Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics - CFD) trong các bài toán kỹ thuật

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: NGUYỄN THÁI PHƯỚC Lớp: Ngành: Đóng Tàu Thủy Mã ngành: 102 50DT-1 Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics – CFD) toán kĩ thuật Số trang: 79 Số chương: Số tài liệu tham khảo: Hiện vật: thuyết minh, CD NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Kết luận: Nha Trang, ngày tháng năm 2012 Cán hướng dẫn PGS TS Trần Gia Thái PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: NGUYỄN THÁI PHƯỚC Lớp: 50DT-1 Ngành: Đóng Tàu Thủy Mã ngành:102 Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics – CFD) toán kĩ thuật Số trang: 79 Số chương: Số tài liệu tham khảo: Hiện vật: thuyết minh, CD NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Điểm phản biện: Nha Trang, ngày tháng năm 2012 Cán phản biện Nha Trang, ngày …… tháng …… năm 2012 Điểm chung Bằng số Bằng chữ Chủ tịch hội đồng i MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.2.1 Tình hình ngồi nước 1.2.2 Tình hình nước 1.3 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.3.1 Mục tiêu 1.3.2 Nội dung 1.3.3 Phương pháp Chương MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT - CFD 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CFD 2.1.1 CFD 2.1.2 Vai trò ý nghĩa CFD giải tốn kỹ thuật nói chung kỹ thuật tàu thủy nói riêng 2.2 NHỮNG PHƯƠNG TRÌNH CHỦ ĐẠO CỦA PHƯƠNG PHÁP CFD 10 2.2.1 Mở đầu 10 2.2.2 Mơ hình hóa dịng 10 2.2.2.1 Thể tích kiểm sốt hữu hạn (quan điểm Euler) 10 2.2.2.2 Phần tử chất lưu vô bé (quan điểm Lagrange) 11 2.2.3 Đạo hàm vật chất 12 2.2.4 Phương trình liên tục 15 2.2.5 Phương trình động lượng 18 2.2.6 Phương trình lượng 21 2.2.7 Điều kiện biên 24 2.3 RỜI RẠC VÀ LƯỚI 28 ii 2.3.1 Rời rạc 28 2.3.1.1 Phương pháp vi phân hữu hạn 28 2.3.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 32 2.3.1.3 Phương pháp thể tích hữu hạn 35 2.3.2 Tạo lưới 36 2.3.2.1 Các dạng phần tử 36 2.3.2.2 Lưới cấu trúc 39 2.3.2.3 Lưới không cấu trúc 40 2.3.2.4 Đánh giá chất lượng lưới 41 2.4 TRÌNH TỰ GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD 43 2.4.1 Đặt vấn đề 45 2.4.2 Mơ hình tính toán 45 2.4.3 Q trình rời rạc hóa 45 2.4.4 Mô CFD 46 2.4.5 Xử lí kết phân tích 46 2.5 LỰA CHỌN PHẦN MỀM 46 2.5.1 Phần mềm GAMBIT 47 2.5.2 Phần mềm ANSYS FLUENT 48 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 49 3.1 BÀI TOÁN “VÁCH NGĂN BỊ VỠ” 49 3.1.1 Mơ tả tốn 49 3.1.1.1 Nội dung toán 49 3.1.1.2 Số liệu đầu vào 49 3.1.1.3 Số liệu đầu 50 3.1.2 Giải toán 50 3.1.2.1 Phương trình chủ đạo 50 3.1.2.2 Mơ hình VOF 50 3.1.2.3 Lưới 52 3.1.2.4 Hội tụ giải 53 iii 3.1.2.5 Phân tích kết 53 3.2 BÀI TOÁN “HỘP DI CHUYỂN TRÊN NƯỚC” 63 3.2.1 Mô tả toán 63 3.2.1.1 Nội dung toán 63 3.2.1.2 Số liệu đầu vào 64 3.2.1.3 Số liệu đầu 64 3.2.2 Trình tự