đánh giá đặc tính khí động học của máy bay bình thuốc trừ sâu tích hợp

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:Thực hiện luận văn với mục tiêu nghiên cứu là: Mô phỏng và đánh giá đặc tính khí động của drone với bình thuốc trừ sâu tích hợp trong 3 chế độ bay bay treo, bay lấy

-

NGUYỄN THANH HẢO

ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC CỦA MÁY BAY BÌNH THUỐC TRỪ SÂU TÍCH HỢP

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hàng KhôngMã số : 8520120

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

- Cán bộ hướng dẫn 1 : TS Lưu Văn Thuần

- Cán bộ hướng dẫn 2 : TS Nguyễn Song Thanh Thảo

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Vũ Ngọc Ánh

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS TS Lê Tuấn Phương Nam

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 27 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 Chủ tịch : PGS TS Ngô Khánh Hiếu

2 Thư ký : TS Lê Thị Hồng Hiếu3 Phản biện 1 : PGS TS Vũ Ngọc Ánh

4 Phản biện 2 : PGS TS Lê Tuấn Phương Nam5 Ủy viên : TS Phạm Minh Vương

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THANH HẢO MSHV: 2170161 Ngày, tháng, năm sinh: 06/09/1998 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật Hàng không Mã số: 8520120

I TÊN ĐỀ TÀI:

Tên tiếng Việt: Đánh giá đặc tính khí động học của máy bay bình thuốc trừ sâu tích hợp Tên tiếng Anh: Evaluation of aerodynamic characteristics of the integrated-pesticide tank drone

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Thực hiện luận văn với mục tiêu nghiên cứu là: Mô phỏng và đánh giá đặc tính khí động của drone với bình thuốc trừ sâu tích hợp trong 3 chế độ bay (bay treo, bay lấy độ cao và bay tiến), thông qua việc phân tích lực và phân bố của các trường áp suất, vận tốc với các tốc độ vòng quay của chong chóng khác nhau

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2023

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Hướng dẫn 1: TS Lưu Văn Thuần

Hướng dẫn 2: TS Nguyễn Song Thanh Thảo

TS Lưu Văn Thuần TS Nguyễn Song Thanh Thảo

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ với đề tài “Đánh giá đặc tính khí động học của máy bay bình thuốc

trừ sâu tích hợp” nằm trong khối kiến thức Luận văn thạc sĩ của ngành Kỹ thuật Hàng

không nhằm trang bị cho học viên sau đại học khả năng tự nghiên cứu, tìm hiểu và đề xuất giải pháp giải quyết các vấn đề liên quan đến ngành học

Để hoàn thành luận văn này, trước hết tôi xin chân thành cảm ơn TS Lưu Văn Thuần – Phụ trách Khoa Kỹ thuật Hàng không của Học viện Hàng không Việt Nam, là giảng viên hướng dẫn chính của tôi – người đã hướng dẫn, giải đáp và cung cấp thêm cho tôi các nền tảng kiến thức lý thuyết cơ sở để thực hiện luận văn cũng như chỉ ra các mặt hạn chế trong quá trình nghiên cứu để tôi hoàn thiện kết quả của mình Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Song Thanh Thảo - Giảng viên Bộ môn Kỹ thuật Hàng không, Phó Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong việc lựa chọn tên đề tài, hướng phát triển của đề tài, cách thức trình bày và hoàn thiện bài báo cáo luận văn

Bên cạnh đó, tôi xin cảm ơn các nhóm nghiên cứu ngành Kỹ thuật Hàng không tại Học viện Hàng không VN và Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TPHCM đã hỗ trợ tôi trong việc thảo luận, tìm hiểu lỗi để xử lý bài toán mô phỏng một cách tốt nhất Nhờ đó, tôi có thể hiểu và hoàn thành luận văn như hiện nay Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật Hàng không - Khoa Kỹ thuật Giao thông, đặc biệt là TS Lê Thị Hồng Hiếu – Trưởng Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và TS Vương Thị Hồng Nhi, đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và tài liệu quý báu về khí động lực học và CFD trong suốt quá trình học tập cao học 2 năm qua

Do kiến thức và kinh nghiệm của bản thân còn hạn chế, trong quá trình thực hiện luận văn có thể không tránh khỏi những sai sót Vì vậy, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô Hội đồng để tôi bổ sung và trau đổi thêm kiến thức về lĩnh vực này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật trong lĩnh vực nông nghiệp, nhu cầu sử dụng máy bay không người lái ngày cảng trở nên phổ biến hơn Hiện nay, trên thị trường, máy bay không người lái đã được sử dụng để phục vụ công tác phun thuốc trừ sâu cho các đồng ruộng với bình thuốc được gắn dưới thân Nhằm mang lại những cải tiến đáng kể cho nền nông nghiệp với công nghệ máy bay không người lái, nhóm sinh viên bộ môn Kỹ thuật hàng không của Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TPHCM đã đưa ra mô hình máy bay không người lái có tích hợp bình thuốc vào bên trong thân máy bay và đã đạt được một số thành tựu: đưa ra được thiết kế, phân tích tĩnh kết cấu và từ đó đánh giá tính khả thi của việc tích hợp bình thuốc vào máy bay, mô phỏng số động lực học (CFD) cho mô hình máy bay này Trong bày luận văn này, tác giả tiếp tục thực hiện việc đánh giá đặc tính khí động của máy bay thông qua mô phỏng số động lực học với các chế độ bay (bay treo, bay lấy độ cao và bay tiến) bằng phần mềm Ansys Fluent Thông qua quá trình phân tích lực và phân bố của các trường áp suất, vận tốc với các tốc độ vòng quay của chong chóng khác nhau, các kết quả nghiên cứu sẽ được thu thập, và có thể sử dụng để chỉ ra ưu điểm về mặt khí động trong thiết kế mô hình máy bay cùng các bài toán liên quan đến hệ thống phun ở các nghiên cứu sau này

ABSTRACT

With the development of technology and techniques in the agricultural field, the demand for unmanned aerial vehicles (UAV) has become more popular Nowadays, the quadcopters with the removable-pesticide tanks have been usually used for spraying pesticides on fields To bring significant improvements to agriculture with unmanned aircraft technology, a group of students from the Aerospace Engineering Department of Ho Chi Minh City University of Technology, Vietnam National University of Ho Chi Minh City, has launched a model of an unmanned aerial vehicle with an integrated tank inside the fuselage and has been achieved several achievements: providing the design and the static analysis of the structure; from there evaluating the feasibility of integrated-pesticides tank into the drone, simulating by computational fluids dynamics (CFD) method for this aircraft model In this thesis, the author continues to evaluate the aerodynamic characteristics of the integrated-pesticides tank drone through numerical simulation in different flight modes (including hovering, climbing, and forward flight) by using Ansys Fluent software Research results will be collected by analyzing force and distribution of pressure and velocity fields at different rotational speeds They can be used to point out the advantages of aerodynamics in this model design and the problems related to pesticide spraying systems in future research

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là bài làm luận văn độc lập của riêng tôi, do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của GVHD – TS Lưu Văn Thuần và TS Nguyễn Song Thanh Thảo Các nội dung, tài liệu sử dụng trong đề tài này có nguồn gốc xác thực và được trích dẫn đầy đủ Các kết quả phân tích trong luận văn sẽ được trình bày trung thực, không sao chép từ bất kỳ đề tài nghiên cứu nào

Tôi sẽ chịu trách nhiệm về việc làm của mình!

