5. Kế hoạch nghiên cứu
2.2.1 Cơ sở lý thuyết chia lưới
Fluent chỉ là phần mềm dùng để giải các bài toán dựa trên lưới có sẵn chứ bản thân chương trình Fluent không thể tạo lưới và trong Fluent cũng không bao gồm thuật toán tạo lưới. Thông thường, cần có một công cụ tạo lưới riêng, có thể tích hợp vào hoặc riêng rẽ. Ở đây ta sử dụng Gambit một công cụ tạo lưới, giúp tạo mô hình và chia lưới cho mô hình trước khi đưa vào mô phỏng trên Fluent.
Việc tạo lưới thực chất là quá trình xác định vị trí của các điểm sẽ tiến hành giải các phương trình cơ học lưu chất. Tạo số điểm chia hợp lý với từng yêu cầu bài toán, không được bỏ sót tại bất kỳ vùng nào
+ Yêu cầu chọn mô hình lưới:
Để giải mỗi bài toán lại cần xây dựng một lưới riêng. Vậy việc xây dựng lưới đó phụ thuộc vào yếu tố:
a. Khả năng tính toán
Đây là một vấn đề liên quan đến lưới. Các lưới đồ sộ luôn đòi hỏi cầu hình tính toán cũng như thời gian sử dụng lớn hơn. Do vậy, khi phác thảo một mô hình lưới cho bài toán ta phải tự xem xét khả năng tính toán đến đâu. Nếu kích thước lưới là quá lớn so với khả năng tính toán hiện tại có thể dẫn đến không tính toán được.
b. Sự hội tụ số
Mỗi mô hình tính toán phải đảm bảo tính hội tụ. Tiêu chuẩn hội tụ được đánh giá qua một đại lượng gọi là chất lượng lưới. Chất lượng lưới được đánh giá thông qua các điều kiện sau:
Mật độ lưới :
Khi rời rạc hoá một mô hình liên tục, giá trị các đại lượng được tính toán dựa trên phân bố các điểm lưới. Trong một vài trường hợp, mật độ phân bố các điểm lưới tại vùng quan trọng có thể dẫn tới thay đổi tính chất dòng chảy.
Thông thường trong các vùng có các đại lượng biến đổi mạnh đòi hỏi phải có sự phân
bố các lưới thật dày, tuy nhiên điều này bị giới hạn bởi bộ nhớ của máy tính cũng như khả năng xử lý của CPU do vậy phải cân đối hai mặt này. Trong Fluent, sau khi nhập lưới có thể kiểm tra bằng cách: Grid / Memory Usage.
Độ mượt của lưới:
Việc thay đổi hình dạng các phần tử lưới quá đột ngột có thể dẫn tớí những sai số lớn trong tính toán. Trong trường hợp này ta phải làm mượt lại lưới bằng cách chia nhỏ phần tử. Ví dụ: Sự thay đổi chiều dòng chảy sẽ đi qua một khu vực nào đó thì khu vực đó nên được làm mượt hơn các vùng khác.
Hình dạng của lưới :
Hình dạng các lưới không đồng đều, quá méo mó có thể dẫn đến sai số. Thông thường trong một dạng phần tử, việc đưa giá trị độ dài các cạnh và các góc càng gần nhau càng tốt
Các thông số về chất lượng lưới ở trên có thể được kiểm tra trong quá trình tạo lưới bằng cách dùng các công cụ kiểm tra của chương trình.
2.2.2 Điều kiện tính toán :
Đường kính họng nạp: Dh = 32 (mm), Đường kính lỗ phun Biogas: dp = 4 (mm)
Khối lượng riêng không khí ρkk = 1,225( kg/m3)
Vận tốc không khí : Vkk = 8 (m/s), áp suất không khí : Pkk = 1 (atm) Vận tốc Biogas : Vbiogas = 17 (m/s), áp suất Biogas : PBiogas = 150 (N/m2). Nhiệt độ đầu vào của không khí T = 2930K và Biogas T = 3130K
Tính dẫn nhiệt của không khí : 0,0242 (W/m0K)
Độ nhớt của Biogas : 1,7894x10−5(kg/ms)
Nhiệt dung đẳng áp không khí : CP=1006,43 (J/kg0K)
CHƯƠNG 3
TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG VÀ XUẤT KẾT QUẢ
3. TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC TRONG GAMBIT 2.3 VÀ FLUENT 6.3 3.1 Vẽ mô hình và tạo lưới trong GAMBIT 2.3 3.1 Vẽ mô hình và tạo lưới trong GAMBIT 2.3
