Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng ô nhiễm không khí khu vực trường bách khoa tp hồ chí minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG NGUYỄN THỊ HỒNG TRANG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN MƠ PHỎNG Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ KHU VỰC TRƯỜNG BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH Chuyên ngành: Toán Ứng Dụng Mã số: 60460112 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN MƠ PHỎNG Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ KHU VỰC TRƯỜNG BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH Chuyên ngành: Toán Ứng Dụng Mã số: 60460112 LUẬN VĂN THẠC SĨ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN PGS TSKH Bùi Tá Long TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TSKH Bùi Tá Long Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng 03 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ bao gồm: Chủ tịch: PGS TS NGUYỄN ĐÌNH HUY Thư ký: Phản biện 1: Phản biện 2: Ủy viên : Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa ( có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS NGUYỄN ĐÌNH HUY TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG PGS TS TRƯƠNG TÍCH THIỆN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ HỒNG TRANG Mã số học viên: 1570762 Ngày, tháng, năm sinh : 22/04/1992 Nơi sinh: ĐăkLăk Chuyên ngành: Toán Ứng Dụng Mã số: 1570762 I Tên đề tài: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn mơ nhiễm khơng khí khu vực trường Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Mơ tả tốn học toán phương pháp phần tử hữu hạn - Ứng dụng vào giải toán lan truyền chất thải phần mềm Ansys - Mô phỏng sự lan truyền khí ô nhiễm từ đường Tô Hiến Thành vào trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM - Đánh giá độ ảnh hưởng chất ô nhiễm đến bất kỳ vị trí thực tế trường III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 29/03/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/02/2020 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TSKH Bùi Tá Long Tp HCM, Ngày tháng năm CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS TSKH Bùi Tá Long CÁN BỘ QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) PGS TS NGUYỄN ĐÌNH HUY TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) PGS TS TRƯƠNG TÍCH THIỆN LỜI CẢM ƠN Lời tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Thầy hướng dẫn PGS TSKH Bùi Tá Long - Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh, người tận tụy, nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy, quan tâm giúp đỡ, truyền đạt kiến thức tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn Thầy, Cô mơn Tốn Ứng Dụng, khoa Khoa học ứng dụng, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh hết lòng giảng dạy, truyền thụ kiến thức tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn anh, chị, bạn lớp Cao học ngành Tốn Ứng Dụng khóa 2015 động viên giúp đỡ tơi suốt q trình học q trình thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn bè mình, người bên cạnh động viên , tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian học tập Cuối cùng, trình thực luận văn khó tránh khỏi thiếu sót, mong nhận sự góp ý Q Thầy, Cơ bạn đọc để bổ sung hoàn thiện đề tài tốt Tp Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2020 Tác giả Nguyễn Thị Hồng Trang i TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này, nghiên cứu vấn đề sau: Mơ tả tốn học toán phương pháp phần tử hữu hạn Ứng dụng vào giải toán lan truyền chất thải phần mềm ANSYS Chạy tốn mơ phỏng q trình phát thải từ đường Tơ Hiến Thành vào Trường Đại học Bách Khoa sở Đánh giá kết chạy mơ hình đề biện pháp giảm thiểu mức độ ảnh hưởng phát thải Kết Luận văn sẽ mô phỏng sự lan truyền khí ô nhiễm từ đường Tô Hiến Thành vào trường Đại học Bách Khoa Từ đánh giá độ ảnh hưởng chất ô nhiễm đến bất kỳ vị trí thực tế trường ii ABSTRACT In this thesis, we research these following subjects: Describe the math of a problem using finite element methods Application to solve the problem of waste propagation in Ansys software Run problems simulating the process of emissions frm To Hien Thanh Street to the University of Technology Evaluate the resultsof run the model and propose measures to minimize the level of emission impacts The results of this thesis will simulate the propagation of polluted air from To Hien Thanh Street into Polytechnic University From there evaluate the influecnce of pollutants on any actual location in the school iii LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Nguyễn Thị Hồng Trang, mã học viên: 1570762, học viên cao học chuyên ngành Toán Ứng Dụng Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh khóa 2015 - 2018 Tơi xin cam đoan ngoại trừ kết tham khảo từ cơng trình khác ghi rõ luận văn, cơng việc trình bày luận văn chính thực sự hướng dẫn PGS TSKH Bùi Tá Long tơi hồn tồn chịu trách nhiệm tính trung thực đề tài nghiên cứu Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 02 năm 2020 Học viên thực hiên Nguyễn Thị Hồng Trang iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv ĐẶT VẤN VỀ .1 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử nghiên cứu 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG – CƠ SỞ KHOA HỌC 2.1 Mô tả toán học toán 2.2 Mơ hình tải – khuếch tán rới chất khí 2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 12 2.3.1 Giới thiệu chung 12 2.3.2 Xấp xỉ phần tử hữu hạn 12 2.3.3 Định nghĩa hình học phần tử hữu hạn 13 2.3.4 Các dạng phần tử hữu hạn 13 2.3.5 Phần tử quy chiếu phần tử thực 15 2.3.6 Một số dạng phần tử quy chiếu 15 2.3.7 Các bước giải bài toán học phương pháp phần tử hữu hạn 17 2.4 Phần mềm ANSYS 21 2.5 Phần mềm ARCGIS 25 2.6 Dữ liệu không gian 26 CHƯƠNG – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 Sử dụng ArcGIS lấy dữ liệu tọa độ cho bài toán xét 28 3.2 Ứng dụng ANSYS giải bài toán lan truyền ô nhiễm không khí 30 v 3.3 Kết tính toán và chạy mơ hình 35 3.4 Thảo luận 42 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 PHỤ LỤC 44 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 97 CÁC TỪ VIẾT TẮT PTHH – Phần tử hữu hạn PTQC – Phần tử quy chiếu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Bảng giá trị tìm k ϵ Bảng Các tham số liên quan tới miền tính toán và khí tượng toán 31 Bảng Các tham sớ ớng khói tham gia vào q trình mơ tốn 32 Bảng 3 Khoảng cách từ ống khói đến biên 33 Bảng Các tham số liên quan tới miền tính toán và khí tượng toán 33 Bảng Các tham sớ ớng khói tham gia vào q trình mơ tốn 34 vi k,,681615.9-681092,1191618-1190863!tao Keypoint k143 k,,681616.2-681092,1191613.8-1190863!tao Keypoint k144 k,,681600-681092,1191613.7-1190863!tao Keypoint k145 L,134,135 ! Ve duong 134 L,135,136 ! Ve duong 135 L,136,137 ! Ve duong 136 L,137,138 ! Ve duong 137 L,138,139 ! Ve duong 138 L,139,140 ! Ve duong 139 L,140,141 ! Ve duong 140 L,141,142 ! Ve duong 141 L,142,143 ! Ve duong 142 L,143,144 ! Ve duong 143 L,144,145 ! Ve duong 144 L,145,134 ! Ve duong 145 A,134,135,136,137,138,139,140,141,142,143,144,145 !Nha 19 k,,681600.4-681092,1191598.5-1190863!tao Keypoint k146 k,,681662.2-681092,1191599.5-1190863!tao Keypoint