Từ các kết quả tính toán trên, tác giả đã tiến hành tính toán tối ưu hóa biên dạng để đưa ra kết quả hệ số lực cản tỉ lệ thuận với biên dạng tối ưu.
Từ những kết quả tính cho các vật thể hình 6.55, hệ số lực cản hình chữ nhật (a) là lớn nhất sau đó giảm dần theo các biên dạng b; c; và d. Các vật thể trên được tính toán trong cùng một điều kiện và có cùng các thông số hình học chiều cao
H và chiều dài L. Thí nghiệm thực hiện trong môi trường nước. Điều kiện biên cho các vật thể hình 6.55:
- Kính thước bể thí nghiệm: 20x20x75 cm. - Kính thước cánh: 2x10 cm
- Vận tốc dòng nước: V 0,05m/s. - Khối lượng riêng: 998,2kg/m3. - Hệ số nhớt động học: 0,001kg/m.s.
Hình 6.55: Tối ưu hóa biên dạng để giảm hệ số lực cản của một số vật thể: a) khối trụ hình chữ nhật; b) khối trụđầu tròn; khối trụđầu tròn và vát nhọn phía sau;
Chương 7
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1. Tóm tắt kết quảđề tài
Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số hình dạng vật thể lên hệ số lực cản (dùng phần mềm Fluent)”, đã hoàn thành và đạt được mục tiêu đề ra. Kết quả của đề tài có thể tóm tắt như sau.
Xây dựng mô hình tính và rời rạc hóa miền không gian tính cho các bài toán, sau đó áp đặt điều kiên biên cho các bài toán bằng phần mềm Gambit.
Sử dụng phần mềm mô phỏng tính toán số Fluent, kết hợp với cơ sở lý thuyết về động lực học lưu chất đã được áp dụng hiệu quả vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng tới hệ số lực cản CD cho bài toán mẫu.
Kết quả của bài toán mẫu có sự so sánh với kết quả thực nghiệm, các thông số ban đầu (điều kiện biên) cho bài toán mẫu được chọn giống với các thông số ban đầu của thực nghiệm.
Thực hiện tính toán với một số mô hình khác nhau có cùng kích thước d. Các bài toán được thực hiện trong cùng một điều kiện như bài toán mẫu. Sau đó so sánh kết quả tính toán với kết quả thực nghiệm có sự sai khác. Sự sai khác này có thể hạn chế bằng cách rời rạc hóa tốt hơn miền không gian tính cho mỗi bài toán.
Nhận xét sự ảnh hưởng của hình dạng một số vật thể tới hệ số lực cản CD.
2. Đánh giá kết quả của đề tài
Đề tài là kết quả của việc tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết của phương pháp thể tích hữu hạn và động học lưu chất, kết hợp với các phần mềm hỗ trợ mô phỏng tính toán như Fluent, Gambit.
Kết quả tính toán hoàn toàn phù hợp với dữ kiện ban đầu đã đưa ra và đảm bảo trong phạm vi của đề tài. Qua đó có thể đánh giá kết quả của đề tài để thấy được tính thực tiễn và tính khả thi thông qua những nhận định sau:
Dùng máy tính cá nhân nên kết quả chưa thực sự tốt và tốn nhiều thời gian tính toán.
Sử dụng mô hình rối k để giải các bài toán đem lại kết quả chính xác hơn, đồng thời việc rời rạc hóa được tiến hành mịn ở những vùng cần quan sát còn những vị trí khác thì giảm mật độ lưới, điều này làm giảm được thời gian tính toán
Việc tính toán và mô phỏng cho bài toán dựa trên chương trình có sẵn và lựa chọn mô hình cũng như các điều kiện biên thích hợp với các bài toán.
Các kết quả tính toán được là nguồn tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu phức tạp hơn sau này.
Đề tài cho thấy tính khả thi của phương pháp tính toán này nếu được áp dụng cho các bài toán động học lưu chất.
Sử dụng phần mềm thay cho nghiên cứu thực nghiệm sẽ tiết kiệm được nhiều chi phí hơn.
3. Đề nghị hướng phát triển của đề tài
Với những kết quả thu được đề tài có thể được ứng dụng vào thực tiễn nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng tới lực cản, từ đó tối ưu hóa trong việc thiết kế, chế tạo và sản xuất.
Có thể mở rộng và phát triển theo hướng sâu và rộng hơn như:
Không chỉ áp dụng cho đối tượng là các mô hình đơn giản dạng 2D như đã tính toán ở phần trước, mà có thể tính toán cho các đối tượng khác có liên quan tới vấn đề động học lưu chất như: xe gắn máy, tàu thủy, máy bay, ôtô...
