Giới thiệu chung về mô phỏng số CFD

2.1.1. Định nghĩa về CFD

CFD - Computational Fluid Dynamics (tính toán động lực học chất lưu có sự trợ giúp của máy tính) là một ngành khoa học chuyên dự đoán các đặc tính của dòng chảy, truyền nhiệt, các phản ứng hóa học bằng việc sử dụng quá trình tính toán số để giải các phương trình toán học liên quan.

2.1.2. Ƣu điểm và hạn chế của CFD

 Ưu điểm

o Giảm giá thành và tiết kiệm thời gian trong quá trình thiết kế. Tất cả các sản phẩm muốn ra đời đều phải qua quá trình thử nghiệm, CFD giúp tạo ra một mô hình gần đúng ban đầu trong quá trình này.

o Mô phỏng được những điều kiện làm việc đặc biệt (ví dụ: Siêu thanh, không trọng lực, nhiệt độ lớn) mà không phải lúc nào con người cũng có thể đo đạc và giám sát được. Trong tình huống này CFD có thể mô phỏng, từ đó đưa ra những kết quả ý nghĩa trong công tác nghiên cứu dự đoán.

o Khả năng mô phỏng điều kiện lý tưởn g. Đây là nhứng bài toán mang tính lý thuyết mà trong điều kiện thực chúng ta không thể làm được, chỉ có phương pháp mô phỏng số mới thực hiện được.

o Cung cấp nhiều thông tin. Khi tiến hành thực nghiệm, do hạn chế về công nghệ và tài chính nên mỗi lần tiến hành ta chỉ xác định được một số dạng thông số, tại những điểm nhất định, trong khi CFD cho phép ta xác định toàn bộ trường kết quả tại tất cả những điểm trong vùng khảo sát

 Hạn chế

o Mô hình vật lý: CFD giải quyết bài toán trên cơ sở mô hình vật lý được tạo lập, mỗi bài toán chỉ đúng với mô hình vật lý duy nhất. Việc chọn sai mô hình vật lý có thể dẫn đến sai lầm về kết quả. Ngoài ra, các mô hình vật lý (mô hình nhớt, mô hình truyền nhiệt,…) đều là gần đúng, do vậy có thể dẫn đến sai số.

o Sai số: Giải các bài toán trên máy tính luôn dẫn tới sai số bởi năng lực tính toán của máy không phải là vô tận. Do vậy việc chọn số bước lặp hay tạo lưới là khá quan trọng.

o Điều kiện biên: Lời giải chỉ đúng với điều kiện biên chuẩn, mỗi bài toán chỉ đúng với một dạng điều kiện biên duy nhất.

o Nói chung, khi chọn đúng điều kiện làm việc (mô hình vật lý và điều kiện biên), phương pháp CFD cho kết quả khá chính xác.

2.1.3. Các lĩnh vực chính mà CFD có thể đảm nhiệm

 Công nghệ chế tạo tàu thủy và tàu ngầm

 Y tế và chăm sóc sức khỏe

 Máy thủy lực

 Môi trường

 Công nghiệp chế tạo các phương tiện giao thông đường bộ

 Công nghệ nhiệt

 Nghiên cứu các phản ứng hóa học

 Công nghệ vũ trụ

Ngày nay trong công việc thiết kế người ta thường sử dụng công cụ mô phỏng CFD từ công nghiệp sản xuất ô tô hay máy bay cho đến các ứng dụng liên quan đến công nghệ sinh học. Giải pháp tính toán trên CFD đưa ra những kết quả gần như chính xác so với thực tế. Với độ chính xác lớn giúp các nhà nghiên cứu có thể đưa ra nhiều nghiên cứu về những hình dáng thiết kế mới lạ và tối ưu hơn. Thiết kế ô tô là một công việc đòi hỏi cần có độ chính xác, mẫu mã đẹp hợp thời vì vậy CFD giữ một vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình thiết kế:

Hình 2.1: Hình ảnh minh họa về mô phỏng CFD

 Cho phép mô phỏng những bài toán phức tạp vượt ra ngoài tầm với của lý thuyết hiện tại

 Kiểm nghiệm lại tính toán lý thuyết

 Cung cấp thông tin và những ảnh hưởng có thể xảy ra đối với ô tô thực

 Tăng sự hiểu biết về hoạt động của hệ thống kỹ thuật

 Tăng khả năng tối ưu hóa

 Tăng tính cạnh tranh và giảm chi phí thiết kế/sản xuât

Với những ưu điểm vượt trội như trên của CFD trong những bài toán thiết kế. Đề tài này sẽ sử dụng ứng dụng phương pháp mô phỏng bằng CFD trong bài toán này.

