Nghiên cứu giảm lực cản gió tác dụng lên tàu chở hàng nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu

Trên cơ sở kết quả tổng hợp của rất nhong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của các công cụ, phương tiên hỗ trợ tính toán số ra đời, tính toán động lực học chất lỏng CFD Computat

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác

Hà Nội, tháng 3 năm 2016

Học viên

Nguyễn Danh Độ

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy giáo TS Hoàng Công Liêm, TS Ngô Văn Hệ người đã trực tiếp hướng dẫn tôi tận tình và chu đáo để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cô giáo của Viện cơ khí động lực, Viện đào tạo Sau đại học, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức, giúp tôi suốt thời gian học tập và làm luận văn

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp

đỡ, ủng hộ tôi hết lòng, động viên và chia sẻ trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn

Hà Nội, tháng 3 năm 2016

Học viên

Nguyễn Danh Độ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.2 Mô hình thiết lập phương trình vi phân liên tục của dòng chảy Error! Bookmark not defined

Hình 1.3 Thành lập phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực Error! Bookmark not defined

Hình 1.4 Sơ đồ xác định phương trình Becnuli cho dòng nguyên tố Error! Bookmark not defined

Hình 1.5 Đồ thị dịch chuyển của khối khí Error! Bookmark not defined

Hình 1.6 Hình ảnh phân bố áp suất và đường dòng bao quanh tàu [14] 18

Hình 2.1 Phân bố dòng, áp suất tác động lên tàu buồm mô phỏng bằng ANSYS 21 Hình 2.2 Bộ giải dựa trên áp suất 24

Hình 2.3 Thuật toán của bộ giải dựa trên mật độ 24

Hình 2.4 Chia lưới trong ANSYS 29

Hình 2.5 Lưới lục diện 31

Hình 2.6 Chia lưới lục diện tự động, sử dụng phương pháp chia lưới [16] 31

Hình 2.7 Chia lưới tự động bao gồm các lớp biên căng cho mô hình phức tạp 34

Hình 3 2 Mô hình tàu hàng nguyên bản sử dụng trong tính mô phỏng 43 Hình 3 3 Mô hình thượng tầng tàu chở hàng nguyên bản 43 Hình 3.4 Miền không gian tính toán và điều kiện biên 44 Hình 3.5 Phân bố áp suất động tại mặt cắt dọc tâm miền không gian tính toán 45 Hình 3.6 Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm 45 Hình 3.7 Phân bố áp suất tại các mặt chiếu bằng, z=0.15m; z=0.29m 46 Hình 3.8 Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu nguyên bản 47 Hình 3.9 Đồ thị lực cản gió tác động lên tàu R, N 49 Hình 4 2 Sự phân bố dòng bao quanh vật thể trụ và hộp theo số Reynolds 51 Hình 4.2 Phân bố áp suất tác động lên thượng tầng tàu nguyên bản 52

Hình 4.4 Mô hình tàu hàng với hình dáng thượng tầng TT1, PA1 53

Hình 4.6 Mô hình tàu hàng với thượng tầng mới TT2, PA2 54 Hình 4.7 Mô hình tàu hàng với thượng tầng nguyên bản đặt tại mũi tàu, PA3 54 Hình 4.8 Mô hình tàu hàng với thượng tầng mới đặt tại mũi tàu TT3, PA4 55 Hình 4.9 Phân bố áp suất xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm, PA1 55 Hình 4.10 Phân bố áp suất tại một số mặt cắt bằng, PA1 56

Hình 4.11 Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu với thượng tầng mới, PA1 57 Hình 4.12 Phân bố vận tốc dòng bao quanh than tàu, PA1 57 Hình 4.13 Phân bố áp suất xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm, PA2 58 Hình 4.14 Phân bố áp suất xung quanh tàu với thượng tầng mới TT2, PA2 58 Hình 4.15 Phân bố áp suất xung quanh tàu tại mặt cắt z=0.29m, PA2 59 Hình 4.16 Phân bố áp suất trên bề mặt than tàu, PA2 59

Hình 4.18 Phân bố áp suất và vận tốc dòng tại mặt cắt dọc tâm tàu, PA3 60 Hình 4.19 Phân bố áp suất tại một số mặt cắt bằng xung quanh tàu, PA3 61 Hình 4.20 Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu, PA3 62 Hình 4.21 Phân bố áp suất xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm, PA4 62 Hình 4.22 Phân bố áp suất tại một số mặt cắt bằng quanh tàu, PA4 63 Hình 4.23 Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu, PA4 64 Hình 4.24 Phân bố dòng xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm, PA4 64 Hình 4.25 Đồ thị lực cản gió tác động lên tàu 65

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số kích thước cơ bản của tàu 42

Bảng 3.4 Bảng tính lực và hệ số lực khí động tác động lên tàu 49 Bảng 4.1 Bảng tính các giá trị lực khí động và hệ số lực khí động tác

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong quá trình vận tải đường thủy, để nâng cao hiệu quả khai thác tàu cần thiết phải giảm tiêu hao nhiên liệu cần thiết Để giảm tiêu hao nhiên liệu cho việc khai thác tàu thì giảm lực cản là một trong những biện pháp hữu ích và mang lại nhiều lợi ích thiết thực nhất hiện nay Vấn đề nghiên cứu giảm lực cản, tiết kiệm nhiên liệu hiện đang được nhiều nhà nghiên cứu, thiết kế và khai thác kinh doanh quan tâm Trước những nhu cầu đó, tác giả lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu giảm lực cản gió tác động lên tàu nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu

2 Lịch sử nghiên cứu

Lĩnh vực tính toán lực cản tàu thủy nói chung, cũng như lực cản khí động của tàu nói riêng đã có nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu Từ nhiều năm về trước khi công cụ hỗ trợ tính toán chưa phát triển, thì việc tính toán xác định lực cản tàu chủ yếu dựa trên kết quả thực nghiệm mô hình tàu Trên cơ sở kết quả tổng hợp của rất nhong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của các công cụ, phương tiên hỗ trợ tính toán số ra đời, tính toán động lực học chất lỏng CFD (Computation Fluid Dynamic) đã trở thành công cụ hữu dụng trong việc ước lượng, dự đoán lực cản tác động lên tàu Ngay nay CFD đã trở thành công cụ phổ biến được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng làm phương tiện hỗ trợ nghiên cứu đắc lực cho mình [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]

Úng dụng CFD trong nghiên cứu tính toán giảm lực cản gió cho tàu chở hàng

là đề tài đã và vẫn đang là vấn đề đặt ra cho nhiều giới chuyên môn giải đáp [6, 7, 9, 10] Với mỗn loại tàu khác nhau, cần có các biện pháp kỹ thuật khác nhau để làm giảm lực cản tác động lên tàu Cảng giảm được lực cản tác động lên tàu thì đồng

nghĩa với việc nâng cao hiệu quả khai thác tàu Đây cũng chính là vấn đề đặt ra cần giải quyết trong luận văn này