tính tốn 64 3.2.2.1 Các thông số 64 3.2.2.2 Phương trình chủ đạo 65 3.2.2.3 Mơ hình rối 65 3.2.2.4 Phương pháp VOF 65 3.2.2.5 Lưới 66 3.2.2.6 Hội tụ giải 66 3.2.2.7 Phân tích kết 67 3.2.3 Phát triển toán hộp di chuyển nước thành toán thuyền di chuyển nước 69 3.2.3.1 Mơ tả tốn 69 3.2.3.2 Lưới 70 3.2.3.3 Hội tụ giải 74 3.2.3.4 Phân tích kết 74 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 79 4.1 KẾT LUẬN 79 4.2 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 79 PHỤ LỤC 80 Phụ lục TẠO LƯỚI VÀ THIẾT LẬP BÀI GIẢI CHO BÀI TOÁN “VÁCH NGĂN VỠ” 80 P1.1 Tạo hình học cho mơ hình 80 P1.2 Chia lưới 80 P1.3 Thiết lập giải ANSYS FLUENT 82 iv Phục lục TẠO LƯỚI VÀ THIẾT LẬP BÀI GIẢI CHO BÀI TOÁN “HỘP DI CHUYỂN TRÊN MẶT NƯỚC” 90 P2.1 Tạo hình học cho mơ hình 90 P2.2 Chia lưới 91 P2.3 Thiết lập giải ANSYS FLUENT 93 Phục lục TẠO LƯỚI CHO BÀI TOÁN “THUYỀN DI CHUYỂN TRÊN MẶT NƯỚC” 104 P3.1 Tạo hình học cho mơ hình 104 P3.2 Chia lưới 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển mạnh mẽ máy vi tính tốc độ cao, phương pháp tính tốn số ngày quan tâm đạt thành tựu lớn nhiều lĩnh vực, đặc biệt ngành kĩ thuật Việc tìm hiểu nắm bắt sở lí thuyết ứng dụng phương pháp số, cụ thể tính tốn động lực học lưu chất–CFD, cần thiết ngành kĩ thuật nói chung ngành cơng nghiệp tàu thủy nói riêng nước ta Được phân công môn, thời gian từ ngày 15/04/2012 đến 30/6/2012, thực đề tài tốt nghiệp Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics – CFD) toán kĩ thuật Nội dung gồm chương sau: - Chương 1: Đặt vấn đề - Chương 2: Một số vấn đề phương pháp tính tốn động lực học lưu chất – CFD - Chương 3: Kết nghiên cứu - Chương 4: Thảo luận kết Trong trình thực đề tài, tài liệu kiến thức hạn hẹp nên khơng thể tránh khỏi sai sót Kính mong q thầy xem xét bổ sung, góp ý để đề tài hồn chỉnh Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Gia Thái, thầy cô khoa Kỹ Thuật Giao Thông, trường Đại học Nha Trang gia đình bạn bè giúp đỡ cho chúng tơi hồn thành đề tài Nha Trang, ngày 09 tháng năm 2012 Sinh viên thực Nguyễn Thái Phước Chương ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Như biết dòng chảy lưu chất chuyển động đóng vai trị quan trọng đa số toán kĩ thuật, chẳng hạn dịng khơng khí bao quanh máy bay, gió thổi qua cơng trình xây dựng, lưu thơng truyền nhiệt dòng lưu chất hệ thống làm mát, dịng nước cơng trình thủy lợi, dịng nước khơng khí bao quanh thân tàu thủy,… Việc nắm đặc tính dịng chảy, biến thiên đại lượng thuộc tính dịng lưu chất giúp người kĩ sư có nhìn tồn diện vận động dịng, từ có tính tốn, tối ưu hóa thiết kế thiết bị, phương tiện nhằm đạt hiệu làm việc cao Trong thực tế thông tin cấu trúc dịng chảy thu từ đo đạc, kiểm tra thực nghiệm tính tốn lí thuyết Những phương pháp cung cấp thông tin quan trọng, giới hạn chưa đánh giá hết đặc tính dịng, nhiều cơng sức, thời