Nghiên cứu ảnh hưởng của một số hình dạng vật thể lên hệ số lực cản (dùng phần mềm fluent)

i NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: NÔNG TIẾN LINH Lớp: 49ĐT - 2 Ngành: Đóng Tàu Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số hình dạng vật thể lên hệ số lực cản (dùng phần mềm Fluent). Số trang: Số chương: 07 Số tài liệu tham khảo: 19 Hiện vật: - 02 đĩa CD. - 02 cuốn đồ án NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Kết luận: Nha Trang, ngày …… tháng ……. năm 2011 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Th.S Lê Nguyễn Anh Vũ ii PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐATN Họ và tên sinh viên: NÔNG TIẾN LINH Lớp: 49ĐT-2 Ngành: Đóng Tàu Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số hình dạng vật thể lên hệ số lực cản (dùng phần mềm Fluent). Số trang: Số chương: 07 Số tài liệu tham khảo: 19 Hiện vật: - 02 đĩa CD - 02 cuốn đồ án NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Điểm phản biện: Nha Trang, ngày …… tháng …… năm 2011 … CÁN BỘ PHẢN BIỆN ĐIỂM CHUNG Nha Trang, ngày …… tháng …… năm 2011 … CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Bằng số Bằng chữ iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian tìm hiểu và thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số hình dạng vật thể lên hệ số lực cản (dùng phần mềm Fluent)” , cho đến nay nội dung đề tài đã được hoàn thành. Ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi còn được qua tâm giúp đỡ từ nhiều phía. Qua đây tôi muốn gửi lời cảm ơn tới các đơn vị, tập thể, cá nhân đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian vừa qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ban chủ nhiệm khoa Kỹ thuật tàu thủy – Trường đại học Nha Trang, các thầy trong bộ môn đóng tàu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này. Đặc biệt, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới thầy Lê Nguyễn Anh Vũ, người đã tận tình theo sát hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Và cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Nha Trang, ngày 15 tháng 7 năm 2011 Sinh viên Nông Tiến Linh iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii LỜI MỞ ĐẦU viii Chương 1: DẤN NHẬP 1 1. Đặt vấn đề 1 2. Mục đích đề tài 1 3. Nhiệm vụ của đề tài 1 4. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài 2 5. Phương pháp nghiên cứu 2 Chương 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 3 1. Dòng lưu chất qua vật thể 3 2. Kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm và khả năng mô hình hóa của phương pháp số về động học lưu chất 4 2.1. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm động học lưu chất 4 2.2. Khả năng mô hình hóa của phương pháp số 8 Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15 1. Phương trình Becnuli 15 2. Lý thuyết lớp biên 15 3. Lực cản và lực nâng 16 3.1. Lực cản và hệ số lực cản D C 17 3.1.1. Lực cản 17 3.1.2. Hệ số lực cản D C 19 3.2. Lực nâng 19 4. Hệ số áp suất p C 20 5. Các phương trình bảo toàn của dòng lưu chất 20 5.1. Phương trình bảo toàn khối lượng 21 5.2. Phương trình bảo toàn động lượng 22 Trang v Chương 4: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM GAMBIT VÀ FLUENT 23 1. Phần mềm Gambit 23 1.1. Giới thiệu 23 1.2. Các tính năng của phần mềm Gambit 23 2. Phần mềm Fluent 24 2.1. Giới thiệu 24 2.2. Cấu trúc của phần mềm 25 2.3. Các mô hình tính toán chuyển động rối 25 2.4. Sơ đồ thuật toán 27 3. Mô hình rối k-  chuẩn và các thông số đặc trưng 27 4. Phương pháp giải 29 5. Phương pháp thể tích hữu hạn 31 6. Rời rạc hóa miền không gian tính 32 7. Các yêu cầu đối với việc lựa chọn