Fluent là phần mềm chuyên dụng trong tính toán cơ học chất lưu và truyền nhiệt dựa trên nền tảng CFD, còn Gambit là một công cụ tạo lưới mạnh cho các bài toán CFD và phương pháp phần tử hữu hạn dùng trong tính toán kết cấu. Ở đây, chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về hai phần mềm này và xem xét các lưu ý khi sử dụng chúng.

Cấu trúc phần mềm fluent được cấu tạo từ nhiều những thiết lập khác nhau và được hỗ trợ bởi nhiều phần mềm. Dưới đây là cấu trúc thuật giải của flent:

Trong đó:

- Fluent: Bộ tính toán chính - Gambit: Tạo lưới 2D và 3D - Tgrid: Tạo lưới 3D từ lưới 2D

- Các bộ giao tiếp chương trình: Cho phép trao đổi dữ liệu của Fluent với các chương trình khác như ANSYS, NASTRAN…

Một số đặc điểm chính

- Fluent là phần mềm dựa trên nền tảng CFD nên có đầy đủ đặc tính của phương pháp này: Thuật toán, điểm mạnh, điểm yếu như trình bày ở trên

Gambit: - Thiết lập mô hình - Chia lưới 2D và 3D

Thiết kế mô hình trên các phần mềm như solid, cad ...

Tgrid:

- Chia lưới cấu trúc 2D

- Chia lưới khối 3D

Fluent:

- Đọc lưới

- Thiết lập mô hình vật lý - Thiết lập điều kiện biên - Thiết lập vật liệu - Tính toán - Kết quả

- Fluent sử dụng lưới dạng thể tích

Fluent có khả năng giải quyết các bài toán sau: - Dòng 2D, 3D đối xứng, tọa độ trụ và dòng 3D

- Dòng tĩnh hay dòng tức thời (phụ thuộc vào thời gian hay không)

- Dòng nén được hay không nén được ở mọi vận tốc (low subsonic, transonic, supersonic và hypersonic flows)

- Dòng nhớt, dòng tầng, dòng rối

- Chất lỏng Newton hay không Newton - Trao đổi nhiệt

- Các đặc tính của phản ứng hỗn hợp hóa học, quá trình nổ, cháy - Dòng nhiều pha liên tục (lỏng - khí, lỏng - lỏng)

- Dòng gồm các pha liên tục trong một pha liên tục - Mô hình lỗ hổng

- Sự thay đổi pha: nóng chảy, đông đặc - Mô hình màng thấm, tấm lọc

- Mô hình quạt, bơm, động cơ tua bin - Mô hình các tấm chuyển động - Mô hình số

2.2 Thiết lập bài toán trên Fluent

Fluent cung cấp nhiều mô hình vật lý để giải một bài toán chất lưu. Tuy nhiên, để xây dựng một mô hình tính toán từ một hiện tượng thực tế thì ta cần phải tiến hành từng bước. Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu đặc tính và cách thức sử dụng một số mô hình vật lý thông dụng trong Fluent.

 Phƣơng pháp giải

Define > Model > Solve

Fluent cung cấp 3 phương thức giải khác nhau. - Segregated

- Coupled implicit - Couple explicit

Cả ba phương thức giải đều cho phép tính toán với dòng bất kỳ, tuy nhiên trong một số trường hợp việc chọn phương thúc giải hợp lý sẽ cho kết quả chính xác hơn. Segregated và couple thực hiện qua trình giải các phương trình liên tục, động lượng và năng lượng theo các cách khác nhau.

Segregated giải phương trình một cách tuần tự, trong khi couple tiến hành giải một cách đồng thời. Implicit và explicit khác nhau ở cách tuyến tính hoá phương trình để tiến hành giải

Thông thường Couple được dùng trong các bài toán với chất lưu ở vận tốc lớn và nén được. Couple cho kết quả nhanh và chính xác hơn nhưng cũng đòi hỏi bộ nhớ lớn và cấu hình mạnh.

- Sự tuyến tính hoá của Implicit và Explicit

- Một số dạng bài toán chỉ giải được bằng Segregated.