gian tiền bạc Sử dụng phương pháp tính tốn động lực học chất lưu (Computational Fluid Dynamics – mà sau ta gọi tắt CFD) cho khả đánh giá tốt hơn, cung cấp phân tích, đánh giá sâu dịng chảy phức tạp, bao gồm thuộc tính dịng vận tốc, áp suất, chế độ chảy rối, nhiệt độ, nồng độ… bên bên vật thể phân tích, việc tính tốn trở nên đơn giản nhanh chóng hơn, chi phí giảm xuống đáng kể CFD có khả áp dụng cho loại chất lưu khí, lỏng, đa pha, di chuyển hạt, đốt cháy… Vai trò CFD dự báo kĩ thuật công nghiệp trở nên mạnh đến mức ngày nhìn nhận “phương pháp thứ ba” động lực học lưu chất, với hai phương pháp cổ điển khác lý thuyết túy thực nghiệm túy Với phát triển mạnh mẽ CFD nay, đề tài thực nhằm nghiên cứu lí thuyết CFD, từ vận dụng vào giải số toán kỹ thuật đơn giản, tạo tiền đề cho nghiên cứu sâu 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.2.1 Tình hình ngồi nước Vào năm 1970, CFD bắt đầu kết hợp với ngành khoa học khác toán học, vật lý, phương pháp số,… để tính tốn, mơ dịng chảy chất lưu Sự phát triển CFD tạo nên bước phát triển cho ngành công nghệ tính tốn Ứng dụng phương pháp CFD mơ phịng dịng cận âm dựa phương pháp phương trình khơng tuyến tính Năm 1980, phương pháp xây dựng để mô 2-D, sau phát triển lên thành mơ hình 3-D Phương trình Euler trở thành phương pháp quan trọng Nhờ phát triển tốc độ máy tính phát triển kỹ thuật số, nhiều ứng dụng thực tế CFD tính tốn mơ để đưa dự báo hoàn cảnh cụ thể mơ dịng chảy thổi qua máy bay, mơ dòng chảy bên turbine Vào năm 1980, nhà khoa học phát triển việc mô dịng chảy xét đến độ nhớt phương trình Navier-Stokes Từ mơ hình mơ dịng chảy rối phát triển với mức độ phức tạp xác Với địi hỏi độ xác phức tạp việc mô cấu trúc dịng chảy hình thành nên phương pháp lưới Phát triển bắt đầu với cấu trúc lưới đơn giản kết hợp phương pháp đại số sử dụng phương trình đạo hàm riêng sau dạng lưới phức tạp lưới cấu trúc-lưới không cấu trúc, lưới lục diện-lưới tứ diện… nhằm có lưới khớp tốt với biên dạng hình học phức tạp mà đạt tốc độ tính tốn nhanh Ngày nay, CFD ứng dụng rộng rãi vào ngành khoa học tiên tiến công nghệ cao ngành khoa học phục vụ dân sinh Chẳng hạn, CFD ứng dụng mô chuyển động tàu vũ trụ với vận tốc siêu dòng chảy bao yếu tố khí động tác dụng lên vật thể bay nói chung Ngồi ứng dụng ngành kỹ thuật, CFD ứng dụng rộng rãi ngành khác sinh học, y tế, khí tượng,… Chẳng hạn, CFD ứng dụng vào ngành đại dương học để mô quy luật dịng biển nóng, lạnh tác động chúng lên khí hậu tồn cầu, Trong y tế, CFD sử dụng để mơ q trình hồn lưu máu hai vịng tuần hồn, ảnh hưởng yếu tố bên trong, bên lên nhịp đập sức khỏe nội tạng nói riêng tồn thể nói chung Thật khó kể hết phạm vi ứng dụng CFD mà nước đạt Đặt biệt, với ứng dụng to lớn hiệu kinh tế mà CFD mang lại, ngày cơng ty đóng tàu lớn giới đưa CFD vào chương trình nghiên cứu ứng dụng để mơ phỏng, tính tốn trường chất lỏng bao quanh thân tàu để nâng cao chất lượng thiết kế vỏ tàu, tối ưu hóa đường hình, thiết kế chân vịt, tính tốn thủy động lực học chân vịt, thiết kế hệ thống bơm, 1.2.2 Tình hình nước CFD nghiên cứu từ lâu giới vào ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học, quân lẫn dân Trong nước ta mức độ tiếp xúc với vấn đề bản, hạn hẹp số lĩnh vực mà chưa có nhiều tài liệu nghiên cứu sâu, phổ biến học tập Hiện CFD nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực quân sự, tính tốn khí động học máy bay… lĩnh vực khác chưa ứng dụng nhiều Do hạn hẹp nghiên cứu lẫn giảng dạy nên CFD khái niệm mẻ phần lớn kĩ sư, giảng viên sinh viên Đề tài thực với hi vọng góp phần thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng phương pháp CFD vào ngành kỹ thuật nói chung kỹ thuật tàu thủy nước ta nói riêng 1.3 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.3.1 Mục tiêu - Nắm lí thuyết phương pháp CFD - Ứng dụng phương pháp CFD vào giải số toán kỹ thuật 1.3.2 Nội dung 94  Bước : Mơ hình  General  Chọn tốn khơng ổn định (Transient)  Chọn gia tốc trọng trường theo hướng y -9.81 m/s2  Models 95  Chọn mơ hình đa pha (Multiphase Model) : - Chọn Volume of Fluid - Số lượng pha - Chọn giải ẩn (Implicit Scheme) - Chọn Open Channel Flow - Chọn Implicit Body Force 96  Chọn mơ hình nhớt k-epsilon Realizable  Bước : Vật liệu  Thêm vật liệu nước (water-liquid h2o ) vào danh sách  Định pha thứ khơng khí pha thứ hai nước 97  Bước : Điều kiện vận hành  Chọn gia tốc trọng trường theo phương y -9.81 m/s2  Bước : Điều kiện biên  khong_khi_vao : 98  nuoc_vao :  Đối với pha Mixture  Đối với pha nước : 99  khong_khi_ra :  nuoc_ra :  Bước : Giải  Solution Method… 100  Chọn PISO cho Scheme  Chọn PRESTO cho Pressure chọn First Order Upwind trình đơn thả xuống Mometum  Solution Control Giữ nguyên giá trị mặc định  Solution Initialization… 101  Khởi chạy toán (nhấn Initialize)  Sau nhấn Patch… chọn pha nước với biến tỉ lượng thể tích Volume Fraction giá trị miền đắp vào nước Monitors… Đảo bảo sai số khép Residual xuất để ta giám sát sai số toán 102  Calculation Activities…  Lưu lại trình làm việc hình ảnh hoạt họa:  Ghi lại hình ảnh biến thiên vận tốc, tỉ lượng thể tích áp suất : 103  Run Calculation…  Chọn cỡ bước thời gian 0.05 giây  Chọn số bước thời gian 300  Chọn tối đa số lượng vòng lặp bước thời gian 20 104 Phục lục TẠO LƯỚI CHO BÀI TOÁN “THUYỀN DI CHUYỂN TRÊN MẶT NƯỚC” P3.1 Tạo hình học cho mơ hình  Biên dạng thuyền tạo phần mềm SolidWork, Inventor, CATIA… xuất trực tiếp tệp với định dạng *.stp, * step, *.igs …  Đối với biên dạng tạo phần mềm AutoCad - Dùng lệnh “region” để biến đường rời rạc thành đối tượng chung - Xuất tệp File → Export… chọn kiểu tệp ACIS (*.sat) - Nhập tệp biên dạng vỏ thuyền vào GAMBIT : File → Import → ACIS… chọn tệp *.sat mà ta lưu Sử dụng lệnh điểm, đường, mặt để vẽ giới hạn vùng mơi trường nước khơng khí sau : 105 Ở ta chia vùng khơng khí làm ba phần với hai đương thẳng hai đầu biên dạng thuyền để chia lưới không chế lưới không bị gãy đột ngột P3.2 Chia lưới  Chia nút lưới cạnh :  Mesh → Edge → Mesh Edges Chọn đường chia nút theo thông số sau : Đường - Đầu vào nước - Đầu nước - Biên nước bên trái - Mặt thoáng bên trái - Đáy thuyền - Biên nước - Biên nước bên phải - Mặt thoáng bên phải Interval count Ratio 32 0.91 65 0.95 130 1.025 (double sided) 37 0.92 35 0.93 - Đầu vào khơng khí (phần lớn trên) - Đầu khơng khí (phần lớn trên) 106 - Biên khơng khí bên trái 65 0.95 - Biên khơng khí bên phải 37 0.92 - Biên khơng khí - Boong thuyền 130 1.025 (double sided) - Mũi thuyền - Đuôi thuyền - Đầu vào đầu khơng khí 10 35 0.93 (phần nhỏ dưới) - đường chia thuyền  Chia lưới mặt  Mesh → Face → Mesh Faces… Chọn mặt chia lưới 107  Đặt kiểu biên :  Zones → Specify Boundary Types … khong_khi_vao : VELOCITY_INLET nuoc_vao : VELOCITY_INLET thanh_tren_khong_khi : WALL thanh_duoi_nuoc : WALL  khong_khi_ra : PRESSURE_OUTLET  nuoc_ra : PRESSURE_OUTLET  tau : WALL  Đặt miền liên tục :  Zones → Specify Continuum Types  khong_khi : FLUID  nuoc : FLUID 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] John D Anderson, Jr., Computational Fluid Dynamic- The basics with applications, McGraw-Hill, New York, 1995 [2] Herman Deconinck-Erik Dick, Computational Fluid Dynamic 2006 ICCFD, von Karman Institute, 2006 [3] Harvard Lomax and Thomas H Pulliam, Fundamentals of Computational Fluid Dynamics, NASA Ames Research Center, 1999 [4] John F Wendt, Computational Fluid Dynamics An introduction, von Karman Institute, 2009 [5] M.Hanif Chaudhry, Open-Channel Flow Second Edition, Springer, New York, 2008 [6] Reddy, J.N., An Introduction to the Finite Element Method, McGraw-Hill, 1993 [7] Zienkiewicz, O.C and Taylor, R.L., The Finite Element Method- Vol Solid and Fluid Mechanics, Butterworth–Heinemann, Oxford, 1991 [8] Hildebrand, F.B., Introduction to Numerical Analysis, McGraw-Hill, New York, 1956 [9] Brackbill J.U., Kothe D.B and Zemach C., A continuum method for modeling surface tension, J Comput Phys 100 , page 335-354, 1992 ... nghiệp Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics – CFD) toán kĩ thuật Nội dung gồm chương sau: - Chương 1: Đặt vấn đề - Chương 2: Một số vấn đề phương. .. pháp CFD - Ứng dụng phương pháp CFD vào giải số toán kỹ thuật 1.3.2 Nội dung - Một số vấn đề phương pháp tính tốn động lực học lưu chất CFD, bao gồm: phương trình chủ đạo, phương pháp rời rạc... vận dụng vào mô giải số toán kỹ thuật 6 Chương MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT – CFD 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CFD 2.1.1 CFD Tính tốn động lực học lưu chất (Computational