Ngày 10 tháng 12 năm 2023 Học viên thực hiện

Nguyễn Thanh Hảo

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

1.3 Các nghiên cứu liên quan 2

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 6

1.5 Phương pháp nghiên cứu 6

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7

1.7 Cấu trúc luận văn 7

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Giới thiệu máy bay UAV (Drone) 9

2.2 Phương pháp tính toán mô phỏng số động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics - CFD) 10

2.3 Lưới trong CFD 15

2.4 Mô phỏng dòng rối 22

2.5 Xử lý gần tường 25

2.6 Các giải thuật tính toán trong Ansys Fluent 28

Chương 3 THIẾT LẬP BÀI TOÁN MÔ PHỎNG 1 CHONG CHÓNG ĐƠN 31

3.1 Xây dựng miền hình học 31

3.2 Xây dựng lưới 34

3.3 Thiết lập bài toán mô phỏng 38

3.4 Phân tích kết quả mô phỏng 42

Chương 4 THIẾT LẬP BÀI TOÁN MÔ PHỎNG TOÀN BỘ MÔ HÌNH DRONE 52 4.1 Xây dựng miền hình học 52

4.2 Xây dựng lưới 55

4.3 Thiết lập bài toán mô phỏng 57

Chương 5 PHÂN TÍCH KHÍ ĐỘNG HỌC CỦA DRONE KHI HOẠT ĐỘNG 70

5.1 Kết quả mô phỏng trường hợp bay treo 70

5.2 Kết quả mô phỏng trường hợp bay lấy độ cao 77

5.3 Kết quả mô phỏng trường hợp bay tiến 81

5.4 Nhận xét 88

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90

6.1 Kết luận 90

6.2 Hạn chế của đề tài 90

6.3 Hướng phát triển của đề tài 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 100

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Ví dụ máy bay phun thuốc trừ sâu trên thị trường [1] 1

Hình 1.2 Dòng chuyển động của lưu chất đối với hệ quy chiếu quay (bên trái) và phân bố dòng rối (bên phải) [3] 3

Hình 1.3 Phân bố trường vận tốc theo 3 hướng của mặt cắt YZ [6] 4

Hình 1.4 Kết quả tính trường dòng của UAV với các độ cao treo khác nhau: (a) 2 m, (b) 3 m, (c) 5 m, và (d) độ cao không giới hạn tương đối [7] 5

Hình 2.1 Cơ chế hoạt động của máy bay UAV 4 chong chóng: 9

Hình 2.2 Các lực tạo ra trên drone: (a) Bay treo; (b) Bay tiến [11] 10

Hình 2.3 Một vài ứng dụng thực tiễn của CFD [15] 11

Hình 2.4 Ví dụ về quy trình các bước mô phỏng trong Ansys Fluent 15

Hình 2.5 Thành phần cơ bản của lưới [17] 16

Hình 2.6 Phần tử lưới phổ biến (a) dạng 2D; (b) dạng 3D [17] 16

Hình 2.7 (a) Lưới cấu trúc; (b) Lưới phi cấu trúc [18] 17

Hình 2.8 Lưới hỗn hợp (lưới lai) [19] 18

Hình 2.9 Chất lượng phần tử lưới dựa trên tiêu chuẩn AR 20

Hình 2.10 Ví dụ về các vectơ trong công thức đánh giá độ không trực giao [20] 21

Hình 2.11 Ví dụ về 2 phần tử lưới liền kề [17] 21

Hình 2.12 Các phương pháp mô phỏng dòng rối phổ biến [23] 23

Hình 2.13 Các khu vực gần tường theo y+ [24] 26

Hình 2.14 Độ cao của phần tử lưới đầu tiên so với tường [25] 27

Hình 2.15 Sơ đồ khối bộ giải dựa trên áp suất [26] 29

Hình 3.1 Thông số chong chóng T-Motor G28-9.2 từ nhà sản xuất 31

Hình 3.2 Thông số mô hình một chong chóng 32

Hình 3.3 Miền xoay chong chóng 33

Hình 3.4 Miền tĩnh chong chóng 34

Hình 3.5 Biểu đồ sự độc lập giữa nghiệm và lưới 36

Hình 3.6 Lưới miền tĩnh và miền quay chong chóng 37

Hình 3.7 Lưới lớp biên gần bề mặt chong chóng 37

Hình 3.8 Thông số thiết lập điều kiện biên “pressure oulet” 39

Hình 3.9 Điều kiện biên của các mặt miền chính trường hợp mô phỏng bay treo 40

Hình 3.10 Biểu đồ sai số Residuals bài toán mô phỏng chong chóng đơn với tốc độ 3000 vòng/phút 42

Hình 3.11 Lưu lượng đầu ra và vào của bài toán mô phỏng chong chóng đơn với tốc độ 3000 vòng/phút 43

Hình 3.12 Lực đẩy do chong chóng tạo ra khi quay với tốc độ 3000 vòng/phút 43

Hình 3.13 Đường đặc tính vận hành của chong chóng 44

Hình 3.14 Phân bố vận tốc ở mặt phẳng YZ qua tâm chong chóng đơn với tốc độ vòng quay 3000 vòng/phút: (a) toàn bộ miền tính toán; (b) một phần miền tính toán 45

Hình 3.15 Lý thuyết động lượng qua một chong chóng [32] 45

Hình 3.16 Phân bố vận tốc ở mặt phẳng YZ qua tâm chong chóng đơn với tốc độ vòng quay 3000 vòng/phút khi chia lưới mịn hơn ở bề mặt chong chóng 47

Hình 3.17 Phân bố vận tốc ở mặt phẳng YZ qua tâm chong chóng đơn với tốc độ vòng quay 3000 vòng/phút đối với miền tính toán mở rộng xuống dưới 48

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng trường vận tốc: (a) Chong chóng đơn với chiều cao miền tính toán 5D [33]; (b) Chong chóng đơn với chiều cao miền tính toán 7,4 D [30] 49

Hình 3.19 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng CFD đối với 1 mô hình drone ở cùng 1 khoảng cách: (a) thực nghiệm; (b) mô phỏng 49

Hình 3.20 Phân bố áp suất tại mặt phẳng chứa chong chóng khi bay treo với tốc độ 3000 vòng/phút 50

Hình 3.21 Sự thay đổi áp suất qua chong chóng theo phương Y 50

Hình 4.1 Mô hình Drone sử dụng để mô phỏng 52

Hình 4.2 Kết cấu chi tiết của thân drone 53

Hình 4.3 (a) Kích thước miền xoay; (b) Kích thước miền tĩnh tham khảo nghiên cứu của Mauro Ghirardelli 54

Hình 4.4 Kích thước miền tĩnh thu hẹp 54

Hình 4.5 Phân bố vận tốc tại mặt phẳng YZ đi qua tâm chong chóng với tốc độ quay 3000 vòng/phút: (a) Vùng hình học rộng; (b) Vùng hình học thu hẹp 55

