0

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất trong các bài toán kỹ thuật

89 1,360 1

Đang tải.... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 14/08/2014, 13:47

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG Đặng Việt Minh NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) TRONG CÁC BÀI TOÁN KỸ THUẬT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH ĐÓNG TÀU NHA TRANG - 06/2012 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) TRONG CÁC BÀI TOÁN KỸ THUẬT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: ĐÓNG TÀU Cán bộ hướng dẫn : PGS.TS. TRẦN GIA THÁI NHA TRANG - 06/2012 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên : Đặng Việt Minh Lớp: 50DT1 Ngành : Đóng Tàu Thủy Mã ngành : Tên đề tài : Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics – CFD) trong các bài toán kỹ thuật. Số trang : Số chương : 4 Số tài liệu tham khảo : Hiện vật toàn bộ đề tài bao gồm : bộ thuyết minh và bộ đĩa CD. NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KẾT LUẬN Nha Trang, ngày….,tháng…. năm…. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐATN Họ và tên sinh viên : Đặng Việt Minh Lớp: 50DT1 Ngành : Đóng Tàu Thủy Mã ngành : Tên đề tài : Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics – CFD) trong các bài toán kỹ thuật. . Số trang : Số chương : 4 Số tài liệu tham khảo : Hiện vật toàn bộ đề tài bao gồm : bộ thuyết minh và bộ đĩa CD. NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Điểm phản biện Nha Trang, ngày….,tháng…. năm…. CÁN BỘ PHẢN BIỆN ______________________________________________________________ Nha Trang, ngày….,tháng…. năm…. CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (ký và ghi rõ họ tên) ĐIỂM CHUNG Bằng số Bằng chữ LỜI CẢM ƠN Sau 4 năm học tập và rèn luyện dưới mái trường Đại Học Nha Trang, được sự dạy dỗ tận tình của quý thầy cô trong trường nói chung và quý thầy trong khoa Kỹ Thuật Giao Thông nói riêng. Cuối cùng kết quả đạt được là em đã hoàn thành chương trình môn học và được nhà trường giao cho thực hiện đồ án tốt nghiệp. Hơn ba tháng nghiên cứu đề tài cùng với sự giúp đỡ của quý thầy cô trong khoa và các bạn sinh viên đến nay em đã hoàn thành nội dung của đồ án tốt nghiệp. Tuy nhiên do thời gian có hạn cộng thêm sự hạn chế về hiểu biết chuyên môn nên trong quá trình làm đồ án em có gặp một số khó khăn. Được sự động viên của gia đình và dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của Thầy PGS.TS Trần Gia Thái, đến nay em đã hoàn thành đồ án với nội dung: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics – CFD) trong các bài toán kỹ thuật. Nhân đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS Trần Gia Thái, cùng quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Giao Thông. Em xin chân thành cảm ơn! Nha Trang, tháng 6 năm 2012 Sinh viên Đặng Việt Minh MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐATN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………………………… 1 Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU……………………………………. 2 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CFD TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC…………… 3 1.3 PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU…………… 3 1. Phương pháp nghiên cứu 3 2. Nội dung nghiên cứu 4 3. Mục tiêu nghiên cứu 4 Chương 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT – CFD 2.1. CFD LÀ GÌ? 5 2.2 VAI TRÒ VÀ ỨNG DỤNG CỦA CFD TRONG GIẢI CÁC BÀI TOÁN KỸ THUẬT NÓI CHUNG VÀ KỸ THUẬT TÀU THỦY NÓI RIÊNG 5 1. Vai trò của CFD 5 2. Ứng dụng của CFD trong giải các bài toán kỹ thuật nói chung và kỹ thuật tàu thủy nói riêng. 6 2.3. NHỮNG PHƯƠNG TRÌNH CHỦ ĐẠO CỦA CFD 10 1. Giới thiệu 10 2. Mô hình hóa dòng 10 a. Thể tích kiểm soát hữu hạn 11 b. Phần tử chất lỏng vô cùng bé 12 3. Đạo hàm thực 13 4. Ý nghĩa vật lý của đại lượng . 