Tính toán trong điều kiện phức tạp hơn, xây dựng mô hình và tính toán cho bài toán không gian ba chiều (bài toán 3D) và kiểm tra, so sánh trong trường hợp 3D và 2D.
Qua những hướng phát triển vừa nêu trên, nếu bài toán được thực hiện trong điều kiện và môi trường tốt hơn thì chắc hẳn nó sẽ có vị trí ở tầm cao hơn.
PHỤ LỤC
CÁC NHÓM CÔNG CỤ TRONG PHẦN MỀM GAMBIT VÀ FLUENT 1. Phần mềm Gambit (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.1. Các nhóm phần tử trong phần mềm
Khởi động GAMBIT: StartprogramFluent Inc Products Gambit 2.2 Giao diện làm việc chính của Gambit 2.2
Mô hình trong GAMBIT 2.4 bao gồm thanh menu, thanh Operation, thanh Global control và vùng mô tả lệnh.
Thanh Operation
Biểu tượng Mô tả
Geometry
Biểu tượng tạo điểm
Biểu tượng tạo đường thẳng Thanh Operation
Thanh Global control Vùng mô tả lệnh
Biểu tượng tạo mặt phẳng
Biểu tượng tạo hình khối
Nhóm hình học
Mesh
Biểu tượng chia lưới cho biên
Biểu tượng chia lưới trên đường
Biểu tượng chia lưới trên mặt
Biểu tượng chia lưới trên hình khối
Biểu tượng chia lưới nhóm hình học
Zones
Biểu tượng tạo điều kiện biên
Biểu tượng khai báo vật liệu
Tool
Tạo ra, sửa đổi, trình bày, những hệ thống tạo độ, lưới, thước đo
Tạo ra những hàm điều khiển các phần tử mắt lưới.
Tạo ra và đan lưới của những thể tích cùng nhau đại diện vùng luồng bao vây trong turbomachine
Biểu tượng xóa các cấu trúc hình học
Các đầu nối
Thanh Global control gồm các lệnh hiệu chỉnh màn hình làm việc của Gambit
Biểu tượng Mô tả
Tỷ lệ những hiển thị của màn hình phù hợp với những ranh giới. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chỉ định vị trí của trục quay cho chuyển động của mô hình bằng phương pháp con chuột.
Thể hiện các cửa sổ đồ họa.
Tạo mủi tên, đường thẳng, text trong màn hình hiển thị
Chỉnh độ sáng hoặc tối của màn hình làm việc
1.2. Các lệnh sử dụng để xây dựng mô hình trong Gambit
Tạo điểm
Hiển thị mắt lưới
Các đặc trưng của màn hình hiển thị
Chọn màu của mô hình
4. Vùng đặt tên
1. Biểu tượng cấu trúc hình học
2. Biểu tượng tạo điểm 3. Vùng nhập tọa độ điểm
5. Nhấn Apply để xác lập
Tạo đường
Tạo mặt
1. Biểu tượng tạo mặt
2. Menu các lệnh tạo mặt 1. Biểu tượng tạo cạnh
Chia lưới trên đường
Chia lưới cho mặt
3. Kiểu lưới chia
1. Biểu tượng chia lưới cho mặt
2. Vùng khai báo các thông số chia
1. Biểu tượng chia lưới
2. Biểu tượng chia lưới trên đường
3. Vùng khai báo các thông số của đườngđược chia
Áp đặt điều kiện biên cho bài toán
Khai báo môi trường làm việc
1. Biểu áp đặt điều kiện biên 2. Vùng khai báo thông sốđiều kiện biên 1. Biểu tượng khai báo vật liệu 2. Vùng khai báo các thuộc tính
Xuất sang File lưới (.msh)
Xuất sang file lưới (Mesh) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Click chọn Export 2-D(x-y)
Click Accept lưu File
2. Các nhóm phần tử trong Fluent 6.2
Khởi động FLUENT: StartprogramFluent Inc Products Fluent 6.2
Lựa chọn giạng bài toán mô phỏng
Trong đó:
- 2d: Bộ giải chính xác 2 chiều đơn
- 2ddp: Bộ giải chính xác 2 chiều, chính xác kép - 3d: Bộ giải chính xác 3 chiều đơn
- 3ddp: Giải chính xác 3 chiều, chính xác kép
2.1. Menu File
- Read: Đọc những file .msh được lưu từ GAMBIT, và những file .cas, hoặc .dat là những kết quả được lưu trong FLUENT.
