càng có chiều dài lớn so với chiều rộng thì càng có thành phần
lực cản xung quanh lớn.


6
1.4.2. Sự ăn mòn bề mặt khi vật thể chuyển động ở vận tốc cao
Ngày nay, những ứng dụng của dịng chảy có khoang khí/hơi sẽ có tác
dụng giúp giảm thiểu ảnh hưởng của lực cản, cũng như ăn mòn do xâm
thực xảy ra [17].
1.5. Tình hình nghiên cứu hiện nay

1.5.1. Nghiên cứu thực nghiệm
1.5.1.1. Những công cụ nghiên cứu thực nghiệm chính
•
•

Kênh/ớng thủy động
Hệ bể nước quan sát vật thể di chuyển tự do

1.5.1.2. Một sớ kỹ tḥt hình thành khoang khí nhân tạo

Hình 1.19. Mơ tả dịng chảy khoang khí hình thành theo các cách khác nhau (a
– Khác nhau về vị trí lỗ phun; b – Khác nhau về hướng dịng khí được phun ra)

1.5.1.3. Những phương pháp đo đạc các tham sớ dịng chảy có khoang
hơi/khí
•
•

Quan sát khoang khí sử dụng camera tớc độ cao (Phương pháp
quang học)
Phương pháp đo đạc áp suất dòng chảy trong ớng quan sát và
trong khoang khí

Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định áp suất bên trong
khoang khí:
- Tính ngược áp suất từ quan hệ của kích thước khoang khí với sớ


7
xâm thực

- Đo đạc trực tiếp bằng các đầu đo đặt trên bề mặt vật thể
•

Phương pháp đo trường vận tớc dịng chảy bằng phương pháp
PIV

1.5.1.4. Cấu trúc dịng chảy và cơ chế đóng khoang hơi/khí

Hình 1.30. Cấu trúc dịng chảy khi khoang khí/hơi đóng và dịng xốy phía sau
khoang khí/hơi

1.5.1.5. Hình dạng và kích thước khoang hơi/khí
•

Hình dạng khoang hơi/khí

Hình 1.31. Khoang hơi hình thành với một số dạng thân và đầu vật thể [31].

•

Kích thước khoang hơi/khí
Lc = Dc

CD



ln

1




; Dmax = Dc

CD



; CD = CD0 (1 +  )

(1.9)

1.5.1.6. Sự dãn nở của chất lỏng khi vật thể di chuyển có khoang
hơi/khí


8

Hình 1.33. Quan sát vật thể di chuyển trong nước với vận tốc âm
(Mach=1.03) .

1.5.2. Nghiên cứu lý thuyết
1.5.2.1. Phương trình Rayleigh – Lamb cho động lực học của bọt khí
dạng hình cầu
Trong q trình hình thành khoang khí/hơi, những bọt khí/hơi nhỏ xuất
hiện và tăng dần kích thước. Phương trình Rayleigh – Lamb cho tớc độ
phát triển của một bọt khí/hơi hình cầu trong dịng chảy được mơ tả trong
phương trình (1.10) dưới đây [17,33].
d 2 RB 3  dRB   pB − p  2S

+ 
−
 =
dt 2 2  dt   l  l RB
2

RB

(1.10)

1.5.2.2. Chuyển động của vật thể duới nước khi có khoang khí/hơi
Chuyển động của vật thể được tính tốn từ tương tác của các lực và
mơ men trong q trình chuyển động.
1.5.2.3. Các công cụ mô phỏng số
OpenFOAM [40, 43-44], ANSYS Fluent [10, 21], UNCEL code [2526] …
1.5.3. Một số vấn đề nghiên cứu
1.5.3.1. Nghiên cứu thực nghiệm
- Hệ ông thủy động quy mơ lớn dịi hỏi chi phí xây dựng cao nên khơng
nhiều cơ sở nghiên cứu có thể trang bị được.
- Mơ hình vật thể nhỏ khó chế tạo, khó đo áp suất nên dù chi phí có
thể thấp hơn nhưng vẫn có nhiều hạn chế.


