Những kết quả nghiên cứu b-ớc đầu về ứng dụng phần mềm fluent trong tính toán dòng nhiều pha

This paper presents some results of the initial study on applying Fluent software in calculating hydro-aerodynamics. The application is used to solve the problem about the Numerical simulations of Metan burning in burning chamber. This has proclaimed that the calculation and simulation of kinetics parameters could be done entirely. From that, we can calculate to design quickly, accurately and effectively machines and hydro-aero equipments

Những kết quả nghiên cứu bớc đầu về ứng dụng phần mềm fluent trong tính toán dòng nhiều pha Some results of the initial study on applying Fluent software in calculating multi phase flow Hong Đức Liên 1 , Nguyễn Thị Thanh Loan 1 summary This paper presents some results of the initial study on applying Fluent software in calculating hydro-aerodynamics. The application is used to solve the problem about the Numerical simulations of Metan burning in burning chamber. This has proclaimed that the calculation and simulation of kinetics parameters could be done entirely. From that, we can calculate to design quickly, accurately and effectively machines and hydro-aero equipments. Keywords: Fluent software, hydro-aerodynamics, two phase flow 1. đặt vấn đề Lý thuyết dòng phun rối hai pha đã giành đợc sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học lớn trên thế giới qua các thời đại nh: Abramovich, Elgobashi, Gavin, Gupta, Kolmogorov, Loisanski, Naumov, Reynolds, Shetz, Sligting, Schreiber nhng tới nay vẫn cha đợc nghiên cứu một cách đầy đủ (Abramovich v cộng sự, 1984). Trớc những yêu cầu đòi hỏi ngày càng cao của khoa học công nghệ hiện đại trong các ngành nông nghiệp, năng lợng, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp hoá chất, vũ trụ và hàng không, cứu hoả, môi trờng, cũng nh các lĩnh vực khácnghiên cứu về dòng 2 pha nói riêng, dòng chảy rối nhiều pha đợc ứng dụng rộng rãi trong những thập kỷ gần đây. Hiện nay các phần mềm Phonatics, Flow 3D, Start CD Matlad, Ansys, Fluent .đã và đang đợc sử dụng trong thủy khí động lực học (Joel H. Ferziger, Milovan Períc Springer, 1999), tuy nhiên đối với mỗi phần mềm phạm vi ứng dụng để đạt hiệu quả cao nhất chỉ trong một lĩnh vực nhất định nào đó. ở nớc ta, việc ứng dụng phần mềm Fluent để giải quyết các bài toán thủy khí động lực học cha nhiều, tuy nhiên đã có một số nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu, ứng dụng. Phần mềm Fluent có nhiều u điểm: đợc tính toán dựa trên cơ sở phơng pháp khối hữu hạn; Thiết kế trên 2D hoặc 3D trên phần mềm Gambit , CAD, SOLID EDG, I-DEAS cho phép giải các bài toán trong thủy khí động lực học nhanh gọn, chính xác, dễ dàng và hiệu quả cao; Kết quả tính toán đợc biểu diễn dới dạng đồ thị, hay biểu diễn dới dạng trờng biến đổi nh: trờng áp suất, vận tốc .cho phép phản ánh một cách đầy đủ hơn bản chất của các hiện tợng vật lý, cơ học hay quá trình làm việc thực của các thiết bị; Tự động hóa quá trình tính toán tiết kiệm đợc nhiều lao động và thời gian cũng nh kinh phí (Nguyễn Thị Thanh Loan, 2004). Trong phạm vi bài viết này đề cập đến nghiên cứu ứng dụng phần mềm Fluent trong tính toán thủy khí động lực học dòng nhiều pha. 2. Phơng pháp nghiên cứu 2.1. Mô hình rối và điều kiện biên trong tính toán nhiều pha Để giải các bài toán về dòng hai pha thờng sử dụng các mô hình rối. Đối với phần mềm Fluent sử dụng mô hình k - để giải bài toán thủy khí động lực học (Nguyễn Thị Thanh Loan, 2004). Các phơng trình mô hình k - có dạng Elíp do có sự hiện diện của biểu thức Gradient khuếch tán (H.