mật độ rời rạc 33 7.1. Thời gian 33 7.2. Chi phí tính toán 33 7.3. Sự hội tụ số 34 7.3.1. Mật độ lưới 34 7.3.2. Độ mượt của lưới 34 7.3.3. Hình dạng của lưới 34 8. Áp đặt điều kiện biên cho bài toán 34 8.1. Điều kiện biên vận tốc vào (Velocity-inlet) 35 8.2. Điều kiện biên áp suất ra (Pressure-outlet) 35 8.3. Điều kiện biên thành rắn (Wall) 35 8.4. Điều kiện biên đối xứng (Symmetry) 35 Chương 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẪU VÀ TÍNH TOÁN 37 1. Mô hình và các thông số cơ bản cho bài toán mẫu 37 2. Rời rạc hóa miền không gian tính toán và điều kiện biên 38 3. Tính toán cho bài toán mẫu 39 vi 3.1. Ảnh hưởng của mật độ lưới tới hệ số lực cản 39 3.2. Phân tích đặc tính của dòng qua khối trụ tròn 41 4. Kết luận 44 Chương 6: TÍNH TOÁN VỚI MỘT SỐ MÔ HÌNH KHÁC 46 1. Các mô hình và điều kiện biên ban đầu 46 2. Xây dựng mô hình và tính tính toán 47 2.1. Bài toán dòng qua tấm phẳng đứng 47 2.1.1. Mô hình và rời rạc hóa bài toán 47 2.1.2. Một số kết quả đạt được với bài toán dòng qua tấm phẳng đứng 48 2.2. Bài toán dòng qua nửa khối trụ tròn thuận dòng 52 2.1.1. Mô hình và rời rạc hóa bài toán 52 2.2.1. Một số kết quả đạt được cho bài toán nửa khối trụ tròn thuận dòng 54 2.3. Bài toán nửa khối trụ tròn ngược dòng 58 2.3.1. Mô hình bài toán và trời rạc hóa 58 2.3.2. Một số kết quả đạt được cho bài toán nửa khối trụ tròn ngược dòng 59 2.4. Bài toán dòng qua khối trụ tam giác thuận dòng 62 2.4.1. Mô hình bài toán và rời rạc hóa 62 2.4.2. Một số kết quả đạt được với bài toán dòng qua khối trụ tam giác thuận dòng …………………………………………………………………………63 2.5. Bài toán dòng qua khối trụ tam giác ngược dòng 66 2.5.1. Mô hình bài toán và rời rạc hóa 66 2.5.2. Một số kết quả đạt được với bài toán dòng qua khối trụ tam giác ngược dòng 68 2.6. Bài toán dòng qua khối trụ vuông 71 2.6.1. Mô hình bài toán và rời rạc hóa miền không gian tính 71 2.6.2. Một số kết quả đạt được với bài toán dòng qua khối trụ vuông 72 2.7. Bài toán dòng qua khối trụ vuông xoay 90 0 75 2.7.1. Mô hình bài toán và rời rạc hóa miền không gian tính 75 vii 2.7.2. Một số kết quả đạt được với bài toán dòng qua khối trụ vuông xoay 90 0 77 3. Kết luận 80 4. Tối ưu hóa biên dạng của cánh NACA 0020 82 Chương 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 83 1. Tóm tắt kết qủa đề tài 83 2. Đánh giá kết qủa của đề tài 83 3. Đề nghị hướng phát triển của đề tài 84 PHỤ LỤC 85 CÁC NHÓM CÔNG CỤ TRONG PHẦN MỀM GAMBIT VÀ FLUENT 85 DANH MỤC CÁC BẢNG 99 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH 100 KẾ HOẠCH THỜI GIAN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 viii LỜI MỞ ĐẦU Trong thực tế khi vật chuyển động trong môi trường lưu chất sẽ chịu tác dụng của lực cản, có phương ngược với phương chuyển động của vật. Lực cản có ảnh hưởng rất lớn đến tính năng tốc độ khi vật thể chuyển động. Tuy nhiên việc nghiên cứu ảnh hưởng này rất phức tạp và tốn kém, đặc biệt trong những điều kiện ngặt nghèo khó có thể thực hiện nghiên cứu bằng thực nghiệm. Ngày nay với sự phát triển mạnh về công nghệ thông tin, máy tính được sử dụng trong việc mô phỏng tính toán được đánh giá khá hữu hiệu, làm giảm thiểu khối lượng ghiên cứu thực nghiệm, kết quả tính toán có độ chính xác cao đáng tin cậy. Với ý tưởng đó Khoa Kỹ Thuật Tàu Thủy Trường Đại Học Nha Trang đã giao cho tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số hình dạng vật thể lên hệ số lực cản (dùng phần mềm Fluent)”. Nội dung của đề tài bao gồm các chương sau: Chương 1: DẪN NHẬP Chương 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 4: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM GAMBIT VÀ FLUENT