9
- Cấu trúc dòng chảy và cơ chế hoạt động ở vị trí khoang khí/hơi đóng
lại cịn chưa được làm rõ
- Việc quan sát bằng camera chưa phản ánh được đặc điểm ba chiều
trong khơng gian của khoang hơi/khí
- Hiện nay, việc đo đạc trường vận tớc của dịng chảy có khoang
khí/hơi cơ bản vẫn cịn nhiều khó khăn do dịng chảy có tớc độ và mức

độ rới lớn. Ngay cả phương pháp PIV cũng mới chỉ nghiên cứu dòng chảy
rới phía sau khoang khí/hơi.
1.5.3.2. Nghiên cứu lý thuyết
- Tính nén được thường phải bỏ qua trong các nghiên cứu, hầu hết các
nghiên cứu chưa quan tâm đến trường hợp chuyển động ở vận tốc trên âm
(vận tốc âm trong nước trên 1400m/s)
- Tính tốn CFD bài tốn chuyển động của vật thể trong dịng chảy có
khoang khí đặt ra vấn đề về tới ưu hóa về cả lưới tính tốn và phương
pháp tính do chuyển động của vật thể ở vận tớc lớn, cấu trúc dịng chảy
phức tạp: nhiều pha, nhiễu động lớn, tính nén cần phải được xem xét kỹ
lưỡng….
- Các mơ hình dịng chảy rới tại phần khoang khí/hơi đóng lại và sóng
(wake) phía sau cịn chưa được kiểm chứng do thiếu dữ liệu thực nghiệm.
Chương 2.
TỔNG QUAN VỀ BỘ CHƯƠNG TRÌNH MÃ NGUỒN MỞ
OPENFOAM
2.1. Lược sử sự phát triển của OpenFOAM
2.1.1. OpenFOAM là gì?
OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation)
là phần mềm nguồn mở hàng đầu cho CFD, thuộc sở hữu của Quỹ
OpenFOAM và phân phối độc quyền theo Giấy phép Công cộng (GPL)
cho phép người dùng tự do sửa đổi và phân phối lại OpenFOAM và đảm
bảo tiếp tục sử dụng miễn phí trong các điều khoản của giấy phép. Các


10
phiên bản OpenFOAM được kiểm nghiệm độc lập ở một sớ bài tốn bởi
ESI Group [35,37]. Các thư viện của OpenFOAM được xây dựng dựa
trên nền tảng lập trình hướng đối tượng của ngôn ngữ C++ để cú pháp
của các chương trình giải các phương trình vi phân từng phần sẽ gần giớng

với phương trình được giải quyết.
𝜕ρU
+ 𝛻.ϕU − 𝛻.𝜇𝛻U= − 𝛻𝑝
𝜕𝑡

(2.1)

Solve
(
fvm::ddt(rho, U) + fvm::div(phi, U) - fvm::laplacian(mu, U)
= - fvc::grad(p)
);
Hình 2.2. Mã nguồn hướng đối tượng giải phương trình (2.1) trong
OpenFOAM

2.1.2. Sự ra đời và phát triển của OpenFOAM
OpenFOAM được tạo ra bởi Henry Weller vào năm 1989 dưới tên
"FOAM" ở Imperial College, London và được phát hành bởi OpenOffice
của Henry Weller, Chris Greenshields và Mattijs Janssens vào 12/2004.
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.
Vào ngày 8/8/2011, OpenCFD đã được Silicon Graphisc
International (SGI) mua lại. Đồng thời, bản quyền của OpenFOAM được
chuyển giao cho Quỹ OpenFOAM, một tổ chức phi lợi nhuận mới thành
lập, quản lý OpenFOAM và phân phối nó cho cơng chúng. Vào
12/9/2012, Tập đồn ESI đã cơng bố việc mua lại OpenCFD Ltd từ SGI.
Trong năm 2014, Weller và Greenshields rời ESI Group và tiếp tục
phát triển và quản lý OpenFOAM, thay mặt Quỹ OpenFOAM, tại CFD
Direct. CFD Direct phát triển OpenFOAM với định danh dựa trên