Đ. Liên và N.T.Nam, 2000) và sử dụng các điều kiện biên sau: + Tại miệng vào: phân bố của k và phải đ ợc cho trớc. + Tại miệng ra hay trục đối xứng 0;0 = = nn k + Dòng chảy tự do: k = 0; = 0 + Gần thành rắn: phụ thuộc vào hệ số Reynolds 2.2. Phơng pháp số sử dụng trong phần mềm Fluent Tính toán đơn Phơng pháp tính đơn lẻ trớc đây thờng sử dụng tính toán trong Fluent 4. Cách tính gần đúng này phơng trình đợc tính toán liên tục (từ phơng trình này sang phơng trình khác). Bởi vì phơng trình ở đây là không tuyến tính (theo cặp) tính lặp đi lặp lại cho đến khi hội tụ thì chấp nhận đợc. Nó đợc biểu diễn theo sơ đồ sau: Không Nhập chính xác số liệu Tính toán các phơng trình động lợng Phơng trình hiệu chỉnh áp suất (liên tục), nhập: áp suất, tốc độ dòng chảy Tính toán phơng trình năng lợng, rối, và phơng trình vô hớng khác. Hội tụ Có Nhập chính xác số liệu Tính toán các phơng trình động lợng Phơng trình hiệu chỉnh áp suất (liên tục), nhập: áp suất, tốc độ dòng chảy Có Hội tụ Tính toán phơng trình năng lợng, rối, và phơng trình vô hớng khác. Kết thúcKết thúc Tính toán theo phơng pháp lặp Phơng pháp lặp thờng sử dụng trong thuật toán RAMPANT. Sử dụng cách tính gần đúng của phơng trình liên tục động lợng, và (tính xấp xỉ) năng lợng cùng với chuyển đổi hình thái (cặp khác nhau), thêm vào đó là phơng trình vô hớng sẽ đợc tính toán liên tục (từ đại lợng đơn tính sang một đại lợng khác, tiếp đó tính đến đại lợng kép), phần tính toán đơn đã trình bày ở phần 1. Bởi vì phơng trình này là không tuyến tính (theo cặp), các bớc tính toán đợc lặp lại cho đến khi hội tụ. Trình tự tính toán đợc trình bày theo sơ đồ dới đây: Nhập chính xác số liệu Tính toán phơng trình liên tục, động lợng, năng lợng, đồng thời dạng khác của các phơng trình Tính toán sự phối trộn và phơng trình vô hớng khác Không Kết thúc Có Hội tụ 3. Kết quả nghiên cứu Sau khi nghiên cứu cấu trúc phần mềm Fluent, trên cơ sở định nghĩa các phần tử thay thế để sử dụng trong việc xây dựng mô hình, đã xây dựng đợc các bớc giải tổng quát bài toán thủy khí động lực học trên phần mềm Fluent: Bớc 1: + Vẽ hình 2D hoặc 3D trên các phần mềm: Solid- Edg, I-deas, gambit, Asyns + Tạo lới trên phần mềm Gambit; + Chọn các điều kiện biên. Bớc 2: Đọc lới trên phần mềm Gambit, sau đó kiểm tra độ nhẵn mịn và chọn tỉ lệ lới sao cho phù hợp lới. Bớc 3: Lựa chọn mô hình tính là thuật toán ẩn hay tờng, tính toán theo các phơng thức nào, chọn hệ phơng trình năng lợng. Bớc 4: Lựa chọn chất lỏng là nén đợc hay không nén đợc; hay chất lỏng đồng nhất hay không đồng nhất. Bớc 5: Tính toán điều kiện biên: Kí hiệu đối với từng đoạn ống, thành ống, đầu vào và đầu ra của đối tợng nghiên cứu, nhập các thông số đầu vào. Bớc 6: Tính toán các thông số động học của dòng hai pha tơng ứng với giá trị ban đầu. Bớc 7: Chạy sơ bộ kết quả: Sau khi đã có các điều kiện đầu chạy sơ bộ kết quả tơng ứng với thuật toán rời rạc hóa bậc nhất cho kết quả tuy nhiên độ chính xác cha cao. Bớc 8: Khả năng rời rạc hóa bậc 2: Từ kết quả đã chạy sơ bộ, bằng thuật toán rời rạc hóa ta kiểm tra và tính toán lại với thuật toán bậc hai từ đó kiểm tra hội tụ và độ chính xác của đối tợng nghiên cứu. Bớc 9: Kiểm tra sự thích hợp của lới: Sau cùng kiểm tra xem với các thông số động