Chương 3. ĐÁNH GIÁ LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM
3.4 Thiết lập các điều kiện biên
Đối với bài toán mô phỏng sử dụng phần mềm ANSYS Fluent thì việc thiết lập các điều kiện biên cho bài toán, lựa chọn các điều kiện ban đầu. Nó đóng vai trò quan trọng để giải các bài toán động học lưu chất.
3.4.1 Thiết lập các điều kiện biên
Bài toán CFD chỉ được giải quyết khi các thông số điều kiện ban đầu hay điều kiện biên được xác lập và điều kiện biên cũng đóng vai trò qua trọng trong bất kỳ lời giải số nào.
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài một số điều kiện biên sẽ được sử dụng để
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 42
giải một số bài toán về chuyển động của vật trong lưu chất gồm:
- Điều kiện biên vận tốc vào (Velocity-inlet).
- Điều kiện biên áp suất ra (Pressure-outlet).
- Điều kiện biên thành (Wall).
- Điều kiện biên đối xứng (Symmetry).
3.4.1.1 Điều kiện biên vận tốc vào
Điều kiện biên vận tốc vào (velocity-inlet) được sử dụng chủ yếu cho dòng không nén được. Nếu dùng cho dòng nén được sẽ dẫn đến những kết quả sai lệch so với thực tế do các tính chất tại điểm dừng (nhiệt độ dừng, áp suất dừng) thay đổi và rất phi lý.
Điều kiện biên vận tốc vào xác định vận tốc của dòng vào không đổi và có thể dùng để gán ở đầu ra nếu đảm bảo điều kiện liên tục của dòng chuyển động. Với điều kiện biên vận tốc vào, các thành phần vận tốc, động năng rối và độ tiêu tán rối được xác định.
Điều kiện này được dùng để tính lưu lượng vào, thông lượng, động lượng, năng lượng và các đại lượng khác. Lưu lượng khối dòng vào được tính theo thành phần vận tốc vuông góc với mặt lối vào:
m = v.dA (3-12)
3.4.1.2 Điều kiện biên áp suất ra
Điều kiện biên áp suất ra (pressure-outlet) dùng để xác định áp suất tĩnh của dòng tự do ở đầu ra. Giá trị áp suất tĩnh này chỉ được áp dụng cho trường hợp chuyển động dưới vận tốc âm thanh, các tính chất khác của dòng sẽ được ngoại suy, từ các tính chất của dòng chuyển động bên trong. Nếu dòng chuyển động trên vận tốc âm thanh thì áp suất tĩnh này không được sử dụng nữa mà được ngoại suy từ các điều kiện bên trong của dòng chuyển động. Một thông số của điều kiện biên áp suất ra là điều kiện dòng chuyển động ngược lại (backflow) trong quá trình tính toán, bài toán sẽ hội tụ dễ dàng hơn nếu đặt ra các giá trị đúng cho các dòng ngược. Điều kiện biên áp suất ra dùng được cho dòng nén được và dòng không nén được, có thể dùng như điều kiện biên tự do đối với dòng ngoài hoặc dòng không bị hạn chế. Các giá trị cần gán cho điều kiện biên này gồm áp suất tĩnh p, điều kiện dòng ngược gồm nhiệt độ dừng (T0) cho phương trình năng lượng, vectơ chỉ phương của dòng lưu chất ra và các hệ số rối.
3.4.1.3 Điều kiện biên thành
Điều kiện này dùng để tạo ranh giới giữa vùng lưu chất và vùng rắn. Trong dòng chảy nhớt, điều kiện biên thành được mặc định không xảy ra hiện tượng trượt giữa thành rắn và lưu chất thì các đặc tính của dòng sát biên này được dùng để xác
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 43
định ứng suất trượt lên lưu chất tại thành rắn. Trường hợp muốn mô phỏng thành rắn trượt hay quay thì phải xác định vận tốc hoặc ứng suất trượt cho thành rắn và lưu chất. Ứng suất trượt và sự truyền nhiệt giữa thành rắn và lưu chất được tính toán dựa vào các đặc tính của dòng ở vùng gần thành rắn.
Với dòng chảy tầng, tính toán ứng suất trượt phụ thuộc vào gradient vận tốc tại thành rắn, còn đối với dòng chảy rối, ứng xử cho lớp biên gần thành rắn được sử dụng để tính toán ứng suất trượt.
3.4.1.4 Điều kiện biên đối xứng
Điều kiện biên đối xứng (symmertry) được sử dụng khi giải bài toán có hình học đối xứng, mô phỏng thành rắn trượt và ứng suất tiếp bằng không trong dòng có nhớt. Điều kiện để sử dụng loại điều kiện biên này là hình học đối xứng và không có thành phần vận tốc pháp tuyến đi qua mặt biên symmetric, biến thiên theo phương pháp tuyến của các biến tại biên symmertry phải bằng không.
{
𝜕𝜃 𝜃𝑛 = 0
𝑉 = 0
(3-13)
.Ở đầu vào của ô tô thì điều kiện biên đươc đặt là vận tốc vào ( Inlet velocity), đầu ra đặt là điều kiện biên áp suất ra ( Outlet pressure), phía trên , ô tô và phía dưới đặt điều kiện biên thành ( Wall).
3.4.1.5 Các điều kiện biên
Đầu vào đặt điều kiện biên vận tốc vào (inlet velocity), đầu ra của xe mô hình đặt điều kiện biên áp suất ra (outlet pressure), phía trên đặt điều kiện biên đối xứng (symmertry), ô tô và phía dưới đặt điều kiện biên thành (wall). Giá trị gán cho các loại điều kiện biên này thể hiện ở bảng.[1]
Bảng 3.4 Điều kiện biên vận tốc vào
v [m/s] T [K] I [%] L [m]
22 288 5 1
Bảng 3.5 Điều kiện biên áp suất ra
p [Pa] T [K] I [%] L [m]
0 288 5 1
Trong đó:
v - Vận tốc chuyển động của khối khí [m/s].
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 44
I - Cường độ rối [%].
L - Chiều dài đặc trưng rối [m].
Nhiệt độ T và các điều kiện khác chọn theo thực tế của phương trình mô phỏng. Với bài toán dòng chảy trong ống thì cường độ rối I = 1% - 10%, chiều dài đặc trưng rối L = 1.