Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Thí nghiệm hầm gió ảo cho công trình nhà bằng mô phỏng CFD

Đề kiểm chứng khả năng ứng dụng của phần mém, kha năng mô phỏng và đánhgiá gió xung quanh công trình nên học viên tiễn hành mô phỏng công trình có dạng hìnhtrụ CAARC của các nghiên cứu t

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

NGUYEN VAN THONG

THI NGHIEM HAM GIO AO CHO CONG TRINH NHA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HOC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa hoc:Cán bộ hướng dẫn 1: TS Nguyễn Hữu Thành

Cán bộ hướng dẫn 2: PGS.TS Nguyễn Quốc ÝCán bộ chấm nhận xét 1: TS Lê Văn Phước NhânCán bộ chấm nhận xét 2: TS Lê Trung KiênLuận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bach Khoa, DHQG Tp HCM,ngày Ø7 tháng 02 năm 2018.

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

1 Chủ tịch: PGS TS Nguyễn Văn Hiệp

-2 Thư kí: PGS TS Nguyễn Minh Long

3 Phản biện 1| (thành viên): TS Lê Văn Phước Nhân

4 Phản biện 2 (thành viên): TS Lê Trung Kiên 5 Thành viên: TS Hỗ Hữu Chỉnh - -s

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

KY THUẬT XÂY DUNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYÊN VĂN THÔNG MSHV: 1570658Ngày, tháng, năm sinh: 20/08/1992 Nơi sinh: Bình ĐịnhChuyên ngành: KTXD công trình dân dụng và công nghiệp MN: 60 58 02 08I TÊN DE TÀI: Thí nghiệm hầm gió ảo cho công trình nhà bằng mô phỏng CFDH NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Tìm hiểu cơ sở lý thuyết CFD, phan mềm Ansys Fluent và ban chat các thông sốtrong phân tích gió.

2 Sử dụng phần mềm Ansys Fluent mô phỏng và phân tích các nghiên cứu đã đượccông bố

3 Sử dụng phương pháp CFD để xác định tải trọng gió tinh tác dụng lên công trình.HI.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/07/2017

IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU : 07/02/2018V HỌ VÀ TÊN CBHD: TS Nguyễn Hữu Thành, PGS.TS Nguyễn Quốc Ý

A

Tp HCM, ngày tháng Nam CÁN BỘ HƯỚNG DAN 1 CHỦ TỊCH HỘI ĐỎNG NGÀNH

TS Nguyễn Hữu Thành

CAN BO HUONG DAN 2 TRUONG KHOA KY THUAT XAY DUNG

PGS TS Nguyễn Quốc Y

LỜI CÁM ƠN

Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp năm trong hệ thốngbài luận cuối khóa nhằm trang bị cho Học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biếtcách giải quyết những van dé cụ thé đặt ra trong thực tế xây dựng Đó là trách nhiệmvà niềm tự hào của mỗi học viên cao học

Đề hoàn thành luận văn này, ngoài sự cô gang và nỗ lực của ban thân, hoc viên đãnhận được sự giúp đỡ từ tập thể và các cá nhân Học viên xin ghi nhận và tỏ lòng biếtơn đến tập thể và các cá nhân đã dành cho học viên sự giúp đỡ quý báu đó

Đầu tiên Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thay TS Nguyễn Hữu Thànhvà thây PGS.TS Nguyễn Quốc Ý Thây đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ýtưởng của dé tài và Thay góp ý rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vandé nghiên cứu, cũng như cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả và giúp đỡ những lúc khókhăn trong quá trình thực hiện đề tài

Học viên xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Xây dựng, trườngĐại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá, đó cũng là nhữngkiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp sau này

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân,tuy nhiên không thé không có những thiếu sót Kính mong quý Thay Cô chỉ dẫn thêmdé học viên bố sung những kiến thức và hoàn thiện Luận văn của mình

Xin trân trọng cảm ơn.

Tp.HCM,ngay tháng năm 2018

Nguyễn Văn Thông

TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hiện nay cùng với sự phát triển của ngành xây dựng là hàng loạt các công trình cóchiều cao lớn, hình dáng phức tạp và xây chen ra đời dẫn đến việc xác định tải trọng giólên các công trình này là tương đối khó khăn, tốn kém Vì vậy, trong luận văn này họcviên nghiên cứu dé xuất phương pháp xác định tải trọng gió, đặc biệt cho các công trìnhkhông có trong bảng tra của các tiêu chuẩn

Đề kiểm chứng khả năng ứng dụng của phần mém, kha năng mô phỏng và đánhgiá gió xung quanh công trình nên học viên tiễn hành mô phỏng công trình có dạng hìnhtrụ (CAARC) của các nghiên cứu trước đây đã có kết quả mô phỏng và thí nghiệm hamgió Cả hai mô phỏng này đều áp dụng mô hình k — # có sự điều chỉnh (mô hình MMK)so với mô hình standard k — #, mô hình điều chỉnh này được dé cập trong nghiên cứucủa Murakami cùng cộng sự (1997).

Sau khi khảo sát mô hình, mật độ lưới và xác định các thông số dùng trong môphỏng, học viên tiếp tục áp dụng phương pháp CFD trong phần mém Ansys Fluent đểxác định và phân tích tải trọng gió tĩnh cho công trình thực tế có hình dạng mặt băng vàmặt đứng phức tạp, không có trong các bảng tra của tiêu chuẩn thiết kế gió Từ đó cónhững nhận định quan trọng giữa phương pháp CFD và tính toán theo tiêu chuẩn trongxác định lực gió tĩnh tác dụng lên công trình.

LỜI CAM ĐOAN

Ngoại trừ các kết quả tham khảo từ các công trình nghiên cứu khác đã trích dẫntrong luận văn, tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướngdẫn của PGS TS Nguyễn Quốc Ý và TS Nguyễn Hữu Thành

Kết quả trong Luận văn chưa từng được công bố trong các nghiên cứu khác.Học viên xin chịu trách nhiệm vệ công việc thực hiện của mình.

Ip.HCM,ngày tháng năm 2018

Nguyễn Văn Thông

MỤC LỤC

TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ 66s St SE EềESESESESEEEEEEEEESESESEEEEEEEErrrerererkrkd 2LOI CẢM ƠN 12211 1 111215 11111111111 110121110111 11111101 111111111111 1111 11.00101111 y0 3LOI CAM ĐOAN 5c S1 1 1 131111111115 11 11010111 110101 1101011011101 11 1111110111011 1 y0 41/0/9099 2 5DANH MỤC HÌNH ẢNH - G11 51911 1E 9191115111 1115111 H11 ng ng 8DANH MỤC BANG BIÊU - G- G1931 1E 19191 1E 121111 11151 11 ng: 10DANH MỤC CHU VIET TAT uuuc.ccccccccecescscecsceccescesecscececessevscscececevavacecsevavaceceeseavacees 11

CHƯƠNG 1 TONG QUAN u.ecccccccescscesscscecesesesvscscececsevsvscscecssevavaceceaacacacesssavaraceceees 131.1 Đặt vấn G6 Gv T11 12 TT HT ng TT HT TH HT ng 131.2 Tình hình nghiÊn CỨU - - 55G E000 9.000 re 191.3 Sự cần thiết, mục tiêu, phạm vi nghiên cứu và ý nghĩa dé tài 211.4 Nội dung của nghiỀn CỨU - << 00 nọ re 21CHUONG 2 CƠ SỞ LÍ THUY ẾT - + 25256 E2 EEEE2E£E£ESEEEEEEEEEEEE E1 EEEEEree 232.1 Cơ sở lý thuyết của CFD vẻ khí động lực học - ¿5-5 5s+c+ccz£s+scce2 232.1.1 Dinh luật bảo toàn khối lượng ¿- - + 52 2 2E EEzErEeEerrkrkrree 232.1.2 Định luật II NewWtON - - c5 5511000022111 11111111010 1n xe 242.2 Phương pháp giải phương trình chủ dao - S1 1 ra 252.3 M6 hình Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) và mồ hình MMK 252.3.1 Mô hình Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 272.3.2 Mô hình IMMMK - ¿-¿- + S221 E9 E5 1 1 151511211111 111515 1111115111 T1 c6 28CHƯƠNG 3 KIEM CHUNG PHƯƠNG PHAP CFD 5255 552c+ccscxsrsce2 303.1 Mô phỏng nghiên cứu cua Huang cùng cộng sự (2007) « «+ <<<<<5 303.1.1 Miễn tính toán và mật độ lưới - - + 2 5+2 E+tvE£xtterrkrrerererrees 30