Hình 4.6 Lưới trên bề mặt thân máy bay và vùng quay chong chóng 56

Hình 4.7 Lưới xung quang chong chóng 57

Hình 4.8 Lưới xung quang phần thân máy bay 57

Hình 4.9 Điều kiện biên của các mặt trong trường hợp bay treo 59

Hình 4.10 Điều kiện biên của các mặt trong trường hợp bay lấy độ cao 62

Hình 4.11 Góc nghiêng của drone khi bay tới 65

Hình 4.12 Điều kiện biên của các mặt trong trường hợp bay tiến 65

Hình 5.1 Biểu đồ sai số Residuals bài toán mô phỏng bay treo của drone ở tốc độ vòng quay 3000 vòng/phút 70

Hình 5.2 Tổng lực đẩy do 4 chong chóng tạo ra ở tốc độ quay 3000 vòng/phút 71

Hình 5.3 Lưu lượng đầu ra và vào của bài toán mô phỏng bay treo 71

Hình 5.4 Lực đẩy và lực cản tác dụng drone theo số vòng quay 72

Hình 5.5 Phân bố áp suất trên bề mặt 4 chong chóng khi bay treo tốc độ 3000 rpm 73

Hình 5.6 Phân bố áp suất trên bề mặt chong chóng khi bay treo tốc độ 3000 vòng/phút: (a) mặt trên; (b) mặt dưới 74

Hình 5.7 Phân bố áp suất tại mặt cắt ngang chong chóng khi bay treo tốc độ 3000 vòng/phút 74

Hình 5.8 Phân bố áp suất tại thân máy bay khi bay treo tốc độ 3000 vòng/phút: 75

Hình 5.9 Phân bố vận tốc tại mặt phẳng YZ đi qua tâm chong chóng: 76

Hình 5.10 Phân bố vận tốc của không khí qua drone nhìn từ trên xuống: 77

Hình 5.11 Biểu đồ sai số Residuals bài toán bay lấy độ cao với vận tốc 1 m/s 78

Hình 5.12 Tổng lực đẩy do 4 chong chóng tạo ra ở khi bay lấy độ cao với vận tốc 1 m/s 78

Hình 5.13 Lưu lượng ra vào của bài toán mô phỏng bay lấy độ cao với vận tốc 1 m/s 78 Hình 5.14 Lực cản trên thân máy bay theo tốc độ lấy độ cao 79

Hình 5.15 Phân bố áp suất trên bề mặt chong chóng khi bay lấy độ cao với tốc độ 80 Hình 5.16 Phân bố vận tốc tại mặt phẳng chứa chong chóng với vận tốc lấy độ cao 3 m/s: (a) mặt cắt YZ, nhìn trực diện; (b) mặt cắt ZX, nhìn từ trên xuống 81 Hình 5.17 Phân bố trường vận tốc quanh drone khi bay lấy độ cao với vận tốc 3 m/s 81 Hình 5.18 Biểu đồ sai số Residuals bài toán mô phỏng bay tiến với vận tốc 5 m/s, góc nghiêng 5 độ 82 Hình 5.19 Lưu lượng đầu ra và vào của bài toán mô phỏng bay tiến với vận tốc 5 m/s, góc nghiêng 5 độ 82 Hình 5.20 Tổng lực đẩy chong chóng với vận tốc 5 m/s, góc nghiêng 5 độ: 83 Hình 5.21 Phân bố trường vận tốc quanh drone với vận tốc bay tiến 5 m/s và góc nghiêng 5 độ: (a) nhìn nghiêng; (b) nhìn từ trên xuống; (c) nhìn mặt sau 86 Hình 5.22 Phân bố áp suất trên thân khi bay tiến với góc nghiêng 5 độ: (a) vận tốc bay 5 m/s; (b) vận tốc bay 8 m/s 87 Hình 5.23 Phân bố vận tốc tại mặt XY đi qua tâm máy bay với vận tốc 5 m/s, ở các góc nghiêng: (a) 5 độ, (b) 15 độ 87 Hình 5.24 Phân bố vận tốc tại mặt XY đi qua tâm máy bay với vận tốc 8 m/s và góc nghiêng 5 độ 88

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Chất lượng phần tử lưới dựa trên các khoảng giá trị độ cân xứng lưới [20] 19

Bảng 2.2 Chất lượng phần tử lưới dựa trên các khoảng giá trị độ không trực giao [20] 21

Bảng 2.3 Bảng phân loại mô hình rối theo số phương trình vận chuyển 23

Bảng 3.1 Kích thước miền tĩnh chong chóng 33

Bảng 3.2 Thông số chi tiết chia lưới lớp biên trên chong chóng 35

Bảng 3.3 Lực đẩy chong chóng theo mật độ lưới 36

Bảng 3.4 Thông số chất lượng lưới bài toán mô phỏng một chong chóng 37

Bảng 3.5 Bảng thiết lập điều kiện giải 40

Bảng 3.6 Các giá trị khởi tạo trong trường hợp bay treo 41

Bảng 3.7 Lực đẩy chong chóng theo tốc độ quay 43

Bảng 3.8 Kích thước miền tĩnh chong chóng mở rộng xuống dưới 47

Bảng 4.1 Thông số và chất lượng lưới bài toán mô phỏng drone 56

Bảng 4.2 Thiết lập bài toán mô phỏng 58

Bảng 4.3 Phương pháp giải bài toán mô phỏng 58

Bảng 4.4 Thiết lập điều kiện biên trường hợp mô phỏng bay treo 60

Bảng 4.5 Các giá trị khởi tạo trường hợp bay treo 61

Bảng 4.6 Thiết lập điều kiện biên trường hợp mô phỏng bay lấy độ cao 62

Bảng 4.7 Các giá trị khởi tạo trường hợp bay lấy độ cao với các vận tốc khác nhau 63

Bảng 4.8 Thiết lập điều kiện biên trường hợp mô phỏng bay tiến với các góc nghiêng khác nhau, vận tốc 5 m/s 66

Bảng 4.9 Thiết lập điều kiện biên trường hợp mô phỏng bay tiến với các góc nghiêng khác nhau, vận tốc 8 m/s 68

Bảng 5.1 Tổng lực đẩy tạo ra bởi chong chóng và lực cản trên thân theo tốc độ quay 71 Bảng 5.2 Tốc độ quay của chong chóng và lực cản trên thân khi bay lấy độ cao 78

Bảng 5.3 Lực đẩy phương thẳng đứng và phương ngang theo góc nghiêng khi bay tiến với vận tốc 5 m/s 84 Bảng 5.4 Lực đẩy phương thẳng đứng và phương ngang theo góc nghiêng khi bay tiến với vận tốc 8 m/s 84 Bảng A.1 Bảng số liệu chong chóng T-motor G28-9.2 của RCcopter 96 Bảng A.2 Bảng số liệu chong chóng T-motor G28-9.2 của Artcopter 97 Bảng B.1 Bảng tính toán sai số kết quả mô phỏng lực đẩy bằng Ansys Fluent so với kết quả đo thử nghiệm của Artcopter và Rccopter 98

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT STT CHỮ VIẾT TẮT GIẢI NGHĨA

(Phương pháp sai phân hữu hạn)

(Phương pháp thể tích hữu hạn)

(Phương pháp thể tích hữu hạn)

(Phương pháp Lattice Boltzmann)

