BÀI TẬP LỚN HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 potx

GIỚI THIỆU VỀ LƯU CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP CFD Cơ học lưu chất hay còn gọi là cơ học thủy khí, nghiên cứu sự cân bằng và chuyển động của các phần tử vật chất vô cùng nhỏ có thể dễ dà

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BỘ MÔN: KT HÀNG KHÔNG



BÀI TẬP LỚN HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4

BÁO CÁO KẾT QUẢ: GAMBIT-FLUENT

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU trang 2

1 GIỚI THIỆU trang 7

2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN- ỨNG DỤNG FLUENT trang 8

3 TÌM HIỂU PHẦN MỀM CHIA LƯỚI VÀ TÍNH TOÁN………… trang 8

4 CHIA LƯỚI AIRFOIL TRONG GAMBIT trang 13

5 TÍNH TOÁN TRÊN FLUENT trang 18

6 CÁC KẾT QUẢ THU ĐƯỢC trang 22

7 CÁNH KHÔNG CÓ FLAP trang 29

8 CÁNH CÓ FLAP, LƯỚI CHIA TỐT NHẤT NACA 23012……… trang 35

9 KẾT LUẬN trang 44

GIỚI THIỆU VỀ LƯU CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP CFD

Cơ học lưu chất hay còn gọi là cơ học thủy khí, nghiên cứu sự cân bằng và chuyển động của các phần tử vật chất vô cùng nhỏ có thể dễ dàng di chuyển và va chạm với nhau trong không gian Với cơ học lưu chất, một cách tương đối có thể chia làm hai nhóm:

1, Nghiên cứu chất thề lỏng (nước, dầu, rượu,….) có thể tích thay đổi rất ít khi có tác động của áp suất

và nhiệt độ ( gọi là lưu chất không nén)

2, Nghiên cứu các hiện tượng vật lý của chất thể khí và hơi, dễ bị thay đổi thể tích dưới áp suất và nhiệt độ ( còn gọi là lưu chất nén được)

Sự thay đổi thể tích của vật chất không chỉ phụ thuộc vào cấu trúc phân tử, mà còn phụ thuộc vào tác động của ngoại lực hoặc nhiệt độ Do đó trong một số trường hợp còn phải kể đến khả năng nén được của chất lỏng Ví dụ như máy ép thủy lực, tuy môi chất thông thường là dầu, nhưng dưới áp áp suất cao, khối lượng riêng của nó cũng thay đổi đáng kể Hay như trong ngành hàng không không gian, đối với những chuyển động chậm thông thường ( chim, máy bay nhỏ… – M<0.3) thì dòng lưu chất chuyển đông qua nó coi là thông thường và không nén được, nhưng với những chuyển động cận và vượt âm, trên độ cao lớn ( háy bay chiến đấu, tên lửa, dòng qua ống phun ) dòng lưu chất qua vật thể, qua cánh máy bay với vận tốc rất lớn, sự thay đổi thể tích (hay khối lượng riêng lưu chất) là đáng lưu tâm, sự giãn nở của dòng lưu chất phải được nghiên cứu kĩ càng

Một trong những tính chất quan trọng của các lưu chất là lực ma sát trong giữa các dòng chuyển động Lực ma sát này thường được gọi là độ nhớt

Mô hình toán học:

Cũng giống như bất kì mô hình toán học nào về thế giới thực, cơ học lưu chất phải đưa ra một giả thiết cơ bản về các chất lưu đang được nghiên cứu Những giả thiết này được trở thành các phương trình toán phải được thỏa mãn nếu các giả thiết đó là đúng Ví dụ, hãy xét một lưu chất không nén được trong môi trường 3D Giả sử khối lượng bảo toàn có nghĩa là với mọi mặt đóng cho trước (chẳng hạn mặt cầu) tỷ lệ khối lượng chảy từ “bên ngoài” vào “bên trong” mặt đó phải cùng với tỷ lệ khối lượng chảy theo hướng “bên trong” ra “bên ngoài” Điều này có thể chuyển thành một phương trình tích phân trên mặt đóng đó

Cơ học lưu chất giả thiết rằng mọi chất lưu thỏa mãn những điều sau đây:

- Bảo toàn khối lượng

- Bảo toàn động lượng

- Giả thiết về môi trường liên tục

Ngoài ra nhiều trường hợp thông thường, giả thiết lưu chất không nén được – nghĩa là mật độ của lưu chất không đổi Các chất lỏng có thể mô phỏng như lưu chất không nén được, trong khí các chất khí

thường không thỏa mãn điều đó, tuy vậy khi sự nén xảy ra là nhỏ người ta vẫn có thể coi dòng khí đó như không nén để thuận tiện cho việc tính toán

Tương tự như vậy, đôi khi người ta giả thiết rằng độ nhớt lưu chất bằng 0 Đối với các loại khí thường được gia thiết là không nhớt Nếu một lưu chất có độ nhớt, và dòng chảy của nó bị giới hạn một cách nào đó (thí dụ trong ống), thì dòng tại biên có vận tốc bằng 0

Giả thiết về môi trường: Lưu chất được các tạo từ các “phần tử bé”, chúng chuyển động hỗn độn va chạm lẫn nhau và va chạm vào các vật rắn Tuy vậy, trong nhiều trường hợp thông thường giả thiết về một môi trường liên tục – xem lưu chất là liên tục Nghĩa là ở trường hợp đó, các tính chất như mật

độ, áp suất, nhiệt độ, và vận tốc coi như được định nghĩa trên những điểm nhỏ “vô hạn”, rồi định ra một phần tử thể tích khảo sát Các tính chất được giả sử là biến đổi một cách liên tục từ điểm này sang điểm khác, và là giá trị trung bình của phần tử đó Trong nhiều trường hợp, sự thật lưu chất được cấu tạo từ phần tử rời rạc được bỏ qua

Giả thiết môi trường về bản chất là một xấp xỉ, do đó cần chỉ ra những chỗ xấp xỉ trong cách giải, đó

là nguyên nhân gây sai số giữa tính toán và thực nghiệm, giữa tính toán lý thuyết và thực tế Việc giả thiết về môi trường, điều kiện biên có thể dẫn đến những kết quả không nằm trong độ chính xác mong muốn Nếu không chỉ ra được những điều kiện làm sai số thì lý thuyết rất xa rời thực tế, và việc tính toán không còn ý nghĩa Dưới những điều kiện về môi trường thích hợp những tính toán vẫn có thể đưa ra kết quả chính xác nhất định

Đối với những bài toán mà giả thiết về môi trường không đưa ra được lời giải có độ chính xác mong muốn, thì sẽ được giải bằng phương pháp cơ học thống kê

Phương pháp CFD:

Các nhà khoa học tiền bối khi nghiên cứu chuyển động dòng chảy của sông, sóng biển, gió bão, không khí… họ dùng bút và giấy kết hợp thực nghiệm với các phương pháp giải tích, toán học là những công cụ kết hợp với kiến thức về lý, hóa, truyền nhiệt… Họ là những người rất giỏi về khoa học tự nhiên và tính toán Thậm chí có lúc với kiến thức tự nhiên, tính toán và thực nghiệm họ trở thành những nhà dự đoán thiên tài kết quả bài toán đang nghiên cứu Khi chưa xuất hiện máy tính, thời gian nghiên cứu một vấn đề phức tạp rất lâu Có những bài toán khoa học đã chiếm hàng chục năm trong cuộc đời nhà khoa học Hay những bài toán thiết kế, được tiến hành rất công phu trên giấy, sau đó mang ra thực nghiệm, thực nghiệm thất bại, lại được tiến hành tính toán lại, quá trình đó lập đi lập lại hàng chục thậm chí hàng trăm lần để ra được sản phẩm có hữu dụng cho nhu cầu cuộc sống Ví như để thiết kế ra 1 dòng máy bay phải mất tới hàng chục năm, quá trình đó rất lâu dài và tốn kém Thực nghiệm thiết kế là điều bắt buộc, nó kiểm nghiệm lý thuyết, đánh giá kết quả tính toán, nó kết luận quá trình thiết kế Tuy nhiên quá trình thực nghiệm rất tốn kém, với máy bay có thể lên đến hàng triệu USD hoặc hơn cho mỗi lần