học đã tính lới ta chọn chia có phù hợp hay không tơng ứng với sự biến đổi của các thông số động học. ứng dụng các bớc giải tổng quát bài toán thủy khí động lực học trên phần mềm Fluent trong trờng hợp mô phỏng đốt cháy khí Metan trong buồng đốt Bài toán đợc cho nh hình vẽ gồm một vòi nhỏ dẫn chất Metan với vận tốc cao là 80m/s, không khí đ ợc dẫn vào với vận tốc thấp 0,5 m/s, Hệ số Reynold (R e = 28000) Xét quá trình cháy của khí Metan trong không khí : CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O 0,225 m 1,8 m Khôn g khí: 0,5 m/s, 300 0 K Metan: 80 m/s, 300 0 K 0,005 m Hình 1. Mô hình đốt cháy khí mê tan Các bớc giải bài toán tơng tự nh đã trình bày ở trên đã cho một số kết quả tính toán nh: Dự đoán nhiệt độ biến đổi khi năng suất nhiệt: 1000J/kg K; nhiệt độ trên 3000 độ K, Trờng hợp xác định các hệ số C p nhiệt độ của CO 2 với: - Khối lợng phân tử: 44,00995 kg/kgmol; - Entanpi tiêu chuẩn: -3,935324. 10 8 J/kgmol; - Entropi tiêu chuẩn: 213715,9 J/kgmol-K; - Nhiệt độ tại vùng nhỏ nhất: 300 0 K; - Nhiệt độ tại vùng lớn nhất: 1000 0 K. Phần mềm sẽ tự tính toán cho các hệ số nhiệt độ tơng ứng: C p1 = 429,9289; C p2 =1,874473; C p3 = - 0,001966485; C p4 =1,297251.10 -6 ; C p5 =-3,999956.10 -10 Các trờng hợp tính CH 4 ; N 2 ; O 2 ; và H 2 O làm tơng tự nh vậy Tính toán với số phần tử lặp là 500 phần tử Hình 2. Kiểm tra sự hội tụ Từ hình trên nhận thấy ở phần tử thứ 300 thì các thông số vận tốc theo hai trục x, y năng lợng, cờng độ rối, năng lợng rối, và các thành phần tham gia quá trình cháy bắt đầu hội tụ tức là các phần tử tiếp đó phần tử số 301 sẽ song song với trục hoành điều đó chứng tỏ quá trình lặp đã ổn định. Hình 3. Sự phân bố nhiệt độ tĩnh Từ hình 3 nhận thấy tuy kết quả là sự tiên đoán nhng nó cũng khái quát đợc tổng quát về sự phân bố nhiệt độ cháy: vùng có nhiệt độ cháy cao nhất có nhiệt độ là: 3 080 0 K, nhiệt độ nhỏ nhất bằng: 300 0 K. Hình 4. Biểu diễn độ lớn của vectơ vận tốc (m/s) Từ hình 4 nhận thấy vận tốc đạt giá trị lớn nhất tại vị trí phun nhiên liệu vào 82,6 m/s và vận tốc nhỏ nhất tại các điểm bắt đầu cung cấp nhiên liệu vào phía trên buồng đốt là 0,239 m/s Hình 5. Biểu diễn hàm dòng 4. Kết luận Những kết quả nghiên cứu bớc đầu về ứng dụng phần mềm fluent trong tính toán thuỷ khí động lực học đã cho thấy các yếu tố ảnh hởng đến dòng chảy và các thiết bị, máy thủy khí, mở ra một triển vọng là có thể hoàn toàn tính toán và mô phỏng đợc các thông số động học từ đó để tính toán thiết kế các máy và thiết bị thuỷ khí một cách nhanh chóng, chính xác, hiệu quả và tối u. Tài liệu tham khảo Nguyễn Thanh Nam, Hoàng Đức Liên, (2000). Phơng pháp khối hữu hạn ứng dụng trong các bài toán thủy khí động lực học, Nxb khoa học kỹ thuật, tr.28-104. Trần Sĩ Phiệt, Vũ Duy Quang, (1979). Thủy khí động lực kỹ thuật tập I và tập II, Nxb Đại học và Trung học chuyên nghiệp, tr. 162-210 (tập I); tr. 60 -102 (tập II). Tạ Văn Đĩnh (2002). Phơng pháp sai phân và phơng pháp phần tử hữu hạn, Nxb khoa học kỹ thuật, tr.103-180. Nguyễn Thị Thanh Loan (2004). Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Fluent tính toán một số thông số động học hai dòng chất lỏng hỗn hợp trong đờng ống. Luận án Thạc sĩ kỹ thuật. G.N. Abramovich and et al, (1984). Theory of Turbulent Jet, Nauka, Moscow, Russian, pp. 36-67. Joel H. Ferziger, Milovan Períc Springer, (1999). Computational Methods for Fluid Dynamic, Berlin Hidelbery Germany, pp.76-138.