(Mô phỏng xoáy lớn)

(Nhiều khung tham chiếu)

14 UAV Unmanned Aerial Vehicle

(Phương tiện bay/Máy bay không người lái)

(Hệ thống máy bay không người lái)

16 WALE Wall-adapting Local-eddy Viscosity (Độ nhớt xoáy cục bộ thích ứng với tường)

Chương 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu

Với sự bùng nổ dân số trên thế giới hiện nay, việc đầu tư phát triển nền nông nghiệp năng suất cao, hiệu suất cao và bền vững ngày càng trở nên quan trọng hơn Trong môi trường hiện đại, nông nghiệp là điều cần thiết cho sự tồn tại của hơn 60 phần trăm tổng dân số thế giới Như vậy, hiện đại hóa nông nghiệp được coi là điều tất yếu khi mà nhu cầu và nguồn cung lương thực tăng lên Và máy bay không người lái là một trong những thiết bị có lợi nhất cho nông nghiệp hiện đại, đặc biệt là ứng dụng của nó trong việc phun thuốc trừ sâu cho đồng ruộng bởi lẽ phun thuốc trừ sâu bằng tay tồn tại rất nhiều hạn chế như tốn nhiều thời gian, công sức đồng thời có nguy cơ gây ra khối u, mẫn cảm, dị ứng và các bệnh khác ở người [1]

Hình 1.1 Ví dụ máy bay phun thuốc trừ sâu trên thị trường [1]

Điều đáng nói là khi sử dụng máy bay không người lái, người dùng chỉ cần đứng yên một chỗ và điều khiển máy từ xa dựa theo bản đồ đã được lập trình sẵn Cụ thể hơn, ưu điểm của việc phun thuốc trừ sâu bằng máy bay có thể kể đến như:

− Máy có khả năng tự động cao với hệ thống phun cực kỳ chính xác và đồng đều; − Thời gian làm việc nhanh và hiệu quả;

− Tiết kiệm được chi phí nhân công và nhiên liệu; − An toàn cho người dùng và môi trường;

− Sử dụng được trên mọi địa hình khác nhau

1.2 Đặt vấn đề

Một trong các máy bay không người lái được sử dụng phổ biến trên thị trường hiện nay để phun thuốc trừ sâu là quadcopter Quadcopters hoạt động bằng cách sử dụng chong chóng, là thiết bị có thể biến chuyển động quay thành lực đẩy tuyến tính, theo thứ tự, tạo ra lực nâng theo hướng của trục quay Chong chóng máy bay không người lái cung cấp lực nâng cho máy bay bằng cách quay và tạo ra luồng không khí thông qua sự chênh lệch áp suất giữa bề mặt trên và dưới của chong chóng [2] Thiết kế hiện tại của chong chóng được sử dụng trong máy bay không người lái (UAV) sẽ được mô phỏng bằng công cụ Ansys Fluent và dữ liệu kết quả sẽ được sử dụng cho mục đích đánh giá đặc tính khí động

Khi xét đến phần thân của máy bay, thông thường đối với máy bay UAV phun thuốc trừ sâu trên thị trường, bình thuốc sẽ được gắn dưới phần thân máy bay Nhận thấy việc tích hợp bình thuốc vào thân của drone có thể mang lại ưu điểm về thiết kế hình học và lợi ích về đặc tính khí động, thiết kế drone với mô hình có bình thuốc trừ sâu tích hợp vào thân đã được đề xuất, từ đó xem xét, đánh giá đặc tính khí động của mô hình này

Cuối cùng, tác động của mô phỏng hình dạng của thiết kế mới này sẽ được kiểm tra kỹ lưỡng về mặt khí động và những thay đổi, thay thế (nếu có) sẽ được đề xuất để tối ưu hóa hiệu suất khí động học của máy bay, nhằm mang lại lợi ích cao cho việc ứng dụng vào công việc phun thuốc trừ sâu của nền nông nghiệp trên thực tế

1.3 Các nghiên cứu liên quan

Đề tài nghiên cứu của Konstantinos Christodoulou cùng 5 cộng sự của ông tập trung vào việc phân tích khí động học của 1 chong chóng máy bay không người lái loại 4 cánh (Quadcopter) bằng phương pháp CFD Cụ thể là, một thiết kế chong chóng được mô phỏng cho máy bay quadcopter để nghiên cứu hiệu suất của nó theo các phương pháp mô hình hóa và các mô hình dòng rối khác nhau Mô hình độ nhớt xoáy tuyến tính SST k-ω, mô hình BSL-RSM và mô hình dòng rối đại số tường minh đã được sử dụng cho thí nghiệm này Nghiên cứu cho thấy không có sự khác biệt đáng kể nào giữa kết quả mà

các mô hình dòng rối cung cấp liên quan đến đặc tính khí động học của chong chóng và sự phân bố áp suất xung quanh chong chóng [3]

Hình 1.2 Dòng chuyển động của lưu chất đối với hệ quy chiếu quay (bên trái) và phân bố dòng rối (bên phải) [3]

Một bài nghiên cứu khác về Mô hình khí động học của các phương tiện quadcopter loại nhỏ, Seokkwanyoon cùng 4 nhà nghiên cứu đã thực hiện một mô phỏng tính toán có độ chính xác cao để quan sát các tương tác khí động học giữa các chong chóng và thân của quadcopter đó Phương pháp mô phỏng được sử dụng thông qua các phương trình Navier-Stoke không ổn định bằng các sơ đồ bậc cao, số Mach thấp và mô hình dòng rối hỗn hợp Nghiên cứu chỉ ra rằng các kết quả tính toán cho thấy sự gắn kết cao giữa mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm Ngoài ra, bài nghiên cứu còn so sánh giữa các chong chóng được gắn ở mặt trên so với thân và mặt dưới so với thân, cho thấy kết quả là chong chóng được gắn ở mặt dưới thân không tốt hơn chóng chóng được lắp ở mặt trên như thường lệ [4] Tại Trường Đại học Vigo, Tây Ban Nha, C Paz và các đồng nghiệp của ông đã thực hiện một nghiên cứu về đánh giá phương pháp mô phỏng CFD đối với máy bay UAV 4 chong chóng DJI Phantom 3 Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá hiệu suất mô phỏng dòng chảy 3D thông qua 2 phương pháp: phương pháp Nhiều khung tham chiếu (MRF) và Lưới trượt Bên cạnh đó, tác giả cũng đánh giá ảnh hưởng của khoảng cásch drone đến mặt đất để xem xét độ cao bay của drone Kết quả thu được cho thấy vị trí tương đối giữa cánh quạt và khung được chứng minh là yếu tố then chốt, bởi lẽ khi so sánh giữa 2 phương pháp trong trường hợp mô phỏng nguyên drone, tốc độ thay đổi lực

đẩy tương tự đã đạt được khi giảm thiểu sự chồng chất của chong chóng lên các cánh tay drone trong trường hợp mô phỏng bằng phương pháp MRF Tuy nhiên, cường độ lực đẩy khác nhau ít nhất 11% giữa các vị trí mô phỏng bất kỳ Mặc dù có độ lệch này, chi phí tính toán bằng MRF thấp hơn đáng kể, do đó phương pháp này trở thành một lựa chọn được ưa chuộng [5]

