3.1. Ảnh hưởng của mật độ lưới tới hệ số lực cản
Như đã trình bày ở chương 4 mật độ và chất lượng của lưới có ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán của bài toán. Để xác định mật độ rời rạc (lưới) phù hợp, ta tiến hành rời rạc với nhiều mật độ lưới khác nhau cho bài toán, nhưng giữ nguyên các thông số hình học của bài toán sau khi tiến hành tính toán bằng phần mềm Fluent. Đối với mỗi mật độ lưới khác nhau ta xác định được hệ số lực cản CD tương ứng. Các giá trị này được thể hiện ở trên bảng 5.3.
TT Số phần tử lưới Smin(m)2 D C tính toán CD thực nghiệm 1 7500 6.608*102 1,032 1,2 2 11800 6,639*103 1,071 1,2 3 15000 3,170*103 1,102 1,2 4 39000 1,556*103 1,118 1,2 5 45000 1,495*103 1,122 1,2 6 60000 1,456*103 1,125 1,2 7 83000 1,325*103 1,126 1,2 8 95000 1,125*103 1,126 1,2 min S : Diện tích phần tử lưới nhỏ nhất D C : Hệ số lực cản Bảng 5.3: Ảnh hưởng của mật độlưới tới hệ sốCD [7]
Từ đồ thị hình 5.3 nhận thấy mật độ lưới ảnh hưởng đáng kể đến kết quả tính toán. Mật độ lưới càng lớn hay càng mịn thì kết quả tính toán hệ số CD càng ổn định và chính xác. Do đó đối với bài toán này ta chọn số phần tử lưới bằng 45000 phần tử , tương ứng với hế số lực cản CD 1,122 tính toán bằng phần mềm.
Lưu ý: Nếu như chọn mật độ lưới quá lớn sẽ làm tăng chi phí, cũng thời gian
giải đòi hỏi máy tính phải có cấu hình cao.
Kết quả nghiên cứu đối với bài toán mẫu, không hoàn toàn giống với kết quả thực nghiệm sai số trung bình khoảng 3,4%. Sai số giữa tính toán bằng phương pháp số và kết quả thực nghiệm có thể được hạn chế bằng cách, rời rạc tốt hơn miền không gian tính hoặc chọn các thông số ban đầu đưa vào tính toán, gần giống với các thông số tính toán thực nghiệm.
Như vậy đối với số phần tử lưới bằng 45000 đủ để mô phỏng dòng lưu chất chuyển động qua khối trụ tròn 2D, kết quả này sẽ áp dụng tính toán cho tất cả các mô hình tính trong chương sau.
Hình 5.3: Đồ thị biểu diễn hệ số lực cản CD theo các mật độlưới khác nhau
H ệ s ố l ự c c ả n CD Số phần tửlưới
3.2. Phân tích đặc tính của dòng qua khối trụ tròn
Một số kết quả đạt được sau khi tiến hành tính toán bằng phần mềm mô phỏng Fluent đối với bài toán dòng qua khối trụ tròn 2D.
Trường phân bố vận tốc quanh khối trụ tròn.
Kết quả cho ta thấy tại vị trí A (vị trí mặt cản chính) hình 5.5 dòng khí bị cản lại không thể di chuyển nên giá trị vận tốc của các phần tử lưu chất tại vị trí này gần bằng 0, đồng thời tại vị trí này có sự chia tách dòng khí dọc theo mặt trên và mặt dưới của khối trụ tròn. Bên cạnh đó giá trị vận tốc cũng tăng theo và đạt giá trị lớn nhất tại vị trí C và D hình 5.6 sau đó giảm dần dọc theo bề mặt trên và mặt dưới phía sau khối trụ.
Hình 5.5: Phân bốtrường vận tốc quanh khối trụdưới dạng vector
A
B
V(m/s)
Hình 5.4: Phân bốtrường vận tốc quanh khối trụdưới dạng contours
Do tính đối xứng và hình dạng khối trụ không thay đổi đột ngột, nên vùng xoáy hình thành phía sau khối trụ đối xứng và có mômen xung lượng bằng nhau nhưng ngược chiều. Các dòng xoáy này chuyển động ngược so với chuyển động ban đầu của dòng khí.