 Các mô hình rối

Dòng rối là dòng đặc trưng bởi sự biến đổi của trường vận tốc. Thông thường, việc mô tả dòng rối thường rất khó khăn bởi trong các phương trình mô tả có chứa các đại lượng chưa biết. Mô hình rối có nhiệm vụ cơ bản là xác định các đại lượng này.

Fluent hỗ trợ các mô hình rối sau: Mô hình Splart-Allmaras

Mô hình k -

Mô hình k - tiêu chuẩn

Mô hình k - thường hoá (RNG) Mô hình k - giản hoá

Mô hình k -

Mô hình k -tiêu chuẩn

Mô hình k -với dòng cắt ( SST ) Mô hình 2  f

Mô hình ứng suất Renold (RSM) Mô hình xoáy lớn (LES)

Tuy nhiên không thể áp dụng một mô hình rối cho tất cả các bài toán, mỗi mô hình rối chỉ cho kết quả đúng trong một số trường hợp nhất định. Điều đó đòi hỏi ta phải nắm rõ bản chất cũng như trường hợp áp dụng của chúng để đưa ra những lựa chọn hợp lý cho từng bài toán.

 Các phƣơng pháp thiết lập điều kiện biên

Điều kiện biên chính là các thiết lập trạng thái của hệ. Nó cho biết hệ đang chịu tác động của những yếu tố nào và các yếu tố này tác động ra sao. Do vậy việc thiết lập đúng điều kiện biên có vai trò quyết định đến tính chính xác của bài toán trong mỗi hiện tượng.

* Áp suất tĩnh (Static Pressure)

Áp suất tĩnh được ngoại suy ở tất cả các biên theo phương trình:

2 0

P n

 

 (2.1)

Trong đó: n – là phương pháp tuyến tới biên. Theo phương pháp này thì áp suất là không cố định tại mọi mức. Thay vào đó một điểm gốc được chọn tại nơi mà áp suất được thiết lập bằng 0.

Áp suất hiệu chỉnh là P’ của phương pháp SIMPLEC (phương pháp Semi – Implicit cho các phương trình liên kết áp suất) có điều kiện biên thuần nhất cho tất cả các biên. ' 0 P n    (2.2)

Trong đó: n – là hướng pháp tuyến tới biên. * Các lớp biên tường (Walls)

Các điều kiện biên cho phương trình k và của mô hình chảy rốik là:

2 2 0 6 k c y     (2.3)

Trong đó: c2 3 / 40 và y là khoảng cách pháp tuyến tới tường. điều kiện biên

Các thành phần vận tốc được đặt bằng 0 trên các tường và đó là quan hệ tĩnh tại cho vùng tính toán. nếu các tường là quan hệ quay trong vùng tính toán thì quan hệ vận tốc ở trên tường sẽ đặt như là điều kiện Dirichlet.

* Đầu vào (Inlet)

Tại lối vào, tất cả các thuộc tính của dòng chảy trừ áp suất tĩnh được xác định. Các thuộc tính này có thể được nội suy từ các kết quả thí nghiệm hoặc lấy từ một profil được thiết lập hoàn toàn. Ví dụ như một profil parabol cho dòng chảy tầng hoặc 1/7 prôfil cho dòng chảy rối.

Các điều kiện biên ở lối vào ống hút cho số lượng dòng chảy rối là tương đối khó để quy định. Nên thừa nhận một cường độ và tỉ lệ chiều dài của rối và các thuộc tính cố định của dòng rối tại lối vào.

Động năng của dòng rối ở lối vào được mô tả như sau:

2 2 3 2 in in k   C (2.4)

Với:  - là cường độ dòng chảy rối 2

in

C - là giá trị vận tốc tuyệt đối trung bình ở lối vào.

Tỷ lệ chiều dài của dòng rối được dùng cùng với việc phân tích kích thước để thiết lập điều kiện biên lối vào cho vận tốc góc . Trong trường hợp mô hình của

Wilcox ta có: 1/ 2 * in in k l    (2.5)

Trong đó: * 0.09 và l là tỷ lệ chiều dài của dòng chảy rối

* Đầu ra (Outlet)

Tại lối ra được mở rộng, dòng chảy là ổn định và không có sự thay đổi về kích thước hình dạng vùng làm việc, dòng chảy được thừa nhận là phát triển đầy đủ và ổn định.