3.1.2 Mô hình rối . c2 s SE S238 158 588538 58 538138153151 E51 E23 151 53k ng tren 343.1.3 Điều kiện biên - c- SsS 1xx S1 S313 511118 511118 511111 1111 11118 1118 Txte ri 353.1.4 Kết quả và nhận XÉK - + EE 2S 2 123 15151511 2111111311 1111111111111 373.1.5 Kết luận :-G-cc tk 11111111111 1111111111111 1111 111111 1111111111118 Tre ri 4l

3.2 Mô phỏng bài báo của Huang cùng cộng sự (2007) có thay đối miền tính toán

¬— ỐốỐốỐỔỐ 4]

3.2.1 Miễn tính toán áp dụng trong mô phỏng, .- 5-5 2 2+ s+s+sze: 4]

3.2.2 Kết quả và phân tich cccccccsccccsesssscsessesesessssesessesesesesesseseseeecsesesessssseeesesen 42(ca nnẽn ẽ 46

3.3 Mô phỏng nghiên cứu cua Kim cùng cộng sự (2003) - cà esss 46

3.3.1 Thông số ban đầu - - + % + +EE+E5EEEE E191 1 1231121115111 11 111111 47

3.3.2 Kết quả và nhận X6t - -©c E2 2 1 3 15151511 1111111111 1111111111101 c6 483.3.3 Ket nh 53CHƯƠNG 4 TINH TOÁN TAI TRỌNG GIÓ TĨNH CHO CONG TRÌNH NHÀ BẰNGMO PHONG CED - 5G S2 3 1 E1 151511111111 111 11111151111 1511011511 1115111101111 re 546 o1 07 :-1AẦA 344.2 Thông số ban đầu ¿- + ¿2 5£ 2E+E9EESEEEEEEEE3E121111 2121111111111 564.2.1 Hàm vận tốc theo phương đứng - + ¿2 +s+E+E+E£E£E£E+EeEerErkrkrrereee 564.2.2 Cường độ rối và kích thước XOAY - + + 5+2 e+t+Ezecterrerrerered 584.2.3 Mật độ lưới và mô hình . - 2© SE +E+E2EE£E£EEEEEEEEEEEEEEEEErkrkerrred 604.3 Kết quả và nhận XÉK ¿2 1 S213 1511111211515 1111111111111 1111111111 614.3.1 GIÓ phương XX - cọ 614.3.2 GIÓ phương Ÿ” - cọ vn 69CHUONG 5 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, -G- s6 EE+E+E£E+E£eEsEsEeeseseree 765.1 KẾT luận - k1 191211 5 9111919115 5111015111 11g11 111129 ng nen 765.2 Kiến nghị và hướng phát triỂn ¿+ - 2 2 ©%+SS£+E£E+EE£E£ESEEEEEEeEErkrkrrererrees 77

TÀI LIEU THAM KHẢO G3911 569191 1E 911111 5 5181515113 E181 1e ki 78PHU LLỤCC - E2 S251 1515151121 11515 5111111511111 1011111011111 110101 1111011011110 y0 82Phụ lục A Xác định miễn tính toán (computational domain) - «+ +s<<<+ss+ 82Phụ lục B Khảo sát hệ SỐ Lực - «tt 1111 1 1E 91915111 3 5111111 011151211 ng: 95Phụ lục C Kết quả hệ số lực tính toán theo tiêu chuẩn và phân tích CFD 101Phụ lục D Mô hình MMK wo.eeeeccccccscscescscscsscscscscscsscscscscsssscsescsssessssesesesssssssessessessseeees 110LY LICH TRÍCH NGANG (G1191 1E 5111912113 91111110 110101581 ng 112

DANH MỤC HÌNH ANH

Hình 1.1 The Everrich 2 (Quận 7 — TP.HCM) -Ăc SS S11 11v xe 15Hình 1.2 Chung cư CT3 (Hoang Mai — Hà Nội) - (<< 5 S5 S9 re 15Hình 1.3 Tổ hợp công trình Keangnam - +: + 2 2+2 S£+E+E££E+E£EErrererxrrerered 16Hình 1.4 Công trình Platinum Park (Kuala Lumpur, Malaysia) 16Hình 1.5 Công trình Shanghai Tower (Thượng Hai, Trung Quốc) - - 17Hình 1.6 Ham gió 2 của CTPP ¿- - + %+++St SE E9 2E 1112311121111 1121111111111 1 re 18Hình 1.7 Mắt cắt ngang mô hình ham gió (Jaeyong Chung cùng cộng sự, 2012) 18Hình 2.1 Các phương pháp giải sử dụng trong CFD của các phan mềm 25Hình 3.1 Miền tính toán và điều kiện biên (Huang cùng cộng sự, 2007) 30Hình 3.2 Miễn tính toán khảo sất - - ta e1 S3 E98 581515815818 E51E8 E111 EEeEsersrd 31Hình 3.3 Hệ số lực tinh toán cho các trường hỢp - c1 1 1 se 32Hình 3.4 Cách chia TƯỚI - - 5 - - <2 2< E331 6E13301 111830 11803 111v ng nh re 32Hình 3.5 Miễn tính toán dùng khảo sát chiều dài phía sau công trình zone 1 (L) 33Hình 3.6 Anh hưởng chiều dài L đến hệ số lực ¿ - - + + 2 252+*+£+£z£zezezesrze 34Hình 3.7 Đồ thị phân bố vận tỐcc - - + %2 EE SE EEEEEE5 1 1212121525111 21 2111 exk 35Hình 3.8 Phân bố cường độ rối - - + + E + E#EEEEEESE SE E111 11111111313 1ee, 36Hình 3.9 Hệ số áp suất Cp tại chiều cao Z = 2/3 H của CAARC building 38Hình 3.10 Phân bố vận tốc gió trên mặt phắng X-Y tại Z = 2/3H - 39Hình 3.11 Phân bố vận tốc gió trên mặt phăng X-Z tại y =O -5cc+cec5¿ 40Hình 3.12 Miền tính toán và điều kiện biên (tác giả) ¿555 +c+cscsceceresree 42Hình 3.13 Hệ số áp suất Cọ tại chiều cao Z = 2/3 H của CAARC building 43Hình 3.14 Phân bố vận tốc gió trên mặt phắng X-Y tại Z = 2/3H - 44Hình 3.15 Phân b6 vận tốc gió trên mặt phăng X-Z tại y =O -cc+cec5¿ 45Hình 3.16 Hệ thống tạo các lớp biên ¿+ + ¿+ ©E 2 S£+E+EEE£EEEEEEEEEEEErrrrrkrrerrreo 46Hình 3.17 Phân bố vận tốc và cường độ rồi (Kim cùng cộng sự, 2003) [19] 47Hình 3.18 Các mặt phắng khảo sát - ¿+ + 2252 SESE‡EEE‡E#EEEEEEEEEEEEErErrrxrrerrreo 46Hình 3.19 Dòng không khí tại mặt phang trung tâm - 52 25+ £s+s+cecs249Hình 3.20 Dòng không khí tại mặt phang 0.5 - 22 252252 ++c+£ccezxsrece2 49Hình 3.21 Dòng không khí tại mặt phang 1.0H 2 5552 52+c+£ece+xsrece2 50

