(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tương tác lưu chất và vật thể đàn hồi bằng phương pháp IBM (immersed boundary method)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THANH TÙNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC LƯU CHẤT VÀ VẬT THỂ ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP IBM (IMMERSEDBOUNDARY METHOD) NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204 S K C0 4 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THANH TÙNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC LƯU CHẤT VÀ VẬT THỂ ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP IBM (IMMERSEDBOUNDARY METHOD) NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204 TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THANH TÙNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC LƯU CHẤT VÀ VẬT THỂ ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP IBM (IMMERSEDBOUNDARY METHOD) NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN TS PHAN ĐỨC HUYNH TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2014 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Lê Thanh Tùng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 29/09/1986 Nơi sinh: Bình Trị Thiên Quê quán: Thanh Hoá Dân tộc: Kinh Địa chỉ: tổ 8, ấp Phước Tân 4, xã Tân Hưng, thành phố Bà Rịa, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu E-mail: tungthanhbr@gmail.com II Q TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 9/2004 đến 9/2009 Nơi học: trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ tin – Kỹ thuật Tên đồ án, luận án tốt nghiệp: Sử dụng cánh mỏng để ổn định khí động cầu treo có nhịp dài phương pháp bị động Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án tốt nghiệp: tháng năm 2009, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS Phan Đức Huynh i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng năm 2014 ii LỜI CẢM ƠN  Luận văn Thạc sĩ hoàn thành kết trình học tập rèn luyện trao dồi kiến thức Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Qua đây, em xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo tận tình truyền đạt kinh nghiệm, kiến thức quý báu vô phong phú cho em suốt hai năm học vừa qua Đặc biệt thầy TS Phan Đức Huynh PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn, người trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành luận văn Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu nhà trường, q thầy Khoa Cơ khí Chế tạo máy, thầy anh chị Phịng Đào tạo – Sau đại học toàn thể thầy giáo nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt thời gian học tập nghiên cứu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Sau cùng, em xin cảm ơn tất bạn bè người thân quan tâm động viên ủng hộ em suốt thời gian học tập nghiên cứu Do thời gian thực luận văn có hạn kiến thức cịn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót định Kính mong đóng góp ý kiến Ban giám hiệu, quý thầy cô giáo anh chị học viên bạn để luận văn hoàn thiện iii MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt vii Danh sách hình ix Danh sách bảng xii Chương TỔNG QUAN Chương PHƯƠNG PHÁP IBM CHO VẬT THỂ ĐÀN HỒI Chương RỜI RẠC HĨA KHƠNG GIAN VÀ THỜI GIAN 16 3.1 Rời rạc hóa khơng gian 16 3.2 Điều kiện biên 23 3.3 Rời rạc hóa thời gian 27 Chương LỰC ĐÀN HỒI CỦA BIÊN NHÚNG 30 4.1 Năng lượng đàn hồi 30 4.2 Năng lượng kéo 31 4.3 Năng lượng uốn 34 Chương XÂY DỰNG HÀM DELTA DIRAC 38 Chương KẾT QUẢ 44 6.1 Mô sợi nhỏ mềm vỗ màng xà phòng 47 6.2 Mô hai sợi nhỏ mềm vỗ màng xà phòng 54 Chương KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 69 CHƯƠNG TRÌNH 74 vi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Việc sử dụng động lực học chất lỏng tính tốn (computational fluid dynamics (CFD)) để dự đốn dòng chảy tăng đáng kể thập kỷ qua Trong năm 1980 giải pháp tốn dịng lưu chất phương tiện