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là phân tích, đánh giá đặc tính khí động lực học tác động lên thân tàu Thông qua các kết quả tính toán mô phỏng, đề xuất một số giải pháp làm giảm lực cản gió tác động lên tàu nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu

Đối tượng nghiên cứu là nghiên cứu giảm lực cản gió tác động lên tàu chở hàng nhằm nâng cao hiệu quả khai thác tàu

Do giới hạn về thời gian trong việc vẽ chính xác các bản vẽ 3D tàu, cũng giới hạn về tốc độ máy tính cá nhân, thời gian chờ kết quả chạy mô phỏng, đề tài chỉ giới hạn phạm vi nghiên cứu trên một loại tàu hàng nhất định và hạn chế một số trường hợp cụ thể

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Tác giả tiến hành nghiên cứu tổng quan về khí động học phần trên mặt nước của tàu thủy, thiết lập mô hình 3D của tàu hàng đã chọn, sau đó sử dụng các bước giải một bài toán mô phỏng số CFD để giải quyết vấn đề đặt ra Cụ thể là, khi thiết lập xong mô hình 3D tác giả đã sử dụng phần mềm để chia lưới và cuối cùng là đưa vào phần mềm ANSYS FLUENT để thiết lập các thông số, điều kiện biên… từ đó chạy mô phỏng số để xác định được các phân bố vận tốc, áp suất và lực cản gió tác động lên tàu

Trên cơ sở phân tích kết quả thu được từ việc tính mô phỏng lực cản gió tác động lên tàu nguyên bản, tác giả đã đề xuất một số thay đổi hình dáng cho thượng tầng tàu, sau đó sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS FLUENT để mô phỏng quá trình chuyển động của tàu tại tốc độ khai thác để xác định lực cản cùng các đặc tính khí động của tàu sau khi đã thay đổi hình dáng theo đề xuất

Kết quả mô phỏng số đưa ra phân bố vận tốc, phân bố áp suất trên tàu với hình dáng thượng tầng tàu khác nhau Trên cơ sở phân tích kết quả mô phỏng số đạt được, tác giả so sánh kết quả thu được Từ đó tác giả đưa ra những kết luận quan trọng, những lưu ý cho thiết kế khí động học của tàu

5 Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp Nghiên cứu lý thuyết truyền thống và mô phỏng số Đây là phương pháp nghiên cứu phổ biến và hiện đại trên thế giới mà nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Từ lý thuyết tác giả mô hình hóa các

mô hình tàu, sau đó chạy mô phỏng số CFD Kết quả thu được từ mô phỏng số được

so sánh và phân tích với kết quả nghiên cứu lý thuyết

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới vấn đề nghiên cứu giảm lực cản gió cho tàu thủy đã và đang được các nhà nghiên cứu quan tâm giải quyết khá nhiều Trong nước mới có một số tác giả đi nghiên cứu về vấn đề này, tuy nhiên các nghiên cứu chưa cụ thể thành các công trình công bố trên các tài liệu khoa học Vấn đề tính toán lực cản gió trong kỹ thuật trong nước vẫn sử dụng tài liệu, các công thức tính toán lý thuyết thuần tủy

Một số tác giả nghiên cứu về vấn đề giảm lực cản gió tiêu biểu có thể nói đến như K Sugata et al., (2010) nghiên cứu giảm lực cản gió tác động lên tàu chở hàng không nước dằn Kết quả nghiên cứu cho thấy với thượng tầng tàu mới có biên dạng theo đề xuất có thể giảm được tới 25% lực cản gió tác động lên tàu [6] K Mizutani

et al., (2013) nghiên cứu giảm lực cản gió tác động lên tàu chở bột gỗ, với việc bố trí thiết bị trên boong tàu, có thể giúp giảm lực cản gió tác động lên tàu Từ đó tác giả đề xuât phương án bố trí mới trên tàu giúp giảm lực cản gió hơn [7, 8] Ngo.VH

et al., (2014) nghiên cứu giảm lực cản gió tác động lên tàu thông qua nghiên cứu ảnh hưởng tương tác giữa thượng tầng và thân tàu Bằng các nghiên cứu lý thuyết

và thực nghiệm các tác giả đã đưa ra được một số kết quả về giảm lực cản gió tác động lên tàu thông qua việc bố trí thượng tầng tàu trên boong và đề xuất thượng tầng mới cho tàu có biên dạng khí động giảm lực cản [9, 10]

Ngoài ra còn một số nghiên cứu khác liên quan đến vấn đề ảnh hưởng của hình dáng thân vỏ đến các đặc tính khí động lực học như ô tô Một trong những nghiên cứu điển hình về khí động lực học ô tô có thể kể đến là nghiên cứu của Chainari et al., (2008); Darko D et al., (2010) các nghiên cứu này cho thấy rõ sự ảnh hưởng của hình dáng xe đến lực khí động học [4, 5]

1.2 Khái niệm khí động lực học

Khí động lực học là môn học nghiên cứu về dòng chảy của chất khí, được nghiên cứu đầu tiên bởi George Cayley vào thập niên 1800 "Khí động học" là một nhánh của động lực học chất lưu nghiên cứu chuyển động của không khí, đặc biệt là khi nó tương tác với một đối tượng di chuyển Khí động học đã thường được sử dụng đồng nghĩa với khí động lực, với sự khác biệt là khí động lực áp dụng đối với dòng chảy nén Tìm hiểu về sự chuyển động của không khí (thường được gọi là một trường dòng chảy) xung quanh một đối tượng cho phép tính toán các lực, mô men lực tác động lên đối tượng Giải pháp cho các vấn đề khí động lực học dẫn đến các tính toán về tính chất khác nhau của dòng chảy, như vận tốc, áp suất, mật

độ và nhiệt độ, như là các hàm của không gian và thời gian Khi hiểu được các tính chất này của chất khí, người ta có thể tính toán chính xác hay xấp xỉ các lực và các mômen lực lên hệ thống dòng chảy Việc sử dụng khí động học thông qua phân tích toán học, xấp xỉ thực nghiệm và gió đường hầm thử nghiệm là cơ sở khoa học Khí động học có thể được chia thành hai loại như khí động học bên ngoại biên

và khí động học nội biên Khí động học ngoại biên về cơ bản là nghiên cứu về dòng chảy xung quanh các vật thể rắn hình dạng khác nhau Đánh giá thang máy, máy bay, dòng chảy của không khí qua một lưỡi tuabin gió hay sóng xung kích hình thành ở phía trước mũi của một tên lửa là ví dụ về khí động học ngoại biên Khí động học nội biên bao gồm việc nghiên cứu các luồng không khí thông qua một động cơ phản lực hoặc thông qua một đường ống điều hòa không khí [1, 2, 3] Khí động lực học cũng có thể được phân loại theo tỉ số vận tốc của dòng chảy

so với vận tốc âm thanh Môn học được xem là dưới vận tốc âm thanh nếu các vận tốc đều nhỏ hơn vận tốc âm thanh là siêu thanh, và cực siêu thanh nếu vận tốc nhanh hơn vận tốc âm thanh nhiều lần