Quá trình nghiên cứu khoa học, thiết kế với giấy và bút

Sản phảm chưa ứng dụng CFD

Từ khi xuất hiện của máy tính kéo theo ngành công nghệ thông tin, như một sự nhảy vọt trong lịch sử khoa học loài người Máy tính rồi CFD, trở thành bạn của nhà nghiên cứu, nhà thiết kế, của sinh viên Người ta không còn mất hàng kilo gam giấy cho những bài toán khó, quá trình đó được rút ngắn xuống rất nhiều Công sức để dùng bút trên hàng tá giấy A4, được dùng cho việc khác, cho những ý tưởng, nhưng ước mơ, những nghiên cứu phức tạp gấp bội, máy tính và CFD sẽ làm việc cùng bạn

Quá trình tình đơn giản hơn

Cho ra sản phẩm hữu dụng phức tạp hơn ( máy bay F-22 USA sản phẩm đỉnh cao ứng dụng CFD)

Như vậy CFD là gì, xin giới thiệu sơ về CFD: (Computational Fluid Dynamics)

- Đối tượng làm việc của CFD: CFD thâm nhập vào những nơi có sự dịch chuyển của chất lỏng, sực thay đổi về nhiệt độ, khối lượng, nơi mà lưu chất chuyển động phức tạp, như dòng lưu chất chuyển động qua cánh máy bay, dòng lưu chất chuyển động trong ống, qua ống phun…

- Bằng máy tính, CFD dự đóan những sự thay đổi về lượng, khi dòng chuyển động, cho ra những kết quả tính toán phức tạp với kết quả chính xác phụ thuộc vào điều kiện biên người sử dụng áp đặt cho nó Những kết quả mà tính tay không thể làm

- CFD dùng máy tính để giải những phương trình toán học trên nền tảng của khoa học

+ người dùng nêu vấn đề

+ kiến thức khoa học biểu thị qua toán học

+ phần mền dùng đã bao gồm các kiến thức và biểu thức mô tả vấn đề bằng các thuật ngữ khoa học

+ phần cứng thi hành các tính toán do phần mềm viết ra

+ người kiểm tra rồi thông dịch các kết quả của chúng

- Độ tin cậy của CFD không đạt 100%, do những điều kiện biên đặt vào bao giờ cũng có sự khác biệt thực tế, chưa nói đến những sai sót chủ quan của người tiến hành dùng CFD

Trong thời thế giới hiện đại, bất kì ai khi đang nghiên cứu về khoa học tự nhiên không thể không quan tâm đến CFD vì lợi ích to lớn của nó Sinh viên hàng không cũng vậy Vậy sinh viên học CFD như thế nào ? phải đặt ra cho mình một chương trình tìm hiểu CFD, phải tự đặt ra cho mình một bài toán

để dùng CFD giải quyết, đánh giá mức độ giải quyết bài toán ?

ĐẶT VẤN ĐỀ:

1 Tìm hiểu một phần mền chia lưới Gambit…  cho CFD

Yêu cầu: a tìm hiểu các loại lưới, kiểu lưới

b đánh giá lưới

2 Mô hình toán của hiện tượng vật lý

3 Giải bằng một phần mền CFD ( cụ thể ở đây dùng Fluent)

Sau đó:

1 Phân tích cac đại lượng vật lý được mô hình hóa trong mô mình toán

2 Phân tích các phương pháp mô phỏng sử dụng trong phần mền được dùng để gải bài toán

3 Phân tích các phương pháp rời rạc hóa đã sử dụng để rời rạc hóa mô hình toán

4 Đánh giá ảnh hưởng của phương pháp mô phỏng, phương pháp rời rạc hóa, phương pháp chia lưới lên sự chính xác của kết quả

5 Trình bày đánh giá kết quả

Bài báo cáo đề cập đến việc mô phỏng và tính toán động lực học đối với dòng lưu chất chảy trong mô hình 2D airfoil Bằng FLUENT & GAMBIT, ta khảo sát được trường áp suất, vận tốc…của dòng chảy tại từng vị trí trong mô hình

Mô hình được chia thành lưới phần tử tứ diện bằng GAMBIT Điều kiện biên là vận tốc đầu vào cho trước Các đồ thị thể hiện được quan hệ giữa vận tốc áp suất, động năng rối…theo các phương khác nhau