Hình 3.22 Các kí hiệu của kích thước sử dụng cho Bảng 3.6 .<<<<2 51Hình 3.23 So sánh kích thước xoáy của Kim va CFD tại mặt phang trung tâm 52Hình 3.24 So sánh kích thước xoáy của Kim va CFD tại mặt phang 0.5H 52Hình 3.25 So sánh kích thước xoáy của Kim va CFD tại mặt phăng 1.0H 53Hình 4.1 Phối cảnh The EverRich 2 - + 565223 3E 1 1 1115111111111 1101111 xe 54Hình 4.2 Kí hiệu các block và các giai đoạn thi công 5S seeses 55Hình 4.3 Các trường hop phân tích tải trọng 216 tinh - - <5 «5 «<< eeessss 56Hình 4.4 Đồ thị vận tốc thay đối theo chiều CAO -s- s5 2xx 1S EsEskeksesersesed 58Hình 4.5 Hệ số xác định 7_ - - 52 E21 SE 12E111112151111311111111511 11111111 rce 59Hình 4.6 Hệ lưới và điều kiện biên của trường hợp 3 -ccS se 60Hình 4.7 Mật độ TƯỚII - - - (<< <1 1111339101011 0900 0 60Hình 4.8 Phân bố vận tốc 3D tại cao độ z = 0.3h và z = 0.7h - se ccsesesees 62Hình 4.9 Phân bồ vận tốc trên mặt bang tại cao độ z = 0.3h và z = 0.7h 63Hình 4.10 Phân bố áp suất trên bé mặt công trình -. 5-2- 2 s+s+ccs+s+zess2 65Hình 4.11 Phân bồ lực gió theo chiỀu CaO -¿-¿- - + 2+2 S222 2E£E+ESEEEE£E£ESEEEEErkrerrees 67Hình 4.12 Phân bố vận tốc 3D tại cao độ z = 0.3h và Z = Ö.7h se cscsesesxe 70Hình 4.13 Phân bồ vận tốc trên mặt bang tại cao độ z = 0.3h và z = 0.7h 71Hình 4.14 Phân bố áp suất trên bể mặt công trình -. 5-5 2 s+s+s>s+s+zscs2 73Hình 4.15 Phân bồ lực gió theo chiỀu CaO ¿-¿- 5+ 2 + S2 SE2E£E+ESEEEE£E£ESEEErErkrrrreee 74Hình A.5.1 Kí hiệu các kích thước miễn tính toán ¿+ + + sE+E+E+E£e£eEsesesxe 82Hình A.5.2 Sự biến thiên áp lực khi thay đối B - + cseseeeses eee 83Hình A.5.3 Sự biến thiên áp lực khi thay AOL ÌL2 c1 E E2 Eersererkes 86Hình A.5.4 Sự biến thiên áp lực khi thay (ys CS 1S E12 Eersereekes 88Hình A.5.5 Kí hiệu các kích thƯỚC - << << 000101199 90011 ng ngờ 89Hình A.5.6 Vận tốc và lực gió từ CFD (h/b=5) + ¿55k E22 2E EEErkrrrreee 90Hình A.5.7 Biến thiên hệ số lực khi H thay đổi - -225 S+E+E+E+EzEsrerereei 9]Hình A.5.8 Kích thước hầm gió ảo từ phân tích CFD + 2+2 s+x+xerscxee 92Hình A.5.9 Kích thước hầm gió ảo (Y Tominaga and T Stathopoulos, 2008) 92Hình A.5.10 Kích thước ham gió ảo (M Lateb cùng cộng sự, 2013) 92Hình A.5.11 Kích thước ham gió ảo (Agerneh K Dagnew cùng cộng sự, 2009) 93

DANH MỤC BANG BIEU

Bảng 1.1 Tóm tắt giới hạn ngoài phạm vi tiêu chuẩn thiết kế gió - 14Bang 2.1 Công thức của các mô hình (Murakami cùng cộng sự, 1997) [24| 28Bảng 3.1 Kết quả khảo sát mật độ lưới - + 225252 2E+E£E‡EsEErrerersrrerreo 31Bang 3.2 Kết quả khảo sát Ì, - ¿2-5-5223 S233 E233 1311111211111 re 33Bang 3.3 So sánh kết qua Cp và Cụ với kết quả thí nghiệm ham gió 37Bang 3.4 So sánh kết qua Cp và Cy từ các phân tích 52 2 52s+c>s+s+zecs2 42Bảng 3.5 Kích thước hình trụ và chiều cao lớp biên (Kim cùng cộng sự, 2003) [19] 47Bang 3.6 Kích thước của dòng xoáy xung quanh công trình ««« <<ss«+ 51Bang A.1 Kết quả áp lực khi B thay d6i ccccccccccccscsscsescsesscscsesscsesesesssesesesseseaeees 83Bảng A.2 Chênh lệch áp lực của các trường hợp phân tích «««++<<<<s 84Bang A.3 Cac trường hop phân tích khảo sat L2 - << 5 +1 11931111 se 85Bang A 4 Kết quả áp lực khi La thay đổi .c.cccccccscsccsssesscsssesesscscsessesesssseseseseseeseseaeees 85Bảng A.5 Chênh lệch áp lực của các trường hợp phân tích La . 86Bang A.6 Cac trường hop phân tích khảo sat LL¡ << - «55523315 sssssd 87Bảng A.7 Kết quả áp lực khi Li thay đổi c.cccccccsccssesscsesesesscsesssscsessessssseesesesseseaeees 87Bang A.8 Chênh lệch áp lực của các trường hợp phân tích Li 88Bang A.9 Cac trường hop khảo SátL - - -cG SH nà 89Bảng A.10 Kết quả phân tich c.ccccccccscsssscssssssesscsesesscsssesscsssessssesessssesececsesssecsescsecseaeees 90

Chữ viết tắtCFD

CAARCRANSLESWT

Re

DANH MỤC CHỮ VIET TAT

Động lực học chất lưu (Computational Fluid Dynamic)Commonwealth Advisory Aeronautical Council

M6 hinh RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes )M6 hinh LES (Large eddy simulation)

Thí nghiệm ham gióHệ số Reynolds

Thanh phan vận tốc theo phương x, y va Z

Ap suat

Hệ số nhớtĐộng năng của dòng rối (turbulence kinematic energy)Tốc độ tiêu tán năng lượng (turbulence dissipation rate)Cuong do rỗi ( the turbulence intensity)

Kích thước xoáy (turbulence length scale)Chiéu cao trén mat dat

Vận tốc tại chiều cao ZHệ số lực theo phương tác động ( the drag force coefficients)Hệ số lực vuông góc với phương tác động (the transverseforce coefficients)

Hệ số áp suất (wind pressure coefficient)Lực gió theo phương tác động tại chiều cao z (the steadyforces acting parallel to the along-wind direction at z )Luc gió theo phương vuông góc với phương tac động tạichiều cao z (the steady forces acting transverse to the along-wind direction at z )

CHUONG 1 TONG QUAN

1.1 Dat van déVới sự phát triển của các công trình xây dựng cả về chiều cao va hình dáng thì việcxác định chính xác tải trọng gió tác dụng lên công trình là một chủ dé nghiên cứu rấtquan trọng và cấp thiết Đặc biệt là những công trình không có bảng tra sẵn trong tiêuchuẩn, công trình xây chen và công trình cao

Hiện nay có nhiều tiêu chuẩn thiết kế gió của các quốc gia trên thế giới đề cập đếnviệc tính toán tải trọng gió tác động lên công trình, tuy nhiên các tiêu chuẩn déu cónhững hạn chế nhất định về chiều cao, hình dáng và hướng gió khi áp dụng Cụ thể như:

(1) Tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 (1995) mục 6.7.3 phát biểu “ Những trườnghợp chưa xét đến trong bảng 6 (các dạng nhà và công trình khác, theohướng gió khác, các thành phần cản chung của vật thể theo hướng khác),hệ số khí động phải lay theo thực nghiệm hoặc các chi dẫn riêng”, mục6.12 phát biéu “Đối với các công trình cao và kết cau mém (ống khói, trụ,tháp ) còn phải kiếm tra tình trạng mat 6n định Chi dẫn tính toán và giảipháp giảm dao động của kết cau đó được xác lập băng những nghiên cứuriêng trên cơ sở các số liệu thử nghiệm khí động”

(2) Tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-10 (2013), mục C26.1.2 (3) chỉ áp dụng cho các

công trình có chiều cao h < 400 (122m), h/B,,, <4, ƒ >0.25Hz vàV.Í(f.xB„„)<5

(3) Tiêu chuẩn EN 1991-1-4:2005 (2005) chỉ áp dụng cho công trình có chiềucao lên đến 200 (m) và không xét đến dao động xoăn của công trình.(4) Tiêu chuẩn AS-NZS 1170-2 (2011), mục 1.1 nêu chỉ áp dụng cho công

trình có chiều cao thấp hơn hoặc băng 200 (m), kết cầu mái có nhịp đến100m.