Chương 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẪU VÀ TÍNH TOÁN Chương 6: TÍNH TOÁN VỚI MỘT SỐ MÔ HÌNH KHÁC Chương 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Do thời gian, kiến thức, kỹ năng và kinh nghiệm sử dụng phần mềm còn nhiều hạn chế, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện đề tài. Kính mong quý thầy cô, các bạn cùng những ai quan tâm đến vấn đề này góp ý bổ sung để đề tài được hoàn thiện hơn. Nha trang, ngày 15 tháng 7 năm 2011 Sinh viên Nông Tiến Linh 1 Chương 1 DẪN NHẬP 1. Đặt vấn đề Khi vật chuyển động trong môi trường lưu chất sẽ chịu tác dụng của lực cản và lực nâng được đặc trưng bởi hai hệ số D C và L C , các hệ số này phụ thuộc chủ yếu vào biên dạng hình học đặc trưng của vật thể. Trong phạm vi của đề tài quan tâm nhiều đến hệ số lực cản D C . Nhiều công trình nghiên cứu đã thực hiện đề cập đến vấn đề trên với cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu khác nhau. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp mô phỏng số để xem xét, phân tích và đánh giá mức ảnh hưởng của hình dạng vật thể tới hệ số lực cản D C . Trên cơ sở đó có thể phát triển áp dụng trong những trường hợp cụ thể khác. 2. Mục đích đề tài Mục đích của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của các hình dạng vật thể tới hệ số lực cản, trong cùng một điều kiện tính toán giống với thực nghiệm khi vật chuyển động trong dòng lưu chất. Việc xây dựng mô hình mô phỏng và tính toán được thực hiện bằng phần mềm, và so sánh kết quả thu được giữa các mô hình với nhau cũng như giữa mô hình tính và thực nghiệm. 3. Nhiệm vụ của đề tài - Tìm hiểu và lựa chọn phương pháp số thích hợp dùng trong tính toán dòng chảy qua vật thể. - Mô hình hóa bài toán, thiết lập hệ phương trình và xây dựng các điều kiện biên cho bài toán. - Áp dụng kết quả tính toán của mỗi bài toán so sánh với thực nghiệm, nhận xét, đánh giá ảnh hưởng của biên dạng đến hệ số lực cản D C và dòng chảy qua vật thể. 2 4. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài - Đối tượng nghiên cứu của đề tài ảnh hưởng của hình dạng một số biên dạng 2D đơn giản đến hệ số lực cản. - Đề tài mô phỏng tính toán số bài toán 2D. 5. Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng phương pháp số để giải các phương trình động lực học lưu chất. - Sử dụng phần mềm để xây dựng mô hình và mô phỏng dòng qua vật thể nghiên cứu, kết hợp với tra cứu tài liệu qua sách báo, tài liệu internet…từ đó phân tích tổng hợp tài liệu. [...]... (%) Hình 3.4: Mối quan hệ giữa lực cản áp suất và lực cản ma sát của một số vật thể, kết quả nghiên cứu thực nghiệm [7] 19 3.1.2 Hệ số lực cản C D Hệ số lực cản C D là một hệ số không thứ nguyên, bao gồm hai thành phần: Hệ số lực cản áp suất và hệ số lực cản ma sát C D = C Dap + C Dms (3.8) Trong đó: - C Dap : Hệ số lực cản áp suất - C Dms : Hệ số lực cản ma sát Công thức tính hệ số C D chung nhất được... Re  Vd  Hình 2.5: Đồ thị hệ số C D phụ thuộc vào số Re của một số vật thể có hình dạng khác nhau [7] Đối với bài toán dòng chảy hai chiều, xem chiều dài của vật thể là vô hạn, bỏ qua sự ảnh hưởng của hai đầu vật thể Hình 2.6 kết quả nghiên cứu thực nghiệm dòng hai chiều với hệ số Re  10 4 [5] 6 Hình dạng CD Hình dạng CD Hình dạng CD Hình 2.6: Hệ số lực cản của một số vật thể 2D [5] Bài toán dòng... dài của vật thể là hữu hạn, nghĩa là có xét tới sự ảnh hưởng của hai đầu vật thể Hình 2.7 kết quả nghiên cứu thực nghiệm dòng ba chiều với số Re  10 4 [5] 7 Hình 2.7: Hệ số lực cản C D của một số vật thể dạng 3D [5] Nghiên cứu lực cản khí động đối với ô tô ngày nay được các nhà sản suất, thiết kế và người sử dụng