Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (computational fluid dynamics – CFD) trong các bài toán kỹ thuật

-1- MỤC LỤC -2- DANH MỤC CÁC HÌNH Computational Fluid Dynamics – CFD nhánh lĩnh vực động lực học chất lưu phát triển lâu giới, nhiên nước ta CFD lĩnh vực mẻ, chưa có nhiều nghiên cứu lĩnh vực Được đồng ý nhà trường khoa Kỹ Thuật Giao Thông trường Đại Học Nha Trang, nhận đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics – CFD) toán kỹ thuật ” với bốn nội dung sau: Đặt vấn đề Một số vấn đề phương pháp tính tốn động lực học lưu chất – CFD Kết nghiên cứu Thảo luận kết nghiên cứu Vì lý CFD lĩnh vực nước ta chưa phát triển, nghiên cứu lĩnh vực hạn chế lần thực đề tài tốt nghiệp nên đề tài chắn cịn nhiều thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp thầy cơ, người quan tâm đến lĩnh vực CFD bạn bè Nhân xin gửi lời cám ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, nhóm nghiên cứu sinh trường Đại Học Vật Lý Kỹ Thuật Matxcơva, tồn thể thầy giáo, đặc biệt PGS.TS Trần Gia Thái tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức động viên, giúp đỡ tơi suốt thời gian hồn thành đề tài -3- Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Việc phân tích, đánh giá hiểu rõ chuyển động dòng chảy hay biến thiên thuộc tính nhiệt độ, áp suất, vận tốc vật thể chuyển động môi trường chất lưu quan trọng việc tính toán, thiết kế tối ưu sản phẩm để mang lại hiệu Có thể kể vài ví dụ cụ thể máy bay chuyển động mơi trường khí động, tàu thủy chuyển động mơi trường chất lỏng, dịng khí chuyển động hệ thống làm mát, dầu nhớt, hóa chất chuyển động ống dẫn hay bể chứa Các thuộc tính dịng chất lưu nhận từ kết thực nghiệm hay lời giải hệ phương trình tốn học, nhiên hai phương pháp áp dụng toán đơn giản, tốn phức tạp gặp nhiều khó khăn Sử dụng phương pháp tính tốn động lực học chất lưu - CFD (Computational Fluid Dynamics) giải tốn phức tạp, việc phân tích, tính tốn trở nên đơn giản nhanh chóng kết nhận có độ xác cao Ngày CFD kết hợp với thực nghiệm túy kết lời giải số, ba phương pháp hỗ trợ bổ xung tiêu chuẩn đánh giá nhau, CFD có vị trí quan trọng lĩnh vực động lực học chất lưu từ nghiên cứu lý thuyết đến tính tốn, thiết kế công nghệ Để ứng dụng CFD vào tốn cụ thể, cần phải hiểu biết lý thuyết CFD, phương trình mơ tả chuyển động chất lưu, phương trình lớp biên, từ chọn lựa phương pháp tính, mơ hình tính chọn phần mềm mô CFD phù hợp kết mong muốn nhận toán kỹ thuật cụ thể Những vấn đề nêu thảo luận cụ thể chương sau 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Tìm hiểu phân tích phương trình chủ đạo chất lưu dạng bảo tồn khơng bảo toàn, khác mối tương quan hai dạng bảo tồn -4- khơng bảo tồn phương trình chủ đạo Từ điều kiện biên, dẫn phương trình chủ đạo dịng nhớt dịng khơng nhớt dạng bảo tồn khơng bảo tồn Lựa chọn tốn kỹ thuật cụ thể ứng dụng CFD để giải Dùng phần mềm ANSYS FLUENT để mơ tốn, thiết lập thơng số đầu vào, thuộc tính vật liệu, điều kiện biên Xử lý kết phân tích, đánh giá kết nhận 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CFD lĩnh vực phát triển mạnh mẽ số nước giới Mỹ, Nga, Đức Sự phát triển lý thuyết CFD bắt đầu nhờ xuất máy tính vào năm 1950 Có cơng cụ để giải phương trình vi phân phần nói chung CFD nói riêng phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference MethodsFDM) phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Methods-FEM) Hai phương pháp có xuất xứ khác nhau, báo phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) giải tốn phân tích ứng suất mơ hình mơ đê chắn sóng Richardson in năm 1910 cơng trình sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) dùng để phân tích ứng suất máy bay in năm 