Quan tâm đến việc ứng dụng drone trong lĩnh vực nông nghiệp, một nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực máy bay UAV phun thuốc trừ sâu là nghiên cứu về động học và phân bố trường dòng chuyển động xuôi của máy bay không người lái sáu cánh quạt SLK-5, được thực hiện bởi Yang Fengbo và nhóm nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng trung bình RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) ở chế độ bay treo, với mô hình rối RNG k - ε và kỹ thuật lưới động Một số kết luận thu được là: vận tốc hướng

z chủ yếu nằm trong quy luật phân bố vận tốc của dòng khí xuôi dòng; giá trị vận tốc tối đa của dòng chuyển động xuôi gần 10 m/s; sai số tương đối nhỏ hơn 12% giữa kết quả vận tốc hướng z thu được từ thí nghiệm vận tốc gió và từ mô phỏng tại các điểm được đánh dấu; và chiều cao khuyến nghị cho UAV khi hoạt động là 0,6 m để tránh ảnh hưởng của cánh quạt khi phun thuốc [6]

Hình 1.3 Phân bố trường vận tốc theo 3 hướng của mặt cắt YZ [6]

Để nghiên cứu ảnh hưởng của trường dòng chảy xuôi của UAV đến các hoạt động phun thực tế, Yongjun Zheng và các cộng sự đã xây dựng mô hình 3D của máy bay UAV nông nghiệp sáu chong chóng JF01-10 Qua quá trình mô phỏng và phân tích trường dòng xuôi ở các độ cao bay treo khác nhau, có thể kết luận rằng hiệu quả vận hành phụ thuộc rất nhiều vào độ cao bay treo và độ cao bay treo phù hợp cho máy bay không người lái JF01-10 được coi là 3 m trên thực tế [7]

Hình 1.4 Kết quả tính trường dòng của UAV với các độ cao treo khác nhau: (a) 2 m, (b) 3 m, (c) 5 m, và (d) độ cao không giới hạn tương đối [7]

Nghiên cứu của tác giả Haiyan Zhang và Yubin Lan cùng các nhà khoa học khác, mô phỏng trường dòng chuyển động xuôi của UAV bốn chong chóng P20 ở các tốc độ bay khác nhau, sử dụng Phương pháp Lattice Boltzmann (LBM) và mô hình độ nhớt xoáy cục bộ thích ứng với tường (WALE) Kết quả thu được cho thấy vận tốc trung bình của dòng không khí dưới 1,6 m đủ cao để làm xáo trộn hầu hết tán cây và tăng cường tốc độ xâm nhập của thuốc trừ sâu vào cây trồng Ngoài ra, trường dòng chuyển động xuôi bị ảnh hưởng đáng kể bởi tốc độ bay vì tốc độ máy bay càng tăng thì tốc độ xoáy càng tăng Một mô phỏng khác về máy bay nông nghiệp cũng sử dụng phương pháp Lattice Boltzmann, liên quan đến việc điều khiển tốc độ quay của rotor nhằm điều chỉnh chế độ vận hành phun chính xác [8] Nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm tác giả của Kun Chang, sử dụng mô hình máy bay 4 chong chóng 410S và phần mềm Xflow để mô

phỏng trường dòng vận tốc rotor ở các tốc độ quay khác nhau; đồng thời sử dụng máy đo vận tốc hình ảnh hạt tốc độ cao (PIV) để thu thập và xác minh trạng thái chuyển động của giọt phun Kết quả mô phỏng số cho thấy vận tốc và độ xoáy cực đại của trường dòng dưới chong chóng tăng khi tốc độ quay chong chóng tăng Tuy nhiên, khi thời gian tăng lên, nhiễu loạn được tạo ra và các giá trị tối đa của vận tốc cùng độ xoáy giảm xuống Trong khi đó, kết quả thử nghiệm PIV cho thấy khi tốc độ chong chóng tăng lên, tổng góc phun và diện tích vùng tốc độ cao của khu vực phun bị co lại và giảm dần dưới tác động của vùng gió xuôi dòng, còn vùng tốc độ thấp ở diện tích phun dần dần mở rộng Bên cạnh đó, thí nghiệm cũng chỉ ra rằng kết quả thử nghiệm PIV xác minh một cách hiệu quả độ tin cậy của kết quả mô phỏng số [9]

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

Luận văn sử dụng 1 mô hình máy bay không người lái 4 chong chóng với bình thuốc trừ sâu tích hợp vào thân máy bay, đã được thiết kế và hiệu chỉnh bởi 1 nhóm nghiên cứu [10] Mục tiêu của luận văn là sử dụng phương pháp mô phỏng số CFD để phân tích các đặc tính khí động của mô hình drone này trong các chế độ bay: chế độ bay treo (hovering), chế độ bay lấy độ cao (climbing), và chế độ bay tiến (forward flight) thông qua việc phân tích lực và phân bố áp suất, vận tốc với các tốc độ quay của chong chóng khác nhau

Tuy nhiên, đề tài chỉ giới hạn ở 1 số trường hợp mô phỏng cơ bản (không xem xét được hết các trường hợp bay ở điều kiện thực) như: mô phỏng bay treo, bay lấy độ cao không gia tốc, bay tiến với sự thay đổi góc nghiêng, nhằm mục đích bước đầu đánh giá về sự phù hợp của thiết kế khí động trong các chế độ bay

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu lý thuyết về khí động lực học, lý thuyết về động lực học lưu chất (CFD) và nguyên lý hoạt đông của máy bay không người lái;

- Tham khảo các báo cáo, bài báo nghiên cứu khoa học về máy bay không người lái nông nghiệp được sử dụng với mục đích phun thuốc trừ sâu đã được công bố trong các hội nghị khoa học, các tạp chí khoa học trong và ngoài nước

1.5.2 Phương pháp mô phỏng

Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng số Động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics – CFD) với phương pháp Nhiều khung tham chiếu (Multiple Reference Frames – MRF), là một trong những phương pháp CFD phổ biến để mô hình hóa dòng lưu chất trong các hệ thống chuyển động quay Phần mềm được sử dụng là Ansys Fluent phiên bản 2022 R1, một gói phần mềm thương mại dựa trên Phương pháp Phần tử Hữu hạn (Finite Element Method - FEM) để phân tích các bài toán vật lý - cơ học, chuyển các phương trình vi phân và phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn là máy bay không người lái 4 chong chóng (quadcopter) có tích hợp bình thuốc trừ sâu vào thân

- Phạm vi nghiên cứu: Luận văn tập trung nghiên cứu, đưa ra các số liệu để đánh giá về đặc tính khí động của mô hình máy bay đã thiết kế (drone có tích hợp bình thuốc trừ sâu vào thân), từ đó chỉ ra sự phù hợp của mô hình này (về mặt khí động) trong các chế độ bay

1.7 Cấu trúc luận văn

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày khái quát về phương pháp mô phỏng số CFD sử dụng trong luận văn, các loại lưới sử dụng trong mô phỏng, các mô hình rối, lý thuyết xử lý gần tường và các giải thuật sử dụng trong phần mềm

- Chương 3: Thiết lập bài toán mô phỏng 1 chong chóng đơn

Chương 3 trình bày các bước mô phỏng đối với 1 chong chóng đơn, đồng thời so sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm

- Chương 4: Thiết lập bài toán mô phỏng toàn bộ mô hình drone

Từ các thông số đầu vào lựa chọn đối với bài toán 1 chong chóng đơn, Chương 4 tiến hành các bước thiết lập đối với bài toán mô phỏng toàn bộ mô hình drone, từ bước xây dựng miền hình học, chia lưới cho đến thiết lập các thông số mô phỏng ở 3 chế độ bay: bay treo, bay lấy độ cao và bay tiến

- Chương 5: Phân tích khí động học của drone khi hoạt động

Từ kết quả mô phỏng thu được, nội dung Chương 5 sẽ phân tích cụ thể ở 3 khía cạnh: Phân tích lực, Trường áp suất, và Trường vận tốc ở 3 chế độ bay đã đề cập

- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 cũng là chương cuối cùng của bài luận văn, trình bày tóm tắt kết quả đạt được, hạn chế và hướng phát triển của đề tài

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu máy bay UAV (Drone)

Dựa theo số chong chóng, có thể phân ra nhiều loại máy bay không người lái (từ 2 đến 8 chong chóng) Nhiều chong chóng hơn giúp cải thiện độ ổn định của máy bay và khả năng chịu tải, nhưng những máy bay không người lái như vậy cần nhiều năng lượng pin hơn để điều khiển nhiều động cơ nhằm đạt được công suất cao Trên thực tế, người ta thường sử dụng phổ biến là máy bay không người lái 4 chong chóng (gọi là quadcopter) Quadcopter có bốn chong chóng ở bốn góc của khung và được đặt cách nhau một khoảng bằng nhau Đối với mỗi chong chóng, tốc độ và hướng quay được điều khiển độc lập để cân bằng và tạo ra chuyển động của máy bay Tuy nhiên, để duy trì sự cân bằng của hệ thống máy bay, một cặp chong chóng quay theo chiều kim đồng hồ và cặp còn lại quay theo hướng ngược chiều kim đồng hồ (hình 2.1a) [11]

Hình 2.1 Cơ chế hoạt động của máy bay UAV 4 chong chóng:

(a) Chiều quay chong chóng; (b) Di chuyển của drone từ bay treo sang bay tiến [12]

Khi drone bay ở chế độ bay treo, lực đẩy sẽ cùng hướng với lực nâng; tuy nhiên, khi bay tiến (hoặc lùi), máy bay sẽ nghiêng 1 góc so với phương ngang, khi đó lực đẩy tạo ra trên drone sẽ thay đổi theo hướng chuyển động của máy bay (hình 2.2)

Hình 2.2 Các lực tạo ra trên drone: (a) Bay treo; (b) Bay tiến [11]

2.2 Phương pháp tính toán mô phỏng số động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics - CFD)

2.2.1 Tổng quan

Phương pháp tính toán mô phỏng số động lực học lưu chất (CFD) là một ngành khoa học và là một nhánh của cơ lưu chất, sử dụng các máy tính kỹ thuật số để đưa ra các dự đoán định tính và định lượng về các hiện tượng dòng lưu chất dựa trên các định luật bảo toàn (bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng) chi phối chuyển động của lưu chất [13] Máy tính được dùng để thực hiện các phép tính cần thiết nhằm mô phỏng dòng chuyển động tự do của lưu chất và sự tương tác của lưu chất (chất lỏng và chất khí) với các bề mặt được xác định bởi các điều kiện biên Với các siêu máy tính tốc độ cao, việc ứng dụng CFD có thể giúp mang lại các giải pháp tốt hơn và thường được yêu cầu để giải các bài toán khó và phức tạp [14]

CFD được áp dụng cho nhiều vấn đề nghiên cứu và kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và công nghiệp, bao gồm phân tích khí động học và hàng không vũ trụ, siêu âm, mô phỏng thời tiết, khoa học tự nhiên và kỹ thuật môi trường, thiết kế và phân tích hệ thống công nghiệp, kỹ thuật sinh học, dòng chất lỏng và nhiệt chuyển giao, phân tích động cơ và đốt cháy, và hiệu ứng hình ảnh cho phim và trò chơi [14]

Hình 2.3 Một vài ứng dụng thực tiễn của CFD [15]

2.2.2 Các phương trình điều khiển của CFD

Tất cả các phương pháp CFD đều dựa trên các phương trình điều khiển cơ bản của động lực học lưu chất, đó là phương trình liên tục, phương trình động lượng và phương trình năng lượng – được phát biểu bởi 3 định luật vật lý lần lượt là: Định luật bảo toàn khối lượng, Định luật II Newton và Định luật bảo toàn năng lượng

Các phương trình điều khiển có thể thu được ở các định dạng khác nhau Có rất ít sự khác biệt giữa các phương trình này đối với lý thuyết khí động học, nhưng đối với một số thuật toán nhất định trong CFD, việc lựa chọn các phương trình điều khiển là rất quan trọng do việc sử dụng các phương trình khác nhau dẫn đến các kết quả khác nhau Trong số này có thể là kết quả chính xác, có thể là kết quả không chính xác và thậm chí là không ổn định hoặc khác nhau Do đó, cần cẩn thận để đảm bảo sử dụng phương trình điều khiển phù hợp để giải quyết vấn đề thực tế trong quá trình CFD Các đại lượng vật

lý được sử dụng trong các phương trình này bao gồm áp suất p; khối lượng riêng  ;

nhiệt độ T; vận tốc theo 3 phương u , v , w; …

- Phương trình liên tục (Phương trình bảo toàn khối lượng) [16]:

2.2.3 Các phương pháp rời rạc hóa [14]

2.2.3.1 Phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method – FVM)

Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) là một kỹ thuật rời rạc hóa cho các phương trình đạo hàm từng phần, đặc biệt là những phương trình phát sinh từ các định luật bảo toàn vật lý FVM sử dụng công thức tích phân khối của bài toán với một tập hợp phân vùng hữu hạn của khối lượng để rời rạc hóa các phương trình, đặc biệt là các phương trình động lực học lưu chất

Phương pháp thể tích hữu hạn có lợi trong việc sử dụng bộ nhớ và tốc độ giải, đặc biệt đối với các vấn đề lớn, dòng hỗn loạn với số Reynolds cao và dòng bị chi phối bởi giới hạn nguồn Nó được trình bày dưới dạng phương trình điều khiển như sau:

  V  A

trong đó Q là vectơ của các biến được bảo toàn, F là vectơ của dòng lưu chất (xem

phương trình Euler hoặc phương trình Navier–Stokes), V là thể tích của phần tử thể tích kiểm soát và A là diện tích bề mặt của phần tử thể tích kiểm soát

2.2.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM)

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một phương pháp số để giải phương trình vi phân hoặc tích phân, được áp dụng cho một số bài toán vật lý, trong đó có sẵn các phương trình vi phân điều khiển Về cơ bản, phương pháp này bao gồm việc giả sử hàm liên tục từng phần để giải và thu được các tham số của các hàm theo cách làm giảm lỗi trong khi giải Phương pháp này ổn định hơn nhiều so với cách tiếp cận thể tích hữu hạn Tuy nhiên, FEM có thể yêu cầu nhiều bộ nhớ hơn và có thời gian giải quyết chậm hơn so với FVM