rất quan tâm, sự hợp lý hóa hình dạng của ô tô để giảm hệ số lực cản khí động được thể. .. của vật thể 3.1 Lực cản và hệ số lực cản C D 3.1.1 Lực cản Lực cản có phương song song và ngược chiều với vận tốc của dòng lưu chất Lực cản D có hai thành phần chính: Thành phần lực cản gây ra do áp suất nhớt giữa chất lỏng với bề mặt vật thể, được gọi là lực cản ma sát ký hiệu là D ms Thành phần thứ hai gây ra do sự phân bố áp suất trên bề mặt vật được gọi là lực cản áp suất ký hiệu là D ap V  Hình. .. quả nghiên cứu bằng thực nghiệm và khả năng mô hình hóa của phương pháp số về động học lưu chất 2.1 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm động học lưu chất Để nghiên cứu, đánh giá mức ảnh hưởng của hình dạng vật thể tới hệ số cản C D , các nhà khoa học đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm trên các vật thể có hình dạng khác nhau trong một kênh lưu chất như hình 2.3 hoặc trong trong các đường hầm khí động hình. .. phần lực cản ma sát và lực cản áp suất trên bề mặt vật thể [7] Lực cản ma sát có phương tiếp tuyến với bề mặt vật thể Lực cản ma sát phụ thuộc vào kích thước vật thể, độ nhớt của lưu chất, vận tốc tương đối giữa lưu chất và vật thể V Dms   dA sin  A (3.4) 18 Lực cản áp suất có phương vuông góc với bề mặt vật thể Lực cản áp suất phụ thuộc vào khối lượng riêng của lưu chất, diện tích bề mặt vật thể, ... và vật thể Dap   pdA cos A (3.5) Độ lớn của lực cản được có thể được tính theo công thức tổng quát sau: D  Dmx s  Dap (3.6) Hay: D  CD 1 V 2 A 2 (3.7) Trong đó:  C D : Hệ số lực cản   : Khối lượng riêng của lưu chất  V : Vận tốc của dòng lưu chất  A: Diện tích mặt cản theo phương vuông góc với dòng lưu chất  D: Lực cản Hình dạng vật thể Lực cản áp suất Lực cản ma sát Dap (%) Dms (%) Hình. .. hiện ở hình 2.8 Hệ số lực cản khí động thấp nhất ở mô hình năm 2000 đây chỉ là giá trị lý thuyết thực hiện trên mô hình thực nghiệm Hình 2.8: Hệ số lực cản C D của ô tô [5] 8 2.2 Khả năng mô hình hóa của phương pháp số Ngày nay có rất nhiều phần mềm tính toán và mô phỏng số như: Fluent, StarCD, Flow 3D…các phần mềm này được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên trong phạm vi của. .. sát bề mặt được sinh ra và lực cản cũng tăng lên, đây là phần dày nhất của lớp biên Hình 3.1: Hình minh họa lớp biên từ vùng chảy tầng sang vùng chảy rối 3 Lực cản và lực nâng Thực nghiệm chứng tỏ rằng một vật chuyển động trong lưu chất thực sẽ chịu tác dụng của lực cản D , trong các điều kiện nào đó sẽ chịu tác dụng của lực nâng L Lực tổng hợp của lưu chất tác dụng lên vật thể ký hiệu là R R = L+... V Hình 2.3: Mô hình nghiên cứu thực nghiệm dòng qua khối trụ tròn Nhìn ngang Hình 2.3: Mô hình thực nghiệm dòng qua vật thể trong kênh lưu chất 5 Hình 2.4: Đường hầm khí động thí nghiệm Các nghiên cứu được tiến hành với nhiều số Re khác nhau để xem xét, phân tích sự biến đổi của dòng lưu chất qua vật thể Đồ thị hình 2.5, kết quả nghiên cứu thực nghiệm đối với một số mô hình khách nhau Re  Vd  Hình . Đóng Tàu Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số hình dạng vật thể lên hệ số lực cản (dùng phần mềm Fluent). Số trang: Số chương: 07 Số tài liệu tham khảo: 19 Hiện vật: - 02 đĩa CD -. giá ảnh hưởng của biên dạng đến hệ số lực cản D C và dòng chảy qua vật thể. 2 4. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài - Đối tượng nghiên cứu của đề tài ảnh hưởng của hình dạng một số. ĐỒNG Bằng số Bằng chữ iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian tìm hiểu và thực hiện đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của một số hình dạng vật thể lên hệ số lực cản (dùng phần mềm Fluent) , cho