1956 Kể từ hai phương pháp phát triển mạnh mẽ lĩnh vực động lực học lưu chất, truyền nhiệt lĩnh vực có liên quan khác Gần có thêm số phương pháp dùng để giải tốn CFD, bật phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Methods-FVM) Phương pháp sử dụng rỗng rãi lợi dụng ưu điểm hai phương pháp phần tử hữu hạn sai phân hữu hạn, đồng thời có cấu trúc liệu tương đối đơn giản Ngay từ năm 1960 kỹ thuật CFD đưa vào ứng dụng việc thiết kế, nghiên cứu phát triển, chế tạo máy bay động phản lực ngành cơng nghiệp hàng khơng Trong kể đến số cơng trình nghiên cứu cơng trình Kopal năm 1947 biên tập bảng dòng chảy khổng lồ dòng siêu âm chảy qua vật thể hình nón -5- lời giải số phương trình vi phân chủ đạo ( phương trình Taylor – Maccoll), cơng trình nghiên cứu Fay, Riddell Blottner lớp biên Hall cho dịng khơng nhớt Ngày nay, kỹ thuật CFD ứng dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực sống, có việc tính tốn, kiểm tra, thiết kế, tối ưu hóa kết cấu ngành đóng tàu Ở nước ta CFD cịn lĩnh vực cịn mẻ, chưa có nhiều nghiên cứu lĩnh vực Tuy nhiên, có số trường kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, bước đầu đưa lĩnh vực vào chương trình nghiên cứu giảng dạy cho sinh viên Trên đà lên kinh tế đất nước, trị ổn định với quan tâm Đảng Nhà nước, sách đầu tư cho nghiên cứu khoa học đặc biệt quan tâm, với chương trình hợp tác, liên kết, chuyển giao công nghệ với nước phát triển Trong tương lai gần, lĩnh vực CFD dần quan tâm, nghiên cứu ứng dụng vào lĩnh vực khác nhiều 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Có nhiều phương pháp nghiên cứu lĩnh vực CFD như: nghiên cứu lý thuyết CFD, nghiên cứu thực nghiệm CFD, nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, sử dụng phần mềm tính tốn, mơ tốn CFD Trong đề tài này, tơi lựa chọn phương pháp nghiên cứu lý thuyết CFD kết hợp với việc sử dụng phần mềm mô CFD tốn kỹ thuật, phân tích, đánh giá kết nhận từ phần mềm mô Tuy nhiên giới hạn nghiên cứu lý thuyết, toán CFD kỹ thuật phần mềm mô phỏng, khả tính tốn máy tính cá nhân Trong đề tài nghiên cứu phương trình chủ đạo động lựu học chất lưu, cụ thể phương trình liên tục, phương trình động lượng phương trình lượng dạng bảo tồn khơng bảo tồn Trên sở lý thuyết bản, lựa chọn toán -6- đơn giản sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để mơ tốn chuyển động, truyền nhiệt chất lưu Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT-CFD 2.1 CFD LÀ GÌ? CFD-Computational Fluid Dynamics: Đây lĩnh vực khoa học sử dụng phương pháp số kết hợp với công nghệ mô máy tính để giải tốn liên quan đến yếu tố chuyển động môi trường, đặc tính lý hóa q trình mơi trường xét, đặc tính sức bền mơi trường, đặc tính nhiệt động, đặc tính động học, hay đặc tính động lực học khí động lực học, đặc tính lực, đặc tính lực moment tương tác môi trường với phụ thuộc vào đối tượng phạm vi cụ thể vấn đề, lĩnh vực khoa học mà CFD ứng dụng Những khía cạnh vật lý dịng lưu chất kiểm sốt ba nguyên lý sau: Bảo toàn khối lượng F = ma (định luật Newton) Bảo toàn lượng Những nguyên lý biểu thị dạng số hạng phương trình tốn học, mà dạng tổng qt chúng phương trình đạo hàm riêng Tính toán động lực học lưu chất thuật thay phương trình đạo hàm riêng chủ đạo dịng lưu chất số đưa số vào không gian thời gian để nhận mơ tả số cuối trường dịng chảy đầy đủ cần quan tâm -7- 2.2 VAI TRÒ VÀ ỨNG DỤNG CỦA CFD Vai trò CFD: Vai trò CFD dự báo kĩ thuật công nghiệp trở nên mạnh đến mức ngày nhìn nhận “hướng thứ ba” động lực học lưu chất, hai hướng khác trường hợp cổ điển thực nghiệm túy lý thuyết túy Từ năm 1687, với công bố Principia Isaac Newton năm 1960, tiến lưu chất thực cách kết hợp với thực nghiệm tiên phong