k147 k,,681662.4-681092,1191585.2-1190863!tao Keypoint k148 k,,681600-681092,1191585.1-1190863!tao Keypoint k149 L,146,147 ! Ve duong 146 L,147,148 ! Ve duong 147 83 L,148,149 ! Ve duong 148 L,149,146 ! Ve duong 149 AL,146,147,148,149 !Nha 20 k,,681600.6-681092,1191562.7-1190863!tao Keypoint k150 k,,681662.2-681092,1191564.4-1190863!tao Keypoint k151 k,,681662.5-681092,1191549.5-1190863!tao Keypoint k152 k,,681600.8-681092,1191548.5-1190863!tao Keypoint k153 L,150,151 ! Ve duong 150 L,151,152 ! Ve duong 151 L,152,153 ! Ve duong 152 L,153,150 ! Ve duong 153 AL,150,151,152,153 !Nha 21 k,,681590-681092,1191493.1-1190863!tao Keypoint k154 k,,681589.6-681092,1191521.2-1190863!tao Keypoint k155 k,,681664.6-681092,1191520.1-1190863!tao Keypoint k156 k,,681664.8-681092,1191503.9-1190863!tao Keypoint k157 k,,681664.9-681092,1191492.4-1190863!tao Keypoint k158 L,154,155 ! Ve duong 154 L,155,156 ! Ve duong 155 L,156,157 ! Ve duong 156 L,157,158 ! Ve duong 157 84 L,158,154 ! Ve duong 158 AL,154,155,156,157,158 !Nha 22 k,,681590.5-681092,1191461.9-1190863!tao Keypoint k159 k,,681665.4-681092,1191461.8-1190863!tao Keypoint k160 k,,681665.9-681092,1191433.9-1190863!tao Keypoint k161 k,,681591-681092,1191433.9-1190863!tao Keypoint k162 L,159,160 ! Ve duong 159 L,160,161 ! Ve duong 160 L,161,162 ! Ve duong 161 L,162,159 ! Ve duong 162 AL,159,160,161,162 !Nha 23 k,,681595.7-681092,1191403.5-1190863!tao Keypoint k163 k,,681666.1-681092,1191403.8-1190863!tao Keypoint k164 k,,681666.2-681092,1191393.7-1190863!tao Keypoint k165 k,,681596.2-681092,1191393.5-1190863!tao Keypoint k166 L,163,164 ! Ve duong 163 L,164,165 ! Ve duong 164 L,165,166 ! Ve duong 165 L,166,163 ! Ve duong 166 AL,163,164,165,166 !ongkhoi 85 cyl4,681542-681092,1191263-1190863,5!Tao ong khoi ban kinh r=5,ung voi cac doan thang 167,168,169,170 cyl4,681442-681092,1191238-1190863,5 cyl4,681342-681092,1191213-1190863,5 ASBA,all,2 ASBA,all,3 ASBA,all,4 ASBA,all,5 ASBA,all,6 ASBA,all,7 ASBA,all,8 ASBA,all,9 ASBA,all,10 ASBA,all,11 ASBA,all,12 ASBA,all,13 ASBA,all,14 ASBA,all,15 ASBA,all,16 ASBA,all,17 ASBA,all,18 ASBA,all,19 ASBA,all,20 86 ASBA,all,21 ASBA,all,22 ASBA,all,23 ASBA,all,24 ASBA,all,25 ASBA,all,26 ASBA,all,27 !chia luoi lsel,s,,,167,170 lesize,all,,,5 lsel,s,,,171,174 lesize,all,,,5 lsel,s,,,175,178 lesize,all,,,5 lsel,s,,,2,4,2 lesize,all,,,100 lsel,s,,,1,3,2 lesize,all,,,60 et,1,FLUID141 ALLSEL mshkey,0 AMESH,all !Cho dieu kien bien 87 lsel,s,,,5,166, nsll,,1 d,all,vx,0 !Dieu kien ket dinh d,all,vy,0 lsel,s,,,1,2, lsel,a,,,4 nsll,,1 d,all,vx,vx0 !Gio tren bien d,all,vy,vy0 lsel,s,,,3 nsll,,1 d,all,pres,0 ! Ap suat tren bien la lsel,s,,,167,170 nsll,,1 d,all,temp,Texp !Nhiet ong khoi la Texp *GET,ND_MAX,NODE,,COUNT *GET,NN,NODE,,NUM,MIN *DO,I,1,ND_MAX xn=nx(nn)-450 yn=ny(nn)-400 rn=sqrt(xn*xn+yn*yn) d,nn,vx,xn/rn*Vexp d,nn,vy,yn/rn*Vexp 88 nn=ndnext(nn) *ENDDO lsel,s,,,171,174 nsll,,1 d,all,temp,Texp !Nhiet ong khoi la Texp *GET,ND_MAX,NODE,,COUNT *GET,NN,NODE,,NUM,MIN *DO,I,1,ND_MAX xn=nx(nn)-350 yn=ny(nn)-375 rn=sqrt(xn*xn+yn*yn) d,nn,vx,xn/rn*Vexp d,nn,vy,yn/rn*Vexp nn=ndnext(nn) *ENDDO lsel,s,,,175,178 nsll,,1 d,all,temp,Texp !Nhiet ong khoi la Texp *GET,ND_MAX,NODE,,COUNT *GET,NN,NODE,,NUM,MIN *DO,I,1,ND_MAX xn=nx(nn)-250 yn=ny(nn)-350 89 rn=sqrt(xn*xn+yn*yn) d,nn,vx,xn/rn*Vexp d,nn,vy,yn/rn*Vexp nn=ndnext(nn) *ENDDO nsel,s,,,1 d,all,vx,vx0 d,all,vy,vy0 d,all,temp,Tkkhi nsel,s,,,122 d,all,vx,0 d,all,vy,0 nsel,s,,,247 d,all,vx,0 d,all,vy,0 allsel ! -Xay dung truong gio : /solu ! -Cac tham so dong flda,temp,nomi,Tkkhi !Gia tri khoi tao nhiet neu dk ban dau khong cho, la 273 flda,prot,dens,air-si !