11
chuỗi (ví dụ 5.0), trong khi nhóm ESI phát triển độc lập phiên bản
OpenFOAM với định danh theo ngày phát hành (v1806).
2.1.5. Một số phần mềm và giao diện GUI có tích hợp với OpenFOAM
•
•
•
•

•
HELYX-OS[15]
•
iconCFD[20]
•
SimFlow[50]
•
FEAToll [16]

SimScale[51]
SwiftBlock[38]
SwiftSnap[39]
VisualCFD[36]

2.2. Cấu trúc của chương trình OpenFOAM

Hình 2.3. Cấu trúc tổng thể của bộ chương trình OpenFOAM

2.2.1. Các nhóm bộ giải chuẩn
•

•
•
•
•

Basic CFD codes:
Incompressible flow:
Compressible flow:
Multiphase flow:
Direct numerical simulation
(DNS):
• Combustion:

• Heat transfer và buoyancydriven flows:
• Particle-tracking flows:
• Discrete methods:
• Electromagnetics:
• Stress analysis of solids:
• Finance:

Hầu hết các chương trình tính tốn dịng chảy trong OpenFOAM sử
dụng một trong các thuật toán PISO (Pressure-Implicit Split-Operator),
SIMPLE tương tự các phần mềm CFD khác, hoặc một sơ đồ kết hợp của
cả hai sơ đồ trên PIMPLE.


12
2.2.2. Cơng cụ tiện ích
2.2.2.1. Các nhóm cơng cụ tiện ích
Bộ chương trình OpenFOAM cũng có sẵn nhiều cơng cụ phục vụ các

cơng việc mơ hình hóa và tính tốn động lực học dịng chảy CFD, dưới
đây là những nhóm cơng cụ có sẵn:
•
•
•
•
•

Pre-processing:
Mesh generation:
Mesh conversion:
Mesh manipulation:
Post-processing:

•
•
•
•
•

Post-processing data converters:
Surface mesh tools:
Parallel processing:
Thermophysical-related utilities:
Miscellaneous utilities:

2.2.2.2. Môt số công cụ chuyển đổi định dạng lưới
Môt số công cụ chuyển đổi định dạng lưới: fluentMeshToFoam,
starToFoam, gambitToFoam, ideasToFoam, cfx4ToFoam
2.2.3. Lưới tính tốn và các loại điều kiện biên được sử dụng trong

OpenFOAM
2.2.3.1. Lưới tính tốn sử dụng trong OpenFOAM
Lưới tính tốn sử dụng cho OpenFOAM là lưới 3D với các phần tử ơ
lưới có hình dạng khới. OpenFOAM có sẵn cơng cụ chia lưới khối
blockMesh cho các lưới đơn giản. Đối với các bài tốn có dạng biên hình
học phức tạp, cơng cụ snappyHexMesh cho phép tạo lưới phù hợp với
biên dạng của bài toán.
2.2.3.2. Các loại điều kiện biên cơ bản sử dụng trong OpenFOAM
Các loại điều kiện biên cơ bản sử dụng trong OpenFOAM:
-

fixedValue
fixedGradient
zeroGradient

-

calculated
mixed
fixedValue/ fixedGradient
directionMixed


13
2.2.4. Tổ chức dữ liệu mơ hình hóa mơ phỏng
Để giải một bài tốn động lực học dịng chảy, các chương trình
và thư viện của OpenFOAM được tổ chức thành một case thư mục. Hình
2.7 dưới đây mơ tả tổ chức dữ liệu của một case thư mục.

Hình 2.7. Tổ chức dữ liệu mơ hình hóa mơ phỏng


2.3. Khả năng và các ưu, nhược điểm của OpenFOAM
2.3.1. Các khả năng tính tốn của OpenFOAM
OpenFOAM chứa một thư viện cơ sở lớn, cung cấp các khả năng cớt
lõi của chương trình:
•
Tensor và các tốn tử tính tốn
•
Rời rạc hóa phương trình vi phân từng phần bằng cách
sử dụng một cú pháp con người dễ đọc hiểu
•
Giải được của hệ phương trình tuyến tính
•
Giải được của phương trình vi phân thường
•
Tự động song song hóa các tính tốn nâng cao
•
Hỗ trợ lưới động
•
Các mơ hình vật lý tổng qt
Các ứng dụng được viết bằng cú pháp cấp cao được giới thiệu bởi
OpenFOAM, nhằm mục đích tái tạo cú pháp tốn học thơng thường. Có
hai loại ứng dụng tồn tại:
•
Bộ giải: thực hiện tính tốn thực tế để giải quyết một vấn
đề cơ học liên tục cụ thể.


