1.3. Tổng quan về mô phỏng CFD và các ứng dụng công nghiệp
1.3.1. Tại sao lại cần đến mô phỏng CFD?
CFD (Computational Fluid Dynamics): Tính tốn động lực học chất lưu, các vấn đề về khí động học trong kỹ thuật, mơ phỏng tác động của dịng chảy nhiệt trong các quá trình. Đây là một giải pháp được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực, nghiên cứu thực tiễn như: xây dựng các cơng trình đập thủy điện, thiết kế các hệ thống thơng gió, khảo sát khí tượng, cũng như thử nghiệm các phương tiện, khí tài quân sự-trinh sát, khảo sát các dịng chảy của vật liệu trong khn… Giúp đánh giá được những tác động của các yếu tố ngoại cảnh (thực tế) lên các đối tượng khảo sát. Do đó hiện nay CFD được sử dụng rất rộng rãi trên rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống.
Bảng 1.1 Một số nguyên nhân giải thích tại sao CFD được sử dụng rộng rãi?
Sự ưu việt của mô phỏng CFDTiết kiệm thời gian
- Tốc độ tính tốn mơ phỏng đã và đang được cải thiện đáng kể
- Hệ thống tiêu chuẩn cho mơ phỏng CFD hồn thiện
- Sự hoàn thiện của lý thuyết mô phỏng CFD
- Nhiều tiềm năng ứng dụng trong kỉ nguyên internet vạn vật (loT) và kỹ
- Rút ngắn thời gian khi giải quyết vấn đề bằng cách dùng mô phỏng để xác định nguyên nhân vấn đề
- Rút ngắn đáng kể q trình thiết kế và thương mại hóa sản phẩm bằng mô phỏng
thuật số song song (Digital Twin)
Tiết kiệm chi phíTối ưu hố về phát triển bền vững
- Sử dụng ít thí nghiệm, thiết bị phân tích đo lường cho công việc nghiên cứu và thiết kế
- Giúp quá trình & thiết bị hoạt động hiệu quả, tiêu tốn ít nguyên vật liệu và năng lượng
- Giúp quá trình & thiết bị hoạt động hiệu quả và ổn định hơn, cho ra sản phẩm tốt hơn
- Giúp cải thiện tính an tồn và bảo vệ mơi trường
Nói riêng về ứng dụng của CFD trong lĩnh vực IoT thì gần đây nhiều tập đồn lớn như General Electric, Azure, Siemens, IBM, Cisco, Oracle, QiO Technologies, Dassault Systems, ANSYS, hay Bosch đã sử dụng rộng rãi mô phỏng CFD kết hợp với IoT như một công cụ tạo ra lượng lớn dữ liệu (big data) cho các mơ hình máy học
(machine learning), qua đó tạo thành một ngành mới có tên là ngành kỹ thuật số song song (Digital Twin).
1.3.2. Mơ phỏng CFD là gì?
Mơ phỏng CFD (cịn được gọi là Mơ phỏng động lực học dịng chảy) là một nhánh của cơ học chất lưu (fluid mechanics) sử dụng phương pháp số và cấu trúc dữ liệu nhằm phân tích và giải quyết các bài tốn liên quan đến chuyển động của chất lưu. Kết quả mô phỏng thu được giúp ta hiểu sâu về bản chất của dịng chảy và các tác động của nó tới q trình khảo sát. Để thực hiện các mơ phỏng CFD thì chúng ta có thể sử dụng các phần mềm mơ phỏng thương mại (commercial code) như FLUENT, CFX của Ansys, STAR-CCM+ của Siemens, hay các phần mềm mã nguồn mở (open- source code) như OpenFOAM.