(5) Tiéu chuan (Code of Practice on Wind Effects in Hong Kong, 2004), muc1.1 nêu tiêu chuẩn này không áp dung cho những công trình có hình dạngbất kì và những công trình đặt tại những địa điểm có tác động gió bat lợi.Đôi với những công trình trên thì cân có dữ liệu của thí nghiệm hâm gió.

(6) Tiêu chuẩn “Uniform Building Code, 1997: Wind Load Provisions” nêukhông áp dụng tinh toán cho công trình có chiều cao hơn 400 ft (122 m).Bảng 1.1 Tóm tắt giới hạn ngoài phạm vi tiêu chuẩn thiết kế gió

EN 1991- | AS-NZSTiéu ASCE/SEI 7-10 UBC

, 1- 4:2005 1170-2 AIJ 2004chuan (2013) 1997

(2005) (2011)h > 400ft (122m), KhôngChiều h/Bmin > 4, h>200m, | h>200m, | h>400ft | có giớicao f; < 0.25 Hz, fi <0.2Hz | L> 100m | (122m) hạn rõ

V_/(fi*Bmin) > 5 rangHinh

: Không áp dụng cho công trình có hình dạng phức tạp

áng

Nhìn chung các tiêu chuẩn trên thế giới và trong nước đều không đề cập đến việctính toán những công trình có hình dáng phức tạp và chiều cao lớn, chỉ hướng dẫn tínhtoán cho công trình có hình dạng đơn giản như hình chữ nhật, hình tròn hay những hìnhđối xứng và không chế về mặt chiều cao đối với nhà cao tang, chiều cao dé cập áp dụngtiêu chuẩn thấp nhất là 48.8m (ASCE/SEI 7-10, 2013) và cao nhất là 200m (AS-NZS

1170-2, 2011).Theo chỉ dẫn của tiêu chuan TCVN 2737:1995 (1995) chỉ dé cập đến công trìnhcó mặt bằng là đa giác (hình chữ nhật, hình thoi, tam giác đều, hình tròn ) và khôngthay đổi theo chiêu cao Tuy nhiên hiện nay trong thực tế vẫn áp dụng các tiêu chuẩnnày để tính toán tải trọng gió tĩnh cho những công trình có hình dạng không có trongbảng 6 TCVN 2737:1995 (1995) nên việc xác định tải trọng gió tĩnh tác dụng lên côngtrình là không chính xác và ảnh hưởng đến kết quả thiết kế Dưới đây là một vài côngtrình điển hình ở Việt Nam có hình dáng, chiều cao vượt giới hạn nhưng vẫn áp dụngtiêu chuẩn dé tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình

PERE RE PEERSREP RE RRR

Hình 1.2 Chung cw CT3 (Hoàng Mai — Ha Nội)— Masteri Thảo Dién (Q.2 — TP HCM) [31]Công trình The Everrich 2 có hình dáng không dé cập trong TCVN 2737:1995(1995) và chiều cao vượt quá giới hạn cho phép áp dụng tiêu chuẩn Ngoài những côngtrình được đề cập trên, tại Việt Nam hiện nay còn có rất nhiều công trình có chiều caovượt giới hạn cho phép và hình dạng mặt bằng, mặt đứng không đề cập trong tiêu chuẩnnhưng vẫn áp dụng theo chỉ dẫn trong tiêu chuẩn để tính toán

Việt Nam là đất nước đang phát triển nên các công trình trong tương lai sẽ có chiềucao và độ mảnh lớn Bên cạnh đó, dé đáp ứng yêu cầu thầm mỹ thì hình dáng theo mặtđứng và mặt bằng cũng đa dạng Do đó các tiêu chuẩn tính toán tải trọng gió hiện naysẽ không đáp ứng được nhu cau phát triển của ngành xây dựng trong tương lai Vì vay,việc tính toán tải trọng gió tác dụng đối với các công trình năm ngoài phạm vi của tiêuchuẩn trên cần một phương pháp khác để xác định Phương pháp được áp dụng hiện nayvà nhiều tiêu chuẩn dé cập là thi nghiệm ham gió Thí nghiệm hầm gió là công cụ mạnhmẽ cho phép người kỹ sư xác định được bản chât và cường độ của gió tác động vào công

trình phức tap Thí nghiệm ham gió đặc biệt có thế mạnh đối với các công trình (hìnhdáng, chiều cao ) và khu vực xung quanh (các công trình lân cận) phức tạp, khôngđược đề cập tính toán trong các tiêu chuẩn hiện nay.

Một số công trình tiêu biéu sử dụng thí nghiệm hầm gió dé xác định tải trong gióở Việt Nam như: Trung tâm hội nghị Quốc gia (Hà Nội), Tòa tháp tài chính Bitexco (Hỗ

Hình 1.4 Công trình Platinum Park (Kuala Lumpur, Malaysia) [33]

Hình 1.5 Công trình Shanghai Tower (Thượng Hải, Trung Quốc) [34]Thí nghiệm hầm gid CÓ rất nhiều ưu điểm như việc xác định chính xác tải trọnggió thực tế tác động vào công trình thông qua các cảm biến gan trực tiếp lên mô hìnhcông trình, quan sát được phản ứng của công trình dưới tác dụng tải gió qua đó cóphương pháp xử lý Bên cạnh những ưu điểm được dé cập thì thí nghiệm ham gió vantôn tại những khuyết điểm như việc mô hình công trình theo lý thuyết tương tự tươngđối phức tạp Phải xây dựng công trình có hình dạng, khối lượng và độ cứng tương tựcông trình thực tế dưới tỉ lệ thường được sử dụng là 1/400 Việc tạo ra mô hình côngtrình như vậy yêu cầu kỹ sư phải có trình độ chuyên môn cao Đồng thời cần phải cóhầm gió cùng các thiết bị và vật liệu làm mô hình phức tạp và tốn kém Do đó cần cóphương pháp khác đơn giản và kinh tế hơn để xác định tải gió tác dụng lên công trình,nhưng cho kết quả tương đương hoặc sai khác không đáng ké so với thí nghiệm hầm

and

SIÓ.

Hiện nay trên thế giới có khoảng 55 thí nghiệm hầm gió được thống kê [35], tạiViệt Nam có hai ống thối khí động là Viện kỹ thuật Phòng Không — Không Quân (BộQuốc Phòng) và Viện khoa học cong nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng (IBST)

Chi tiết một ham gió của Cermak Peterka Petersen Inc (CPP).CPP Wind Tunnel — Sydney, Australia

Kích thước:Chiêu dài mặt cắt ngang: 21mChiéu rong mat cat ngang: 3.0mChiéu cao: 2.4mĐặc điểm về kỹ thuật

Động cơ: II0kWLoại động cơ: Single axle motor/12-blade axial fanĐiều khiến vận tốc Variable frequency drive

Dac trung cua dongVận tốc trung bình 0 đến 20 m/sBoundary — layer thickness* 1.2m

Turbulence About 2% at entrance to test sectionLongitudinal pressure gradient Zero by blockage tolerant roof

Hình 1.6 Ham gió 2 của CPPHình 1.7 thé hiện chi tiết kích thước mặt cắt dọc và ngang của một hầm gió củacông ty TESolution tại Hàn Quốc Mặt cắt ngang ham gió có đường kính 1.0m, chiềucao 1.5m và chiêu dài 6.0m; vận tốc dùng kiểm tra nam trong khoảng 0.3m/s ~ 22.5m/s

41

—

Hình 1.7 Mắt cắt ngang mô hình ham gió (Jaeyong Chung cùng cộng sự, 2012)

Phân tích khí động học chất lưu (CFD) là công cụ mô phỏng số sự làm việc củacông trình dưới tác động của gió bão trên máy tính khá tin cậy dé thay thé cho thí nghiệmhầm gió nhằm dự đoán các chuyển động của các dòng khí xung quanh công trình và tácđộng gió lên công trình Phương pháp này cho thay được sự ảnh hưởng qua lại của cácdòng khí lưu và xác định được áp lực gió tác dụng vào công trình Mô phỏng này có thểxác định tải trong gió cho công trình không được dé cập trong tiêu chuẩn, công trìnhđơn lẻ và hình dáng bat ki.

Với không gian ba chiều xung quanh công trình, bao gồm các môi trường xungquanh được chia thành một SỐ lượng rất lớn các phan tử khối, mỗi phân tử có một đặctính vật lý mô tả dòng chảy Cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành khoa học máytính thì việc sử dụng mô phỏng khí động học để xác định đặc trưng công trình và tảitrong gió tác dụng hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ trong tương lai

1.2 Tình hình nghiên cứuPhần lớn các nghiên cứu hiện nay là dự đoán tải trọng gió tác dụng lên công trìnhhình khối Bởi vì các công trình này có hình dạng đơn giản, dễ xây dựng mô hình và cókết quả phân tích thực nghiệm Một trong những công trình tiêu biểu trong các nghiêncứu là hình trụ (CAARC) Có nhiều nghiên cứu phân tích khí động học, hệ số áp lựctrung bình va dòng lưu chất xung quanh của hình trụ CAARC bang phân tích CFD như:Nozawa and Tamura (2002); Huang cùng cộng sự (2007); Tominaga cùng cộng sự(2006), Tamura (2008) và Braun cùng cộng sự (2009) Đồng thời hình trụ CAARC cũnglà một trong những công trình được mô hình nghiên cứu rộng rãi và pho biến trong thínghiệm ham gió trong các nghiên cứu như: Wardlaw va Moss (1970) ; Melbourne (1980)

; Obasaju (1992).Đối với các công trình phức tạp năm ngoài phạm vi của tiêu chuẩn can có thínghiệm hầm gió hoặc mô phỏng CFD để xác định tải gió tác dụng Hiện nay có nhiềunghiên cứu sử dụng phương pháp CFD kiểm chứng các kết quả từ thí nghiệm hầm gióvà các tiêu chuẩn như C L Fu cùng cộng sự (2006) mô phỏng CFD cho Tháp TuntexSky 85 tầng tại Đài Loan, tác giả so sánh sự thay đổi áp suất và vận tốc gió theo chiềucao và qua đó kết luận được rằng kết quả mô phỏng có thể được áp dụng trong thiết kếsơ bộ cho công trình JIANG YuJun cùng cộng sự (2008) đã phát triển và áp dụng môhình PUMA (Peking University Model of Atmospheric Environment) dé mô phỏng công

trình Famen Temple từ đó so sánh áp suất và vận tốc gió tại vị trí điểm đo trong thínghiệm ham gió qua đó đánh giá mô hình PUMA cho kết quả tốt khi thé hiện gió xungquanh tòa nhà Các tác giả trên đều sử dụng phương pháp CFD dé phân tích và cho thayrằng việc áp dụng phương pháp CFD cho kết quả khá tương đồng với thí nghiệm hamgió Sau đó, D Mohoti cùng cộng sự (2014) sử dụng CFD mô phỏng công trình NauruHouse để xác định tần số và áp lực, so sánh với tiêu chuẩn AS-NZS 1170-2 (2011) Sovới các nghiên cứu trước đây thi D Mohoti cùng cộng sự (2014) cũng sử dụng CFDnhưng kết quả tác giả so sánh với tiêu chuẩn và kết quả thu được từ CFD khá tươngđồng với tiêu chuẩn AS-NZS 1170-2 (2011) S.K Verma cùng cộng sự (2015) sử dụngCFD để mô phỏng công trình có hình dạng bát giác Khác với các nghiên cứu trước, tácgiả mô phỏng công trình có kích thước giống thí nghiệm ham gió (1/300) và có áp dụngprofile vận tốc gió vào phân tích nhưng không so sánh kết quả thu được với thí nghiệmhay tiêu chuẩn D Mohotti cùng cộng sự (2015) sử dụng CFD mô phỏng công trình cóhình dáng phức tạp và chiều cao lên đến 350m Cho kết quả tương đồng về hệ số áp lựcvới các tiêu chuẩn, từ đó kết luận tính tin cậy và tầm quan trọng của CFD trong tươnglai.

Bên cạnh các mô phỏng đánh giá kha năng ứng dụng của CFD cũng có nhiềunghiên cứu sử dụng CFD để tối ưu hóa hình dạng của công trình để giảm lực gió, tácđộng khí động học và nhu cầu sử dụng của con người như Jiming Xie (2014) nghiêncứu sự tối ưu khí động học đối với các công trình cao tầng khi thay đổi hình dáng củacông trình theo chiều cao như công trình giật cấp (stepping), vuốt nhọn (tapering), xoắn(twisting), 16 trong (opening), khe góc (corner slot) Khác với Jiming Xie (2014), Aly-Mousaad Aly va Joseph Bresowar (2016) đã nghiên cứu giảm khí động học cua lực nângdo gió gây ra đối với các tòa nhà thấp tầng băng cách sử dụng CFD để phân tích cáccông trình có điều chỉnh góc trên mái và các thiết bị (hình dạng) lắp trên mái để làmgiảm lực gió tác dụng lên công trình Ahmed Elshaer cùng cộng sự (2017) sử dụng phantích CFD dé tối ưu lực gió tác dụng lên công trình băng cách khảo sát các công trình cócác hình dạng góc cạnh khác nhau trên mặt bằng Từ đó đưa ra các kết luận quan trọngkhi thay đối các góc của công trình về gió dọc và gió ngang

Từ những phân tích kết qua đạt được của các nghiên cứu đã công bố thay hiện nayphương pháp CFD đã phát triển rất mạnh mẽ Tuy nhiên chỉ dừng lại ở phần khảo sát và

mô phỏng công trình đơn lẻ chưa kế đến giai đoạn thi công với sự thay đổi che chắnxung quanh Rat ít nghiên cứu kết luận rang CFD có thé áp dụng trong thiết kế Trongkhi đó các rất nhiều tiêu chuẩn các nước trên thế giới chi cho phép sử dung CFD dùngtham khảo để so sánh với kết quả thí nghiệm chứ không được áp dụng trực tiếp tínhtoán, thiết kế trực tiếp trong giai đoạn thi công.

1.3 Sự cần thiết, mục tiêu, phạm vi nghiên cứu và ý nghĩa đề tàiVới sự phát triển của ngành xây dựng Đặc biệt là các công trình cao, công trìnhcó mặt bang và mặt đứng phức tạp, công trình xây chen thì việc đề xuất một phươngpháp đơn giản và kinh tế thay thé thí nghiệm ham gió phức tạp, tốn kém và mat thờigian để xác định các thành phần tải trọng do gió tác dụng lên công trình là nghiên cứumang tính cấp thiết và thời sự Dé dé xuất phương pháp này học viên tiến hành tìm hiểuvề gió và các tác động của gió lên công trình và ứng dụng khả năng mô phỏng CFD củaphan mềm Ansys Fluent dé thực hiện các bài toán Qua đó đánh giá được khả năng củaphương pháp CFD trong xác định tải trọng gió tĩnh tác dụng vào công trình nhằm hướngđến mục tiêu là thay thé việc tính gió bang tiêu chuẩn và thí nghiệm ham gió cho cáccông trình phức tạp hiện nay bằng mô phỏng CFD

1.4 Nội dung của nghiên cứu

Trong nghiên cứu này học viên tiễn hành mô phỏng gió tác dụng vào bề mặt côngtrình để qua đó xác định các dòng di chuyền lưu chat, lực và áp suất băng phần mềmANSYS Từ đó so sánh kết quả mô phỏng có được với những kết quả mô phỏng đã côngbố trong các nghiên cứu, thí nghiệm ham gió và kết quả tính toán từ tiêu chuẩn

