Ứng dụng CFD nghiên cứu động lực học vật thể chuyển động trong môi trường chất lỏng

Bài viết đưa ra cơ sở toán học từ đó sử dụng mô hình lưới động trong phần mềm Ansys - Fluent để tính toán mô phỏng động lực học của vật thể chuyển động trong môi trường chất lỏng, cụ thể cho trường hợp vật thể là một hình hộp rơi tự do trong môi trường nước.

CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 ỨNG DỤNG CFD NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG TRONG MÔI TRƯỜNG CHẤT LỎNG UTILISING THE CFD TO STUDY THE DYNAMICS OF AN ARBITRARY OBJECT MOVING IN THE FLUID ENVIRONMENT VŨ VĂN DUY, NGUYỄN CHÍ CƠNG Viện Cơ khí-Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt Bài báo đưa sở tốn học từ sử dụng mơ hình lưới động phần mềm Ansys - Fluent để tính tốn mơ động lực học vật thể chuyển động môi trường chất lỏng, cụ thể cho trường hợp vật thể hình hộp rơi tự môi trường nước Abstract This article presents the mathematic theory from which using the dynamic mesh model in Ansys - Fluent to calculate and simulate the dynamics of a body moving in the fluid environment The specific case is the box falling in the water Key words: CFD, Dynamics mesh Giới thiệu Việc sử dụng mơ hình lưới động cho phép ta khảo sát toán động lực học theo thời gian thực vật thể chuyển động môi trường chất lỏng Các kết tường minh gần với toán thực tế mở nhiều hướng nghiên cứu tối ưu hóa biên dạng vật thể; xác định quĩ đạo chuyển động vật thể; tác động sóng, gió tới tính ổn định vật vật lơ lửng…Tuy nhiên, toán phức tạp, phải tự động chia lại lưới sau bước thời gian phải mơ tả đặc tính vật thể dạng chương trình lập trình ngơn ngữ C++ Việc kết hợp phần mềm chuyên dụng liệu người sử dụng định nghĩa (udf) địi hỏi phần mềm có tính mở cao Mơ hình nghiên cứu sở lý luận 2.1 Mơ hình nghiên cứu Mơ hình nghiên cứu có kích thước thể hình vẽ sau: Hình Mơ hình tốn nghiên cứu Bài tốn 2D đặt mô tả chuyển động vật thể hình vng rơi thẳng mơi trường nước, có vị trí ban đầu hình vẽ (mép vật thể so với gốc L1) 2.2 Cơ sở lý luận Liên quan đến việc giải toán lưới động, nhiều tác giả giới đưa phương pháp khác Nhóm tác giả Huazhong Tang, Tao Tang [2,4] tập trung phát triển Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 02 – 11/2016 25 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 thuật toán theo phương pháp Lagrange Euler để chia lại lưới sau bước thời gian, nhóm tác giả J Donea, Antonio Huerta cộng [3] phân tích nhược điểm thuật toán theo phương pháp Lagrange Euler để từ đề xuất thuật tốn kết hợp hai phương pháp Hình Minh họa hình ảnh chia lại lưới theo bước thời gian Ở RX hình ảnh lưới tương ứng với vật thể ban đầu (bên trái) bị biến đổi (bên phải), theo qui luật biến đổi  Ta có: (X,t)  (X,t) = (x,t) (1)  x = x(X,t) ; t = t (2) Trong nội dung báo, tác giả sử dụng thuật toán lưới động thuộc phần mềm Fluent-Ansys, kết hợp với việc sử dụng ngơn ngữ lập trình C++ để thiết lập đặc tính vật thể, sau biên dịch đưa vào thư viện phần mềm để triển khai tính tốn mơ Qui trình tính tốn thể qua sơ đồ khối sau: Hình Sơ đồ khối thể qui trình tính tốn Với sơ đồ khối hình rõ qui trình ứng dụng CFD vào khảo sát toán, việc ứng dụng Fluent-Ansys giải cơng đoạn q trình nghiên cứu Nhưng