Vào những năm 1922, Lewis Fry Richardson (1881-1953) đã đặt nền móng đầu tiên cho CFD. Tuy nhiên, mãi đến năm 1967 thì những mơ hình CFD 3 chiều (3D) đầu tiên cho mô phỏng cánh máy bay mới được cơng bố. Kể từ đó CFD được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu của NASA và Boeing. Nền móng cơ bản của hầu hết các vấn đề CFD đó là phương trình Navier-Stokes vốn dùng để định nghĩa các dịng chảy đơn pha (khí hoặc lỏng, nhưng khơng đồng thời khí và lỏng). Từ nền móng đó, bằng việc giả sử đơn giản hóa các thành phần của phương trình Navier-Stokes ta có các phương trình khác như phương trình Euler, dịng Stokes, dòng Fanno, dòng Rayleigh, v.v. Hoặc ngược lại, bằng việc bổ sung các khái niệm như “nhiệt độ hạt” – năng lượng dao động của hạt rắn (granular temperature – solids fluctuating energy) thì các hệ đa pha khí-rắn được giải gần giống như dịng liên tục.
Cho đến ngày nay, các vấn đề cơ bản của CFD nếu phân loại theo dạng mơ hình tốn học thì bao gồm:
- Các dịng chảy cơ bản và dịng chảy rối bên trong và ngồi vật thể - Dòng phản ứng đốt cháy
- Dòng nén được - Truyền nhiệt
- Dịng đa pha có hạt phân tán trong pha liên tục - Dòng đa pha liên tục và bề mặt phân riêng pha
- Tương tác qua lại giữa dòng chảy và vật thể chịu tác động - Dòng đa cấu tử
- Tương tác giữa động lực học dòng chảy và chuyển động phân tử hoặc từ trường
Hình 1.26 Mơ hình căn bản trong mơ phỏng CFD
1.3.3. Quy trình mơ phỏng CFD
Tuy rằng chưa có bất cứ tiêu chuẩn nào rõ ràng cho các quy trình mơ phỏng CFD nhưng căn cứ vào kinh nghiệm và các tài liệu nội bộ của phịng thí nghiệm Los Alamos (USA), thì quy trình mơ phỏng CFD có thể được chia ra hai loại chính:
a)Quy trình cơ bản cho người dùng:
Nhằm giúp cho người dùng dễ dàng làm theo các tác vụ của việc mơ phỏng CFD, quy trình cơ bản của mơ phỏng CFD chia ra làm các bước: (1) Tạo hình học, (2) Đơn giản hóa hình học, (3) Rời rạc hóa miền tính tốn – được gọi là q trình chia lưới, (4) Thiết lập thơng số mơ hình, (5) Chạy mơ phỏng, (6) Kiểm tra tính hội tụ của phương pháp số, (7) Mô phỏng cho các trường hợp hợp khác nhau, (8) Phân tích kết quả mơ phỏng, và (9) Tạo báo cáo.
Hình 1.27 Quy trình cơ bản cho người sử dụng mơ phỏng CFD
b)Quy trình nâng cao cho các kỹ sư:
Quy trình này được kết hợp bởi các quy trình cơ bản và thêm vào đó là quy trình đánh giá (assessment) mơ hình CFD bao gồm: Kiểm tra (verification) và Kiểm nghiệm (validation).
Quy trình kiểm tra (verification) mơ hình CFD:
Bản chất của các mơ hình đều dựa vào các phương trình tốn học (mathematical model), nhưng việc giải các mơ hình trên máy tính lại bằng các phương pháp số (numerical method). Mục đích của quy trình kiểm tra mơ hình CFD nhằm giảm thiểu các sai số do phương pháp số gây ra. Trong CFD thì kiểm tra mơ hình CFD ám chỉ việc: (1) Kiểm nghiệm lưới (mesh-independent test), (2) Sàng lọc lỗi trong các thuật toán (bugs), và (3) Phương pháp tính (numerical scheme). Chi tiết của quy trình kiểm tra mơ hình sẽ được mơ tả chi tiết trong các bài viết sau này.