ANSYS là phần mém phan tử hữu han đa dụng có khả năng giải quyết các bài toánthường gặp trong kỹ thuật Những bài toán này bao gồm: phân tích tĩnh hay động vớivật liệu tuyến tính hay phi tuyến, bài toán truyền nhiệt (heat transfer), các bài toán về cơchất lưu cũng như các bài toán trong lĩnh vực điện từ (electromagnetic) và âm học(acoustic) Không những giải quyết các quá trình xảy ra trong kỹ thuật một cách độc lập,mà chương trình cho phép giải quyết đông thời bài toán phức tạp với nhiễu yếu tô xảyra trong thực tế như: tương tác của chất lỏng và chất rắn, tương tác cơ nhiệt

Dé thực hiện mục tiêu dé ra, học viên tiên hành mô phỏng nghiên cứu “Numericalevaluation of wind effects on a tall steel building by CFD” của tác gia Shenghong Huangcùng cộng sự (2007) dé kiếm chứng phương pháp mô phỏng, phần mém, khảo sát mô

hình rối, mật độ lưới tiếp theo để tăng độ tin cậy các giá trị khảo sát trên học viên tiếptục thực hiện mô phỏng nghiên cứu độc lập chỉ có thí nghiệm ham gió “Flow structurearound a 3-D rectangular prism in a turbulent boundary layer” của Kim cùng cộng sự(2003) Sau khi điều chỉnh mô hình, khảo sát mật độ lưới và xác định các thông số, họcviên tiến hành xây dựng mô hình công trình thực tế “The EverRich 2” tại Quận 7, Tp.Hỗ Chí Minh với các trường hợp như: công trình don, cụm công trình theo giai đoạn thicông và toàn bộ công trình sau khi hoàn thiện Từ đó so sánh với kết quả tính toán thiếtkế thực tế theo tiêu chuẩn: TCVN 2737:1995 (1995).

CHƯƠNG2 CƠ SỞ LÍ THUYET

Trong vật lý học thì động lực học chất lưu là một nhánh của cơ học chất lưu, nógiải quyết các van dé của dòng chảy chất lưu — khoa học tự nhiên vê chuyền động chatlưu (chat lỏng và các chất khí) Động lực học chất lưu cũng có các nhánh nhỏ bao gôm:Khí động lực học (nghiên cứu chuyén dong của không khí và các chất khí khác) và Thủyđộng lực học (nghiên cứu chuyển động của chất lỏng) Với các định luật cơ bản củađộng lực học chất lưu là các định luật bảo toàn, cụ thể là: Bảo toàn khối lượng, bảo toànđộng lượng tuyến tính (còn được gọi là Dinh luật thứ hai cua Newton về chuyển dong),và bao toàn năng lượng (con được gọi là Dinh luật thứ nhất của nhiệt động lực học)

Phân tích khí động học chất lưu (CFD) là một lĩnh vực dự đoán chuyên động dòngchat long, sự truyén nhiệt, chuyển động khối lượng, phản ứng hóa hoc, và các hiện tượngtác động băng cách giải phương trình chủ đạo toán học sử dụng phương pháp số

2.1 Cơ sở lý thuyết của CFD về khí động lực họcCác định luật bảo toàn được sử dụng đề giải các bài toán động lực học chất lưu cóthé được viết dưới dạng tích phân hoặc vi phân Các công thức toán hoc của các địnhluật bảo toàn này có thé được giải thích bằng cách xem xét khái niệm về khối thé tíchkiểm tra (control volume) Một khôi thé tích kiểm tra là một thể tích cụ thé nào đó trongkhông gian mà thông qua nó không khí có thê lưu thông vào hay ra Công thức tích phâncủa các định luật bảo toàn xem xét sự thay đổi khối lượng, động lực, hoặc năng lượngtrong khôi thê tích kiểm tra Các công thức vi phân của các định luật bảo toàn áp dụngđịnh lý Stokes dé tìm ra một biểu thức, biểu thức đó có thé được hiểu như là dang viphân của định luật áp dụng cho một thé tích vô cùng nhỏ tại một điểm trong dòng chảy

[29]

Tinh chat vat ly Phuong trinh toan hoc- Bao toàn khối luong —> - Phuong trình liên tục- Dinh luật Il Newton - Phuong trinh dong luong

2.1.1 Định luật bảo toàn khối lượngdm d lộ

——= —| pdV = | oP dV + | pv -ndS =0 (2.1)

dt dt +, viv, Ot 52s,accumulation of mass inside CV net influx through the surface

Dang khai triển phương trình liên tục

op 0(pu) + ô(øv) + ô(øw)

=0 (24)

Ot Ox Oy OZDong không nén được

V-v=0 (2.5)2.1.2 Dinh luát IT Newton

Ban chat vat ly:

f =ma (2.6)

| dS

! _l> n Tông lực ƒ = pgảdV +hdS (2.7), với h=Ø-n

` h Luc khối ø (lực trọng trường, lực điện từ )

Lực bê mặt h áp suất và ứng suất nhớt (viscous stress)Định luật II Newton cho chuyền động của thé tích

Oz Ox’ ôy? * Oz"

Vay phuong trinh chu dao cua CFD duoc thé hién qua phương trình liên tục (2.5)và phương trình động năng (Navier Stokes) (2.11) và hai phương trình này là nền tảngcho việc mô phỏng chuyên động của chất lỏng

2.2 Phương pháp giải phương trình chú đạoCFD áp dụng phương pháp số để xấp xi lời giải của phương trình chủ đạo, hiệnnay có rất nhiều phương pháp được áp dụng trong các phần mềm cho kết quả phù hợpvới lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm, các phương pháp được phô biến được sử dụngtrong các phan mềm có thé kế đến như phương pháp thé tích hữu hạn (The finite volumemethod) gan 80%, phan tử hữu han (Finite element method) chiếm 15 %, còn lại 5% làcác phương pháp khác: Sai phân hữu han (Finite difference method), phương pháp phố(Spectral methods), phan tử biên (Boundary element) Các phần mềm sử dụng cácphương pháp kế trên thé hiện Hình 2.1

CFD

Hình 2.1 Các phương pháp giải sử dung trong CFD của các phan mém

2.3 Mô hình Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) và mô hình

MMKDòng rối đặc trưng bởi sự dao động của trường vận tốc Từ những dao động nàydẫn đến sự thay đối của động năng, năng lượng Vì những dao động này có thé ở những

quy mô nhỏ và tần số cao Do đó việc tính toán chính xác ở những khu vực này là rấtkhó trong các bài toán thực hành nên tại những khu vực này phương trình chủ đạo đượctính trung bình thời gian hoặc tìm cách loại bỏ những vùng có quy mô nhỏ Từ đó thuđược tập hợp các phương trình giải quyết dé dàng hon ban dau Tuy nhiên các phươngtrình sau khi biến đổi chứa thêm các biến không xác định, vì vậy cần có mô hình rối dégiải các biễn không xác định này.

Hiện nay trong phần mềm Ansys Fluent có sẵn các loại mô hình rối như:- Spalart-Allmaras model

- k-—€ modelso Standard k-¢€ model© Renormalization-group (RNG) k—£ modelo Realizable k—£ model

- k-@ models© Standard k—ø model© Shear-stress transport (SST) k— ø@ model

- Reynolds stress model (RSM)- Large eddy simulation (LES) modelVới những mồ hình học viên dé cập thi hiện nay không có một mô hình cu thể nàocó thể áp dụng cho tất cả các bài toán Vì vậy việc lựa chọn mô hình thích hợp cho mộtbài toán cụ thé phụ thuộc vào nhiều yếu tổ như đối tượng mô phỏng, mức độ yêu cầuchính xác, thời gian phân tích và nguồn tài nguyên máy tính sẵn có Dé đưa ra lời giảichính xác cho phương trình Navier-Stokes phụ thuộc hoàn toàn vào biến thời gian vớidòng có hệ số Reynolds lớn và hình học phức tạp là không có khả năng trong thời giantới Vì vậy hiên nay có hai phương pháp thay thế dé có thé chuyển đối phương trìnhNavier-Stokes theo hướng là các dạng dao động nhỏ không cân phải mô phỏng trực tiếp:trung bình hệ số Reynolds (Reynolds averaging) và lọc (filtering)

Các phương trình Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) sẽ đại diện cho cácphương trình chuyển động đối với số lượng (động năng, năng lượng ) trung bình,phương pháp tiếp cận này giảm đáng kế có biến Nếu dòng 6n định thì các các phươngtrình chủ đạo không chứa các bién thời gian từ đó dẫn đến giảm đáng ké thời gian phântích bài toán Phương pháp này thích hợp cho các bài toán kĩ thuật.

