CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG CFD KHẢO SÁT SƠ BỘ BIÊN DẠNG ROBOT LẶN
4.1 Mô phỏng số động lực học dòng chảy
CFD – Computational Fluid Dynamics (tính toán động lực học chất lưu có 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.
CFD có nghĩa là tính toán động lực học chất lưu có trợ giúp của máy tính là một ngành khoa học tính toán chuyên dự đoán các đặc tính của dòng chất lưu, các quá trình nhiệt động học, các phản ứng hóa học, v.v… bằng việc sử dụng các mô hình tính toán số để giải các phương trình toán học liên quan. Đối với các bài toán dòng chảy, các phương trình tổng quát như phương trình liên tục, phương trình năng lƣợng, ... tùy theo yêu cầu của mô hình vật lý cụ thể đƣợc áp dụng, kết hợp với các phương pháp số để tính toán số hóa trên máy tính.
Cùng với sự phát triển của khoa học máy tính, CFD đã trở thành công cụ nghiên cứu hiệu quả đƣợc phát triển và ngày càng phổ biến bên cạnh việc nghiên cứu thực nghiệm truyền thống. Quy trình nghiên cứu sẽ đi từ tính toán thiết kế lý thuyết, rồi tính toán mô hình số, sau đó là quá trình làm thực nghiệm. Với sự trợ giúp của máy tính cùng các phần mềm hỗ trợ, nhà thiết kế không chỉ có thể rút ngắn thời gian nghiên cứu và thử nghiệm, tiết kiệm đƣợc chi phí đầu tƣ mà còn có thể nghiên cứu sâu hơn bản chất hiện tƣợng tính toán mô phỏng ở những điều kiện mà thực nghiệm gặp khó khăn hoặc không thể tiến hành đƣợc.
4.1.2 Ƣu nhƣợc điểm của CFD.
Ƣu điểm
Ƣu điểm lớn nhất của CFD là tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu đƣa ra sản phẩm mới. Khi chƣa có các công cụ hỗ trợ của máy tính, các sản phẩm mới thường phải qua rất nhiều lần làm thử nghiệm, hiệu chỉnh để có thể tối ưu sản phẩm.
Mỗi lần thử nghiệm là phải đầu tư thời gian và tiền bạc. Làm việc trong môi trường mô phỏng có thể đánh giá được thiết kế để đưa ra hiệu chỉnh trước khi làm thực nghiệm.
Mô phỏng được những điều kiện thực, điều kiện ảo, điều kiện lý tưởng. Trong những điều kiện làm việc đặc biệt ( ví dụ: Siêu thanh, không trọng lực, nhiệt độ lớn, v.v…), không phải lúc nào con người cũng có thể tạo ra, đo đạc và giám sát được.
Trong tình huống này, CFD có thể mô phỏng những điều kiện trên, từ đó đƣa ra những kết quả ý nghĩa trong công tác nghiên cứu, dự đoán.
Khi tiến hành thực nghiệm, do hạn chế về công nghệ, chi phí nên mỗi lần tiến hành ta chỉ xác định đƣợc 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, tại tất cả thời điểm khảo sát.
Hạn chế
Về mô hình vật lý: CFD giải quyết bài toán trên cơ sở mô hình vật lý đƣợc tạo lập, mỗi dạng bài toán chỉ phù hợp với mô hình vật lý của nó. Việc chọn sai mô hình vật lý có thể dẫn đến sai lầm về kết quả.
Về sai số: Sai số do mô hình toán, sai số bởi năng lực tính toán của máy, sai số khi xây dựng và chọn bài toán. Nên chọn mô hình toán và xây dựng mô hình phù hợp để giảm sai số.
Về điều kiện biên: Điều kiện biên chọn khi tính toán rất quan trọng, quyết định kết quả tính toán chính xác hay không.
4.1.3 Các lĩnh vực áp dụng CFD hiện nay.
Công nghệ đóng tàu
Y tế và chăm sóc sức khỏe Máy thủy lực
Môi trường
Trong công nghiệp chế tạo các phương tiện giao thông đường bộ Ứng dụng trong công nghệ nhiệt
Trong nghiên cứu các phản ứng hóa học
Khởi nguồn của Fluent bắt đầu vào những năm 1980 khi mà CFD đang bắt đầu trở thành một trong những mục tiêu hấp dẫn trong nghiên cứu và phát triển tại Hoa Kỳ.
Fluent là phần mềm chuyên dụng trong tính toán cơ học chất lưu và truyền nhiệt dựa trên nền tảng CFD, còn Workbench 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.
4.1.4 Các bước mô phỏng và tính toán trên phần mềm Fluent.
Để tiến hành tính toán mô phỏng trong Ansys Fluent cần phải trải qua các bước cơ bản sau (Hình 4.1):
Hình 4.1: Sơ đồ tính toán trong ANSYS FLUENT
Bước1-2 (Geometry): Xây dựng mô hình trên Solidworks sau đó đưa vào Workbench thực hiện mô phỏng.
Trước tiên trong mô phỏng cần có mô hình, Ansys cung cấp phần mềm Design Modeler để người dùng có thể xây dựng các mô hình dạng hình học của mô hình nghiên cứu. Design Modeler có đầy đủ các công cụ vẽ đồ họa để có thể xây dựng được các mô hình từ đơn giản tới phức tạp. Người dùng cũng có thể sử dụng bất cứ phần mềm đồ họa kĩ thuật nào để xây dựng mô hình để đƣa vào mô phỏng. Các phần mềm hỗ trợ trực tiếp nhƣ: ACIS, CATIA V5 (Spatial and CAPRI), IGES, Parasoild, Pro/ENGINEER, Solid Edge, SolidWorks, and STEP [1], [6], [7].
Bước 3 (Meshing): Chia lưới.
Mô hình dạng hình học xây dựng được sẽ được chuyển sang bước lưới hóa trong phần MESHING. Nó cung cấp khả năng linh hoạt trong việc chia lưới cho mô hình hoàn chỉnh, bao gồm cả khả năng sử dụng lưới phi cấu trúc có thể tạo được lưới cho các mô hình hình học phức tạp tương đối dễ dàng. Các loại lưới hỗ trợ bao gồm 2D:
hình tam giác, tứ giác; 3D: tứ diện, lục diện,kim tự tháp, nêm, đa diện, và hỗn hợp (Hình 4.2). Ansys Fluent cũng cho phép bạn tinh chỉnh hay làm thô lưới một cách dễ dàng.
Hình 4.2: Các dạng lưới trong MESHING
Bước 4 (Setup): Chọn mô hình toán khai báo điều kiện biên trong Fluent.
Bước 5 (Solution): Tính toán trong Fluent.
Bước 6 (Results): Kết xuất kết quả trong CFD-Post.
Hình 4.3 Trình tự mô phỏng động lực học trong Fluid Flow (Fluent)