Quy trình kiểm nghiệm (validation) mơ hình CFD:
Nhằm mục đích so sánh kết quả từ mơ hình CFD và kết quả đo đạc thực tế, quy trình kiểm nghiệm được sử dụng trong hầu hết các bước phát triển mơ hình. Quy mơ của kiểm nghiệm mơ hình CFD có thể là: (1) Kiểm nghiệm một phần hệ thống trong điều kiện giới hạn tại điều kiện phịng thí nghiệm, (2) Kiểm nghiệm tồn bộ hệ thống trong điều kiện thực tế, (3) Kiểm nghiệm nhiều thông số khác nhau trong các dải điều kiện làm việc khác nhau, hoặc (4) Kiểm nghiệm thời gian thực. Quy mơ càng tồn diện và càng nhiều thơng số được kiểm nghiệm thì mức độ tin cậy của mơ hình càng lớn.
1.3.4. Các ứng dụng thực tiễn của mơ phỏng CFD
Ngày nay thật khó để tìm các lĩnh vực cơng nghiệp mà khơng có sự góp mặt của mơ phỏng CFD. Ứng dụng phổ biến nhất của mơ phỏng CFD trong các ngành cơng nghiệp có thể phân loại thành các nhóm như sau:
Cơng nghiệp hàng không và vũ trụ:
Đây là một trong những ngành công nghiệp đầu tiên ứng dụng mô phỏng CFD. Một trong những ứng dụng nổi bật đó là dùng mơ phỏng để tối ưu biên dạng cánh nâng (airfoil).
Công nghiệp sản xuất ô tô:
Từ việc mô phỏng phản ứng đốt cháy trong động cơ đến mô phỏng lực cản tại vỏ xe, CFD đóng góp một phần rất lớn trong nghiên cứu và phát triển của các hãng xe nổi tiếng như: Mercedes, Tesla, hay BMW.
Công nghiệp xây dựng:
Mô phỏng đánh giá các chỉ số tiện nghi trong và ngồi tịa nhà. Mơ phỏng và tối ưu hóa hệ thống sưởi ấm (heating), thơng gió (ventilation), và điều hịa khơng khí (air conditioning) – HVAC, và hệ thống làm lạnh.
Hệ thống cơng nghiệp hóa chất và dầu khí:
Mơ phỏng thiết bị phản ứng (khuấy trộn CSTR, tầng sôi, cột sủi bọt – bubble column, v.v), tháp chưng cất, tháp hấp thụ, hệ thống ống nối, hay hệ thống nồi hơi tận dụng nhiệt.
Thiết bị công nghiệp:
Bơm, quạt, máy nén, tua bin, và các thiết bị phân tách ly tâm (cyclone), phân tách pha, trao đổi nhiệt.
Công nghệ y sinh và dược phẩm:
Thiết kế các thiết bị vi dịng chảy (microfluidics), vi khuấy trộn (micromixing), mơ phỏng dịng chảy trong mạch máu.
Thời tiết và khí hậu:
Mơ hình phỏng đốn thời tiết và thiên tai. Hàng hải và đóng tàu:
CHƯƠNG 2:XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG KHÍ ĐỘNG LỰCHỌC Ơ TƠ HỌC Ơ TƠ
2.1.Cơ sở lí thuyết khí động học
Để mơ tả dịng chảy của mơi chất bất kỳ một cách đầy đủ người ta thường sử dụng phương trình Navier-Stokes, được viết dưới dạng một hệ gồm 3 phương trình: phương trình bảo tồn khối lượng (cịn gọi là phương trình liên tục), phương trình bảo tồn động lượng và phương trình bảo tồn năng lượng.
Các nghiên cứu về khí động học ơ tơ đã chỉ ra rằng, dịng khí bao quanh ơ tơ là dịng chảy dưới âm với M < 0.3, nên có thể chấp nhận giả thiết là chất khí khơng chịu nén. Khi đó, bài tốn khí động học chỉ cịn lại hai phương trình: phương trình liên tục và phương trình bảo tồn động lượng. Các phương trình này có thể được viết dưới nhiều dạng khác nhau. Dưới dạng véc tơ, các phương trình mơ tả khí động học ơ tơ dưới dạng véc tơ được viết như sau:
Phương trình liên tục:
(2.1) Phương trình bảo tồn động lượng:
(2.2) Trong đó : là vận tốc
ρ là khối lượng riêng của khơng khí p là áp suất
là thể tích đàn hồi
ν là độ nhớt động học của khơng khí
2.2.Mơ phỏng dịng chảy khơng khí
2.2.1. Các cơng cụ tốn học và ký hiệu quy ước
Các phương trình vi phân mơ tả dịng chảy khơng khí dưới dạng khai triển thường rất cồng kềnh, nên người ta thường sử dụng các cách viết khác nhau nhằm rút gọn nó.
a) Các toán tử
Gradient của áp suất p: (2.3) Trong đó là các véc tơ đơn vị.
Đối với véc tơ vận tốc u trong hệ tọa độ Đề Các (x, y, z) với các thành phần theo các phương tương ứng là u, v, w ta sử dụng ký hiệu u (hoặc ):
(2.4) (2.5) Toán tử Laplace:
(2.6) Đạo hàm toàn phần tử của hàm u (x, y, z, t):
(2.7)
b)Các kí hiệu quy ước:
Các phương trình đạo hàm riêng viết dưới dạng khai triển thường rất dài, nên trong Đồ án sẽ sử dụng cách viết gọn với các ký hiệu quy ước sau :
- đạo hàm riêng của thành phần thứ i của u theo tọa độ j; - đạo hàm riêng theo thời gian của p;
(2.8)
2.2.2. Các phương trình mơ phỏng
a)Phương trình bảo tồn khối lượng
Với các ký hiệu quy ước trên đây, phương trình 2.1 được viết lại dưới dạng khai triển trong hệ tọa độ Đề Các như sau:
(2.9) Hoặc dưới dạng:
(2.10)
b)Phương trình bảo tồn động lượng
Bằng cách chiếu phương trình 2.2 xuống các trục của hệ tọa độ (x, y, z) người ta thu được 3 phương trình:
(2.11) Trong đó: là các thành phần của lực thể tích.
Nếu bỏ qua lực thể tích (do khối lượng riêng của khơng khí rất nhỏ), phương trình trên có thể được viết gọn lại dưới dạng như sau:
Số hạng cuối cùng của phương trình trên đặc trưng cho lực cản nhớt. Nếu gọi ứng suất nhớt trên một thể tích ngun tố của chất khí là (hình 2.1), thì phương trình 2.12 có thể viết dưới dạng:
(2.13)
Hình 2.30 Các thành phần ứng suất trên khối chất lỏng
Như vậy, để mơ tả dịng chảy khơng khí bao quanh vỏ xe ơ tơ, ta có hệ phương trình: (2.14) Về ngun tắc, đây là bài tốn khép kín. Tuy nhiên, cho tới nay hệ phương trình này vẫn chưa có lời giải lý thuyết đầy đủ và các nhà nghiên cứu vẫn phải sử dụng các phương pháp và công cụ gần đúng để tính tốn dịng chảy khí động học ơ tơ.
Khó khăn lớn nhất trong việc giải bài tốn khí động học nằm ở mức độ phức tạp của các phương trình vi phân đạo hàm riêng. Vì vậy, để giải bài tốn này, trong đại đa số các trường hợp các nhà nghiên cứu buộc phải chấp nhận các giả thiết đơn giản hóa. Điều này ít nhiều ảnh hưởng đến tính xác thực và độ chính xác của kết quả. Mặc dù vậy, tùy theo mục đích nghiên cứu và yêu cầu về cấp độ chính xác của bài tốn mà người ta có thể chấp nhận các giả thiết khác nhau để giảm bớt mức độ phức tạp của nó mà vẫn đạt được các kết quả mong muốn.
2.2.3. Các thông số đặc trưng
Như đã trình bày trong Chương 1, các thơng số thường dùng để đánh giá dịng chảy khí động học là số Reynolds và số Mach. Số Reynolds thường được dùng để xác định trạng thái dòng chảy và được định nghĩa theo cơng thức 1.3:
Có thể thấy rằng số Re chứa 3 thơng số có ảnh hưởng quyết định đến dịng chảy khơng khí: vận tốc u, kích thước L và độ nhớt µ. Vì vậy, ngồi việc được sử dụng để xác định trạng thái của dòng chảy, số Re còn được sử dụng để đánh giá tính tương tự giữa hai dịng chảy trong nghiên cứu khí động lực học.
Trong đó: L- thơng số hình học đặc trưng (m); µ- hệ số độ nhớt động lực (N.s/m2);
a- vận tốc truyền âm trong khơng khí (~ 330 m/s)
Các tính chất của dịng chảy phụ thuộc mạnh vào số Mach nên phương pháp mô tả và nghiên cứu nó cũng được lựa chọn tùy theo M. Người ta thường phân loại dòng chảy theo Mach như sau:
M < 0,3: dịng chảy khơng nén. M < 1: dòng chảy dưới âm. M ≈ 1: dòng chảy cận âm. M > 1: dịng chảy siêu âm.
Đối với dịng chảy khơng khí bao quanh vỏ xe ô tô, vận tốc thường không lớn nên số M cũng rất nhỏ. Chẳng hạn, với vận tốc 300 km/h (chỉ một số xe đua mới đạt được vận tốc này) thì M ≈ 0,25, nên khi nghiên cứu khí động học ơ tơ người ta thường sử dụng các mơ hình dịng chảy khơng nén. Giả thiết chất khí là mơi chất khơng chịu nén giúp cho các nhà nghiên cứu đơn giản hóa được phương trình Navier - Stokes, đưa nó trở thành bài tốn có mức độ phức tạp thấp hơn rất nhiều.
Ngồi 2 thơng số trên, để nghiên cứu sự phân bố áp suất trên vỏ xe, người ta thường sử dụng áp suất không thứ nguyên Cp:
(2.15) Trong đó: p là áp suất tại điểm đang xét
và là áp suất và vận tốc tại điểm quy chiếu (ở xa vùng nhiễu động do vật cản nằm trong dịng chảy và khơng chịu ảnh hưởng của nó).
Sự phân bố áp suất trên vỏ xe chỉ rõ vị trí hình thành các vùng xốy thấp áp. Vì vậy, Cp được coi là thông số rất quan trọng trong việc phân tích, đánh giá và hồn thiện dạng khí động học của vỏ xe. Áp suất trong dòng chảy bao quanh vỏ xe có thể được xác định bằng phương pháp tính tốn mơ phỏng hoặc bằng cách đo đạc thực nghiệm.
2.2.4. Mô phỏng dịng chảy rối
Như đã trình bày trên đây, khó khăn chính của bài tốn khí động lực học ơ tơ là việc giải một hệ các phương trình vi phân đạo hàm riêng. Tuy nhiên, trong thực tế vấn đề còn phức tạp hơn nữa do dịng chảy khơng khí bao quanh vỏ xe ơ tơ là dòng rối. Trong điều kiện này, các thơng số của dịng chảy (u, v, w và p) tại một điểm bất kỳ trong không gian biến thiên liên tục theo thời gian. Mức độ phức tạp của bài tốn phụ
thuộc vào kích thước của dịng rối, thời gian tồn tại và tốc độ biến thiên của các thơng số của nó.
Để giải quyết các vấn đề trên, các nhà nghiên cứu đã phải đưa ra các phương pháp khác nhau để mô tả các thông số của dịng rối. Tùy theo cách mơ tả dịng rối mà các người ta có được các mơ hình khác nhau để giải bài tốn khí động học ơ tơ. Dưới đây là một số mơ hình thơng dụng.
Hiện nay, để giải bài tốn khí động học ơ tơ trong điều kiện dịng chảy rối, người