1.3 Một số phương trình khí động học cơ bản

Trong tính toán động lực học chất lỏng CFD, các phương trình cơ bản được

sử dụng và giải theo các phương pháp cụ thể khác nhau Trong công cụ mô phỏng

số ANSYS-FLUENT phương pháp phần tử thể tích được sử dụng để giải bài toán Trong phần này, một số phương trình cơ bản được giới thiệu [1, 2, 3]

1.3.1 Động học và động lực học chất lỏng

a) Phương trình liên tục

Đây là một dạng của định luật bảo toàn khối lượng Phương trình có dạng

⃗ = 0 Trong đó : Khối lượng riêng của chất lỏng

ν3

1νΔux

pρ

1Xdt

ν3

1νΔuy

pρ

1Ydt

ν 3

1 νΔu

p ρ

1 Z dt

Với các véc tơ W,F,G lần lượt được định nghĩa như sau:

{

} {

̂

} {

}

Để khép kín hệ phương trình, chúng ta đưa vào một số các điều kiện biên như sau:

- Điều kiện biên tại đầu vào: V(x=0,y)=V∞

- Điều kiện biên tại đầu ra: pout =p∞ =pa

- Áp suất tại các biên của vùng tính toán: p= p∞

- Điều kiện biên không trượt trên toàn bộ bề mặt:

1.3.2 Khái quát chung về sức cản

Sức cản của tàu tại một tốc độ cho trước được hiểu là lực thủy động tác động lên tàu

và ngược hướng chuyển động của tàu

Nếu ký hiệu RT là tổng sức cản thì tổng sức cản có thể tính dựa trên các thành phần chính như sau:

là thành phần cấu tạo lên sức cản nhớt Sức cản ma sát chiếm phần lớn (80÷90%)

sức cản nhớt và chiếm khoảng 50÷70% tổng sức cản đối với các tàu có tốc độ chậm Nếu hình dáng tàu càng mảnh (tỷ lệ chiều rộng/ chiều dài tàu càng nhỏ) ảnh hưởng của của hình dáng thân tàu càng nhỏ thì sức cản ma sát càng chiếm thành phần lớn trong sức cản nhớt

Sức cản tạo sóng RW : Khi tàu chuyển động trên mặt thoáng của chất lỏng sẽ tạo thành sóng Dễ quan sát nhất là hệ thống sóng ngang tạo ra ở mũi tàu - sinh ra sức cản sóng Sức cản sóng càng lớn khi vận tốc tàu càng lớn Đối với các tàu chạy tốc độ chậm, sức cản ma sát sẽ chiếm phần lớn trong tổng sức cản, tuy nhiên đối với các tàu chạy tốc độ cao như tàu cao tốc thì thành phần sức cản sóng sẽ chiếm phần lớn trong tổng sức cản

Sức cản không khí: là phần sức cản tạo ra bởi phần thân tàu và thượng tầng ở phía trên mặt nước khi tàu chuyển động Sức cản không khí phụ thuộc vào tốc độ tàu, diện tích và hình dạng của phần thân tàu, thượng tầng ở phía trên mặt nước Sức cản không khí cũng phụ thuộc vào tốc độ gió và hướng gió

Ngoài các thành phần sức cản kể trên, khi tàu chuyển động trên mặt nước còn có thể có thêm một số thành phần sức cản bổ sung như sức cản của các phần nhô, sức cản do chuyển động của bánh lái, sức cản tăng thêm khi chuyển động trên nước nông, sức cản kể đến sự dao động của tàu vv…

Nhìn chung, sức cản của tàu trong thực tế không thể xác định hoặc đo lường một cách trực tiếp, trị số sức cản của tàu thực thường được tính toán dựa trên kết quả thử nghiệm trên các mô hình tàu

1.3.3 Một số biện pháp giảm sức cản cho tàu

Việt Nam là nước có bờ biển dài, hệ thống sông ngòi dày đặc Giao thông đường thủy là một trong những loại hình giao thông chính ở nước ta Đối với việc vận chuyển hàng hóa bằng đường thủy, chi phí nhiên liệu chiếm phần lớn trong tổng chi phí khai thác của tàu Lượng tiêu hao nhiên liệu cho một tàu hàng cỡ trung

bình 200 lít/h Nếu tính toàn bộ thời gian hành trình trong khoảng thời gian khai thác tàu từ lúc đóng mới đến khi hết vận hành thì lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ vô cùng lớn Do vậy, giảm một lượng nhỏ dù là một vài phần trăm tiêu thụ nhiên liệu trên tàu cũng có ý nghĩa rất lớn trong vấn đề tiết kiệm chi phí vận hành khai thác của tàu trong cả năm Dưới đây là một số yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến mức tiêu thụ trên tàu:

- Một số thông số chính của tàu như: hình dạng vỏ tàu, khối lượng tàu, loại động cơ, chân vịt…;

- Số lượng máy chính;

- Tốc độ tàu;

- Dòng chảy, sóng, gió (hướng và lực tác động);

- Mớn nước của tàu (phụ thuộc vào lượng hàng hóa);

Một số biện pháp kỹ thuật được để đạt được hiệu quả trong việc giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu trên tàu (hình 1.1):

Hình 1.1 Một số biện pháp giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu trên tàu

Nhìn chung hầu hết các biện pháp đều tập trung vào việc giảm lực kéo nói cách khác là giảm sức cản của tàu và một số biện pháp khác cố gắng cải thiện hiệu quả của các thiết bị đẩy tàu và vận hành tàu

Khi tàu chạy, hầu như toàn bộ năng lượng sinh ra từ thiết bị đẩy tàu tiêu hao

do sức cản tàu, mà chủ yếu là sức cản nhớt và sức cản sóng Do vậy, việc nghiên cứu giảm các thành phần sức cản trên có ý nghĩa lớn trong việc giảm tiêu hao nhiên liệu từ đó giảm được chi phí vận hành tăng hiệu quả khai thác của tàu, giảm lượng khí thải ra môi trường [3]

Việc nghiên cứu giảm sức cản tàu tập trung chủ yếu vào việc giảm sức cản nhớt và sức cản sóng Sức cản nhớt đóng vai trò chính trong tổng sức cản của tàu, ở những vật chìm hoàn toàn hầu như chỉ có sức cản nhớt Vậy việc tìm các biện pháp giảm sức cản nhớt là điều quan trọng Đối với các vật thể dễ thoát nước chú ý đến việc giảm sức cản ma sát vì thành phần sức cản hình dáng không lớn Còn đối với các vật thể khó thoát nước phải giảm sức cản hình dáng Để giảm sức cản nhớt phải giảm độ nhám chung và độ nhám cục bộ, đặc biệt là độ nhám do việc quét sơn, phòng chống rêu hà bám và độ ăn mòn, áp dụng các dạng tàu tránh hiện tượng tách lớp biên Một số biện pháp công nghệ giảm sức cản đang được nghiên cứu và áp dụng hiện nay trên tàu như sau:

Làm sạch vỏ tàu, bánh lái, chân vịt: biện pháp này có thể áp dụng cho tất cả

các loại tàu bất kể kiểu loại, kích thước và công dụng khai thác Ngay sau khi xuất xưởng, vỏ tàu, bánh lái, chân vịt và các phần khác cần được giữ sạch Tuy nhiên theo thời gian, các bộ phận này sẽ bị bám bẩn do tảo, hàu và các loài khác làm cho tàu khó khăn khi chạy ở tốc độ định trước do gia tăng sức cản ma sát và làm tăng lượng tiêu hao nhiên liệu Việc làm sạch định kỳ sẽ cải thiện được tình trạng này, nếu như không thể đưa tàu lên triền đà hoặc vào ụ thường xuyên, việc làm sạch chân vịt bằng thợ lặn cũng tỏ ra có hiệu quả nhất định (hình 1.2)

Hình 1.2 Làm sạch vỏ tàu để giảm ma sát cho tàu

Sử dụng vật liệu phủ Polyme: bề mặt vỏ tàu được phun phủ một lớp mỏng

Polyme để giảm sức cản của tàu Trong suốt ba thập kỷ qua rất nhiều bài báo trình bày nghiên cứu về sử dụng Polyme trong việc sức cản tàu, các nghiên cứu chỉ ra rằng các phân tử Polime bị kéo căng trong lớp biên rối bởi dòng chảy kết quả làm tăng độ nhớt cục bộ đã làm giảm sức cản chung trên toàn bộ bề mặt vỏ tàu, những nghiên cứu gần đây đã cho thấy các phân tử Polyme còn có tác động vào sự phân bố xoáy trong dòng chảy từ đó làm giảm độ rối trong dòng chảy

Cải tiến hình dáng tàu: Những tàu béo sức cản hình dáng sinh ra do hiện

tượng tách lớp biên ở phần đuôi tàu và thành phần sức cản này đóng vai trò chính

trong sức cản nhớt (hình 1.5) Để giảm bớt chiều dài phần tách biên người ta có thể

dùng cánh có dộ dang bé và đặt nó vuông góc với vỏ bao phía trước vùng dự kiến tách lớp biên

Hình 1.3 Cải tiến hình dáng thân tàu để giảm sự tách lớp biên

Dưới đây là một số ví dụ trong việc cải tiến hình dạng tàu để giảm sự tạo xoáy sau đuôi tàu do hiện tượng tách lớp biên:

Hình 1.4 Cải tiến phần đỡ ống bao trục chân vịt

Hình 1.5 Cải tiến vây giảm lắc theo dạng sóng trên tàu

Trước

Sau Trước

Sau

Hình 1.6 Cải tiến bánh lái theo dạng khí động học

Nguyên lý giảm sức cản sóng khi mũi tàu có dạng quả lê như sau (hình 1.7):

Hình 1.7 Nguyên lý giảm sức cản sóng của mũi quả lê

Sóng tao ra khi tàu chạy

Hiện nay chủ yếu là các tàu vận tải cỡ lớn như tàu hàng, tàu dầu… sử dụng mũi quả lê, các tàu cá đa số là kích thước nhỏ nên số lượng tàu cá lắp mũi quả lê là rất ít, một số nước có nghề ca phát triển như Nhật Bản, Hàn Quốc… đã sử dụng mũi

tàu quả lê trên tàu cá (hình 1.8):

Hình 1.8 Tàu cá mũi quả lê ở Nhật Bản

Bôi trơn bọt khí: phun bọt khí, tạo khoang khí và tạo lớp màng khí là ba cách

thức của phương pháp bôi trơn bọt khí bằng cách phun khí tạo lớp phủ không thấm nước Cả ba phương pháp đều đã chứng mình là có khả năng giảm một lượng sức cản cho tàu một cách hiệu quả Hiệu quả giảm sức cản trong vấn đề này là công suất đẩy tàu đã giảm nhiều hơn so với công suất của hệ thống cấp khí Qua các thử nghiệm phương pháp này cho việc giảm sức cản đạt trên 5%, phương pháp này rất

có tiềm năng trong việc giảm công suất của động cơ hoặc có thể nâng cao vận tốc cho tàu với công suất không đổi Sử dụng biện pháp tạo khoang khí phù hợp với các tàu chạy với một tốc độ ít thay đổi, vì biện pháp này đạt hiệu quả cao nhất ở một

phạm vi vận tốc rất hẹp, biện pháp này sẽ được nói rõ hơn trong phần sau

Đối với cách tạo bọt khí, dòng khí được phun liên tục qua bộ tạo khí vào lớp biên được hình thành dọc theo chiều dài thân tàu Phương pháp này chi phí ít,

có tính khả thi cao thích hợp với các tàu đáy phẳng cỡ lớn Thí nghiệm phun khí

cho tàu thực của các nhà khoa học Nhật Bản thực hiện trên tàu Pacific seagull với chiều dài 126 m đã thu được kết quả với tổng sức cản của tàu giảm khoảng 11% [5]

Tuy nhiên, việc tính toán chế tạo bộ tạo bọt khí với kích thước phù hợp và duy trì lượng bọt khí bám trên bề mặt vỏ tàu là phức tạp, hơn nữa trong quá trình hoạt động bọt khí nhỏ có thể kết hợp thành bọt khí có kích thước lớn lại làm giảm hiệu quả trong việc giảm sức cản cho tàu vì các nghiên cứu đã chỉ ra rằng bọt khí càng nhỏ thì hiệu quả càng cao Tính toán thiết kế để bọt khí không ảnh hưởng đến hiệu suất chân vịt cũng là vấn đề khó khăn

Hình 1.9 Minh họa phương pháp tạo bọt khí

Do đó việc tạo bộ phun bọt khí cho tàu cá là không phù hợp vì các tàu này thường có đáy không phẳng và kích thước bé như tàu cá Minh họa cho phương pháp pháp phun bọt khí như trên hình 1.9

Không giống như phương pháp tạo bọt khí, theo theo phương pháp tạo khoang khí, khí được điền đầy vào các khoang đặc biệt ra ở phần đáy tàu dễ dàng tạo thành 01 lớp không khí ổn định dưới đáy tàu làm tách một phần đáng kể đáy tàu

tiếp xúc của nước dẫn đến làm giảm sức cản của tàu (hình 1.10):