2.3.1 Mô hình Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)Trong phương pháp trung bình hệ số Reynolds, các biến trong phương trìnhNavier-Stokes được tách thành hai thành phan là giá trị trung bình và giá trị biến thiênquanh giá trị trung bình, đối với thành phan vận tốc:

H, —H, +, (2.12)

Trong đó: u, và u; là giá trị trung bình và

giá trị biến thiên quanh giá trị trung bình (i=1,2,3)

Tương tu, đối với áp suất va các thành phan không thứ nguyên khác:

ó=ø+øØ (2.13)

Trong đó ø là đại lượng vô hướng như áp suất, năng lượng Thay thế các biểu thức dạng (2.12) và (2.13) cho các biến dòng chảy trong phươngtrình liên tục (2.3) và phương trình Navier-Stokes (2.11) và lay trung binh thoi gianđược phương trình chuyén động Phương trình có thé viết dưới dang tensor như sau:

lộ —-—(8„,)=0 2.14xi u,) (2.14)

‘Va ax.) ax Ox, |“ ae | Or, |

Trong đó Ñ =— M1, là ứng suất Reynolds, đại diện đặc trưng cho ảnh hưởng củadòng tối

Các phương trình (2.14) và (2.15) là phương trình được sử dụng cho mo hìnhRANS để phân tích các bài toán

Phương pháp tiếp cận giải phương trình Navier-Stokes bằng trung bình hệ sốRenolds hiện nay trong Ansys gôm các mô hình: Spalart-Allmaras, k —@ models, k — £models và RSM Trong đó mô hình Standard k—#£ có các ưu điểm như được sử dụngrộng rãi nhất cho các bài toán kĩ thuật, hiệu quả và có độ chính xác hợp lý, đồng thờitiết kiệm từ 10% - 15% thời gian phân tích so với mô hình RNG k - £, tiết kiệm bộ nhớvà thời gian hơn so với mô hình Standard k —ø, tiết kiệm đến 60% thời gian phân tích

và 20% bộ nhớ so với mồ hình RSM Bên cạnh những ưu điểm thi Standard k—£ còncó những khuyết điểm như không thể tính toán chính xác tại vị trí gần tường Do đó cầncó ham tường (wall function) tại những vị trí này lúc mô phỏng Đồng thời kha năngtách dòng của mô hình không được đánh giá cao so với các mô hình khác Từ những

phân tích trên và dựa vào khả năng hiện có Học viên quyết định tìm hiểu mô hình

Standard k—£ và sử dụng mô hình nay dé sử dụng trong Luận van.Đề khắc phục một phan nhược điểm của mô hình Standard k—¢ thi Murakamicùng cộng sự (1997) đã đề xuất mô hình điều chỉnh mới dựa trên mô hình Standard

k—£,mô hình MMK này được trình bày ở mục 2.3.2

2.3.2 Mô hình MMK

Khi áp dung mô hình Standard k —£ thì dòng không khí xung quanh công trình

va VỊ tri gan tường không được xác định chính xác về động năng của dòng rối (k ) quađó không thé hiện chính xác các vị trí tách dòng, các ảnh hưởng xung quanh Vì vayMurakami cùng cộng sự (1997) đã đề xuất một mô hình mới (mô hình MMK) dé giảiquyết một phan van dé này qua việc điều chỉnh mở rộng cho việc tính toán và xap xỉ độnhớt của xoáy (eddy viscosity) thể hiện trong Bảng 2.1, để qua đó có thể xác định chínhxác phân bô áp suât lên công trình.

Bang 2.1 Công thức của các mô hình (Murakami cùng cộng sự, 1997)1 Mô hình Standard k-e

S : is the strain rate scale; Q is the vorticity scale; C,,: proportional number (=0.09)

P.: is production of k ; v, is eddy viscosity

Với mô hình MMK dé xuất từ mô hình Standard k —€ , Murakami cùng cộng sự(1997) đã tiễn hành khảo sát áp suất trên bề mặt của một công trình thấp tang với tỉ lệ1:1:0.5 cho nhiều hướng gió khác nhau Kết quả thu được từ mô phỏng của mô hìnhMMK được so sánh với kết quả mô phỏng mô hình Standard k —£ và thí nghiệm hamgió Qua đó Murakami cùng cộng sự (1997) kết luận khả năng ứng dụng mô hình MMKđể dự đoán dòng không khí xung quanh công trình là khá tốt trong các ứng dụng kĩ thuật.Từ những kết quả và nhận định trong nghiên cứu của Murakami cùng cộng sự(1997) và các nhận xét mục ở 2.3.1 Học viên lựa chon mô hình MMK để sử dụng trongcác phân tích tiếp theo trong Luận văn

CHƯƠNG 3 KIEM CHUNG PHƯƠNG PHÁP CFD

Đề đánh giá khả năng ứng dụng của phần mềm, khả năng mô phỏng CFD, mô hìnhrồi , các thông số trong mô hình và phân bồ vận tốc xung quanh công trình Học viên tiếnhành thiết lập các bài toán bằng mô phỏng CFD cho các nghiên cứu đã có kết quả môphỏng số của Huang cùng cộng sự (2007) và thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2003).Các bài toán mô phỏng này đều sử dụng mô hình MMK được đề cập trong nghiên cứucủa M Murakami cùng cộng sự (1997).

3.1 Mô phóng nghiên cứu của Huang cùng cộng sự (2007)

Đề kiểm chứng phương pháp CFD và các tham số đầu vào, học viên tiễn hành môphỏng lại bài toán đã có kết quả trong nghiên cứu của Huang cùng cộng sự (2007) Bàibáo này mô phỏng tòa nhà có dạng hình trụ chữ nhật (the CAARC building) với các mồhình như: LES, RANS (k-e) và nhiều mật độ lưới, sau đó so sánh với kết quả của thínghiệm ham gió được công bố trong các nghiên cứu trước

3.1.1 Miễn tính toán và mật độ lướiCông trình sử dụng trong mồ phỏng là tòa nhà có dạng hình trụ (CAARC) có kíchthước: cạnh bên 30.8m (100 ft) và 45.72m (150 ft), chiều cao 183.88m (600 ft) Vì kíchthước thực của công trình khá lớn, do đó tác giả mô hình trong phần mém dưới tỉ lệ1:250 so với công trình thực với các kích thước: Dx = 123.2mm x Dy = 183mm trên mặtbang và chiều cao là H = 735.5mm, với các kích thước công trình với tỉ lệ 1/250 tác giảxác định được miễn tính toán được thể hiện trên Hình 3.1 và hệ số Reynolds đối vớicạnh đón gió Dy, của bài toán này trong khoảng từ 1.8 x 10° đến 7.2 x 10°

Slip condition 4 Slip condition

8Dy 1464

Ỳ

Hình 3.1 Miễn tính toán và điêu kiện biên (Huang cùng cộng sự, 2007)

Mật độ lưới là thông số rất quan trọng và rất nhạy đến kết quả mô phỏng, vì vậyhọc viên tiễn hành khảo sát mật độ lưới để tìm ra mật độ lưới phù hợp và có kết quả hộitụ hệ số lực thể hiện công thức (3.6) cho các trường hợp Kết quả khảo sát thể hiện Bảng3.1

0.750 2.250

Hình 3.2 Mién tính toán khảo sát

Bang 3.1 Kết quả khảo sát mát độ lưới

Trường hợp et F(N) F(N) G@ C

phan tich Zone 1 Zone2 Số phan tử

| Gl H/5 H/15 4.5x10° 24.425 0 1.68 02 G2 H/10 H/30 8.2x10° 24.425 0 1.68 03 G3 H/15 H/45 29xI0 23.494 0 1.61 04 G4 H/20 H/60 4.2x10®° 24.466 0 1.68 05 G5 H/30 H/80 6.1x10° 24.473 0 1.68 0