14
•


Tiện ích: chúng được sử dụng để chuẩn bị lưới, thiết lập
các trường hợp mô phỏng, xử lý các kết quả, và để thực hiện các hoạt
động khác hơn là giải quyết vấn đề đang được kiểm tra.
Mỗi ứng dụng cung cấp các khả năng cụ thể: ví dụ, ứng dụng gọi là
blockMesh được sử dụng để tạo các mắt lưới từ một tệp đầu vào do người
dùng cung cấp, trong khi một ứng dụng khác gọi là icoFoam giải các
phương trình Navier – Stokes cho dịng chảy phân tầng, khơng nén được.
2.3.2. Những ưu, nhược điểm của OpenFOAM
Nhìn chung, ưu nhược điểm của bộ chương trình OpenFOAM so với
các phần mềm thương mại có thể được tóm tắt trên bảng dưới đây
Bảng 2.1. So sánh tính năng của OpenFOAM và CFD thương mại

Tên sản phẩm

CFD thương
mại (FLUENT)

OpenFOAM

Phương pháp

FVM

FVM

Công cụ chia
lưới, hiển thị
kết quả


Có

Có

Giao diện

Giao diện cửa
sổ dễ dung

Khó dùng vì phải qua dịng
lệnh

Tính tốn
nhiều pha

Có

Có

Tính tốn song
song

Có

Có

Can thiệp mã
nguồn

Khơng


Có

Phí bản quyền
cao

Có

Khơng mất phí


15
Phát triển
chương trình
tính

Do nhà sản
xuất phát hành

Do người dùng hoặc thừa
hưởng từ cộng đồng sử dụng
OpenFOAM tự phát triển

Hiện trạng
Việt Nam

Tương đới phổ
biến

Ít sử dụng vì khó sử dụng hơn


2.4. Áp dụng minh họa khả năng của bộ chương trình OpenFOAM
trong tính tốn động lực học dịng chảy
2.4.1. Đặt bài tốn
Cho một đoạn ớng có độ dài D2 =1.5(m) có độ rộng D1=1.5m, đoạn
ống thay đổi tiết diện cách đầu vào 1 đoạn 0.5(m), tiết diện sau của ống
là 0.5 (m), và sau khi thu hẹp 0.5m tiết diện lại là 1.5m.
Vận tớc của dịng chất lỏng là U (1,0,0) m/s chảy đều theo phương x
với độ lớn Ux =1(m/s). Ngồi ra áp suất tại đầu ra p= 0 bar.
• Các phương trình áp dụng
- Phương trình liên tục: ∇̇.U = 0
- Phương trình áp suất cho dịng khơng nén được: ∇2p = 0
• Điều kiện biên
- Vận tớc của dòng vào là U = (1,0,0) m/s
- Áp suất của dòng ra là p = 0 bar
Sử dụng bộ giải icoFoam: bộ giải dùng cho các dịng chảy tầng khơng
nén được và ổn định.
2.4.2. Dựng lưới tính tốn

Hình 2.8. Sơ đồ điều kiện biên của bài toán và sự bố trí của cá đỉnh, khối lưới
(block)


16
2.4.4. Chạy chương trình tính tốn, hiển thị kết quả

Hình 2.14. Hình ảnh thể hiện đường
đi của dịng chảy.

Hình 2.15. Phân bố của áp suất p.