16 5. Phương trình liên tục 18 6. Phương trình bảo toàn động lượng 22 7. phương trình bảo toàn năng lượng 27 8.Tóm lược những phương trình chủ đạo 33 a. Phương trình đối với dòng nhớt 33 b. Phương trình đối với dòng không nhớt 33 9. Điều kiện biên 35 10 . Các dạng phương trình chủ đạo đặc biệt phù hợp với CFD. Thảo luận 36 2.4 TRÌNH TỰ GIẢI BÀI TOÁN CFD 41 1. Bước 1: Tiền xử lý – phân tích vấn đề 42 2. Bước 2: Tạo mô hình và chia lưới 42 3. Bước 3: Đặt tải và điều kiện biên……………………………………………… 40 4. Bước 4: Giải 43 5. Hậu xử lý 44 Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 LỰA CHỌN PHẦN MỀM ANSYS FLOTRAN VÀ ANSYS FLUENT MINH HỌA CÁC VÍ DỤ CFD TRONG ĐỀ TÀI 45 3.2 LÝ DO CHỌN BÀI TOÁN 46 3.3. MÔ PHỎNG VÍ DỤ MINH HỌA VỀ CFD BẰNG ANSYS 47 3.3.1. bài toán dòng khí bao ngoài vật thể 47 3.3.2. bài toán mô hình hóa dòng khí trong ống 55 Chương 4 : KẾT LUẬN KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ 4.1. KẾT LUẬN KẾT QUẢ…………………………………………………… 80 4.2 KIẾN NGHỊ…………………………………………………………………. 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………. 82 1 LỜI NÓI ĐẦU Như chúng ta đã biết, ngành cơ khí nói chung và ngành đóng tàu nói riêng là một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn của nuớc ta. Với sự phát triển của ngành công nghiệp đóng tàu hiện nay, nó đòi hỏi người kĩ sư phải có trình độ chuyên môn vững chắc về ngành tàu, kết hợp tốt giữa lý thuyết và thực hành. Trong xu thế phát triển gần đây, ứng dụng công nghệ thông tin để tính toán, thiết kế tàu thuỷ đã và đang phát triển nhanh chóng và trở thành một nhu cầu tất yếu. Và tính toán động lực học lưu chất (CFD) là một trong những ứng dụng đó. CFD ra đời đã trở thành một trong những công cụ phổ biến trong phân tích kỹ thuật nói chung, ngành đóng tàu nói riêng, hỗ trợ và bổ sung cả thực nghiệm thuần túy và lý thuyết thuần túy. Được sự phân công của nhà trường em đã được giao đồ án: “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics – CFD) trong các bài toán kỹ thuật”. Nội dung gồm 4 chương sau: Chương 1: Đặt vấn đề. Chương 2 : Một số vấn đề cơ bản về phương pháp tính toán động lực học lưu chất CFD. Chương 3: Kết quả nghiên cứu (nghiên cứu ứng dụng CFD trong giải quyết một số bài toán kỹ thuật chọn lựa) . Chương 4: Thảo luận kết quả và kiến nghị. Trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức còn hẹp nên không thể tránh khỏi những sai sót. Vì vậy kính mong quý thầy cô xem xét và giúp đỡ. Xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS TRẦN GIA THÁI, và các thầy cô của khoa KỸ THUẬT GIAO THÔNG, TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG đã giúp đỡ cho em hoàn thành đề tài này. 2 Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Đối với các bài toán kỹ thuật trong thực tế thì việc nghiên cứu trường phân bố dòng chảy (áp suất, vận tốc,…) của chất lỏng hay khí bao xung quanh hay bên trong vật thể là rất quan trọng và cần thiết. Bởi vì sự hiểu biết được về sự chuyển động của chất lỏng hay khí như thế nào và những hiệu ứng mà nó gây ra sẽ giúp ích cho chúng ta rất nhiều. Để làm được điều này, trước đây chúng ta chỉ có thể áp dụng một trong hai phương pháp cổ điển để nghiên cứu nó, đó là lý thuyết thuần túy và thực nghiệm thuần túy. Nếu áp dụng hai phương pháp này, một là nếu dùng phương pháp lý thuyết thuần túy sẽ có tính chính xác cao nhưng khó có thể ứng dụng thực tế, vì khả năng tính toán sẽ bị giới hạn; hai là nếu sử dụng phương pháp thực nghiệm thuần túy cũng sẽ có tính chính xác cao nhưng tốn rất nhiều chi phí. Ngày nay, những nhược điểm đó đã được giải quyết nhờ sự ra đời của CFD, được xem là “phương pháp thứ ba” trong động lực học lưu chất (phương pháp kết hợp giữa lý thuyết thuần túy và thực nghiệm thuần túy). Cùng với sự phát triển mạnh của máy tính số tốc độ cao, CFD đã giải quyết nhanh chóng, chính xác, và tiết kiệm được nhiều chi phí cho hầu hết các bài toán gặp phải trong thực tế. Với tầm quan trọng và những ứng dụng thực tế mà CFD mang lại (cụ thể là như thế nào sẽ được thảo luận trong chương 2), nên trong đề tài này, chúng em nghiên cứu về những khía cạnh cơ bản về phương pháp CFD. Từ đó vận dụng nó vào giải các bài toán thực tế để làm nổi bật được lý thuyết của CFD và vai trò quan trọng của nó. 3 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CFD TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Ở nước ngoài, CFD đã được đẩy mạnh nghiên cứu từ rất lâu, đặc biệt Mỹ đã đưa CFD vào hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật, nhất là ngành hàng không vũ trụ từ rất sớm (những năm 50 của thế kỷ 20). Vì vậy mà tại sao ngày nay chúng ta thấy Mỹ lại có một sự phát triển mạnh như vậy trong ngành hàng không vũ trụ nói riêng và các ngành kỹ thuật nói chung. Đó là vì CFD đã đóng góp một phần to lớn trong thứ hạng số một thế giới của quốc gia này. Chúng ta biết rằng, CFD đi liền với sự phát triển của máy tính số. Quả thật nếu không có máy tính số thì CFD không làm được gì cả. Ngược lại CFD cũng trực tiếp là động lực thúc đẩy cho sự phát triển mạnh mẽ của máy tính số ngày nay. Và cùng với sự phát triển mạnh mẽ đó, CFD ngày nay đã vươn xa ra rất nhiều quốc gia như Đức, Nga, Pháp, Anh, và thu được rất nhiều thành công. Ở nước ta, nhìn chung CFD còn khá mới mẽ, đang trong giai đoạn làm quen từng bước. Nhưng đã có nhiều nhóm nghiên cứu sinh, nhiều Viện, trường đại học đã mạnh dạng nghiên cứu về lĩnh vực mới này, họ không chỉ tự mình tích cực tìm kiếm tài liệu mà trực tiếp ra nước ngoài như Nga, Mỹ,… để học tập, nghiên cứu, theo đuổi ước mơ CFD. Những con người này sẽ là những hạt mầm cho sự phát triển của CFD ở Việt Nam trong tương lai. 1.3 PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1. Phương pháp nghiên cứu Như đã nói ở trên, CFD được xem là “phương pháp thứ ba” trong động lực học lưu chất. Thực chất, đó là sự kết hợp giữa lý thuyết thuần túy và thực nghiệm thuần túy. Vì vậy, phương pháp nghiên cứu của đề tài cũng đi theo “phương pháp thứ ba” này. Trước tiên nghiên cứu về lý thuyết của CFD, đó là những phương trình chủ đạo; sau đó, vận dụng lý thuyết này vào giải quyết các bài toán thực tế mà cụ thể là sử dụng các phần mềm mô phỏng bằng máy tính (Ansys Flotran, Ansys Fluent), để minh họa cho tầm quan trọng của CFD. [...]... khoa học mà CFD có thể ứng dụng được Như vậy CFD không chỉ đơn thuần là tính toán động lực học lưu chất 2.2 VAI TRÒ VÀ ỨNG DỤNG CỦA CFD TRONG GIẢI CÁC BÀI TOÁN KỸ THUẬT NÓI CHUNG VÀ KỸ THUẬT TÀU THỦY NÓI RIÊNG 1 Vai trò của CFD Vai trò của CFD trong dự báo kĩ thuật công nghiệp đã trở nên mạnh mẽ đến mức ngày nay nó được nhìn nhận như phương pháp thứ ba” trong động lực học lưu chất, cùng với hai phương. .. giải quyết các bài toán thực tế: bài toán dòng bao ngoài vật thể, và bài toán dòng bên trong ống Từ kết quả đó, đưa ra những nhận xét và suy đoán, so sánh với thực tế 3 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung của đề tài là nghiên cứu ứng dụng của phương pháp động lực học lưu chất trong các bài toán kỹ thuật Từ đó giúp nắm bắt được phần cơ bản của CFD, tạo tiền đề mở rộng tư duy về các lĩnh vực ứng dụng cao... tích kỹ thuật Ngày nay, CFD hỗ trợ và bổ sung cả thực nghiệm thuần túy lẫn lý thuyết thuần túy, trong quan điểm của các nhà nghiên cứu, CFD vẫn được xem là phương pháp thứ ba trong động lực học lưu chất, có dáng vóc và tầm quan trọng như nhau đối với thực nghiệm và lý thuyết Nó có một vị trí cố định trong tất cả các khía cạnh