Hình 1.10 Minh họa phương pháp tạo khoang khí dưới đáy tàu

Phương pháp này dựa trên cơ sở việc sử dụng thành công hệ thống thổi khí

dưới đáy tàu để giảm sức cản Tàu 02 thân SeaCoaster [7] (hình 1.11) là một tàu hai

thân lai giữa tàu hai thân thông thường với một thủy phi cơ, với sự hỗ trợ của hệ thống trên, công suất đẩy yêu cầu chỉ bằng 60% một tàu hai thân bình thường

Hình 1.11 Khoang khí trên tàu hai thân SeaCoaster

Một trong những lợi thế của khoang khí là lượng khí cấp vào ít hơn nhiều so với việc thổi khí liên tục để duy trì như hệ thống trên tàu SeaCoaster (khoảng 10 lần) Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng công suất trích từ động cơ đẩy để thực hiện cấp khí cho khoang chỉ chiếm 3% trong khi hiệu quả giảm sức cản có thể đạt được 25%

Hiệu quả của cách làm này phụ thuộc nhiều vào tính chất dòng chảy qua khoang khí Rất nhiều kết quả thí nghiệm theo cách thức trên đã được thực hiện trong đó đáng chú ý là dự án PELS-I với kết quả làm giảm khoảng 20% sức cản ma sát của

mô hình thí nghiệm [8] Do tác động trực tiếp đến kết cấu phần đáy tàu do đó nếu sử dụng cách làm này cần có phương án kết cấu hợp lý

Có thể coi tạo lớp màng khí là sự kết hợp giữa phun bọt khí và tạo khoang khí Mục đích của việc tạo lớp màng khí là kết hợp các bọt khí được phun ra thành một lớp màng khí mỏng bao quanh đáy tàu Nghiên cứu đã chỉ ra rằng lớp bọt khí với khoảng 0.5mm chiều dày có thể đem lại hiệu quả làm giảm tới 90% sức cản tác dụng lên bề mặt [6] Tuy nhiên, việc tạo một lớp màng khí ổn định trong thực tế là rất khó khăn vì trong quá trình hoạt động tàu chịu nhiều tác động của dòng chảy như sóng, xoáy; việc tàu nghiêng việc duy trì một lớp màng khí như vậy là rất khó

Hệ số cản khí động phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng khí động, độ bóng của

bề mặt vỏ và các góc cạnh của thân tàu Lực khí động ảnh hưởng lớn đến chất lượng động lực học, an toàn trong quá trình vận tải của tàu

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động tác động lên tàu theo quan điểm động lực học, người ta tách lực khí động thành 3 thành phần chính:

Thành phần có phương song song với bề mặt đường chính là lực cản gió Đây được coi là thành phần chính của lực khí động vì tàu chuyển động theo phương này nên vận tốc tuyệt đối giữa dòng khí và tàu là lớn nhất Đối với thượng tầng tàu có sự hạ thấp đột ngột phía sau sẽ tạo xoáy lốc cho dòng khí và làm tăng hệ số cản không khí

và sẽ có hệ số cản không khí lớn hơn so với các hình dáng thượng tầng khác Về nguyên tắc này, các nhà thiết kế sẽ tiến tới việc thiết kế để biên dạng tàu có hình dáng khí động nhất có thể

Hình 1.12 Hình ảnh phân bố áp suất và đường dòng bao quanh tàu

Thành phần có phương vuông góc với mặt thoáng sẽ tạo lực nâng nếu hướng của lực lên phía trên Điều này làm giảm chiều chìm cho tàu gây ra lắc dọc tàu nếu lực không ổn định Lực theo phương này phụ thuộc khá nhiều vào bề mặt của phần than tàu tiếp xúc với nước

Thành phần có phương ngang sẽ gây mất ổn định hướng cho tàu Thành phần lực này thường là nhỏ nhất do tính đối xứng của tàu, trừ phi chúng ta đi vào vùng giông bão hay góc hướng gió thay đổi

Trên cơ sở thực nghiệm người ta thiết lập được công thức tính lực cản không

(1-1)

(1-3)

CHƯƠNG II: CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ CFD

2.1 Giới thiệu chung về CFD

CFD là cụm từ viết tắt của Computation Fluid Dynmaic, tính toán động lực học chất lỏng Việc ứng dụng công cụ phương pháp số và máy tính, các nhà tính toán đã phát triển lên những chương trình tính toán động lực học chất lỏng nói chung Một trong những hướng chính của CFD là ứng dụng các công cụ mô phỏng

số CFD trong việc giải các bài toán thực tế Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng chương trình mô phỏng số ANSYS – Fluent để thực hiện việc nghiên cứu của mình

ANSYS Fluent là một phần mềm với những khả năng mô hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy được áp dụng trong công nghiệp

từ dòng chảy qua cánh máy bay đến sự cháy trong 1 lò lửa, từ các cột bọt khí đến các đệm dầu, từ dòng chảy của các mạch máu cho đến việc chế tạo các vật liệu bán dẫn và từ thiết kế các căn phòng sạch cho đến các thiết bị xử lí nước thải… Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình hóa với đối tượng nghiên cứu rộng

Phần mềm ANSYS là một công cụ mạnh để mô phỏng và phân tích được sử dụng trên toàn thế giới Nó bao gồm các modul chương trình bên trong để tính toán, trong luận văn này tác giả chỉ sử dụng modul Meshing nhằm tạo mô hình để tính và modul Fluid dynamics – Fluent để mô phỏng trạng thái tàu chạy và sử lý kết quả

Hình 2.1 Phân bố dòng, áp suất tác động lên tàu buồm mô phỏng bằng ANSYS

2.1.1 Các công cụ trong ANSYS Fluent

 ANSYS Fluent có khả năng mô hình hóa các mô hình vật lý cần thiết cho các

mô hình dòng chảy, rối, truyền nhiệt, và phản ứng trong các dạng hình học phức tạp

 ANSYS Fluent được viết bằng ngôn ngữ lập trình C và là phần mềm mô phỏng

sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method-FVM)

 ANSYS Fluent cung cấp sự chia lưới hoàn toàn linh hoạt, bao gồm cả khả năng giải quyết các vấn đề dòng chảy sử dụng lưới không cấu trúc Hỗ trợ các loại lưới bao gồm 2D tam giác, tứ giác, 3D tứ diện, lục giác, kim tự tháp, hình nêm, đa diện

và lưới hỗn hợp (lưới lai) ANSYS Fluent cũng cho phép ta làm tinh hay thô lưới dựa trên giải quyết dòng chảy Sau khi lưới đã được đọc vào trong ANSYS Fluent, tất cả các thao tác còn lại được thực hiện bên trong ANSYS Fluent Những thao tác này bao gồm các điều kiện biên, định nghĩa thuộc tính chất lưu, thực thi giải pháp, tinh chỉnh lưới, hậu xử lý và hiển thị kết quả