- Write: Lưu flie Fluent dạng đuôi “.cas”, “.dat”
- Import: Nhập dữ liệu vào từ các file : ABQUS, ANSYS, GAMBIT, CFX .... - Export: Xuất dữ liệu ra các file của : ABQUS, ANSYS imput, ACCII, CFX .... - Hardcopy: Xuất kết quả mô phỏng
2.2. Menu Gid
Hiển thị, kiểm tra lưới trước khi giải. - Check: Kiểm tra lưới
- Info: Cho biết tất cả những thông tin của lưới - Scale, translate, rotate: Tỷ lệ, di chuyển, quay lưới. - Smooth/swap: Có tác dụng làm nhắn bề mặt lưới.
2.3. Menu Define
Định nghĩa tất cả các điều kiện trước khi giải.
- Model: Định nghĩa mô hình tính toán trong Fluent. - Model: Định nghĩa mô hình tính toán trong Fluent. - Material: Định nghĩa thuộc tính vật chất.
- Oprating conditions: Chỉ định điều kiện hoạt động ban đầu.
- Boundary Conditions: Chỉ định những điều kiện ranh giới hay điều kiện biên của bài toán, các điều kiện cụ thể cho một phương trình vi phân, giúp giới hạn các kết quả ra của phương trình.
- Priodic Conditions: Định nghĩa điều kiện hoạt động có tính chu kỳ. - Grid interface : Định nghĩa bề mặt trong của lưới.
- Units: Định nghĩa đơn vị trong tính toán mô phỏng.
2.4. Menu Solve
- Control: Điều khiển quá trình giải. - Initialize: Khởi đầu quá trình giải.
- Monitor: Hiển thị kết quả các giá trị vận tốc , các hệ số,.. cho phép ta có thể in hoặc plot đồ thị - một cách hiển thị kết quả trong xử lý kết quả mô phỏng bằng FLUENT.
- Iterate: Bắt đầu quá trình giải.
2.5. Menu Adapt
Kỹ thuật được dùng để hoàn thiện chất lượng lưới chia, cho phép làm mịn hoặc làm thô lưới tính toán dựa trên mô hình hình học và dữ liệu số của phương pháp giải.
Ngoài ra, Fluent còn cung cấp các công cụ để tạo và quan sát miền lưới được thích ứng tuỳ theo các ứng dụng đặc biệt. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Boundary Adapt: Biên khảo sát. - Region: Miền khảo sát.
2.6. Menu Suface
Trong menu này ta có thể tạo các khu vực, điểm, đường... trên mô hình, từ đó ta có thể lấy các giá trị áp suất, nhiệt độ, vận tốc..tại các điểm đó và hiển thị nó ra.
2.7. Menu Display
2.8. Menu plot
Xuất kết quả mô phỏng ra dạng đồ thị, biểu đồ, từ đó có thể so sánh với thực nghiệm bằng việc chồng đồ thị.
Ta có thể xuất ra những kết quả các giá trị của áp suất, vận tốc, nhiệt độ, rối loạn ...trong mô hình, từ đó ta có thể nhìn thấy trực quan.
2.9. Menu parallel
Xử lý song song trên máy tính, quá trình xử lý đồng thời sử dụng hơn 1 bộ xử lý hoặc một nhân xử lý để thực hiện chạy một chương trình hoặc tính toán đa luồng. Ý tưởng xử lý song song làm các chương trình chạy nhanh hơn bởi vì có nhiều phương tiện (Bộ xử lý hoặc nhân) để chạy các chương trình đó.
2.10. Menu Help
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 5.1: Điều kiện biên vận tốc vào (Velocity-inlet) ... 38
Bảng 5.2: Điều kiện biên áp suất ra (Pressure-outlet) ... 38
Bảng 5.3: Ảnh hưởng của mật độ lưới tới hệ số CD ... 39
Bảng 6.1: Hệ số lực cản CD của các vật thể có hình dạng khác nhau, kết quả thực nghiệm [5],[7] ... 46
Bảng 6.2: Điều kiện biên vận tốc vào (Velocity-inlet) ... 48
Bảng 6.3: Điều kiện biên áp suất ra (Pressure-outlet) ... 48
Bảng 6.4: Điều kiện biên vận tốc vào (Velocity-inlet) ... 53
Bảng 6.5: Điều kiện biên áp suất ra (Pressure-outlet) ... 53
Bảng 6.6: Điều kiện biên vận tốc vào (Velocity-inlet) ... 58
Bảng 6.7: Điều kiện biên áp suất ra (Pressure-outlet) ... 58
Bảng 6.8: Điều kiện biên vận tốc vào (Velocity-inlet) ... 62
Bảng 6.9: Điều kiện biên áp suất ra (Pressure-outlet) ... 62
Bảng 6.10: Điều kiện biên vận tốc vào (Velocity-inlet) ... 67