Dòng xoáy chuyển động ngược bị cản lại tại vị trí B hình 5.5 (mặt cản sau của khối trụ), dòng ngược không thể chuyển động nên giá trị vận tốc của một số phần tử khí tại vị trí này gần bằng 0. Đồng thời tại vị trí này có sự chia tách dòng chuyển động ngược dọc theo mặt trên và mặt dưới phía mặt sau của khối trụ, sau đó tách rời lớp biên ở trên bề mặt khối trụ hình 5.7.
Như đã trình bày trong phần lý thuyết lớp biên, khi lưu chất chuyển động qua bề mặt vật thể, các phần tử lưu chất ở sát bề mặt vật thể do ảnh hưởng của tính nhớt sẽ bám dính lên bề mặt vật, tạo ra một lực tiếp tuyến với bề mặt mà độ lớn trên một đơn vị diện tích được định nghĩa là ứng suất trượt vận tốc trên bề mặt khối trụ sẽ
Hình 5.6: Phương của vector vận tốc trên bề mặt khối trụ tròn
phụ thuộc vào chiều dày lớp biên. Do ảnh hưởng của lực nhớt làm cho vận tốc trên bề mặt phần tử bằng 0. Các phần tử lưu chất ở xa bề mặt, do ảnh hưởng ma sát nhớt nên bị kìm hãm bởi các phần tử gần bề mặt hơn. Trong vùng lớp biên, thành phần vận tốc tiếp tuyến với thành vật thể thay đổi rất nhanh từ 0 cho đến bằng giá trị vận tốc dòng tự do bên ngoài lớp biên.
Lớp biên trên khối trụ mỏng nhất tại các vị trí C và D và dày nhất tại các vị trí A và B hình 5.6, vì vậy vận tốc tại các vị trí C và D là lớn nhất và nhỏ nhất tại các vị trí A và B.
Trường phân bố áp suất quanh khối trụ tròn
Từ hình 5.8 nhận thấy do khối trụ có hình dạng đối xứng nên miền phân bố áp suất ở phía trên và phía dưới khối trụ là như nhau.
Tại vị trí A (vị trí mặt cản chính) đối diện với phương dòng chảy (phương vuông góc với vận tốc V của dòng chảy) có miền áp suất lớn nhất, tại vị trí này được xem như là điểm dừng. Giá trị áp suất tại vị trí A (vùng có dòng chảy ổn định) này là p p0, trong vùng xoáy (vùng chảy rối) hình 5.5 phía sau khối trụ, có giá trị áp suất p p0. Sau đó áp suất giảm dần và đạt giá trị nhỏ nhất tại các vị trí C và D, vị trí giá trị vận tốc lớn nhất.
Nếu vật thể không đối xứng, vùng phân bố áp suất hai bề mặt phía trên và phía dưới sẽ khác nhau, chính vì lý do này sẽ tạo ra lực nâng tác dụng lên vật thể.
Hình 5.8: Trường phân bốtrường áp suất quanh khối trụdưới dạng contours
pascal (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
A
D
Quan sát hình 5.8 ta nhân thấy đối với dòng qua trụ tròn nên miền áp suất phân bố phía trên và phía dưới khối trụ là như nhau.
Hệ số áp suất tại mỗi điểm trên khối trụ tròn được thể hiện trên đồ thị hình 5.9, hệ số áp suất ở phía sau của khối trụ nhỏ hơn phía trước của khối trụ do sự xuất hiện các dòng xoáy, được tách dòng ra khỏi khối trụ và bị dòng cuốn ra xa tạo thành các rãnh xoáy và tan đi ở một nơi nào đó cách xa khối trụ. Các dòng xoáy được hình thành phía sau khối trụ sẽ tạo ra một lực kéo, kéo khối trụ về phía sau. Chính vì vậy nó sẽ làm tăng lực cản của khối trụ, nếu vùng xoáy hình thành cành lớn thì lực cản chuyển động của khối trụ trong dòng chảy khí càng tăng.
Trên đồ thị hình 5.9 tồn tại một số vị trí có hệ số áp suất bằng 0, như vậy khi khối trụ đặt trong dòng lưu chất chuyển động sẽ có những vị trí không có lực tác dụng.