CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE
2.1. Mô phỏng khí động học vỏ xe bằng ANSYS - FLUENT
2.1.2. Mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe bằng FLUENT
FLUENT thực hiện mô phỏng và tính toán khí động học bằng phương pháp thể tích hữu hạn dựa trên các phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình bảo toàn động lượng và phương trình bảo toàn năng lượng để mô phỏng và giải các bài toán khí động học ô tô.
FLUENT giải quyết bài toán khí động học bằng phương pháp thể tích hữu hạn với trình tự thực hiện như sau:
- Xác định mục đích cần giải quyết của bài toán - Xác định vùng không gian mô phỏng
- Xây dựng mô hình hình học
- Tạo lưới (rời rạc hóa vùng không gian tính toán) - Xác định và thiết lập các điều kiện biên của bài toán - Chạy chương trình mô phỏng
- Kết xuất và xử lý kết quả.
2.2. MO HINH 3D VỎ XE DU LỊCH
FLUENT sử dụng các mô hình phẳng (2D) và mô hình không gian (3D) trong mô phỏng khí động học.
Mô hình 2D có ưu điểm là việc xây dựng mô hình, chia lưới, chạy bài toán tốn ít thời gian, không yêu cầu cấu hình máy tính quá mạnh và do đó tiết kiệm được chi phí.
Nó thể được sử dụng cho các tính toán sơ bộ với kết cấu đơn giản. Tuy nhiên, mô hình này chỉ được khuyến cáo sử dụng đối với các kết cấu có tính đối xứng hình học. Hơn nữa, mô hình loại này không mô tả được đầy đủ bản chất của mô hình và chất lưu (trừ một số mô hình đơn giản đặc biệt).
Trong đại đa số các bài toán khí động học, người ta sử dụng mô hình 3D. Mô hình loại này có những ưu điểm sau:
- Mô tả được đúng bản chất vật lý của mô hình và chất lưu
- Mô tả chi tiết các thông số của dòng chảy trong toàn bộ khu vực mô phỏng - Áp dụng được cho mọi dạng mô hình hình học.
Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản trên dòng xe du lịch ( Honda City ) bằng phần mềm Ansys - Fluent
SVTH: Lê Sĩ Quân GVHD: ThS. Nguyễn Quang Trung 22
Tuy nhiên, mô hình 3D có nhược điểm lớn là số lượng phần tử lớn dẫn đến yêu cầu cấu hình máy tính mạnh, thời gian mô phỏng dài, tốn chi phí hơn nhiều so với mô hình 2D.
Với những phân tích trên đây, để thực hiện việc mô phỏng dòng khí chuyển động bao quanh vỏ xe du lịch đáp ứng yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy cao, vì vậy đã lựa chọn mô hình dạng 3D. Trên hình 2.1 thể hiện mô hình vỏ xe ô tô du lịch dạng 3D là đối tượng đề tài của Đồ án.
Hình 2.1: Mô hình vỏ xe du lịch 3D
2.3. XÁC ĐỊNH VÙNG KHÔNG GIAN MÔ PHỎNG
Vùng không gian mô phỏng là vùng không gian bao quanh vật thể, được giới hạn trong quá trình mô phỏng. Việc lựa chọn các kích thước của vùng không gian này được thực hiện sao cho bài toán mô phỏng sát với điều kiện vận hành thực tế nhằm đạt được kết quả có độ chính xác và độ tin cậy cao đồng thời khối lượng tính toán (nhu cầu về dung lượng bộ nhớ, cấu hình máy tính, thời gian tính toán, …) là tối thiểu.
Trong tự nhiên, không khí chuyển động quanh vật thể đứng yên hoặc vật thể chuyển động và đương nhiên, vùng không gian quanh vật thể đó sẽ có giới hạn ở vô cực (hay nói cách khác là không có giới hạn). Khi mô phỏng trên máy tính, ta không thể lựa chọn một vùng không gian có giới hạn ở vô cực để thực hiện tính toán vì sẽ không có máy tính nào đủ mạnh để có thể thực hiện được điều này (cấu hình, bộ nhớ đệm của máy tính là hữu hạn).