Bảng 6.11: Điều kiện biên áp suất ra (Pressure-outlet) ... 67
Bảng 6.12: Điều kiện biên vận tốc vào (Velocity-inlet) ... 72
Bảng 6.13: Điều kiện biên áp suất ra (Pressure-outlet) ... 72
Bảng 6.14: Điều kiện biên vận tốc vào (Velocity-inlet) ... 76
Bảng 6.15: Điều kiện biên áp suất ra (Pressure-outlet) ... 76
Bảng 6.16: Bảng so sánh kết quả tính toàn và hệ số thực nghiệm của các mô hình khác nhau trong cùng điều kiện với số 4 10 Re ... 81 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Ô tô chuyển động trong không khí với vận tốc V ... 3
Hình 2.2: Nghiên cứu dòng lưu chất chuyển động qua khối trụ tròn bằng thực nghiệm ... 4
Hình 2.3: Mô hình nghiên cứu thực nghiệm dòng qua khối trụ tròn ... 4
Hình 2.4: Đường hầm khí động thí nghiệm ... 5
Hình 2.5: Đồ thị hệ số CD phụ thuộc vào số Re của một số vật thể có hình dạng khác nhau [7] ... 5
Hình 2.6: Hệ số lực cản của một số vật thể 2D [5] ... 6
Hình 2.7: Hệ số lực cản CD của một số vật thể dạng 3D [5] ... 7
Hình 2.8: Hệ số lực cản CD của ô tô [5] ... 7
Hình 2.9: Trường áp suất phân bố trên cánh và thân máy bay trực thăng ... 8
Hình 2.10: Mô phỏng hệ thống tuần hoàn máu trong y học ... 8
Hình 2.11: Mô phỏng dòng lưu chất qua mũ bảo hiểm của vận động viên. Công trình nghiên cứu của Đại Học Shefield, Anh ... 9
Hình 2.12: Mô phỏng dòng chảy qua cơ thể vận động viên bơi lội. Công trình nghiên cứu của công ty sản xuất đồ dùng thể thao hàng đầu thế giới ... 9
Hình 2.13: Mô phỏng ứng suất tiếp sinh ra trên cơ thể vận động viên bơi lôi. Công trình nghiên cứu của công ty sản xuất đồ dùng thể thao hàng đầu thế giới Speedo, Mỹ ... 10
Hình 2.14: Thử nghiệm sản phẩm xe đua thể thức 1 trong đường hầm khí động, tại phòng thí nghiệm mô phỏng khí động... 11
Hình 2.15: Xem xét đặc tính dòng không khí qua xe đua thể thức 1, mô phỏng bằng phần mềm Fluent ... 11
Hình 16: Xem xét dòng khí qua mô tô thể thao của hai nhà thiết kế Werner Seibert
người Đức và Robert Lewis người Anh, 2004 ... 12
Hình 2.17: Mô hình máy bay AEW&C trong ống khí động, Trung Quốc ... 12
Hình 2.18: Mô hình cánh máy bay trong phòng thí nghiệm ... 13
Hình 2.19: Phân bố áp suất trên cánh máy bay mô phỏng bằng phần mềm Fluent... 13
Hình 2.20: Phân bố áp suất tĩnh trên một nửa bề mặt máy bay ARJ21 (a), đồ thị so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán bằng phần mềm Fluent, nghiên cứu của Zhu Jie, công ty hàng không thương mại, Trung Quốc [9] ... 13
Hình 2.21: Kết quả thu được từ mô phỏng buồng đốt sinh học bằng phần mềm Fluent ... 14
Hình 2.22: Mô phỏng bằng phần mềm Fluent sự phân bố áp suất trên bề mặt cánh (a); phân bố túi hơi trên bề mặt cánh (b) của thiết bị đẩy tàu thủy (chân vịt) ... 14
Hình 3.1: Hình minh họa lớp biên từ vùng chảy tầng sang vùng chảy rối ... 16
Hình 3.2: Lực cản và lực nâng trên cánh ... 17
Hình 3.3: Thành phần lực cản ma sát và lực cản áp suất trên bề mặt vật thể ... 17
Hình 3.4: Mốii quan hệ giữa lực cản áp suất và lực cản ma sát của một số vật thể, kết quả nghiên cứu thực nghiệm ... 18
Hình 4.1: Cấu trúc của phần mềm Fluent ... 25
Hình 4.2: Sơ đồ thuật toán trong phần mềm Fluent ... 27 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 4.3: Sơ đồ phương pháp giải lặp trong phần mềm Fluent ... 31
Hình 4.4: Rời rạc hóa (chia lưới) trong Gambit với khoảng 1000 phần tử lưới ... 33
Hình 5.1: Mô hình và điều kiện biên cho bài toán dòng qua khối trụ tròn ... 37
Hình 5.2: Rời rạc hóa miền không gian tính cho bài toán dòng qua khối trụ tròn ... 38