Hình 2.16. Phân bố độ lớn vận tốc trong miền tính tốn

Nhận xét
Nhìn chung, các kết quả mơ phỏng thể hiện đúng đặc tính dịng chảy
quanh biên vật thể theo lý thuyết
Kết quả thu được của mơ hình tính tốn cho thấy khả năng áp dụng
của OpenFOAM trong các tính tốn động lực học dịng chảy.
Chương 3.
ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH OPENFOAM TRONG TÍNH
TỐN ĐỘNG LỰC HỌC DỊNG CHẢY KHƠNG CĨ/CĨ
CHUYỂN PHA
3.1. Một số bộ giải dịng chảy hai pha khơng có/có chuyển pha của
OpenFOAM
3.1.1. Giới thiệu một sớ bộ giải có sẵn trong bộ cài đặt của
OpenFOAM
Một sớ bộ giải có sẵn trong bộ cài đặt của OpenFOAM:

cavitatingFoam; interFoam; interDyMFoam;
ChangeFoam; InterphaseChangeDyMFoam

interphase-


17
3.1.2. Lựa chọn bộ giải phù hợp để phục vụ tính tốn của ḷn văn
Đới với bài tốn tính tốn động lực học dịng chảy khơng có chuyển
pha, nghiên cứu sử dụng bộ giải interFoam để nghiên cứu dòng chảy xung
quanh một vật thể xâm nhập nước.
Đới với bài tốn tính tốn động lực học dịng chảy có chuyển pha,

nghiên cứu sử dụng bộ giải interPhaseChangeFoam để nghiên cứu dòng
chảy xung quanh một vật thể đang chuyển động nhanh trong lòng nước
với khoang hiện diện xung quanh bề mặt.
3.2. Ứng dụng OpenFOAM trong tính tốn động lực học dịng chảy
hai pha nước - khơng khí khơng có chuyển pha quanh vật thể xâm
nhập nước
Trong nghiên cứu này, mơ hình tính tốn mơ phỏng 2D cho dịng chảy
hai pha lỏng – khí được xây dựng.
3.2.1. Các phương trình cơ bản
3.2.1.1 Hệ phương trình Navier - Stokes cho hỗn hợp dịng chảy hai
pha khơng nén được
Hệ phương trình Navier - Stokes cho hỗn hợp dịng chảy hai pha khơng
nén được gồm hai phương trình (3.1) và (3.2) [33]:
3.2.1.2. Phương pháp VOF (Volume of Fluid)
Phương pháp VOF thường được áp dụng trong mô hình hóa mặt phân
tách lỏng – khí với tỉ phần thể tích γ của pha lỏng trong một thể tích kiểm
tra được định nghĩa như theo biểu thứu (3.6):
𝛾=

𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔
𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔 + 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑘ℎí

(3.6)


18
3.2.1.3. Mơ hình tính tốn rới
Dịng chảy rới được mơ hình hóa theo phương pháp mơ phỏng xốy
lớn LES (Large Eddy Simulation) được áp dụng nhiều trong mơ phỏng
dịng chảy rới khoang khí [40,44].

3.2.2. Mơ hình tính tốn động lực học dịng chảy mơ phỏng sự xâm
nhập nước của vật thể sử dụng OpenFOAM
Bộ giải interFoam hoạt động theo sơ đồ tḥt tốn PIMPLE được chọn.
Cơng cụ chia lưới blockMesh của OpenFOAM được sử dụng để dựng lưới.

Hình 3.1. Sơ đồ điều kiện biên
mơ hình tính tốn.

Hình 3.2. Lưới tính tốn của mơ hình
tính tốn.

3.2.3. Kết quả tính tốn
3.2.3.1. Các trường hợp tính tốn mơ phỏng
Trong nghiên cứu này, sự xâm nhập nước của hai vật thể: vật thể tiết
diện trịn và vật thể dạng thanh dài đầu phẳng (có kích thước theo tỉ sớ
chiều dài = 10 x đường kính) được mơ phỏng.
Vận tớc dịng chảy được lấy bằng với vận tốc của vật thể khi va chạm
với mặt thống của nước và khơng đổi theo thời gian với các giá trị V =
1.72 m/s, 2.17m/s và V = 3.10 m/s.
Bước thời gian là t = 1x10-6 s.
3.2.3.2. So sánh kết quả mô phỏng sự với quan sát thực nghiệm sự
xâm nhập nước của vật thể


19

Hình 3.3. So sánh kết quả mơ phỏng (hình bên phải) với quan sát thực nghiệm
(bên trái) sự va chạm của vật thể với mặt thoáng với trường hợp V=1.72m/s (a)
và V=2.17 m/s (b).