2.1.2 Nguyên lý tính toán trong phần mềm ANSYS Fluent

Các bộ giải trong ANSYS Fluent dựa trên phương pháp thể tích hữu hạn:

 Vùng chất lỏng được phân ly thành hữu hạn tập hợp các thể tích điều khiển

 Các phương trình bảo toàn (vận chuyển) tổng thể cho khối lượng, động lượng, năng lượng, hình thái được giải quyết trên tập hợp các thể tích điều khiển này

 Các phương trình vi phân từng phần liên tục (các phương trình chủ đạo) được rời rạc thành hệ các phương trình đại số tuyến tính mà máy tính có thể giải được

a) Hai bộ giải sẵn có trong ANSYS Fluent:

Bộ giải dựa trên áp suất: coi động lượng và áp suất (hoặc áp suất hiệu chỉnh)

là các biến chính Các thuật toán liên kết áp suất- vận tốc được bắt nguồn từ tái định dạng phương trình liên tục

Trong bộ giải dựa trên áp suất có hai thuật toán được sử dụng:

Thuật toán độc lập: Giải áp suất hiệu chỉnh và động lượng một cách liên tục

Thuật toán liên kết: Giải áp suất và động lượng đồng thời

Bộ giải dựa trên mật độ: Các phương trình liên tục, động lượng, năng lượng,

và chất đều được giải dưới dạng vector Áp suất đạt được qua phương trình trạng thái Các phương trình vô hướng bổ sung được giải theo cách riêng Bộ giải dựa trên mật độ có thể chạy tường minh hoặc ẩn

Implicit: dùng phương pháp điểm-ẩn Gauss-Seidel đối xứng khối để giải các biến Explicit: dùng phương pháp tích phân tường minh thời gian đa bước Runge-Kutta

Trong cả hai bộ giải này, trường vận tốc thu được từ các phương trình mô men Với bộ giải dựa trên mật độ thì các phương trình liên tục được sử dụng để thu được trường mật độ trong khi đó trường áp suất sẽ thu được từ phương trình trạng thái

Bằng việc sử dụng một trong hai bộ giải này, ANSYS Fluent sẽ giải quyết các phương trình tích phân chủ đạo như: phương trình bảo toàn khối lượng, bảo toàn mô men, bảo toàn năng lượng và các đại lượng vô hướng khác như rối, dòng phản ứng Trong cả hai bộ giải dựa trên phương pháp khối điều khiển đều bao gồm quy trình tính toán như sau:

 Phân chia miền tính toán thành những thể tích rời rạc sử dụng lưới tính toán

 Tích phân các phương trình chủ đạo theo các thể tích riêng lẻ để xây dựng hệ phương trình đại số đối với các biến rời rạc phụ thuộc như: vận tốc, áp suất, nhiệt

độ và các đại lượng vô hướng

 Tuyến tính các phương trình rời rạc và giải quyết hệ phương trình tuyến tính

và cập nhật các giá trị của các biến phụ thuộc

Hai bộ giải sử dụng quy trình rời rạc hóa giống nhau (thể tích hữu hạn), nhưng cách tiếp cận để tuyến tính hóa và giải quyết các phương trình rời rạc là khác nhau

b) Lựa chọn bộ giải

 Bộ giải dựa trên áp suất sử dụng thuật toán độc lập (Pressure-based solver): áp

dụng cho phạm vi rộng các chế độ dòng chảy vận tốc nhỏ, không nén được tới dòng chảy vận tốc lớn, nén được Bộ giải này cần ít bộ nhớ hơn và cho phép sự linh hoạt trong những thủ tục giải

 Bộ giải dựa trên áp suất sử dụng thuật toán liên kết (Pressure-based couple solver): được áp dụng cho hầu hết các dòng chảy một pha, lời giải tốt hơn so với bộ

giải Pressure-based solver tiêu chuẩn Không áp dụng được với các dòng đa pha (Eulerian), các trường hợp lưu lượng khối tuần hoàn và NITA Bộ nhớ cần gấp 1.5 – 2 lần so với phương pháp giải độc lập

 Bộ giải dựa trên mật độ (Density-based couple solver): áp dụng khi mối quan hệ

liên kết mạnh mẽ hoặc phụ thuộc lẫn nhau giữa các đại lượng khối lượng riêng, năng lượng, động lượng và chất

Thuật toán độc lập Thuật toán liên kết

Hình 2.2 Bộ giải dựa trên áp suất

Hình 2.3 Thuật toán của bộ giải dựa trên mật độ

-5 thuật toán có sẵn trong Fluent:

 Semi-Implicit Method (SIMPLE): được mặc định sẵn, tính toán mạnh mẽ

 SIMPLE-Consistent (SIMPLEC): cho phép hội tụ nhanh hơn với những bài toán đơn giản (ví dụ: dòng chảy tần không sử dụng mô hình vật lý nào cả)

 Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO): dùng cho các bài toán dòng không ổn định hoặc có lưới chứa các phần tử có độ méo cao hơn mức trung bình

 Fractional Step Method (FSM): sử dụng cho dòng chảy không ổn định, có đặc tính tương tự như PISO

 Couple: đây là bộ giải liên kết

Vấn đề về rời rạc hóa sử dụng trong ANSYS Fluent bao gồm:

 Rời rạc hóa theo không gian

Trong Fluent, các biến được giải ở tâm các phần tử lưới (các thể tích điều khiển)

c).Các phương pháp nội suy cho toán hạng đối lưu:

 First-Order Upwind: dễ hội tụ nhất và chỉ chính xác cấp 1

 Second-Order Upwind: cho độ chính xác cấp 2, cần thiết cho lưới tri/tet hay khi

dòng chảy không thẳng hàng với lưới, sự hội tụ xảy ra chậm

 MUSCL: sơ đồ rời rạc đối lưu cấp 3 cho lưới không cấu trúc, chính xác hơn trong

dự đoán dòng thứ cấp, xoáy, lực bậc 2

 QUICK: áp dụng cho lưới tứ giác/lục diện và lưới hỗn hợp, hữu ích cho dòng

chảy quay/xoáy, cho độ chính xác cấp 3 trên lưới đồng nhất

 Power Law: có độ chính xác cao hơn First-Order Upwind cho các dòng cóRe< 5.Sơ đồ First – order upwind, Second – order upwind và third – order Upwind, MUSCL được dùng trong cả hai bộ giải dựa trên áp suất và mật độ Sơ đồ Power law và QUICK được dùng trong bộ giải dựa trên áp suất và khi giải quyết các

phương trình vô hướng bổ sung trong bộ giải dựa trên mật độ

d).Các phương pháp nội suy Gradients:

 Gradient của các biến cần thiết để đánh giá khuếch tán thông lượng, các đạo hàm vận tốc, và cho các sơ đồ rời rạc bậc cao