Trên thực tế vùng không khí bao quanh vật thể chịu sự nhiễu động với các vùng chảy rối, vùng chảy tầng,… phân bố một cách ngẫu nhiên. Nhưng càng xa vật thể thì
Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản trên dòng xe du lịch ( Honda City ) bằng phần mềm Ansys - Fluent
SVTH: Lê Sĩ Quân GVHD: ThS. Nguyễn Quang Trung 23
không khí chuyển động càng ổn định hơn và đến một khoảng cách nào đó đủ lớn thì có thể xem như dòng chuyển động của không khí là dòng chảy tầng và không chịu ảnh hưởng của vật thể cũng như chuyển động của nó. Đây chính là cơ sở để xác định kích thước của vùng không gian mô phỏng. Nghĩa là, vùng không gian mô phỏng được giới hạn bởi các mặt phẳng mà ở đó dòng chảy không khí là dòng chảy tầng và không chịu ảnh hưởng của vật thể cũng như chuyển động của nó.
Tuy nhiên, cũng không thể lựa chọn một vùng không gian quá lớn để thực hiện mô phỏng vì sẽ dẫn đến lãng phí tài nguyên của máy tính, tăng thời gian mô phỏng mà độ chính xác, hiệu quả mô phỏng không được cải thiện thêm nhiều. Bởi vậy, cần phải xác định được các kích thước nhỏ nhất của vùng không gian giới hạn bao quanh vật thể để thực hiện mô phỏng sao cho nó không ảnh hưởng tới kết quả tính toán.
Vì vậy, khi bắt đầu thực hiện mô phỏng, xác định kích thước của vùng không gian mô phỏng này thực sự là một khó khăn. Tuy nhiên, với kích thước mô hình vỏ xe du lịch và đặc điểm của dòng khí bao quanh vỏ xe, theo kinh nghiệm mô phỏng được đưa ra trong tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm ANSYS-FLUENT, vùng không gian bao quanh vỏ xe ban đầu được lựa chọn để mô phỏng khảo nghiệm là hình hộp chữ nhật có các kích thước tối thiểu như sau:
- Chiều rộng lớn hơn hoặc bằng 10 lần chiều rộng toàn bộ của xe.
- Chiều cao lớn hơn hoặc bằng 5 lần chiều cao toàn bộ của xe.
- Chiều dài vùng không gian mô phỏng phía trước đầu xe lớn hơn hoặc bằng 2 lần chiều cao toàn bộ của xe và chiều dài vùng không gian mô phỏng phía sau đuôi xe lớn hơn hoặc bằng 10 lần chiều cao toàn bộ của xe.
Hình 2.2 - Các kích thước của không gian mô phỏng lần đầu
Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản trên dòng xe du lịch ( Honda City ) bằng phần mềm Ansys - Fluent
SVTH: Lê Sĩ Quân GVHD: ThS. Nguyễn Quang Trung 24
Cách thức để lựa chọn vùng không gian mô phỏng hợp lý là quan sát các trường vận tốc để xác định độ mượt của dòng, giới hạn không gian các xoáy để từ đó thu nhỏ không gian mô phỏng. So sánh kết quả tính toán cho không gian mô phỏng ban đầu và không gian đã thu nhỏ phải có sự sai khác là tối thiểu.
Để đánh giá mức độ chính xác của việc lựa chọn vùng không gian mô phỏng FLUENT đưa ra tiêu chí cụ thể là: trong quá trình chạy mô hình để giải bài toán không có hiện tượng dòng chảy ngược, tức là dòng vào vùng không gian mô phỏng - inlet bị xoáy ngược ra hoặc dòng ra khỏi vùng không gian mô phỏng - outlet bị quay ngược vào (hình 2.3).