Hình 3.4. So sánh kết quả mơ phỏng với thực nghiệm sự xuất hiện và đóng kín
của khoang khí quanh vật thể tiết diện trịn với trường hợp vận tốc V=2.17m/s

Hình 3.5. So sánh kết quả mơ phỏng với quan sát thực nghiệm sự xuất hiện và
đóng kín của khoang khí quanh một thanh dài đầu phẳng với trường hợp vận
tốc V = 3.10 m/s.

3.2.3.3. Ảnh hưởng của vận tớc và hình dạng vật thể đến sự xâm nhập
nước của vật thể


20

Hình 3.6. Ảnh hưởng của vận tốc di chuyển và hình dạng của vật thể.

3.2.4. Nhận xét chung
Sử dụng tính tương đới của chuyển động, mơ hình tính tốn mơ phỏng
đã được xây dựng với bộ giải chuẩn interFoam dựa trên phương pháp
VOF cho dòng chảy hai pha, kết hợp với mơ hình rới LES và lưới
blockMesh của OpenFOAM. Hình dạng của mặt phân tách nước – khơng
khí, sự xuất hiện, đóng kín và biến mất của khoang khí thu nhận được phù
hợp tốt với quan sát thực nghiệm đã cơng bớ. Sự ảnh hưởng của vận tớc
và hình dạng vật thể cũng đã được xem xét thông qua so sánh sự xâm
nhập nước qua 4 giai đoạn: va chạm với mặt thống, xuất hiện, đóng kín
và biến mất của khoang khí khi vật thể xâm nhập nước của 2 dạng vật thể
ở một số vận tốc xâm nhập khác nhau.
3.3. Ứng dụng OpenFOAM trong tính tốn động lực học dịng chảy
hai pha có chuyển pha quanh vật thể chuyển động trong lòng chất
lỏng



21
3.3.1. Các phương trình cơ bản
Dịng chảy hai pha có chuyển pha quanh vật thể chuyển động nhanh
trong nước được mơ tả bởi hệ phương trình Navier-Stokes cho hỗn hợp
dịng chảy hai pha không nén được tương tự như mục 3.2.1.
3.3.2. Mơ hình hóa mặt phân tách lỏng - hơi bằng phương pháp VOF
Mặt phân tách giữa hai pha lỏng và hơi được mơ hình hóa bởi phương
pháp VOF. Trong đó, tỉ phần thể tích γ của pha lỏng trong một thể tích
kiểm tra được định nghĩa theo biểu thức (3.15):
𝛾=

𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔
𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 𝑙ỏ𝑛𝑔 + 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 ℎơ𝑖

(3.15)

3.3.3. Mơ hình hóa q trình rới bằng mơ phỏng xốy lớn (LES)
Mơ hình LES cho dịng chảy khoang hơi được áp dụng tương tự mục
3.2.1.3 của luận văn.
3.3.4. Mơ hình hóa q trình chuyển pha
Các tính tốn dịng chảy có chuyển pha của báo cáo này sử dụng bộ
giải interPhaseChangeFoam được OpenFOAM cung cấp kết hợp với sử
dụng mơ hình tính tốn rới LES. Mơ hình trao đổi khới lượng của Kunz
được áp dụng.
3.3.5. Mơ hình tính tốn động lực học dịng chảy sử dụng OpenFOAM
3.3.5.1 Miền tính tốn và điều kiện biên

Hình 3.7. Sơ đồ điều kiện biên của mơ hình tính tốn



22
3.3.5.2. Lưới tính tốn của mơ hình

a)

b)

c)

Hình 3.8. Lưới tính toán: a - Lưới 3D được dựng; b, c - lưới bề mặt và gần biên
cứng của quả cầu.