 Gradient của các biến ở tâm phần tử có thể được tính theo 3 phương pháp:

o Green-Gauss Cell-Based: sức mạnh tính toán kém nhất; lời giải có thể có lỗi

khuếch tán

o Green –Gauss Node-Based: mức tính toán/chính xác cao hơn; giảm thiểu lỗi

khuếch tán và được khuyên dùng cho lưới không cấu trúc

o Least-Squares Cell-Based: phương pháp mặc định; có độ chính xác và tương tự

Node-Based Gradients và mức tính toán kém hơn

Trong Ansys Fluent phương pháp Gradient được chọn mặc định là Squares Cell- Based Phương pháp Green Gauss Node Based không sử dụng cùng với lưới đa giác

Least-e).Các phương pháp nội suy cho áp suất:

Các sơ đồ nội suy cho tính toán áp suất tại bề mặt các phần tử khi dùng bộ giải dựa trên áp suất như sau:

 Standard: được mặc định sẵn; độ chính xác giảm đối với dòng có thành phần

gradient áp suất vuông góc bề mặt lớn (nhưng không nên áp dụng khi có những thay đổi áp suất quá lớn trong dòng chảy- sơ đồ PRESTO được áp dụng thay thế)

 PRESTO: dùng cho dòng chảy có xoáy lớn, những dòng chảy có gradient áp suất

quá lớn (môi trường rỗng, mô hình quạt…) hoặc trong các miền có độ cong lớn

 Linear: áp dụng khi các lựa chọn khác dẫn đến sự khó hội tụ hoặc không tuân

theo các quy luật vật lý

 Second-Order: áp dụng cho dòng nén được; không thích hợp cho môi trường

rỗng, bơm, quạt…hoặc mô hình đa pha VOF( Volume of fraction)/Mixture

 Body Force Weighted: áp dụng khi lực khối lớn, ví dụ như sự đối lưu tự nhiên có

số Ra lớn hay khi dòng chảy có độ xoáy lớn

 Rời rạc hóa theo thời gian

Đối với mô phỏng ở trạng thái không dừng (phụ thuộc vào thời gian), các phương trình chủ đạo phải được rời rạc hóa theo cả không gian và thời gian Sự rời rạc hóa theo thời gian đối với các phương trình phụ thuộc vào thời gian là giống hệt với trường hợp trạng thái dừng Rời rạc theo thời gian liên quan đến phép lấy tích phân của mọi số hạng trong phương trình vi phân trên một bước thời gian t Trong sơ

đồ rời rạc hóa theo thời gian có phép lấy tích phân theo thời gian ẩn và phép lấy tích phân theo thời gian hiện

2.2 Trình tự giải quyết bài toán CFD

Bất kỳ trong mọi lĩnh vực nào, giải bài toán CFD gồm các bước như sau: Đặt vấn đề, Giải quyết vấn đề và Đánh giá kết quả

a) Đặt vấn đề

Từ nhu cầu thực tiễn cần giải quyết các vấn đề mà chúng ta đặt ra vấn đề cho bài toán của mình, từ đó đi tìm lời giải cho chúng Ví dụ về bài toán mô phỏng CFD cho một con tàu, người thiết kế cần tính toán một số thông số liên quan đến các vấn

đề mà con tàu sẽ gặp phải khi chạy như hệ số ma sát, hệ số cản, hệ số đàn hồi của vật liệu, độ bền Người thiết kế đặt ra câu hỏi, với dạng hình học như trong bản thiết kế thì đã tối ưu chưa Ứng suất sinh ra có vượt quá giới hạn cho phép không,

có đảm bảo độ bền và an toàn không Từ đó, người thiết kế cần tính toán được các thông số đầu vào, và cần phải tìm nhưng thông số đầu ra nào cho bài toán CFD của mình

Sau khi đã xây dựng được lưới tính toán, chúng ta tiến hành lựa chọn các phương pháp tính Ở mỗi lĩnh vực cụ thể, CFD có các phương trình, hệ phương trình cụ thể

để giải quyết bài toán thuộc phạm vi lĩnh vực đó Tuy nhiên các phương trình mô tả bài toán đều có dạng tích phân, hoặc vi phân không tuyến tính rất phức tạp Mỗi loại phương trình đòi hỏi những thông số tối thiểu, đủ để có thể giải và cho lời giải,

đó là các điều kiện đầu, điều kiện biên, điều kiện khép kín

Processing là giai đoạn tính toán được thực hiện, vấn đề còn lại đó là can thiệp vào các đại lượng thứ sinh (xuất phát từ tổ hợp các biến cơ sở trong hệ phương trình) Ở giai đoạn này chúng ta quyết định sử dụng các giải pháp nào cho phương pháp tính để đảm bảo được một phương án tối ưu cho các yêu cầu về thời gian tính toán, khả năng tính toán và độ chính xác của lời giải

Post-Processing là giai đoạn trực quan và xử lý kết quả Sau khi giai đoạn Processing hoàn tất, toàn bộ dữ liệu của bài toán được ghi lại thành dữ liệu số, nhị phân, mã hóa trên ổ cứng của máy tính Chúng ta hoàn toàn có thể xử lý chúng để thu được lời giải cho bài toán của mình

c).Đánh giá kết quả

Phần này chúng ta so sánh kết quả vừa tìm được với các kết quả thực nghiệm

và lời giải số học và để làm tiêu chuẩn điều chỉnh cho phương pháp giải của mình Đối với các bài toán đơn giản mà thực nghiệm có thể đưa ra kết quả chính xác, các lời giải toán học cũng có kết quả chính xác thì kết quả của chúng ta cũng phải trùng khớp hoặc trong phạm vi sai số chấp nhận được, nếu sai số vượt quá giới hạn cho phép thì lúc này thì chúng ta phải điều chỉnh thế nào để có kết quả chính xác nhất Đối với bài toán phức tạp thì thực nghiệm và lời giải số rất khó khăn để đưa ra được kết quả chính xác, CFD có ưu thế hơn ở trường hợp này.Nếu một vấn đề phức tạp

mà cả ba phương pháp trên đều không đưa ra được kết chính xác thì cả ba phương pháp cùng đi nghiên cứu sâu về một đặc tính cụ thể nào đó, CFD lấy lời giải của hai lĩnh vực còn lại làm tiêu chí đánh giá kết quả của mình

2.3 Phương pháp chia lưới trong bài toán mô phỏng

Chia lưới là một trong những khía cạnh quan trọng nhất của lĩnh vực mô phỏng kỹ thuật, có quá nhiều phần tử lưới khiến việc giải bài toán trở nên lâu và nếu lưới quá thưa thì cũng dẫn đến các kết quả thiếu chính xác ANSYS Meshing cung cấp một công cụ chia lưới để cân bằng những yêu cầu về mặt kỹ thuật này, để thu được lưới tốt cho mỗi bài toán mô phỏng theo cách tự động nhất có thể Kỹ thuật chia lưới trong ANSYS được xây dựng dựa trên những công cụ chia lưới tốt nhất hiện nay Những khía cạnh mạnh mẽ của các công cụ chia lưới này được tích hợp vào trong một môi trường duy nhất để tạo ra những khả năng chia lưới mạnh mẽ nhất có thể

Hình 2.4 Chia lưới trong ANSYS Môi trường chia lưới có tính tự động cao có thể dễ dàng tạo ra các loại lưới:

 Lưới tứ diện

 Lưới lục diện

 Lớp biên căng lăng trụ

 Lớp biên căng lục giác

 Lõi lục giác

 Lưới Đề-Các thích nghi vật thể

 Cut cell Cartesian

Các môi trường vật lý khác nhau yêu cầu các cách tiếp cận về lưới khác nhau.Các mô phỏng động lực học dòng chảy yêu cầu lưới có chất lượng cao cả về hình dạng lẫn độ mượt khi có sự thay đổi về kích thước Các mô phỏng về cơ học kết cấu thì cần sử dụng lưới hiệu quả vì thời gian thực hiện sẽ tăng lên khi số lượng phần tử lớn Chia lưới trong ANSYS cho phép thiết lập về môi trường vật lý để chắc chắn rằng người dùng sử dụng đúng loại lưới với từng mô phỏng cụ thể

Các tính năng của ANSYS Meshing

Công cụ chia lưới trong ANSYS Workbench được thiết kế với những tiêu chí chính:

1 Khả năng tham số hóa: tạo ra các tham số điều khiển hệ thống

2 Tính ổn định: Các cập nhật mô hình luôn được thực hiện thành công trong

Phương pháp chia lưới lục diện

Công nghệ ANSYS Meshing cung cấp các phương pháp đa dạng để tạo ra lưới sáu mặt thuần túy hoặc lưới sáu mặt đa số (hex-dominant) Kiểu lưới, chất lượng lưới mong muốn và thời gian thực hiện quá trình chia lưới phụ thuộc vào độ phức tạp của mô hình,vì vậy ANSYS Meshing đã cung cấp một giải pháp mềm dẻo Tự động

tạo ra lưới lục diện hoặc hex-dominant một cách nhanh chóng, hoặc tạo ra lưới lục diện có sự kiểm soát chặt chẽ, cho giải pháp tối ưu hiệu quả và chính xác

Hình 2.5 Lưới lục diện của cụm phanh sử dụng sự kết hợp giữa các phương pháp chia lưới lục diện, bao gồm: mặt cong, mặt cong mỏng, đa miền (MultiZone) và

hex-dominant

Hình 2.6 Chia lưới lục diện tự động, sử dụng phương pháp chia lưới

Phương pháp chia lưới trực giao

o Phương pháp chia lưới này tạo ra tỉ lệ phần trăm phần tử lưới lục diện cao trong trường xa, để nhận được chính xác các kết quả dòng chất lỏng

o Được đặt trên bề mặt, các kiểu phần tử hỗn hợp được sử dụng cho phép lưới tạo

ra các phần tử lưới phù hợp với các chi tiết về hình dạng

o Các phần tử bề mặt có thể được “bơm căng” tạo ra lớp lăng trụ tròn hoặc lục diện

để bắt được các vùng ảnh hưởng vật lý (tường bao)

o Tạo ra lưới lục diện nhanh chóng với thiết lập người dùng tối thiểu khiến cho phương pháp chia lưới này phù hợp với các mô hình hình học phức tạp trong mô phỏng tính toán động lực học dòng chảy (CFD)

Chia lưới mặt cong tự động

o Các vật thể có thể uốn cong được tự động nhận dạng và chia lưới với lưới lục diện khi có thể

o Thiết lập tăng cạnh và mặt ghép nối/ ánh xạ được thực hiện tự động

o Các đường dẫn uốn cong được tự động tìm thấy cho các miền/vật thể trong các cụm chi tiết đa vật thể

o Các biên căng được định nghĩa thông qua mặt cong của các vật thể kết nối bị uốn cong

o Các điều khiển kích thước và ánh xạ có thể được thêm vào, và các mặt nguồn được lựa chọn để thay đổi và thực hiện tạo mặt cong tự động

o Thêm/chỉnh sửa phần phân tách/các lớp hình học vào mô hình sẽ hỗ trợ rất nhiều trong việc tự động hóa để thu được lưới lục diện thuần túy

Chia lưới mặt cong mỏng

o Phương pháp chia lưới này nhanh chóng tạo ra lưới lục diện cho các chi tiết mỏng có nhiều mặt có dạng mặt nguồn và mặt đích

o Phương pháp chia lưới này có thể sử dụng kết hợp với các phương pháp chia lưới khác

o Các điều khiển kích thước và ánh xạ có thể được thêm vào, và các mặt nguồn được lựa chọn để thay đổi và thực hiện tạo mặt cong tự động

Chia lưới mặt cong đa miền

o Phương pháp tạo mặt cong cao cấp này sử dụng để phân tách các cấu trúc liên kết tự động, cố gắng tự động tạo ra lưới lục diện thuần túy hoặc đa số trên các mô hình phức tạp

o Cấu trúc liên kết bị phân tách được chia lưới với lưới ánh xạ hoặc lưới mặt cong nếu có thể Lựa chọn này cho phép chia lưới tự do trong các cấu trúc liên kết con

mà không bị ảnh hưởng bởi thiết lập lưới ánh xạ hoặc uốn cong

o Phương pháp này hỗ trợ nhiều lựa chọn nguồn/đích

o Các biên căng được định nghĩa thông qua mặt cong của các vật thể kết nối bị uốn cong

o Các điều khiển kích thước và ánh xạ có thể được thêm vào, và các mặt nguồn được lựa chọn để thay đổi và thực hiện tạo mặt cong tự động

Chia lưới Hex-dominant (lưới lục diện đa số)

o Phương pháp chia lưới này sử dụng biện pháp chia lưới phi cấu trúc để tạo ra lưới bề mặt quad-dominant sau đó điền đầy phần bên trong bởi lưới hex-dominant

o Phương pháp này thường tạo ra các phần tử lưới lục diện trên biên của chi tiết ngắn và dày, bên trong sử dụng lưới lai lục diện, trụ, hình chóp hoặc lưới tứ diện

Phương pháp chia lưới tứ diện

Sự kết hợp mạnh mẽ và tự động chia lưới bề mặt, lớp biên căng và chia lưới tứ diện sử dụng các điều khiển vật lý mặc định để chắc chắn rằng lưới chất lượng cao phù hợp cho các mô phỏng đã được định nghĩa Sử dụng các điều khiển cục bộ về kích thước, ghép nối, ánh xạ, cấu trúc liên kết ảo, pinch và các điều khiển khác để tăng khả năng mềm dẻo, linh hoạt nếu cần thiết