1 GIỚI THIỆU

Trong kỹ thuật đa phần các dòng chảy đều là rối nên dòng rối không những có vai trò quan trọng trong lý thuyết mà trong thực tế rất cần các công cụ có khả năng thể hiện tác động của dòng rối lên các đặc tính trung bình thời gian của dòng chảy (như vận tốc, áp suất, ứng suất…) Với sự phát triển của các phần mềm tin học, tính toán trên các mô hình ảo ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế, đánh giá tác động của dòng chảy

GAMBIT là phần mềm CAD có khả năng chia lưới rất mạnh bằng nhiều cách: lưới tam giác, lưới

tứ diện, lưới lục giác, lưới không cấu trúc… bằng công cụ TGrid Ngoài ra, sau khi chia lưới, việc làm sạch lưới với giải thuật Laplace, Equipotential cũng được áp dụng

FLUENT là phần mềm được sử dụng rất phổ biến trên thế giới để tính toán, mô phỏng dòng chảy của lưu chất và sự truyền nhiệt Khả năng mô hình hóa vật lý của FLUENT được ứng dụng rộng khắp trong mọi lĩnh vực công nghiệp: từ dòng chảy không khí qua cánh máy bay đến sự cháy trong lò, từ các cột bọt khí đến việc sản xuất thủy tinh, từ dòng chảy trong máu đến công nghiệp bán dẫn, từ thiết

kế phòng sạch đến các nhà máy xử lý nước thải Phần mềm có có khả năng mô hình hóa động cơ xylanh, đường đạn, máy và thiết bị tuốc-bin, và hệ thống đa pha

Ngày nay, hàng ngàn công ty trên toàn thế giới được lợi từ việc sử dụng những công cụ thiết kế

và phân tích quan trọng này Được mở rộng bởi khả năng tương tác đa môi trường khiến phần mềm trở thành công cụ phổ thông trong trong cộng đồng CFD Với sự nổi tiếng về sự thân thiện và mạnh

mẽ, FLUENT rất dễ sử dụng đối với người mới bắt đầu để nâng cao năng suất và hiệu quả trong công việc

2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN- ỨNG DỤNG FLUENT

3 TÌM HIỂU PHẦN MỀM CHIA LƯỚI VÀ TÍNH TOÁN

A TÌM HIỂU PHẦN MỀM CHIA LƯỚI

1.Tìm hiểu các loại lưới:

2.Tiêu chuẩn đánh giá lưới:

Có 3 tiêu chuẩn cơ bản:

Dựa trên góc đều nhau:

Đặt max( max , min )

180

eq eq EAS

Tiêu chuẩn Skewness là quan trọng vì khi tiêu chuẩn này thỏa thì 2 tiêu chuẩn còn lại cũng thỏa

Velocity inlet boundary: được dùng để xác định vận tốc của dòng kèm theo tất cả các đặc trưng vô hướng của dòng tại lối vào Đặc trưng dừng của dòng không được cố định Điều kiện biên này hướng tới dòng không nén, nếu dùng cho dòng nén được sẽ dẫn đến kết quả phi tự nhiên Không nên đặt vận tốc vào quá gần vật thể rắn vì có thể làm cho đặc trưng dừng dòng vào không đồng đều

Pressure outlet boundary: đòi hỏi đặc trưng của áp suất tĩnh tại lối ra Giá trị của áp suất tĩnh chỉ dùng cho dòng dưới âm

Chọn mô hình rối:

Chọn mô hình rối sẽ phụ thuộc vào sự xem xét như hiện tượng vật lý bao quanh dòng, thực nghiệm được thiết lập cho bái toán, mức độ chính xác yêu cầu, khả năng tài nguyên tính toán, thời gian mô phỏng

Mô hình tiêu chuẩn k-ε

Mô hình rối klà một mô hình trong các phương trình Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS), dạng “Two-Equation Model” dựa trên hai phương trình được xây dựng dựa vào hai

thông số: động năng rối k và tốc độ tiêu tán (dissipation rate) 

Mô hình rối k  là mô hình dạng bán thực nghiệm với phương trình cho động năng rối k là

phương trình chính xác Còn phương trình cho tốc độ tiêu tán  được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa lí thuyết và thực nghiệm