3.1.1 Vẽ mô hình.
- Khi khởi động GAMBIT thì xuất hiện giao diện như sau:
Hình 3.1 Cửa sổ làm việc GAMBIT
Bước 1: Chọn Tools Coordinate System Chọn Display Grid Tùy thuộc vào đường kính họng nạp ta chọn các giá trị x, y tương ứng. Chọn Apply
Hình 3.2 Chọn điểm cho mô hình
Bước 2: Chọn vị trí các điểm cần vẽ và tiến hành sử dụng 2 công cụ là Vertex và Edge ta vẽ được:
Bước 3 : Tạo mặt cho mô hình sử dụng Geometry Face , ở bước này sẽ có 2 mặt cần được tạo. Mặt 1 là đường ống gió đi vào, mặt 2 là đường ống phun biogas. Ta lần lượt chọn các cạnh của các mặt, rồi nhấn Apply. Khi chọn xong màu vàng sẽ chuyển sang màu xanh
Hình 3.3 Tạo mặt cho mô hình
3.1.2 Tạo lưới cho mô hình
Bước 1: Chia các nút lưới trên các cạnh của các mặt.
Hình 3.4 Chia nút lưới cho cạnh
Bước 2: Chia lưới trên các mặt bằng cách: Mesh Face Mesh Faces , nhấp chuột trên từng mặt khi chia lưới.
Lần lượt chọn họng gió và họng biogas, sau đó chọn Apply
Hình 3.5 Chia lưới trên các mặt
Bước 3: Thiết lập các cửa vào, ra của không khí và biogas trên mô hình:
- Trên thanh công cụ Operation ta chọn Zones , bảng Specify Boundary Types hiện ra
- Click chuột vào Type, chọn VELOCITY-INLET tiếp theo đặt tên và nhấp chuột vào cạnh được cho là đầu vào
- Click chuột vào Type, chọn PRESSURE-OUTLET, đặt tên và nhấp chuột vào cạnh được cho là đầu ra.
Hoàn thành bước 6 ta sẽ được :
Hình 3.6 Thiết lập các cửa ra, vào
Bước 4: Click chuột vào File -> Export -> Mesh .Xuất hiện khung Export Mesh File, đặt tên và chọn vào Export 2- D(X-Y)Mesh. Chọn Accept
Hình 3.7 Lưu file đã vẽ với đuôi.msh
Bước 5 : Vào File, chọn Exit và chọn Yes trong hộp thoại
3.2 Các bước để mô phỏng trong FLUENT 6.3
- Khởi động Fluent 6.3 và chọn 2D. Bước 1 : Đọc và kiểm tra lưới mô hình
+ Vào File -> Read -> Case , chọn file có đuôi .msh đã lưu trong Gambit. Sau khi Fluent đọc xong cuối dòng có xuất Done
Hình 3.8 Đọc file với đuôi .msh
+ Vào Grid -> Check
Hình 3.9 Kiểm tra lưới
+ Vào Grid-> Scale, chọn đơn vị là mm, nhấp vào Scale, nhấp tiếp Change Length Units
Hình 3.10 Chọn đơn vị đo
+ Click Display -> Grid
Hình 3.11 Lưới mô hình
Bước 2: Mô hình.
+ Lựa chọn phương pháp giải bài toán
Define -> Models -> Solver , chọn như trong hình sau:
Hình 3.12 Chọn phương pháp giải
Chọn OK.
+ Chọn mô hình giải bài toán.
Define -> Models -> Viscous, và chọn k-epsilon.
Hình 3.13 Chọn mô hình để giải
+ Lựa chọn phương trình giải bài toán. Define -> Models -> Energy
Hình 3.14 Chọn phương trình để giải
Click chuột vào Energy Equation và chọn OK xliv
+ Kích hoạt đặc tính của hòa trộn.
Define -> Model -> Species -> Transport & Reaction
Click chọn Species Transport
Hình 3.15 Chọn loại hòa trộn
Trong Reactions chọn Volumetric, dưới Mixture Material chọn hòa trộn gasoil- air Nhấp chuột vào Eddy- Dissipation và cuối cùng chọn OK.