Hình 2.3 - Ví dụ về một số dạng dòng chảy ngược
Để xác định vùng không gian mô phỏng, dòng chảy ngược được coi là tiêu chí then chốt và cũng dễ xác định nhất. Trong quá trình tính toán, nếu xuất hiện dòng chảy ngược gây ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng, ANSYS FLUENT sẽ tự động đưa ra cảnh báo.
Khi đó người lập trình buộc phải tiến hành lựa chọn lại vùng không gian tính toán.
2.4. CHIA LƯỚI
Chia lưới thực chất là việc rời rạc hóa vùng không gian mô phỏng thành các phần tử để thực hiện việc tính toán gần đúng bằng phương pháp số (trong FLUENT là phương pháp thể tích hữu hạn). Việc chọn kiểu lưới, số lượng phần tử, kích thước lưới, mật độ lưới phụ thuộc vào các yếu tố sau: tính chất của bài toán mô phỏng, độ chính xác cần thiết của kết quả mô phỏng, cấu hình máy tính hiện có và thời gian để thực hiện mô phỏng bài toán.
Tính chất của bài toán mô phỏng ở đây được hiểu là dạng bài toán mô phỏng (mô hình mô phỏng dòng chảy rối hay dòng chảy tầng; mô hình đề tài hiện tượng, quá trình cần mô phỏng chi tiết hay mô hình đề tài công nghiệp,…). Từ tính chất của bài toán, người thực hiện phải dự kiến được phương pháp mô phỏng, từ đó xác định phương pháp
Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản trên dòng xe du lịch ( Honda City ) bằng phần mềm Ansys - Fluent
SVTH: Lê Sĩ Quân GVHD: ThS. Nguyễn Quang Trung 25
chia lưới và chọn kiểu loại lưới phù hợp. Điều này rất quan trọng và có ảnh hưởng quyết định đến độ chính xác và tin cậy của kết quả mô phỏng.
Độ chính xác cần thiết của kết quả mô phỏng bao gồm độ chính xác và mức độ hội tụ của kết quả. Để đạt được độ chính xác đảm bảo yêu cầu thì kích thước, mật độ, kiểu dạng lưới cần chọn phù hợp. Lưới càng mịn, kích thước phần tử lưới càng nhỏ thì kết quả mô phỏng càng chính xác. Tuy nhiên số lượng phần tử phải đảm bảo sự phù hợp với cấu hình của máy tính. Nếu số lượng phần tử quá nhiều thì yêu cầu cấu hình máy tính phải rất mạnh để có thể xử lý được và dù là máy tính cấu hình mạnh thì cũng cần thời gian rất dài để chạy bài toán mô phỏng. Do vậy, khu vực nào mà việc chia lưới ảnh hưởng mạnh đến kết quả mô phỏng thì lưới phải được chia dày, mịn, đảm bảo kích thước và tỉ lệ phát triển lưới thích hợp. Còn ở các khu vực mà chất lượng lưới ảnh hưởng không nhiều tới kết quả mô phỏng thì có thể chia lưới thưa hơn, thậm chí là lưới thô.
Ngoài các yếu tố trên, khả năng giải bài toán mô phỏng còn phụ thuộc vào cấu hình máy tính hiện có và thời gian để thực hiện mô phỏng bài toán.
Với mô hình 3D hiện nay, các dạng phần tử cơ bản đang được sử dụng để hình thành nên lưới để phục vụ mô phỏng là phần tử dạng tứ diện (tetrahedral), phần tử dạng lăng trụ (prisms), phần tử dạng kim tự tháp (piramids), phần tử dạng lục diện (hexahedral) và phần tử dạng đa diện (rất ít dùng), trong đó dạng lưới lăng trụ, lưới kim tự tháp là một dạng lưới chuyển tiếp giữa hai dạng lưới cơ bản là lưới tứ diện và lưới lục diện.