3.3.5.3. Bộ giải interPhaseChangeFoam
Bộ giải interPhaseChangeFoam cũng sử dụng thuật toán PIMPLE
tương tự bộ giải interFOAM.
3.3.5.4. Đánh giá sự hội tụ của lưới
Kết quả trên Hình 3.9 cho thấy lựa chọn lưới tính 210x80x80 là phù
hợp, vì khi tăng sớ ơ lưới kết quả tính cơ bản vẫn khơng thay đổi.
3.3.6. Kết quả tính tốn
3.3.6.1. So sánh với quan sát thực nghiệm

Hình 3.10. Khoang hơi quanh quả cầu ở các số σ= 1.0, 0.5, 0.36, 0.2

3.3.6.2. Sự tương quan giữa sự xuất hiện của các xốy rới và sự thay
đổi của hình dạng khoang hơi


23


Hình 3.11. Khoang hơi quanh quả cầu ở các thời điểm t = 0.35ms (a – khoang
hơi chưa bị xoáy rối tác động), 2.45ms (b – xoáy rối xuất hiện làm thay đổi
hình dạng bề mặt phân tách lỏng - hơi) và 2.85ms (c – xoáy rối cuốn hơi khỏi
khoang hơi tạo thành bọt hơi nhỏ hơn) với σ = 0.36

3.3.7. Nhận xét chung
Những kết quả tính tốn thu nhận về hình dạng của khoang hơi phù
hợp với kết quả của các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã được
công bố. Các kết quả mô phỏng cho thấy khả năng ứng dụng OpenFOAM
trong nghiên cứu động lực học của dịng chảy có chuyển pha. Đồng thời,
phân tích trong báo cáo đã cho thấy các xốy rới có tác động ảnh hưởng
trực tiếp đến sự không ổn định cả về hình dạng và kích thước khoang hơi.


24
KẾT LUẬN
Trong thời gian quy định, học viên đã thực hiện các nội dung nghiên
cứu và đạt được những kết luận chung, bao gồm:
Đã tìm hiểu và nắm bắt một sớ điểm chung về tình hình nghiên cứu,
ứng dụng của dịng chảy khơng có/có chuyển pha. Những kết quả tổng
quan về dịng chảy khơng có/có chuyển pha thu được làm nền tảng để
thực hiện việc ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong các nội dung
khác của Luận văn.
Đã tìm hiểu về bộ chương trình OpenFOAM, cấu trúc chương trình và
những ưu nhược điểm và khả năng của bộ chương trình trong tính tốn
động lực học dịng chảy và áp dụng tính tốn cho một sớ trường hợp.
Những kết quả thu được cho thấy OpenFOAM là một cơng cụ có nhiều
ưu điểm đới với việc nghiên cứu động lực học dịng chảy bằng phương
pháp mơ phỏng sớ, trong đó, ưu điểm nổi bật nhất là khả năng cho phép
người dung can thiệp vào những chương trình, phát triển để hồn thiện

các mơ hình có sẵn hoặc thử nghiệm những mơ hình tính tốn mới.
Trong Ḷn văn đã trình bày một sớ ứng dụng bộ chương trình
OpenFOAM trong nghiên cứu động lực học dịng chảy khơng có/có
chuyển pha. Các tính tốn mơ phỏng sớ đã được trình bày để nghiên cứu
động lực học dòng chảy hai pha quanh các vật thể khi xâm nhập vào nước
(khơng có chuyển pha) và khi đang chuyển động trong lịng nước (có
chuyển pha). Những kết quả mơ phỏng trường áp suất và vận tớc của dịng
chảy quanh các vật thể đã được thể hiện bằng công cụ ParaView tích hợp
sẵn với OpenFOAM.
Trong việc xây dựng mơ hình tính tốn, việc ghép nới bộ giải dịng
chảy rới LES với bộ giải dịng chảy hai pha có chuyển pha
interPhaseChangFoam (chưa ghép nới với bộ giải dịng rới) đã được thực
hiện để phục vụ nghiên cứu của luận văn. Các kết quả nghiên cứu phù
hợp với các kết quả đã công bố.
Các kết quả nghiên cứu của Luận văn đã được thể hiện trong các công
bố mà tác giả có tham gia thực hiện trong thời gian học tập.