FluentAnsys phần mềm mở, cho phép can thiệp vào thư viện để mơ tả đặc tính đối tượng nghiên cứu Công đoạn quan trọng việc phân tích kết quả, để đánh giá sai số tính tốn mơ phỏng, từ đưa hiệu chỉnh phù hợp cho mơ hình nghiên cứu Cửa sổ sử dụng sau:[1] Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 02 – 11/2016 26 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 Phân tích kết 3.1 kết chia lại lưới theo bước thời gian Dưới hình ảnh lưới thời điểm đầu bước thời gian (∆t=0,033445s); với số lượng ô lưới 100.000, dạng tam giác (a) Hình Hình ảnh lưới thời điểm đầu (a) lúc ∆t=0,033445s (b) b) Trên hình cho thấy vật thể rơi xuống thời điểm ∆t=0,033445s, ô lưới bị kéo giãn bị nén lại theo thuật toán chia lại lưới sử dụng 3.2 Phân bố vận tốc áp suất xung quanh vật thể suốt trình chuyển động: Tại thời điểm ∆t=0,033445s ta có trường phân bố áp suất tĩnh vận tốc xung quanh vật thể sau: (a) Hình Phân bố áp suất tĩnh (a) trường vận tốc (b) lúc ∆t=0,033445s (b) Ta thể trường véc tơ vận tốc xung quanh vật thể để thấy rõ tương tác vật thể với chất lỏng trình chuyển động Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 02 – 11/2016 27 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 Hình Trường véc tơ vận tốc xung quanh vật thể lúc ∆t=0,033445s Qua kết hình cho thấy vật thể rơi xuống làm nén chất lỏng phía kéo theo chất lỏng chuyển động hai bên đặc biệt mặt Theo bước thời gian khác vật thể rơi xuống kéo theo thông số động lực học thay đổi, để làm rõ điều ta thể kết trường phân bố vận tốc số bước thời gian khác suốt trình khảo sát L1 (a) L2 (b) L3 Nội san khoa học Viện Cơ khí (c) L4 Số 02 – 11/2016 (d) 28 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 Các trị số vận tốc (m/s) thể qua thang đo tương ứng với màu sắc khác nhau, kết cịn thể rõ vị trí vật thể bước thời gian, tương ứng với tăng dần L1, L2, L3, L4 Kết luận Bài báo đưa sở thuật toán mơ hình lưới động nhằm khảo sát động lực học vật thể rơi môi trường nước, ứng dụng Fluent-Ansys để phân tích thơng số động lực học vật thể tương tác vật thể với chất lỏng trình chuyển động TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] www.Ansys.com [2] Huazhong Tang A moving mesh methods for the Euler flow caculations using a directional monitor function, 2003 SIAM J Number Anal, 41 [4] J Donea, Antonio Huerta Arbitrary Lagrangian – Eulerian Methods, 2004 Encyclopedia of Computational Mechanics, chapter 14 [3] Tao Tang Moving mesh methods for Cumputational Fluid Dynamics, 2003 SIAM J Number Anal, 41 Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 02 – 11/2016 29 ... động nhằm khảo sát động lực học vật thể rơi môi trường nước, ứng dụng Fluent-Ansys để phân tích thơng số động lực học vật thể tương tác vật thể với chất lỏng trình chuyển động TÀI LIỆU THAM KHẢO... hình cho thấy vật thể rơi xuống làm nén chất lỏng phía kéo theo chất lỏng chuyển động hai bên đặc biệt mặt Theo bước thời gian khác vật thể rơi xuống kéo theo thông số động lực học thay đổi,... tương tác vật thể với chất lỏng trình chuyển động Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 02 – 11/2016 27 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 Hình Trường véc tơ vận tốc xung quanh vật thể lúc ∆t=0,033445s