Trong phương pháp này, một phương trình phần dư có trọng số (weighted residual equation) được hình thành:

d

trong đó Ri là phương trình phần dư tại một đỉnh i của phần tử, Qilà phương trình bảo toàn được biểu thị trên cơ sở phần tử, Wi là hệ số trọng lượng và Velà thể tích của phần tử

2.2.3.3 Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method - FDM)

Một trong các phương pháp được biết đến nhiều nhất mà tương đối đơn giản và ổn định là phương pháp sai phân hữu hạn, bao gồm việc thay thế từng đạo hàm bằng một thương số khác nhau tương ứng trong công thức cổ điển Nói cách khác, công thức sai phân hữu hạn đưa ra cách tiếp cận trực tiếp hơn đối với nghiệm số của phương trình đạo hàm riêng so với phương pháp dựa trên các công thức khác Hạn chế của phương pháp sai phân hữu hạn là độ chính xác và tính linh hoạt Các phương pháp sai phân hữu hạn tiêu chuẩn đòi hỏi tính quy tắc hơn của nghiệm ( 2( ) )

uC  và tam giác (lưới đồng nhất) Khó khăn cũng nảy sinh trong việc áp đặt các điều kiện biên

0 + + + =

t x y z

(2-9)

trong đó Q là vectơ của các biến được bảo toàn và F, G và H lần lượt là vector của các

dòng lưu chất theo các hướng x, y và z

2.2.4 Quy trình mô phỏng CFD

Quá trình mô phỏng CFD là quá trình giải quyết các bài toán về dòng lưu chất và quá trình này được cấu trúc quanh các thuật toán số để phục vụ mục đích trên Quá trình tính toán động lực học lưu chất đều bao gồm ba giai đoạn là: tiền xử lý (pre – processing), xử lý (processing) và hậu xử lý (post – processing)

- Tiền xử lý (Pre – processing): sẽ bao gồm các bước chính như sau:

+ Xác định vấn đề: xác định cụ thể mục tiêu phân tích và kết quả dự báo đạt được, các yếu tố tác động đến bài toán như khả năng trao đổi năng lượng, loại dòng chảy của lưu chất (tầng hay rối), điều kiện hoạt động, các điều kiện biên…

+ Xây dựng và xử lý hình học: là bước xây dựng mô hình vật thể và mô hình vùng lưu chất bao quanh vật thể cần mô phỏng Hai mô hình này có vai trò quan trọng trong

việc diễn tả đúng bản chất bài toán, tối ưu hóa quá trình mô phỏng và là nền tảng của quá trình thiết lập mô hình lưới tính toán

+ Xác định các điều kiện biên: là việc thiết lập các điều kiện biên vật lý trên các bề mặt của vùng lưu chất hữu hạn, nhằm xác định các yếu tố đầu vào của mô hình mô phỏng và kết nối mô hình với môi trường xung quanh

+ Xây dựng mô hình lưới (chia lưới): là quá trình chia nhỏ mô hình vật thể và vùng lưu chất thành các ô lưới nhỏ kết nối với nhau, không chồng chéo lên nhau Đây là quá trình tiêu tốn nhiều thời gian nhất và có vai trò cực kỳ quan trọng trong mô phỏng CFD Đồng thời cũng góp phần quyết định độ chính xác của kết quả mô phỏng, thời gian tính toán, tài nguyên máy tính

- Xử lý (Processing): là việc thiết lập quá trình mô phỏng bao gồm thiết lập tính chất

dòng chuyển động lưu chất về mặt không gian (2D, 3D), thời gian (ổn định, không ổn định), mô hình rối, giải thuật tính toán, …

- Hậu xử lý (Post – processing): sau khi hoàn thành quá trình mô phỏng, ta sẽ nhận

được các kết quả dưới dạng hình ảnh, đồ thị hoặc số liệu Các kết quả sẽ được phân tích, so sánh nhằm đánh giá ảnh hưởng, tính chất và mức độ thành công của bài toán

Hình 2.4 Ví dụ về quy trình các bước mô phỏng trong Ansys Fluent

2.3 Lưới trong CFD

2.3.1 Định nghĩa lưới

Trong một bài toán CFD, để tính toán kết quả chính xác thì mô hình sẽ được chia thành nhiều ô lưới với mỗi ô là các phần tử dòng chuyển động được giải quyết Lưới

chính là đại diện rời rạc về hình học của vấn đề cần giải quyết Ô lưới có tác động đáng kể đến tỷ lệ hội tụ, độ chính xác của giải thuật và thời gian tính toán của CPU máy tính Nếu chia lưới quá thưa thì kết quả tính được sẽ không chính xác, còn nếu ô lưới nhỏ quá thì sẽ tiêu hao nhiều tài nguyên, mất nhiều thời gian.Vì vậy, ta cần phải chia lưới một cách hiệu quả và chính xác Các thành phần cơ bản của lưới (2D và 3D) bao gồm [17]:

• Ô lưới hoặc phần tử lưới (Cell/Element); • Nút lưới (Node);

• Trung tâm một ô lưới (Cell center); • Mặt (Face);

• Cạnh (Edge)

Hình 2.5 Thành phần cơ bản của lưới [17]

Các loại hình dạng của phần tử lưới 2D và 3D phổ biến được minh họa như hình 2.6:

Hình 2.6 Phần tử lưới phổ biến (a) dạng 2D; (b) dạng 3D [17]

(a)

(b)

- Lưới phi cấu trúc (unstructured mesh): là các mắt lưới có kết nối chung và có cấu trúc là tự do và do đó kết nối của các phần tử phải được xác định và lưu trữ Vì tính tự do này mà lưới có thể dễ dàng được tinh chỉnh mức độ phân giải của hệ lưới sao cho phù hợp với hình học mà cần tính toán Các loại phần tử kết nối chung là không trực giao, chẳng hạn như tam giác (2D) và tứ diện (3D)

Hình 2.7 (a) Lưới cấu trúc; (b) Lưới phi cấu trúc [18]

- Lưới lai hay còn gọi là lưới hỗn hợp (hybrid mesh): là sự kết hợp hai loại lưới cấu trúc và không cấu trúc vô một hình học để tận dụng ưu điểm của hai loại và làm cho việc tính toán mô hình được tối ưu hơn

(a)

(b)

Hình 2.8 Lưới hỗn hợp (lưới lai) [19]

2.3.3 Tiêu chí đánh giá lưới

Để đảm bảo cho một bài toán mô phỏng đạt hội tụ thì việc chia lưới và đạt chuẩn các tiêu chuẩn về lưới là điều không thể thiếu Việc chia lưới đòi hỏi sự tỉ mỉ về từng chất lượng, kích thước gữa các ô lưới phải phù hợp bài toán mình đang xét Sau đây là những phương pháp đánh giá chất lượng lưới được được sử dụng trong mô phỏng bài toán này:

- Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng từng phần tử lưới: Skewness (độ cân xứng các phần tử lưới) và Aspect ratio (tỉ lệ kích thước phần tử lưới)

- Tiêu chuẩn đánh giá tổng thể chất lượng lưới: Orthogonal quality (độ không trực giao) và Smoothness (độ mịn lưới)

a) Độ cân xứng của lưới (skewness) [17]

Công thức của độ cân xứng lưới dựa vào độ lệch góc đều:

e: là góc mà phần tử ô lưới đang xét (đặc biệt nếu chia lưới tam giác là 60 độ, chia lưới tứ giác là 900)

Phạm vi xét độ cân xứng của lưới là từ 0 đến 1 Độ cân xứng tốt nhất là bằng 0 và không đạt khi bằng 1 Tiêu chuẩn này được xem là tiêu chuẩn quan trọng nhất trong ba tiêu chuẩn, nếu nó tốt thì các tiêu chuẩn khác cũng tốt

Bảng 2.1 Chất lượng phần tử lưới dựa trên các khoảng giá trị độ cân xứng lưới [20]

Xuất sắc Rất tốt Tốt Trung bình Xấu Rất xấu

0 – 0,25 0,25 – 0,50 0,50 – 0,80 0,80 – 0,94 0,95 – 0,97 0,98 – 1,00

b) Tỉ lệ kích thước các cạnh của phần tử (AR) [21]

Định nghĩa: là tỉ lệ độ dài giữa cạnh lớn nhất và cạnh nhỏ nhất của một ô lưới Công thức dùng đánh giá cho phương pháp này:

- Đối với phần tử lưới dạng tam giác và tứ diện:

f = đánh giá 2D, 13

f = đánh giá 3D

- Đối với phần tử lưới dạng hình chóp và lục giác:

( 11 22 )max , , ,min , , ,

• ei là trung bình cộng 2 cạnh đối của 1 phần tử lưới

• n là tổng số hướng (n = 2 với dạng hình chóp; n = 3 với dạng lục giác) Phạm vi xét tiêu chuẩn này với giá trị lý tưởng là 1, tuy nhiên khó có thể đạt được

Hình 2.9 Chất lượng phần tử lưới dựa trên tiêu chuẩn AR

c) Độ không trực giao (orthogonal quality) [20]

Định nghĩa: tiêu chí này đo góc giữa 2 tâm của ô lưới và pháp tuyến của đường giao tuyến của hai ô lưới đó

- Đối với phần tử lưới, độ không trực giao được xét theo công thức sau:

• Ai là vectơ pháp tuyến của mặt

• fi là vectơ nối từ tâm phần tử đến tâm của mặt đó • c là vectơ nối tâm 2 phần tử liên kề i

• e là vectơ nối từ trọng tâm của mặt đến trọng tâm của cạnh i

A fA cA cA f

Hình 2.10 Ví dụ về các vectơ trong công thức đánh giá độ không trực giao [20]

Phạm vi xét tiêu chuẩn này cũng chạy từ 0 đến 1 Tiêu chuẩn tốt nhất khi đạt ở gần 1, và tệ nhất là gần 0

Bảng 2.2 Chất lượng phần tử lưới dựa trên các khoảng giá trị độ không trực giao [20]

Rất xấu Xấu Trung bình Tốt Rất tốt Xuất sắc

0 – 0,001 0,001 – 0,14 0,15 – 0,20 0,20 – 0,69 0,70 – 0,95 0,95 – 1,00

d) Độ mịn lưới (smoothness)

Tiêu chuẩn này xét đến sự thay đổi kích thước của các phần tử liền kề nhau Lưới được xem là đảm bảo tiêu chuẩn về độ mịn khi sự thay đổi kích thước của 2 phần tử lưới liên tiếp không được vượt quá 20%

2.4 Mô phỏng dòng rối

2.4.1 Phương pháp mô phỏng dòng rối

Dòng chuyển động được xem là rối khi các phần tử chất lỏng hay chất khí chuyển động không có trật tự và hỗn loạn Ngược lại, dòng chuyển động được xem là tầng khi các phần tử di chuyển thành từng lớp và trật tự Người ta thường dùng số Reynolds của dòng để dự đoán một dòng là tầng hay rối Số Reynolds của dòng là tỉ số giữa lực quán tính (inertia force) của một phần tử chất lỏng hay chất khí và lực ma sát nhớt (viscous force) tác dụng lên phần tử đó [22] Công thức tính số Reynolds như sau:

Số Reynolds (Re) = Lực quán tính/Lực nhớt(2-15)

Từ số Reynolds của dòng, ta đem so sánh với số Reynolds tới hạn – Critical Reynolds

number (Recrit) để xác định trạng loại dòng Nếu Re < Recrit thì dòng này được gọi là dòng tầng Nếu Re > Recrit thì dòng này được gọi là dòng rối Nếu Re ≈ Recrit thì được

gọi là dòng chuyển tiếp, đây là dòng hỗn hợp của dòng tầng và dòng rối, với dòng rối ở

trung tâm và dòng tầng ở gần biên Phần lớn các vấn đề về lưu chất gặp phải khi mô phỏng đều là dòng rồi, và với mỗi loại dòng rối thì ta cần phải có các cách tiếp cận khác nhau Hiện nay, có ba phương pháp mô phỏng dòng rối phố biến: Mô phỏng trực tiếp – Direct Numerical Simulation (DNS); Mô phỏng Navier – Stokes sử dụng số Reynolds trung bình – Reynolds Averaged Navier – Stokes (RANS); Mô phỏng xoáy lớn – Large Eddy Simulation (LES)

- Phương pháp DNS: là phương pháp mô phỏng dòng 3D và phụ thuộc vào thời gian

Đặc biệt, với phương pháp này có thể mô phỏng được tất cả xoáy lớn, xoáy nhỏ trong dòng được tính toán Do mô phỏng được đầy đủ dòng rối nên phương pháp này cung cấp được những giá trị khó lấy được từ thực nghiệm, ngoài ra có thể dùng để kiểm tra với các mô hình rối khác Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế như: chi phí tính toán lớn, yêu cầu bộ nhớ lớn, cung cấp số lượng thông tin quá lớn, không khả thi trong công nghiệp, …

- Phương pháp RANS: là phương pháp sử dụng phương pháp lấy trung bình, do đó,

không tính toán cụ thể mọi xoáy lớn, nhỏ trong dòng mà chỉ mô phỏng và đưa ra giá trị trung bình, vì thế tiết kiệm được thời gian và khối lượng tính toán Hiện nay, đây là phương pháp được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp và trong các nghiên cứu

- Phương pháp LES: là phương pháp lai giữa DNS và RANS Cách tiếp cận của phương

pháp này là giải trực tiếp các xoáy lớn và mô phỏng các xoáy nhỏ Nhờ đó, độ chính xác và đầy đủ của kết quả tính toán là vượt trội hơn hẳn so với phương pháp RANS và gần tương đương với phương pháp DNS, trong khi vẫn đảm bảo được khối lượng và chi phí tính toán không quá cao

Hình 2.12 Các phương pháp mô phỏng dòng rối phổ biến [23]

2.4.2 Mô hình rối RANS

Trong phương pháp mô phỏng RANS, ta phân loại các mô hình rối dựa vào số lượng phương trình vận chuyển cộng thêm vào mô hình:

Bảng 2.3 Bảng phân loại mô hình rối theo số phương trình vận chuyển

Loại mô hình rối Số lượng phương trình vận chuyển thêm

3) k-epsilon (standard, RNG, realizable) 2