của động lực học lưu chất, từ nghiên cứu cơ bản đến thiết kế kỹ thuật 2 Ứng dụng. .. riêng theo thông lệ CFD là một lĩnh vực khoa học sử dụng các phương pháp số kết hợp với công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải quyết các bài toán liên quan đến quá trình chuyển động của môi trường, đặc tính lý hóa của các quá trình trong môi trường đang xét, đặc tính sức bền của môi trường, đặc tính nhiệt động, đặc tính động học, hay đặc tính khí động lực học Phụ thuộc vào từng đối tượng và phạm vi... của CFD trong giải các bài toán kỹ thuật nói chung và kỹ thuật tàu thủy nói riêng CFD được phát triển, ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong các lĩnh vực cơ học môi trường chất lưu (khí, lỏng, plasma,…) và môi trường biến dạng, đàn hồi,…Trên thực tế, CFD được ứng dụng rộng rãi vào các ngành khoa học tiên tiến và công nghệ cao cũng như các ngành khoa học phục vụ dân sinh Chẳng hạn, CFD được ứng dụng. .. 2 Nội dung nghiên cứu Đề tài nghiên cứu những phương trình chủ đạo được xem là “trọng tâm” của CFD, mà dựa vào nó các nhà lập trình đã viết thành các phần mềm tính toán mô phỏng như: phần mềm Ansys nói chung và mô đun Ansys Flotran, Ansys Fluent nói riêng để giải quyết các bài toán kỹ thuật một cách tiện lợi Sau khi nghiên cứu kỹ về phần lý thuyết này, bước tiếp theo trong đề tài là vận dụng Ansys... của lực và thành phần vận tốc trong hướng của lực Do đó suất của công thực hiện bởi lực khối tác động lên phần tử lưu chất chuyển động với vận tốc là ⃗ là : ⃗ ⃗( ) Với lưu ý tới những lực mặt, chỉ xét những lực trong hướng x trong hình 2.8 Suất của công thực hiện trên phần tử lưu chất chuyển động bởi áp suất và lực ứng suất theo hướng x trong hình 2.8, đơn giản là thành phần vận tốc u nhân với lực, ... rất nhiều trong thiết kế và chế tạo chân vịt 10 2.3 NHỮNG PHƯƠNG TRÌNH CHỦ ĐẠO CỦA CFD 1 Giới thiệu Nền tảng của CFD là những phương trình chủ đạo cơ bản của động lực học dòng chảy – phương trình liên tục, phương trình động lượng, phương trình năng lượng Những phương trình này nói đến quá trình vật lý Chúng là những phát biểu toán học của ba nguyên lý vật lý cơ bản mà toàn bộ động lực học lưu chất đặt... thể cố định trong không gian với lưu chất chuyển động vòng qua nó, như hình 2.1a Tương tự, thể tích kiểm soát có thể chuyển động cùng với lưu chất, sao cho những hạt lưu chất cùng nhau luôn ở trong nó, như hình 2.1b Trong mọi trường hợp, thể tích kiểm soát là một vùng đủ lớn, hữu hạn của dòng Những nguyên lý vật lý cơ bản được áp dụng cho lưu chất nằm trong thể tích kiểm soát, và với lưu chất cắt qua... phần tử Trong đa số các dòng nhớt, ứng suất pháp tuyến ( xx) nhỏ hơn nhiều so với ứng suất tiếp tuyến và nhiều lần được bỏ qua Lực mặt trong hướng x tác động lên phần tử được phác họa trong hình 2.8 Quy ước sử dụng ở đây là ij biểu thị ứng suất trong hướng j tác động thẳng góc lên mặt phẳng thẳng góc với trục i Trên mặt abcd, lực duy nhất trong hướng x là do ứng suất tiếp tuyến yxdxdz Mặt efgh cách mặt . ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG Đặng Việt Minh NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) TRONG CÁC BÀI TOÁN KỸ THUẬT . trí cố định trong tất cả các khía cạnh của động lực học lưu chất, từ nghiên cứu cơ bản đến thiết kế kỹ thuật. 2. Ứng dụng của CFD trong giải các bài toán kỹ thuật nói chung và kỹ thuật tàu. Một số vấn đề cơ bản về phương pháp tính toán động lực học lưu chất CFD. Chương 3: Kết quả nghiên cứu (nghiên cứu ứng dụng CFD trong giải quyết một số bài toán kỹ thuật chọn lựa) . Chương
- Xem thêm -

Xem thêm: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất trong các bài toán kỹ thuật, Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất trong các bài toán kỹ thuật,

Từ khóa liên quan