Để có được một phép toán giải đạt kết quả tốt thì toàn bộ lượng dòng chảy phải được đảm bảo hoàn toàn. Điều này là rất cần thiết để đảm bảo cho các phương trình áp suất được ổn định, cũng như sự tăng nhanh đáng kể về tốc độ hội tụ và có

tác động tích cực trên các lớp biên mở rộng nơi có dòng chảy vào. Sự phát triển của vận tốc được tính toán như sau:

out comp out in incr A m m u  . .   (2.6)

Trong đó: - là sự đối lưu trong vùng tại lối vào.

- là sự đối lưu được tính toán ở ngoài vùng tại lối ra (được tính toán từ phương trình ).

- là diện tích lối ra

Gia tăng vận tốc được thêm vào phương trình tính toán vận tốc tại lối ra

(2.7) Điều này được đảm bảo rằng toàn bộ tính liên tục của mô hình là được đảm bảo với mỗi phép tính lặp.

* Các điều kiện biên tuần hoàn (Periodic boundaries)

Các điều kiện biên tuần hoàn được áp dụng khi các véc tơ vận tốc có chuyển động quay xung quanh trục. Khi các biên tuần hoàn được xác lập thì chúng sẽ được kết nối với nhau.

2.3 Xác định mô hình nghiên cứu

2.3.1. Đặc điểm của mô hình lựa chọn

Bài toán được đặt ra là mô phỏng dòng chảy bao quanh ô tô và xác định hệ số cản của ô tô đó. Việc nghiên cứu đặc tính khí động học của ô tô thông qua các hệ số lực cản, lực nâng của xe trong các điều kiện làm việc thực tế tại Việt Nam là hết sức cần thiết. Thông qua đó, ta có thể xem xét, đánh giá đặc tính làm việc hiệu quả của xe nhằm giảm tính phát thải, giảm tiêu hao nhiên liệu…

Trên thị trường xe hơi hiện nay có rất nhiều mẫu có thể sử dụng phục vụ quá trình thử nghiệm do đó mẫu được lựa chọn nghiên cứu trong luận văn này là mô hình xe hơi của hãng BMW, cụ thể đó là dòng xe BMW X6.

+ Ưu điểm:

- Đầu dòng xe này ngắn nên phù hợp với chiều cao của người dùng Việt Nam khi lái xe có thể dễ dàng quan sát đặc biệt trong điều kiện tắc đường.

- Xe có độ bám đường tốt hơn những dòng xe khác, lái xe có cảm giác đầm tay hơn. - Khoang lái yên tĩnh, rất tiện nghi khi sử dụng xe

+ Nhược điểm:

- Gầm xe thấp và giảm xóc xe giường như chưa được Việt Hóa để phù hợp với điều kiện của Việt Nam

- Thời gian thay lốp sớm hơn những dòng xe khác cũng là do khổ lốp lớn hơn và thời gian tăng tốc nhanh hơn những dòng xe khác.

Hình 2.2: Xe BMW X6

2.3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng

Việc tính toán mô phỏng dòng xe BMW x6 được thực hiện ở dạng nguyên mẫu với tỷ lệ 1:1.

Bài toán đặt ra là tính toán hệ số hệ số cản khí động của xe, do đó vấn đề được đặt ra ở đây là thiết kế được hình dạng chính xác của loại xe đã lựa chọn và tính toán mô phỏng bằng phần mềm CFD để đưa ra hệ số cản khí động của xe với từng trường hợp khác nhau.

Hình 2.3: Hình ảnh xe được thiết kế trên 3DS

Hình 2.4 Hình ảnh xe được xây dựng solidwork

Việc tính toán mô phỏng ở dạng 3D đòi hỏi một tài nguyên máy tính rất lớn, chính vì vậy trong khuôn khổ nghiên cứu này bài toán được giới hạn ở dạng mô hình 2D. Các kết quả mô phỏng sau đó sẽ được so sánh với kết quả thực nghiệm được trình bày trong chương 3. Mô hình tính toán 2D của xe được thể hiện trong hình 2.5 dưới đây:

2.4 Đối tƣợng nghiên cứu

Sau khi xây dựng xong mô hình hình học để đưa ra được đặc tính hệ số cản khí động của xe ta cần giải quyết bài toán trên nhiều trường hợp khác nhau. Các trường hợp tính toán, mô phỏng khác nhau (thông qua thông số động học và hình học) được lựa chọn phù hợp với điều kiện hoạt động thực tế tại Việt Nam: