Chương 3 KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC
3.4. Kiểm chứng mô hình bằng cách so sánh với kết quả mô phỏng CFD
3.4.1. Xây dựng mô hình hình học và chia lưới
Trong mô đun Ansys.CFX, quy trình mô phỏng bài toán CFD đƣợc thực hiện qua các bước bao gồm: xây dựng mô hình hình học các miền chất lỏng
tính toán (Geometry), chia lưới (Mesh), thiết lập các điều kiện về môi trường và điều kiện biên (Setup), thiết lập các điều kiện giải – tiến hành chạy trình giải (Solution) và khai thác kết quả (Results).
Mô hình 3D cánh quay có thể đƣợc vẽ trực tiếp trong Geometry, tuy nhiên ở đây đƣợc thực hiện thông qua phần mềm vẽ cơ khí Inventor, sau đó nhập vào Geometry. Mô hình 3D cánh quay phỏng theo các lá cánh quay của trực thăng Mi-8 (hình 3.9) với các kích thước hình học lấy theo tài liệu kỹ thuật [43] (mục 2.2.5).
Hình 3.9 Mô hình hình học 3D cánh quay
Với các mô hình 3D cánh quay đƣợc xây dựng, các góc động học của lá cánh có quan hệ theo các trường hợp trong bảng sau:
Bảng 3.7 Quan hệ giữa các góc động học lá cánh trong các trường hợp xây dựng mô hình 3D cánh quay
Stt (o) (o) Stt (o) (o) Stt (o) (o)
1 0 0,1 6 5 2,1 11 10 5,1
2 1 0,3 7 6 2,7 12 11 6,3
3 2 0,7 8 7 3,3 13 12 6,5
4 3 1,2 9 8 4,0 14 13 6,9
5 4 1,5 10 9 4,3 15 14 7,8
Mô hình hình học trong bài toán mô phỏng CFD cánh quay gồm hai miền thể tích tính toán (domain):
Miền thể tích tính toán thứ nhất (hình 3.10) có dạng hình trụ bao quanh cánh quay trừ đi phần thể tích chiếm chỗ của cánh quay. Khi mô phỏng sẽ thiết lập thuộc tính quay đều quanh trục với vận tốc góc н 20,096(rad/ s) cho vùng này.
Hình 3.10 Miền thể tích tính toán thứ nhất
Miền thể tích tính toán thứ hai (hình 3.11) cũng có dạng hình trụ đứng bao quanh và trừ đi miền thể tích thứ nhất, là miền chất lỏng môi trường xung quanh cánh quay.
Hình 3.11 Miền thể tích tính toán thứ hai và mô hình hình học cánh quay Hệ tọa độ trong mô phỏng CFD đƣợc lấy trùng với hệ tọa độ bán liên kết của cánh quay trong trường hợp bay treo.
Mô hình hình học mô phỏng cánh quay được chia lưới trong Meshing, quá trình chia lưới được thực hiện tự động (auto). Trên cơ sở khảo sát, cân đối
giữa khả năng tính toán của máy tính và sai lệch kết quả mô phỏng, một số thiết lập khi chia lưới được thực hiện như sau:
- Hàm kích thước mở rộng: Advanced size function: Proximity and Curvature. Lựa chọn này cho phép chia lưới nhỏ, mịn hơn ở các vị trí có góc nhọn và bề mặt cong. Ở những vị trí có diện tích lớn, xa các vị trí góc nhọn và góc lượn lưới được chia với kích thước lớn và thưa hơn.
- Trung tâm liên hệ: Relevance Center: Fine, cho phép chia lưới tốt nhất ở các vị trí mép cánh quay.
- Tốc độ phát triển lưới: Growth Race: 1,2, kích thước lưới tăng dần qua các lớp từ các vị trí có kích thước nhỏ nhất.
- Kích thước lớn nhất: Max Size: 1,5m; Kích thước bề mặt lớn nhất: Max Face Size: 1,0m. Phù hợp với kích thước của các miền thể tích.
- Các thuộc tính khác khi chia lưới để giá trị mặc định.
Sau khi chia lưới nhận được mô hình lưới với khoảng 4 triệu phần tử và 700.000 nút cho các trường hợp mô phỏng. Hình ảnh mô hình lưới đưa ra trong các hình 3.12 và 3.13.
Hình 3.12 Chia lưới miền thể tích quay
Hình 3.13 Chia lưới miền thể tích môi trường xung quanh
Mô hình lưới được kiểm tra chất lượng thông qua một số chỉ tiêu đánh giá trong Mesh. Các chỉ số quan trọng gồm tỷ số hình dạng (Aspect ratio) và chất lƣợng phần tử (Element quality). Chỉ số hình dạng càng nhỏ thì bài toán mô
phỏng càng đảm bảo tính hội tụ của các kết quả. Chỉ số chất lƣợng phần tử càng gần 1 thì lưới càng tốt. Với các mô hình lưới trong các trường hợp chia lưới ở trên, tỷ số hình dạng phần tử trung bình đạt được là 1,85 (lớn nhất là 12,6 và nhỏ nhất là 1,1). Chỉ số chất lƣợng phần tử trung bình đạt 0,833 (lớn nhất 0,999 và nhỏ nhất 0,181). Các giá trị này nằm trong giới hạn cho phép, mô hình lưới đáp ứng được yêu cầu mô phỏng.