phân tích lý thuyết bản- phân tích mà ln u cầu sử dụng mơ hình dòng đơn giản đề nhận lời giải dạng khép kín phương trình chủ đạo Những lời giải dạng khép kín có lợi bật đồng vài tham số toán cho, thể rõ câu trả lời cho toán bị ảnh hưởng biến đổi tham số Tuy nhiên chúng có bất lợi khơng đưa q trình vật lý cần thiết dịng Với khả kiểm sốt phương trình chủ đạo dạng xác với việc xem xét tượng vật lý chi tiết phản ứng hóa học mức độ hạn chế, CFD nhanh chóng trở thành cơng cụ phổ biến phân tích kỹ nghệ Ngày nay, CFD hỗ trợ bổ sung thực nghiệm túy lần lý thuyết túy, quan điểm nhà nghiên cứu, CFD coi hướng thứ ba động lực lưu chất, có dáng vóc tầm quan trọng thực nghiệm lý thuyết Nó có vị trí cố định tất khía cạnh động lực học lưu chất, từ nghiên cứu đến thiết kế kỹ nghệ Ứng dụng CFD: CFD phát triển, ứng dụng mang lại hiệu cao lĩnh vực học môi trường chất lưu (khí, lỏng, plasma, ) mơi trường biến dạng, đàn hồi Trên thực tế, CFD ứng dụng rộng rãi vào nghành khoa học tiên tiến công nghệ cao nghành 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 CFD úng dụng vào nghành đại dương học để mơ tìm quy luật -8- dịng biển nóng , lạnh tác động chúng lên khí hậu tồn cầu, CFD ứng dụng y tế 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, ta liệt kê lĩnh vực mà CFD đóng vai trị cơng cụ hữu hiệu khơng thể thiếu để nghiên cứu, ứng dụng, phát triển chung lên cấp độ công nghiệp, mang lại nhiều thành tựu rực rỡ Đó là: • • • • • • • • • • • • • • Cơ học chất lưu thủy khí động lực học; Vật liệu học sức bền vật liệu; Công nghiệp chế tạo máy, đóng tàu; Năng lượng nguyên tử; Công nghiệp ô tô, máy bay; Công nghệ composite; Xây dựng; Cơng nghiệp dầu khí; Ống dẫn; Va chạm phá hủy; Y học; Sinh học; Khí tượng thủy văn; Với ứng dụng to lớn hiệu kinh tế mà CFD mang lại, ngày công ty đóng tàu lớn giới (Hyundai, Samsung ) đưa CFD vào chương trình nghiên cứu ứng dụng để mơ phỏng, tính tốn trường lưu chất bao quanh thân tàu để nâng cao chất lượng thiết kế vỏ tàu, kết cấu thân tàu, thiết kế chân vịt, tính tốn thủy động lực học chân vịt, thiết kế hệ thống bơm, -9- 2.3 NHỮNG PHƯƠNG TRÌNH CHỦ ĐẠO CỦA CFD 2.3.1 MỞ ĐẦU Nền tảng CFD phương trình chủ đạo động lực học lưu chất • • • Phương trình liên tục (The Continuity Equation) Phương trình động lượng (The Momentum Equation) Phương trình lượng (The Energy Equation) Những phương trình nói đến q trình vật lý Chúng phát biểu toán học ba nguyên lý vật lý mà toàn động lực học lưu chất đặt sở đó: 1) Bảo toàn khối lượng 2) F = ma (định luật Newton) 3) Bảo tồn lượng 2.3.2 MƠ HÌNH HĨA DỊNG Để nhận phương trình chuyển động lưu chất, quan điểm sau tuân thủ: 1) Chọn nguyên lý vật lý thích hợp từ định luật vật lý a) Bảo toàn khối lượng b) F = ma (định luật Newton) c) Bảo toàn lượng 2) Áp dụng ngun lý vật lý cho mơ hình dịng thích hợp 3) Từ áp dụng này, rút phương trình tốn học gồm ngun lý vật lý Với lưu chất liên tục ta chọn mơ hình sau để mơ hình hóa dịng: 2.3.2.1 Thể tích kiểm sốt hữu hạn (quan điểm Euler) Xét trường dòng tổng quát thể đường dịng hình 2.1 Ta tưởng tượng thể tích khép kín vẽ khu vực hữu hạn dịng Thể tích xác định thể tích kiểm sốt V bề mặt kiểm soát S, xác - 10 - định bề mặt khép kín bao quanh thể tích Thể tích kiểm sốt cố định khơng gian với lưu chất chuyển động vịng qua nó, hình 2.1a Tương tự, thể tích kiểm sốt chuyển động với lưu chất, cho hạt lưu chất ln nó, hình 2.1b a b Hình 2.1 Thể tích kiểm sốt hữu hạn Trong trường hợp, thể tích kiểm sốt vùng đủ lớn, hữu hạn dòng Những nguyên lý vật lý áp dụng cho lưu chất nằm thể tích kiểm sốt, với lưu chất cắt qua bề mặt kiểm sốt (nếu thể tích kiểm sốt cố định khơng gian) Bởi vậy, thay xem xét tồn trường dịng