Chọn OK cho 1 thông báo, sau khi Fluent chạy xong
Bước 3 : Định nghĩa tính chất vật liệu, lưu chất. Define -> Material
Hình 3.16 Nhập thông số hòa trộn
Bước 4: Đặt các điều kiện biên cho bài toán Define -> Boundary Condition
Hình 3.17 Lựa chọn điều kiện biên
Tiến hành cài đặt các biên theo trình tự như sau:
Chọn inflow_1 ( tức là cửa vào của gió) và click và Set..
Hình 3.18 Đặt điều kiện biên của họng gió
Thanh Momentum:
Bên phải của Velocity Specification Method ta chọn Components X-Velocity (m/s) là 8 (m/s)
Bên phải Specification Method chọn Intensity and Hydraulic Diameter Hydraulic Diameter chọn giá trị là 32(mm)
Hình 3.19 Đặt điều kiện biên của họng gió
Thanh Thermal nhập Temperature là 2930K và trên thanh Species nhập thành phần O2 là 0.23 Chọn OK để kết thúc quá trình đặt điều kiện biên inflow_1
Chọn inflow_2 ( tức là cửa vào của biogas) và click và Set.. Các bước tiếp theo tương tự như inflow_1
Thanh Momentum Y-Velocity là -17 (m/s) Hydraulic Diameter : 4(mm)
Hình 3.20 Đặt điều kiện biên của họng biogas
Nhập Temperature là 3130K
Hình 3.21 Đặt điều kiện biên của họng biogas
Chọn OK để kết thúc quá trình đặt điều kiện biên inflow_2
Chọn outflow_ ( tức là cửa ra của hỗn hợp hòa trộn ) và click vào Set..
Hình 3.22 Đặt điều kiện biên đầu ra hỗn hợp
Backflow Hydraulic Diameter : 32(mm)
+ Thiết lập điều kiện biên cho tường
Trong Zone chọn wall nhấp chuột vào Set..
Hình 3.23 Đặt điều kiện biên cho tường
Bước 5: Giải bài toán + Nhập các giá trị ban đầu Solve -> Initialize -> Initialize
Hình 3.24 Nhập các thông số
Chọn all-zones ở phía dưới Compute From
Nhập X Velocity là 8 (m/s), Y Velocity là -17 (m/s) Click vào Init và Close để đóng cửa sổ trên
+ Thiết lập cho các thành phần Chọn giá trị chung là 0.9 Solve -> Controls -> Solution
Hình 3.25 Điều chỉnh lại thành phần
+ Hiển thị hình vẽ trong quá trình tính toán Solve -> Monitors -> Residual Nhấp chuột vào Plot chọn OK
Hình 3.26 Bật chế độ hiển thị
+ Lưu file với đuôi (.cas) File -> Write -> Case.
Hình 3.27 Vị trí lưu file .cas
+ Bắt đầu tính toán với 90 lần lặp đi lặp lại. Solve -> Iterate
Hình 3.28 Nhập số lần lặp
Click vào Iterate và chọn Close để đóng cửa sổ Iteration.
Hình 3.29 Quá trình phân tích, tính toán
+ Lưu file với đuôi (.cas) và (.dat) File -> Write -> Case & Data
+ Xem các trạng thái mô phỏng Display -> Contours
Hình 3.30 Lựa chọn kết quả mô phỏng
Trong hộp Options click vào Filled
+ Phía dưới Contours of chọn Velocity và click vào Display
Hình 3.31 Mô phỏng độ lớn vận tốc
+ Chọn Temperature -> Display.
Hình 3.32 Mô phỏng tương tác giữa hai nhiệt độ
+ Chọn Pressure -> Display
Hình 3.33 Mô phỏng sự phân bố áp suất
Ngoài ra Fluent còn cho ta thấy được sự hỗn loạn, mật độ…
Hình 3.34 Mô phỏng mật độ
Tùy thuộc vào cách bố trí họng phun biogas ta thu được các mô phỏng như sau: + Họng phun dịch sang trái :
+ Họng phun dịch sang phải :
4. NHẬN XÉT VỀ PHẦN MỀM FLUENT 6.3 VÀ GAMBIT 2.3
Qua quá trình tìm hiểu và vận dụng phần mềm FLUENT cùng với sự hỗ trợ của phần mềm GAMBIT để mô phỏng quá trình hòa trộn Biogas và không khí trong động cơ, ta thấy FLUENT là một phần mềm dùng để mô phỏng, tính toán khá mạnh. Nhờ phần mềm này mà ta nhận biết được sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến khả năng hòa trộn cũng như chất lượng hòa trộn Biogas và không khí trong động cơ ở từng vị trí. Hơn nữa ta có thể thay đổi các thông số nhập vào và điều kiện biên của các phần tử để đưa ra kết quả về chất lượng hòa trộn tốt nhất, tối ưu nhất cho động cơ. Người sử dụng có thể so sánh các kết quả của các phương án thiết kế khác nhau một cách trực quan, từ đó có sự đánh giá và lựa chọn chính xác kết quả mình mong muốn.
Ưu điểm của phần mềm FLUENT:
+ Giao diện đơn giản dể sử dụng.
+Cách tính toán nhanh, rút ngắn thời gian nghiên cứu, thực hiện được một lượng lớn công việc với kết quả chính xác mà với các cách thông thường không thể
giải quyết được.
+ Biết ảnh hưởng các thông số kết cấu đến khả năng hòa trộn của biogas và không khí, từ đó có thể thay đổi kết cấu cho phù hợp.
+ Có thể ứng dụng để tính toán mô phỏng cho các loại động cơ khác nhau. + Có liên kết với các phần mềm khác như: GAMBIT, CFX, ANSYS...
Nhược điểm của phần mềm FLUENT:
+ Với những bài toán phức tạp đòi hỏi dung lượng bộ nhớ lớn, và thời gian tính lớn hơn.
5. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
+ Từ việc mô phỏng việc hòa trộn Biogas và không khí trong động cơ, ta có thể mở rộng ứng dụng của phần mềm ra cho hệ thống nhiên liệu dùng xăng hoặc các loại nhiên liệu thay thế
khác, và rộng hơn nữa là của những hệ thống thủy lực và thủy khí.
+ Ta có thể phát triển hướng mô phỏng vào trong xi lanh động cơ, từ đó có thể xem xét được khả năng hòa trộn Biogas và không khí trong các kỳ (nạp, nén) của động cơ như vậy kết quả
sẻ tốt hơn.
KẾT LUẬN 1. KẾT LUẬN
Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện, đề tài đã hoàn thành. Nó là những kiến thức cơ bản để các sinh viên nghiên cứu tính toán mô phỏng bằng phần mềm Fluent có thể học một cách dễ dàng.
- Trước mắt đề tài đã giúp cho nhóm thực hiện hoàn thành tốt chương trình học trước khi tốt nghiệp.
- Thông qua đề tài này nhóm nghiên cứu đã hiểu được: “cách để vẽ đồ họa và chia lưới trong Gambit,mô phỏng bài toán trong Fluent và cũng đã mô phỏng được sự hòa trộn của biogas và không khí trong đường ống nạp từ đó tính toán thiết kế cấu tạo đường ống nạp sao cho hợp lý”
- Đồ án này giúp cho nhóm nghiên cứu biết cách tìm kiếm thông tin trên các trang Internet để thực hiện hoàn thành đồ án. Sau khi ra trường có được kinh nghiệm nghiên cứu, tìm tòi để hoàn thành tốt công việc.
- Với kết cấu rõ ràng, nội dung đầy đủ và hợp lý. Nhóm nghiên cứu tin rằng đề tài này sẽ kích thích khả năng tìm tòi và sáng tạo trong học tập, nghiên cứu khoa học của sinh viên.
2. KIẾN NGHỊ
Đề tài chỉ thực hiện trong thời gian ngắn nên nhóm thực hiện chỉ tập trung nghiên cứu được những kiến thức cơ bản về phần mềm Fluent và Gambit.Với kiến thức và kinh nghiệm có hạn nên trong quá trình thực hiện đề tài chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Nhóm làm đồ án kính mong Quý Thầy Cô và các bạn chỉ bảo, góp ý tận tình để đề tài được phát triển và hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, chúng em mong muốn về sau sẽ có nhiều bạn sinh viên tiếp cận được với phần mềm Fluent để tính toán mô phỏng không chỉ những trong phạm vi 2D mà còn có thể mô phỏng được 3D…cho thấy sự rõ nét hơn, để tiến hành thiết kế, chế tạo và đưa vào ứng dụng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Fluent 6.3 User's Guide.
2. GAMBIT 2.3 - Tutorial’s Guide. 3. Một số trang web : ansys.com
confluence.cornell.edu CFD Online.com
4. Tài liệu pdf về cơ lưu chất có liên quan đến các loại dòng chảy…