1.681.68

1.681.68

1.681.661.64

1.62

g2 2| 9S 9H 1.61.581.56

ờng hợp

Trư

Láae re

Ol VƠI

ang d`g hop

ay rtruon

Hinh 3.3 cho thHỚI

ênật độ lưới đã ch

6 Cpésử với mat độ lưới min2

g phan tt bién th

hệ sién

4

2

ao Sa

é kh4.3% từ 1.68 còn 1.61 Dgiảm

iênsựbhình trụ xét

lại |

``

, Vung con

la H/60

32

Mật độ lưới phù hợp của zone | và zone 2 cho thấy số lượng phan tử phía sau hìnhtrụ chiếm phân lớn so với toàn bộ số phần tử mô hình Vì vậy dé giảm thiểu số phan tửnhưng không ảnh hưởng đến kết quả phân tích, học viên tién hành khảo sát ảnh hưởngcủa chiều dài phía sau công trình (Hình 3.5) của zone 1 Kết quả thể hiện trong Bảng 3.2

0750 2.250

Hình 3.5 Miễn tính toán dùng khảo sát chiêu dài phía sau công trình zone 1 (L)

Bang 3.2 Kết quả khảo sát LLưới

Trường hợp Fx Fy Cy C,

l 5Dy H/20 H/60 4.3x10° 24.68 0 1.69 02 10Dy H20 H/60 4.4x10° 24.47 0 1.68 03 ISDy H/20 H/60 5.6x10° 24.38 0 1.67 0

1.7 1.69

1.681.68 1.671.66

1.641.62

Hệ số lực Co 1.61.581.56

1 2 3

Trường hợp

Hình 3.6 Ảnh hưởng chiều dai L đến hệ số lựcĐồ thị trong Hình 3.6 thé hiện hệ số lực Cp khi thay đối vùng chia lưới mịn sau hình trụtrong vùng zone 1 Kết quả cho thay sự biến thiên là không đáng kế Cụ thé với trườnghợp 1 có L = 5Dy thì kết quả Cp = 1.69 Khi tăng chiều dài đến 10Dy và 15Dy thì hệ sốlực Cp giảm lần lượt là 0.6% và 1.1% so với trường hợp L = 5Dy Vậy có thé chọn L =5Dy dé giảm số lượng phan tử Tuy nhiên dé quan sát được các xoáy của dòng khí phíasau hình trụ một cách rõ ràng trong quá trình phan tích nên học viên chọn L = I0Dy vàdùng kết quả này để khảo sát hình trụ

3.1.2 Mô hình rồi

Huang cùng cộng sự (2007) thực hiện mồ phỏng để khảo sát với 4 mô hình làstandard k-e model, k-e với mô hình LK (Launder va Kato, 1993) [22] , k-e với mồhình MMK (Murakami cùng cộng sự, 1997) [23] và mô hình LES Mô hình LES chokết quả tiệm cận với kết quả từ thí nghiệm hầm gió và cho thấy được các xoáy, táchdòng rõ khi gió tác dụng vào công trình Đây là mô hình cho kết quả có độ chính xáccao hơn các mô hình khác nhưng thời gian phân tích dài và cân tài nguyên máy tính lớn.Vì vậy trong nghiên cứu này Học viên không sử dụng mô hình LES dé mô phỏng

Trong ba mô hình còn lại là standard k-e model, k-e với mồ hình LK, k-e với môhình MMK thì mô hình k-e với mô hình MMK có kết quả hệ số lực, phân bố áp suất vàtach dòng tương đồng với thí nghiệm ham gió và với mô hình LES hơn standard k-e , k-e với mô hình LK Dong thời standard k-e được khuyến cáo không sử dụng cho các bàitoán có hệ số Re lớn (ANSYS FLUENT User's Guide) [28], nhưng các bài toán thực tế

trong ngành xây dựng hiện nay có hệ số Re lớn nên việc sử dụng mô hình standard k-edẫn đến kết quả không chính xác Vì vậy k-e với mô hình MMK được học viên lựa chọndé sử dụng khảo sát bài toán công trình thực Dé cho thay sự khác biệt giữa hai mô hìnhvà khả năng mô phỏng, học viên tiến hành mô phỏng công trình có dạng hình trụ(CAARC) với hai mồ hình standard k-e, k-e với mồ hình MMK.

3.1.3 Điều kiện biên

Sử dụng các thông số ban đầu của ham gid BMT (Obasaju, 1992) [21] được đề cậptrong nghiên cứu cua (Huang cùng cộng sự, 2007) [17], học viên xác định được hamvận tốc băng cách xấp xỉ đồ thị trong nghiên cứu Kết quả thể hiện như trên phươngtrình (3.1).

Công thức (3.1) vẽ được thé hiện trên đồ thị thé hiện sự thay đổi của vận tốc theochiều cao thé hiện trong Hình 3.7 Trong đó Z„ và U, lần lượt là chiều cao và vận tốctại đỉnh của hình trụ.

10.9 ¬

—— BMT

0.8 07 -0.6 -NO.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 ¬0

-0 -0.25 -0.5 -0.75 1

U/U,

Hình 3.7 Đồ thi phân bố vận tốc

Động năng của dòng roi (k ) và tốc độ tiêu tán năng lượng (£ ) được xác định theophương trình (3.2) và (3.3):

Trong đó ham phan bố cường độ rối được xấp xi từ đồ thị trong nghiên cứu củaHuang cùng cộng sự (2007) như trên phương trình (3.4):

I =-0.063In(Z)+0.0978 (3.4)

1.25

H1 :

1 =6.2415Z° - 7.684Zˆ + 2.8091Z +0.1824 (3.5)

3.1.4 Kết quả và nhận xétHọc viên khảo sát hệ số lực như trên phương trình (3.6) Kết quả thể hiện trên Bảng

3.3.Obasaju (1992), hệ số luc Cp và Cụ được xác định như sau:

0.062 ì

Bang 3.3 So sánh kết quả Cp và Cụ với kết quả thí nghiệm ham gió

Séluong Điều kiện

hope Mô hình rồi phẩntử đầàuvào Co ©

1 Standard ke (Huang) [17] 1.5x10° BMT 15 0.012 Standard k—e (simulation) 4.4x10° BMT 1.68 0

3 k—e với mô hình MMK (Huang) [17] 1.5x10° BMT 1.89 -0.01

4 k—e với mô hình MMK (simulafion) 4.4x10° BMT 1.8 0

Experiment data (Obasaju, 1997) [21] 1.79 0

So sánh kết qua hệ số lực Cp va Cr thu được từ các trường hợp mô phỏng với kết quảthí nghiệm hầm gió như được thể hiện Bảng 3.3 cho thấy kết quả mô phỏng với cả haimô hình, hệ số lực Cp của tác giả chênh lệch kết quả mô phỏng của Huang cùng cộngsự (2007) là 5% Kết quả này nhỏ hơn hệ số lực Cp xác định từ thí nghiệm là 6% đối vớistandard k—e và xấp xi bang khi áp dụng k—e với mô hình MMK Đồng thời kết quảBang 3.3 cho thay việc sử dụng mô hình standard k—e cho kết quả chênh lệch lên đến

20% đối với k—e với mô hình MMK và thí nghiệm ham gió Vì vậy, khi mô phỏng nhữngbài toán có hệ số Re lớn thì mô hình standard k—e cho kết quả không tin cậy Kết quathu được khi mô phỏng của tác giả có sự chênh lệch so với Huang cùng cộng sự (2007)vì có sự khác nhau về lưới chia và số phan tử.

Hệ số áp suất Cụ:

C,=¬ P (3.8)2U¡

Với p = 1.225 kg/m? là khối lượng riêng của không khí, Un = 15.73 m/s là vận tốctại đỉnh công trình và P là áp suất

° TJ1.2

— — — - k-e standard (Huang)

08 k-e standard (simulation)

0.60.4

02 Ƒ

.Ồ k-e with MMK (Huang)

k-e with MMK (simulation)

-0.4-0.6-0.8

-= = — — m Ă=Ắ

— Fao Fee om A owe© b4

=

-1.2-1.4-1.6