Dùng mô hình Realizable k-ε model: là mô hình được phát triển và khác với mô hình chuẩn với 2 cách quan trọng:

Mô hình realizable chứa công thức mới cho độ nhớt rối

Phương trình vận chuyển mới cho độ tiêu tán ε, xuất phát từ phương trình chính xác cho sự thay đổi bất thường về xoáy tính bình phương trung bình

C GIẢI BẰNG PHẦN MỀM CFD

Các đại lượng vật lý gồm: vận tốc, áp suất, khối lượng riêng, hệ số nhớt động học

Các phương pháp sử dụng để giải bài toán:

Có 2 phương pháp chính là Segrated solver và Coupled slover do phần mềm Fluent hỗ trợ Sự khác nhau giữa 2 phương pháp là cách tuyến tính hóa và giải những phương trình rời rạc

Rời rạc dùng mô hình không gian Third-Order MUSCL Scheme:

Monotone Upstream-Centered Scheme forConservation Laws

Là sự kết hợp giữa phương pháp Central differencing Scheme và Second-order upwind Scheme Không như QUICK Scheme chỉ áp dụng cho lưới lục giác, MUSCL áp dụng cho lưới bất kỳ So với

Second-order Scheme, MUSCL cải thiện tính chính xác bằng cách giảm sự phân kỳ MUSCL có khả năng áp dụng cho pressure-based và density-based

Dùng thuật toán couple có nhiều ưu điểm, dùng coupled algorithm thì cần thiết khi chất lượng lưới chưa tốt (poor) Coupled algorithm giải phương trình liên tục và phương trình moment kết hợp với nhau

Hệ số Courant number (CFL-Courant Friedrich Levy number) : Bước thời gian tỉ lệ với CFL như sau:

Solve turbulence and other scalar

equations

P

Thông thường, chọn bước thời gian lớn sẽ hội tụ nhanh, vì vậy ưu điểm là thiết lập CFL lớn nhất có thể

CFL cho coupled explicit solver:

Giá trị mặc định của CFL cho coupled explicit là 1, có thể tăng nhưng không vượt quá 2

CFL cho couple implicit slover:

Giá trị mặc định của CFL là 5, có thể tăng lên 10, 20, 100 hoặc lớn hơn

4 CHIA LƯỚI AIRFOIL TRONG GAMBIT

Vẽ cánh đối xứng NACA 4412 bằng phần mềm profile

Sau đó xuất sang CAD dưới dạng file DXF, dùng CAD chỉnh sửa, rồi đưa đầu airfoil về gốc tọa độ, rồi dùng lệnh REGION chuyển file từ DXF  .DAT để GAMBIT đọc

Hình trong Cad

Trong Gambit

Dùng airfoil vừa tạo được để sử dụng trong việc chia lưới bằng Gambit Bằng cách tạo nhiều điểm xung quanh nó với các khoảng cách chọn trước Tạo các điểm đó bằng lệnh copy các điểm có sẵn trên airfoil theo các phương và khoảng cách theo ba trục x,y,z

Sau khi được các điểm đó ta nối chúng với nhau bằng lệnh

Từ các cạnh đã tạo được, ta tiếp tục tạo mặt với lệnh

Như vậy ta sẽ tạo được 5 mặt: ABCG GCC’G’, C’G’DE, EFG,AFG

Trong bài chia lưới ta đặt tên theo thứ tự là

Sau đó ta tạo điểm Trên các cạnh ngang tạo 550 điểm, cạnh dọc tạo 550 điểm Cung tròn tạo

550 điểm Ta sẽ có

Cạnh Hướng Tỉ số Ratio Số điểm

Sau khi chia điểm thành công chúng ta tiếp tục tạo lưới từ các điểm đã tạo

Tạo nhóm cạnh bằng lệnh

Ta sẽ được các nhóm cạnh với tên: far1, far2, far3, airfoil

Định dạng kiểu bao quanh của các nhóm bằng lệnh

Nhóm far1,far2, far3 định dạng kiểu Pressure Farfield Nhóm airfoil định dạng kiểu Wall

Save file và xuất lưới ra file msh

5 TÍNH TOÁN TRÊN FLUENT

Thiết lập các thông số của dòng