CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV
2.3. QUI TRÌNH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV
Trình tự tính toán tổng quan như trên Hình 2.2 dưới đây.
Hình 2.2. Trình tự mô phỏng động lực học trong FluidFlow (Fluent)[9]
Bước1-2 (Geometry): Xây dựng mô hình trên Solidworks sau đó đưa vào Workbench thực hiện mô phỏng.
Bước 3 (Meshing): Chia lưới.
Bước 4 (Setup): Chọn mô hình toán khai báo điều kiện biên trong Fluent.
Bước 5 (Solution): Tính toán trong Fluent.
Bước 6 (Results): Kết xuất kết quả trong CFD-Post.
54 2.3.1. Xây dựng mô hình hình học
Thông số cơ bản của AUV mô hình (tàu lặn tự hành mô hình) - Kích thước: Dài x Rộng x Cao: 1,5m x 0,20m x 0,20m.
- Hình dáng: Dạng hình trụ thon 2 đầu, có 04 cánh lái bố trí ở vùng đuôi (chiều dày: σ = 0,003m) chân vịt 2 cánh bố trí sau cùng.
- Kích thước bánh lái: Bl x Hl = 0,06m x 0,04m.
- Khối lƣợng: 11,2 kg (bao gồm toàn bộ thiết bị: vỏ, hệ thống lặn nổi, hệ thống chân vịt đẩy, hệ thống lái, hệ thống truyền thông không dây và pin sạc đầy).
- Vật liệu: Thân vỏ đƣợc làm bằng vật liệu composite.
Nguyên tắc hoạt động
- Lặn/Nổi: mô hình dùng nguyên lý thay đổi thể tích chiếm nước để lặn nổi, bằng cách dùng 1 bơm bánh răng để bơm nước ra – vào một thể tích cố định trong thân kín nước. Khi chạy, mô hình cũng có thể lặn nổi bằng cách sử dụng hệ cánh ngang đƣợc lắp trên phần thân đuôi gần chân vịt hoặc cũng có thể kết hợp cả 2 nguyên lý này đồng thời.
- Chuyển động trên mặt ngang: Mô hình sử dụng chân vịt đẩy 2 cánh.
Biên dạng ngoài tàu đƣợc xây dựng đúng tỉ lệ 1:1 trên phần mềm thiết kế đồ họa Solidworks.
Tàu mô hình thiết kế dựa theo [62] (Hình 2.3), tàu có bốn cánh lái đuôi, động lực đẩy chân vịt và bánh lái đuôi. Trong khuôn khổ bài toán ban đầu khảo sát động lực học tàu luận án chƣa xét tới chân vịt và bánh lái nên chúng không đƣợc xây dựng ở đây.
Hình 2.3. Biên dạng tàu lặn mô hình
55
Với bài toán động lực học tàu, ta sẽ khảo sát dòng nước chảy bao tàu ở các trạng thái làm việc khác nhau. Mô hình xây dựng chứa tàu có không gian đủ rộng để không ảnh hưởng tới tàu. Mô hình là một hình cầu đường kính 6m (Hình 2.4) chứa tàu ở vị trí trung tâm:
Hình 2.4. Mô hình khảo sát
Mô hình khối chất lỏng bao quanh tàu hay mô hình khảo sát đƣợc chuyển vào môi trường Workbench để chuẩn bị lưới hóa.
2.3.2. Lưới hóa mô hình
Với mô hình bài toán 3D này lưới được sử dụng là lưới tứ diện, lưới chia không cấu trúc, cỡ lưới nhỏ nhất 0,003 m, cỡ lưới lớn nhất 0,2m. Kết quả mô hình sau khi chia lưới (Hình 2.5):
Hình 2.5. Mô hình đã chia lưới
Toàn bộ mô hình sau khi chia lưới bao gồm 2053513 phần tử lưới tứ diện trong đó có 383724 nút lưới. Lưới được chia mịn ở phần biên dạng tàu, thô dần ra ngoài (Hình 2.6).
56
Hình 2.6. Lưới biên dạng tàu lặn 2.3.3. Đặt điều kiện biên và tính toán
Trong tính toán mô phỏng, việc lựa chọn bài toán và đặt điều kiện biên hết sức quan trọng. Nó quyết định tính đúng đắn, chính xác quá trình mô phỏng. Lựa chọn bài toán không đúng có thể sẽ không cho phép bài toán hội tụ hay kết quả có đƣợc không phản ánh đúng bản chất của quá trình thực. Tùy theo mục đích nghiên cứu nhắm tới mà ta có thể chọn các mô hình toán phù hợp.Với bài toán dòng chảy thực bao tàu, dòng chảy rối, nhớt, không tính đến sự thay đổi nhiệt độ thì mô hình rối k- là phù hợp cho việc áp dụng tính toán [40]. Dưới đây là các điều kiện biên và tính toán đƣợc xác định:
- Chọn thuật giải: (Giải các phương trình liên tục, phương trình bảo toàn động lƣợng và năng lƣợng đã đƣợc số hoá).
- Phương pháp nội suy: Implicit.
- Chiều tính toán: 3D.
- Mô hình tính toán: k-[50].
- Trao đổi nhiệt: không.
- Chọn vật liệu: chất lỏng nước.
- Đặt điều kiện vận hành cho bài toán: Vận tốc dòng chảy tới V0.
57 - Đặt tiêu chuẩn hội tụ: 1e-05.
- Đặt số vòng lặp cần thiết để bài toán hội tụ và cho bắt đầu tính toán.
- Mô phỏng với thay đổi các thông số dòng chảy để nghiên cứu động lực AUV.
- Các thông số thay đổi gồm có (Hình 2.7):
. Vận tốc dòng chảy tới Vo (0,5m/s; 1,0m/s; 1,5m/s;1,8m/s), . Góc tới (0o; 5o).
Hình 2.7. Sơ đồ mô phỏng
Ở đây, luận án khảo sát mô phỏng trên hai hệ tọa độ OXoYoZo gắn với tàu lặn và hệ tọa độ OXYZ trục OX theo phương dòng tới.
Do điều kiện thử nghiệm thực tế nên trong khuôn khổ luận án bước đầu chỉ nghiên cứu các trường hợp động lực học của AUV làm việc gần mặt thoáng.