(prot)Chi ro loai dac tinh fluid, (air-si)don vi m-kg-s flda,vary,dens,true flda,prot,visc,air-si 90 flda,vary,visc,true flda,prot,cond,air-si flda,vary,cond,true flda,prot,spht,air-si !Tinh toan flda,solu,temp,t flda,solu,turb,t flda,solu,tran,t flda,meth,pres,3 flda,conv,temp,1.e-10 flda,relx,temp,1.0 flda,time,glob,10 flda,time,BC,0 fldata4,time,step,10 fldata4A,time,appe,10 fldata4,time,numb,1.0e06 fldata4,time,tend,120 flda,outp,dens,t save solve /prep7 flda,prot,dens,cgas flda,prot,visc,cmix 91 flda,solu,spec,t keyopt,1,1,2 ! -Mo ta cac chat tham gia msdata,2 msspec,1,NH3,17.0304 msprop,1,dens,gas,0.0034,273,1.01325e+5 msvary,1,dens,t msnomf,1,0 msprop,1,visc,gas,0.95,273,1.01325e+5 msprop,1,mdif,gas,.198,273,1.01325e+5 msprop,1,cond,gas,.519,273,1.01325e+5 mscap,1,1 msspec,2,air,29.0 msprop,2,dens,gas, 287.05,273,1.01325e+5 msvary,2,dens,t msnomf,2,1 msprop,2,visc,constant,1.4592E-6 msprop,2,mdif,constant, 1.4 msprop,2,cond,constant,2.502E-3 mscap,2,1 msmeth,1,3 mssolu,1,,,3,1.e-8 msrelx,1,1.0 92 ! -Mo ta su phat hai lsel,s,,,167,170 nsll,,1 d,all,temp,Texp d,all,NH3,1.0 !Qua trinh dien phat thai d,all,air,0.0 *GET,ND_MAX,NODE,,COUNT *GET,NN,NODE,,NUM,MIN *DO,I,1,ND_MAX xn=nx(nn)-450 yn=ny(nn)-400 rn=sqrt(xn*xn+yn*yn) d,nn,vx,xn/rn*Vexp d,nn,vy,yn/rn*Vexp nn=ndnext(nn) *ENDDO lsel,s,,,171,174 nsll,,1 d,all,temp,Texp !Nhiet ong khoi la Texp *GET,ND_MAX,NODE,,COUNT *GET,NN,NODE,,NUM,MIN *DO,I,1,ND_MAX xn=nx(nn)-350 93 yn=ny(nn)-375 rn=sqrt(xn*xn+yn*yn) d,nn,vx,xn/rn*Vexp d,nn,vy,yn/rn*Vexp nn=ndnext(nn) *ENDDO lsel,s,,,175,178 nsll,,1 d,all,temp,Texp !Nhiet ong khoi la Texp *GET,ND_MAX,NODE,,COUNT *GET,NN,NODE,,NUM,MIN *DO,I,1,ND_MAX xn=nx(nn)-250 yn=ny(nn)-350 rn=sqrt(xn*xn+yn*yn) d,nn,vx,xn/rn*Vexp d,nn,vy,yn/rn*Vexp nn=ndnext(nn) *ENDDO lsel,s,,,1 nsll,,1 d,all,NH3,0.0 d,all,air,1.0 94 allsel /solu fldata4,time,step,10 fldata4A,time,appe,10 fldata4,time,numb,1.0e06 fldata4,time,tend,120 save solve lsel,s,,,167,178 nsll,,1 d,all,vy,0 d,all,vx,0 d,all,NH3,0.0 d,all,air,1.0 allsel fldata4,time,step,10 fldata4A,time,appe,10 fldata4,time,numb,1.0e06 fldata4,time,tend,120 save solve save FINISH 95 /DEVICE,VECTOR,ON /PLOPTS,MINM,OFF !PLNSOL,DENS FINISH /OUTPUT 96 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG I SƠ LƯỢC CÁ NHÂN Họ tên : Nguyễn Thị Hồng Trang Ngày, tháng, năm sinh: 22/04/1992 Nơi sinh: ĐăkLăk Địa liên lạc: Chung cư Linh Trung, Quận Thủ Đức, Tp Hồ Chí Minh II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Thời gian Tên trường 2015 - 2019 Đại Học Bách Khoa Tốn Ứng Dụng Giảng dạy mơn học Tp Hồ Chí Minh Luận văn Thạc sĩ Đại Học Khoa Học Tốn - Tin Chính quy 2010 - 2014 Chuyên ngành Hình thức đào tạo Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh III Q TRÌNH CƠNG TÁC Thời gian Cơ quan Tháng 04/2014 - Hiện Trường Chức vụ Đại học Cơng Nhân viên Phịng Đào tạo - Nghệ Tp Hồ Chí Minh 97 Khảo thí ... TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN MÔ PHỎNG Ô NHIỄM KHƠNG KHÍ KHU VỰC TRƯỜNG BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH Chuyên ngành: Toán Ứng. .. phần tử hữu hạn phần mềm ANSYS - Ứng dụng phần mềm ANSYS với phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng ô nhiễm khơng khí khu vực xung quanh trường Đại học Bách Khoa TP.HCM 1.3 ? ?ô? ?i tượng và phạm... toán phương pháp phần tử hữu hạn - Ứng dụng vào giải toán lan truyền chất thải phần mềm Ansys - Mô phỏng sự lan truyền khí ô nhiễm từ đường Tô Hiến Thành vào trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM