7. Kết cấu của luận án
2.4. Lựa chọn phương pháp tính tốn mơ phỏng dịng chảy trên tuyến luồng hàng hải
2.4.1. Giới thiệu CFD
CFD được viết tắt từ cụm từ tiếng Anh “Computational Fluid
Dynamics”, có nghĩa là tính tốn động lực học dịng chảy, với sự trợ giúp máy
tính, là một ngành khoa học tính tốn chun dự đốn đặc tính của dịng chất lưu. CFD thực hiện trên nền tảng các mơ hình tính tốn số kết hợp với thành tựu của cơng nghệ thơng tin, để giải các hệ phương trình tốn học liên quan [10], [73].
Trong những năm trở lại đây, đặc biệt trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, với sự phát triển của CFD đã giải quyết nhiều bài toán khoa học chuyên sâu, bài tốn hóc búa liên quan đến nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ của đời sống, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học ứng dụng, trong đó có lĩnh vực khoa học hàng hải.
Thực tiễn, triển khai thực nghiệm, CFD thể hiện ưu điểm và hạn chế:
Ưu điểm của CFD:
- Tiết kiệm thời gian và chi phí đầu tư nghiên cứu, nghiên cứu sâu bản chất tính tốn mơ phỏng trong điều kiện mà thực nghiệm gặp khó khăn hoặc thậm chí khơng thể tiến hành được, nhằm tìm kiếm trường hợp tối ưu. Khi chưa có hỗ trợ của máy tính, sản phẩm thường phải qua nhiều lần làm thử nghiệm. Mỗi lần làm thử nghiệm là đầu tư thời gian và tốn kém chi phí. Làm việc trong mơi trường mơ phỏng có thể đánh giá bước đầu về mơ hình, thiết kế, chế tạo,... để đưa ra các phương án hiệu chỉnh trước khi làm thực nghiệm.
- Có thể thực hiện mơ phỏng trong những điều kiện thực, điều kiện ảo, điều kiện lý tưởng, trong những điều kiện làm việc đặc biệt, như: Siêu thanh, không trọng lực, nhiệt độ lớn,... mà trong những điều kiện này không phải lúc nào con người cũng có thể tạo ra, đo đạc, giám sát được. Từ đó đưa ra những đánh giá phân tích kết quả trong nghiên cứu.
- Hữu hiệu trong cơng tác tiến hành thực nghiệm, bởi vì CFD cho phép xác định toàn bộ trường kết quả tại tất cả những điểm trong vùng khảo sát và mọi thời điểm khảo sát. Trong khi đó, khi tiến hành thực nghiệm, do hạn chế
về cơng nghệ và chi phí, mỗi lần tiến hành chỉ xác định được một số dạng thông số tại những thời điểm nhất định.
Hạn chế của CFD:
- CFD giải quyết bài tốn trên cơ sở mơ hình vật lý được tạo lập, vì vậy mỗi dạng bài tốn chỉ phù hợp với mơ hình vật lý của nó. Dĩ nhiên việc chọn sai mơ hình vật lý sẽ dẫn đến sai lệch về kết quả nghiên cứu.
- CFD ln tồn tại sai số do mơ hình tốn, sai số khi xây dựng và chọn bài tốn, thậm chí sai số bởi chính năng lực tính tốn của máy.
- CFD nhạy cảm với điều kiện biên, vì vậy tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng, việc lựa chọn điều kiện biên khi tính tốn rất quan trọng và góp phần quyết định mức độ chính xác của kết quả tính tốn.
Khi nghiên cứu ứng dụng CFD cần có cái nhìn tồn cảnh, bám sát vấn đề thực tiễn, nhằm giải quyết các bài tốn kỹ thuật đặt ra. Từ đó chỉ ra cho người sử dụng biết được điểm yếu, điểm mạnh của mỗi công cụ để phối hợp nhiều cơng cụ cho một bài tốn sẽ mang lại hiệu quả cao hơn.
Từ nghiên cứu về CFD, NCS thực hiện xây dựng quy trình chung ứng dụng CFD để tính tốn mơ phỏng theo hình 2.6 [8], [10], [54], [55], gồm 4 bước sau:
Bước 1: Xuất phát từ bài tốn thực tế, thực hiện xây dựng mơ hình nghiên cứu bám sát bài toán thực tế.
Đây là giai đoạn xây dựng mơ hình nghiên cứu, nghĩa là mơ hình hóa bài tốn thực tế, đảm bảo bám sát thực tế về điều kiện biên. Mơ hình nghiên cứu ngồi việc xây dựng đối tượng nghiên cứu, hoặc có thể xây dựng mơ hình đồng dạng với thực tế theo tỷ lệ đồng dạng nào đó, hơn nữa các đặc điểm chính của bài tốn thực cũng được mơ hình hóa gần với thực tế nhất.
Phân tích kết quả tính tốn mơ phỏng Bài tốn thực tế
Bước 1
Hình 2.7 Quy trình chung ứng dụng CFD để tính tốn mơ phỏng
Bước 2: Vẽ mơ hình, chia lưới và đặt điều kiện biên [8], [10], [11], [38] Sau khi xây dựng mơ hình nghiên cứu, tiến hành vẽ mơ hình có thể sử dụng một số phần mềm chun dụng như: Solidwork, Inventor, Gambit,… Việc chia lưới cho mơ hình là vấn đề quan trọng, quyết định lớn đến sai số tính tốn mơ phỏng, khối lượng tính tốn cũng như tốc độ tính tốn. Có thể lập trình chia lưới, sử dụng các phần chuyên dụng Gambit, Workbench,…
Ph ân tíc h, so sá nh , từ đó đè xu ất, ki ến ng hị vớ i bà i to
Xây dựng mơ hình bài tốn nghiên cứu bám sát với thực tế
Bước 2
Vẽ mơ hình, chia lưới và đặt điều kiện biên
Bước 3 Th ay đổ i đi ều ki ện bi ên , th ôn g số th eo bà i to
Ứng dụng CFD với Fluent - Ansys tính tốn mơ phỏng nhận giá trị đầu ra
Để triển khai thực hiện, địi hỏi có máy tính chun dụng cơng nghiệp với cấu hình cao. Bởi vì, cấu hình máy tính sử dụng là yếu tố quan trọng quyết định độ mịn lưới cho phù hợp. Mặt khác, độ chính xác của bài tốn phụ thuộc nhiều vào vấn đề chia lưới, điều kiện biên khá phức tạp của bài toán.
Bước 3: Ứng dụng CFD với Fluent - Ansys để tính tốn mơ phỏng, từ đó cho kết quả nhận được tại đầu ra.
Đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về phương pháp số, kỹ năng sử dụng CFD để lựa chọn được các mơ hình tính tốn mơ phỏng phù hợp. Trên cơ sở các điều kiện biên trong bước 2, ghi lại những biến quan tâm mà kết quả đầu ra dự định nhận được để phục vụ việc phân tích và đánh giá kết quả.
Bước 4: Kết quả tính tốn mơ phỏng các giá trị nhận được.
Phân tích cụ thể các kết quả nhận được theo đối tượng tính tốn. Nhưng thể hiện chúng như thế nào, đánh giá sự phù hợp với lý thuyết và thực tế, từ đó là cơ sở phân tích ảnh hưởng của các yếu tố này đối với thực tiễn chuyên ngành. Đồng thời có thể có những đề xuất hoặc khuyến nghị đối với khoa học chuyên ngành, phù hợp với lĩnh vực, đối tượng nghiên cứu. Trường hợp cần thiết hồn tồn có thể hiệu chỉnh lại kết quả nếu cần.
Khi thay đổi bất kỳ thông số liên quan, phải thực hiện vẽ lại mơ hình, chia lưới và đặt điều kiện biên cho phù hợp thực tiễn nhất. Như vậy, việc thực hiện quy trình bắt đầu từ bước 2 trở đi.