lúc, với mơ hình thể tích kiểm sốt giới hạn ý với lưu chất vùng hữu hạn thể tích Những phương trình dịng lưu chất mà nhận trực tiếp việc áp dụng nguyên lý vật lý cho thể tích kiểm sốt hữu hạn có dạng tích phân Những dạng tích phân phương trình chủ đạo thao tác gián tiếp để nhận phương trình đạo hàm riêng Những phương trình nhận từ thể tích kiểm sốt hữu hạn cố định khơng gian dạn tích phân dạng đạo hàm riêng, gọi dạng bảo tồn phương trình chủ đạo Những phương trình nhận từ thể tích kiểm sốt hữu hạn chuyển động với lưu chất dạng tích phân đạo hàm riêng, gọi dạng không bảo tồn phương trình chủ đạo - 114 - Chương THẢO LUẬN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1 KẾT LUẬN Sau hồn thành xong đề tài tơi có số kết luận sau: - Bằng việc dựa quan điểm Euler Lagrange mơ tả dịng chất lưu theo hai phương pháp là: phần tử lưu chất vơ bé thể tích kiểm sốt hữu hạn Từ hai phương pháp tùy theo trường hợp cố định không gian hay chuyển động với dòng chất lưu mà nhận phương trình chủ đạo dịng chất lưu dạng bảo tồn hay khơng bảo tồn - Bằng việc tuân thủ ba định luật: bảo toàn khối lượng, định luật Newton, bảo toàn lượng, có phương trình liên tục, phương trình động lượng phương trình lượng dạng bảo tồn hay khơng bảo tồn - Bằng việc áp dụng thuật tốn, phân tích đưa phương trình chủ đạo dịng chất lưu dạng đơn giản hơn, để đem lại lời giải kết số - Sử dụng phần mềm mô CFD để nhận kết phân tích, dự đốn xác cách lựa chọn mơ hình, điều kiện biên, điều kiện đầu vào, mơ hình lưới, cách giải phù hợp với vấn đề mà cần giải 4.2 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN Sau hoàn thành xong đề tài tơi có số đề xuất sau: - CFD lĩnh vực giới phát triển mạnh nhiên mẻ nước ta, chưa nhiều nhà khoa học, sinh viên, quan tâm, nên đầu tư cho lĩnh vực Bước đầu nên có chương trình nghiên cứu cách nghiêm túc, trao đổi, tiếp thu thành tựu sở lý thuyết CFD nước - 115 - phát triển Tiếp theo, đầu tư trang thiết bị phục vụ cho cơng việc nghiên cứu, thí nghiệm - Để phát triển lĩnh vực này, địi hỏi phải có đội ngũ cán bộ, nhà nghiên cứu khoa học có đầy đủ kiến thức chuyên môn, nước ta đội ngũ cán bộ, nhà nghiên cứu khoa học lĩnh vực cịn hạn chế Vì vậy, cần xúc tiến, có kế hoạch đào tạo nguồn nhân lực trẻ phục vụ cho việc nghiên cứu CFD tương lai Đưa lĩnh vực CFD vào chương trình đào tạo, giảng dạy cho sinh viên nghành khí kỹ thuật Trong có việc nghiên cứu, phát triển phần mềm ứng dụng mô CFD - 116 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Việt Hùng – Nguyễn Trọng Giảng, ANSYS & mô số công nghiệp phần tử hữu hạn, nhà xuất khoa học kỹ thuật ANSYS, Inc (2010), ANSYS FLUENT Theory Guide ANSYS, Inc (2010), ANSYS FLUENT Tutorials Guide David C Wilcox (1998), Turbulence Modeling for CFD, DCW Industries Hermann Schlichting (2000), Boundary Layer Theory, Springer John D Anderson (1995), Computational Fluid Dynamics – The basic with applications, McGraw - Hill Science/Engineering/Math John F Wendt (2009), Computational Fluid Dynamics – An Introduction, Springer Một số viết CFD đăng Blog cá nhân Th.s Trần Đình Thắng, trường đại học Vật Lý Kỹ Thuật Matxcơva ... trường khoa Kỹ Thuật Giao Thông trường Đại Học Nha Trang, nhận đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics – CFD) tốn kỹ thuật ” với... giải hệ phương trình tốn học, nhiên hai phương pháp áp dụng toán đơn giản, tốn phức tạp gặp nhiều khó khăn Sử dụng phương pháp tính toán động lực học chất lưu - CFD (Computational Fluid Dynamics) ... thuyết, toán CFD kỹ thuật phần mềm mơ phỏng, khả tính tốn máy tính cá nhân Trong đề tài nghiên cứu phương trình chủ đạo động lựu học chất lưu, cụ thể phương trình liên tục, phương trình động lượng phương