Hình 2.4 - Các dạng phần tử lưới trong mô hình mô phỏng 3D
Trong số bốn dạng lưới này, lưới tứ diện có ưu điểm so với các dạng lưới còn lại là lưới mịn, kích thước các phần tử nhỏ nên kết quả mô phỏng có độ chính xác cao. Tuy
Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản trên dòng xe du lịch ( Honda City ) bằng phần mềm Ansys - Fluent
SVTH: Lê Sĩ Quân GVHD: ThS. Nguyễn Quang Trung 26
nhiên việc chia lưới và xử lý cũng mất rất nhiều thời gian vì số lượng phần tử lớn và đòi hỏi máy tính cần có cấu hình cao.
Với những ưu nhược điểm của các loại lưới như đã phân tích trên đây, đề tài lựa chọn dạng lưới tứ diện , để thực hiện chia lưới cho mô hình vỏ xe du lịch của đồ án.
Hình 2.5 - Hình ảnh chia lưới trong vùng không gian tính toán vỏ xe du lịch
2.5. CÁC RÀNG BUỘC VÀ ĐIỀU KIỆN TÍNH TOÁN
Việc lựa chọn các ràng buộc và điều kiện tính toán thực chất là gán đặt các điều kiện, thuộc tính và điều kiện biên của bài toán. Việc xác định tính chất, đặc điểm và các thông số để gán đặt điều kiện biên có ảnh hưởng quyết định đến độ chính xác và tính ổn định, tin cậy của bài toán mô phỏng.
Trong ANSYS-FLUENT có rất nhiều dạng bài toán mô phỏng tương ứng với các quá trình khác nhau trong tự nhiên cũng như trong đề tài, sản xuất. Tuy nhiên, Đồ án chỉ quan tâm đến bài toán mô phỏng dòng chảy của dòng khí bao quanh vật thể để từ đó lựa chọn và xác định các điều kiện tính toán phù hợp.
Đối với bài toán khí động học vỏ xe du lịch, các điều kiện tính toán bao gồm:
- Thuộc tính của dòng khí mô phỏng (thuộc tính của không khí)
- Thuộc tính của các mặt giới hạn không gian mô phỏng: chọn thuộc tính của các mặt này ở dạng symmetry để không bị ảnh hưởng của tường bao tới dòng khí tác động lên vật thể nằm trong tường bao
- Thuộc tính của vật thể mô phỏng: thường chọn thuộc tính của vật thể là “tường không trượt” (wall - no slip), có ma sát nhớt giữa vỏ xe và dòng khí
- Thuộc tính của mặt đầu vào và mặt đầu ra của dòng khí liên quan đến vận tốc của dòng khí đầu vào và áp suất của dòng khí tại đầu ra.
Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản trên dòng xe du lịch ( Honda City ) bằng phần mềm Ansys - Fluent
SVTH: Lê Sĩ Quân GVHD: ThS. Nguyễn Quang Trung 27
2.6. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LỰC KHÍ ĐỘNG
Lực khí động theo một phương nhất định xác định bởi véc tơ bao gồm 2 thành phần cấu thành là lực do chênh áp và lực do ma sát nhớt:
. .
d p v
F = a F + a F (2.1)
Trong đó: a là véc tơ xác định phương của lực; Fp là lực do chênh áp; Fv là lực do ma sát nhớt.
Do thực hiện tính toán bằng phương pháp số, nên các thông số thu được từ kết quả tính sẽ được xác định trên các ô lưới. Vì vậy, lực khí động được tính bằng tổng các lực thành phần. Chẳng hạn, thành phần lực do chênh áp được tính như sau:
1
( ). .
n
p ref
i
F p p A n
=
= − (2.2) Trong đó: p là áp suất trên mặt; pref là áp suất chuẩn; n là số mặt; A diện tích của mặt (m2); nlà véc tơ đơn vị vuông góc với mặt.
Sau khi tính được lực, hệ số của lực khí động theo phương a được tính theo công thức sau:
1 2
2
d d
C F
V A
= (2.3)
Trong đó: V là vận tốc dòng chảy (m/s); A là diện tích (m2); ρ là mật độ không khí (kg/m3).