CFD lĩnh vực nhà nghiên cứu khoa học, tiến sĩ, sau đại học chuyên gia đào tạo tương tự với nhiều năm kinh nghiệm lĩnh vực Các mã nguồn CFD thị trường mạnh, địi hỏi người dùng có trình độ cao kỹ am hiểu để đạt kết xác trường hợp phức tạp [1] Ngày nay, vai trò CFD dự báo kỹ thuật trở nên mạnh tới mức nhìn nhận “khía cạnh thứ ba” động lực học chất lỏng, hai khía cạnh cịn lại trường hợp cổ điển thực nghiệm túy lý thuyết túy Mối quan hệ phác họa hình 1.1 [2] Hình 1.1: Mối quan hệ khía cạnh động lực học chất lỏng Động lực học chất lỏng tính tốn (hoặc CFD) phân tích hệ thống liên quan đến dòng chất lỏng, truyền nhiệt tượng liên quan phản ứng hoá học phương tiện mơ máy tính Kỹ thuật mạnh mở rộng loạt lĩnh vực ứng dụng công nghiệp phi công nghiệp Một số ví dụ như:  khí động học máy bay phương tiện giao thông: nâng cản  thuỷ động lực học tàu  thiết bị động lực: trình cháy động đốt tua bin khí  kỹ thuật điện-điện tử: làm mát thiết bị bao gồm vi mạch  kỹ thuật chế biến hoá chất: trộn tách, đúc pô-li-me  môi trường bên bên ngồi cơng trình: tải trọng gió sưởi ấm/thơng gió  khí hàng hải: tải kết cấu ngồi khơi  cơng nghệ mơi trường: phân bố chất ô nhiễm nước thải  thuỷ học hải dương học: dịng chảy sơng, cửa sơng, biển  khí tượng học: dự báo thời tiết  kỹ thuật y sinh: dòng máu chảy qua động mạch tĩnh mạch Từ năm 1960 trở đi, ngành cơng nghiệp hàng khơng vũ trụ tích hợp kỹ thuật CFD vào thiết kế, nghiên cứu phát triển, sản xuất máy bay động phản lực Gần phương pháp áp dụng cho việc thiết kế động đốt trong, buồng đốt tua bin khí lị nung Và nhà sản xuất tơ thường dự đốn lực cản, dịng khơng khí nắp ca-pơ mơi trường xe với CFD CFD ngày trở thành thành phần quan trọng việc thiết kế sản phẩm qui trình cơng nghiệp Mục đích cuối phát triển lĩnh vực CFD cung cấp tiềm tương đương với công cụ CAE (Computer-Aided Engineering) khác chẳng hạn mã phân tích ứng suất Các tốn tác động lưu chất vật thể, lưu chất lưu chất ngày quan tâm nghiên cứu khảo sát nhiều nước giới Để tính toán cho toán thực tế có nhiều phương pháp sử dụng như: phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method), phương pháp thể tích hữu hạn (FVM – Finite Volume Method), phương pháp sai phân hữu hạn (FDM – Finite Difference Method) …, nói chung phương pháp sử dụng việc chia lưới, việc chia lưới lại phải phụ thuộc vào hình dạng vật thể Đối với tốn mà hình dạng vật thể phức tạp việc chia lưới theo cách thơng thường trở nên khó khăn chi phí tính tốn lớn Chính cần tìm phương pháp mà việc chia lưới đơn giản để việc phân tích tính tốn tốn có hiệu Một phương pháp đời mà việc chia lưới đơn giản cách chia lưới lưu chất trực tiếp ô vuông lưới Đề các, ô lưới cố định suốt trình tính tốn khơng phụ thuộc hình dạng vật thể Phương pháp có tên “Phương pháp biên nhúng” (Immersed Boundary Method (IBM)) Hình 1.2: Chia lưới theo cách truyền thống (hình trên) chia lưới IBM (hình dưới) Phương pháp IBM (Immersed Boundary Method) lần sử dụng phát triển Peskin (1972) để nghiên cứu lưu lượng máu quanh van tim Đặc trưng phân biệt phương pháp toàn việc mô tiến hành trực tiếp lưới Đề các, mà khơng phụ thuộc vào hình dạng vật thể, điều kiện biên áp đặt trực tiếp vào lưới Đề các, gọi phương pháp ... VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THANH TÙNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC LƯU CHẤT VÀ VẬT THỂ ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP IBM (IMMERSEDBOUNDARY METHOD). .. VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THANH TÙNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC LƯU CHẤT VÀ VẬT THỂ ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP IBM (IMMERSEDBOUNDARY METHOD). .. biên, tương tác lưu chất kết cấu, mơ dịng chảy xung quanh vật thể có dạng hình học phức tạp Chính luận văn tác giả lựa chọn phương pháp IBM để nghiên cứu tương tác lưu chất vật thể đàn hồi Kết