Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất trong các bài toán kỹ thuật

MỤC LỤC
QUYẾT ĐỊNH
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐATN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .1
Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU . 2
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CFD TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC . 3
1.3 PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3
1. Phương pháp nghiên cứu . 3
2. Nội dung nghiên cứu 4
3. Mục tiêu nghiên cứu . 4
Chương 2
MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG
LỰC HỌC LƯU CHẤT – CFD
2.1. CFD LÀ GÌ? . 5
2.2 VAI TRÒ VÀ ỨNG DỤNG CỦA CFD TRONG GIẢI CÁC BÀI TOÁN KỸ
THUẬT NÓI CHUNG VÀ KỸ THUẬT TÀU THỦY NÓI RIÊNG 5
1. Vai trò của CFD . 5
2. Ứng dụng của CFD trong giải các bài toán kỹ thuật nói chung và kỹ thuật
tàu thủy nói riêng . 6
2.3. NHỮNG PHƯƠNG TRÌNH CHỦ ĐẠO CỦA CFD 10
1. Giới thiệu . 10
2. Mô hình hóa dòng 10
a. Thể tích kiểm soát hữu hạn . 11
b. Phần tử chất lỏng vô cùng bé 12
3. Đạo hàm thực . 13
4. Ý nghĩa vật lý của đại lượng
. 16
5. Phương trình liên tục 18
6. Phương trình bảo toàn động lượng 22
7. phương trình bảo toàn năng lượng . 27
8.Tóm lược những phương trình chủ đạo . 33
a. Phương trình đối với dòng nhớt 33
b. Phương trình đối với dòng không nhớt 33
9. Điều kiện biên 35
10 . Các dạng phương trình chủ đạo đặc biệt phù hợp với CFD. Thảo luận . 36
2.4 TRÌNH TỰ GIẢI BÀI TOÁN CFD 41
1. Bước 1: Tiền xử lý – phân tích vấn đề . 42
2. Bước 2: Tạo mô hình và chia lưới . 42
3. Bước 3: Đặt tải và điều kiện biên 40
4. Bước 4: Giải . 43
5. Hậu xử lý 44
Chương 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1 LỰA CHỌN PHẦN MỀM ANSYS FLOTRAN VÀ ANSYS FLUENT MINH
HỌA CÁC VÍ DỤ CFD TRONG ĐỀ TÀI 45
3.2 LÝ DO CHỌN BÀI TOÁN 46
3.3. MÔ PHỎNG VÍ DỤ MINH HỌA VỀ CFD BẰNG ANSYS 47
3.3.1. bài toán dòng khí bao ngoài vật thể 47
3.3.2. bài toán mô hình hóa dòng khí trong ống . 55
Chương 4: KẾT LUẬN KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ
4.1. KẾT LUẬN KẾT QUẢ 80
4.2 KIẾN NGHỊ . 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 82
1
LỜI NÓI ĐẦU
Như chúng ta đã biết, ngành cơ khí nói chung và ngành đóng tàu nói riêng là
một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn của nuớc ta. Với sự phát triển của
ngành công nghiệp đóng tàu hiện nay, nó đòi hỏi người kĩ sư phải có trình độ
chuyên môn vững chắc về ngành tàu, kết hợp tốt giữa lý thuyết và thực hành.
Trong xu thế phát triển gần đây, ứng dụng công nghệ thông tin để tính toán,
thiết kế tàu thuỷ đã và đang phát triển nhanh chóng và trở thành một nhu cầu tất
yếu. Và tính toán động lực học lưu chất (CFD) là một trong những ứng dụng đó.
CFD ra đời đã trở thành một trong những công cụ phổ biến trong phân tích kỹ thuật
nói chung, ngành đóng tàu nói riêng, hỗ trợ và bổ sung cả thực nghiệm thuần túy và
lý thuyết thuần túy.
Được sự phân công của nhà trường em đã được giao đồ án: “Nghiên cứu ứng
dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid
Dynamics – CFD) trong các bài toán kỹ thuật”. Nội dung gồm 4 chương sau:
Chương 1: Đặt vấn đề.
Chương 2 : Một số vấn đề cơ bản về phương pháp tính toán động lực học lưu chất
CFD.
Chương 3: Kết quả nghiên cứu (nghiên cứu ứng dụng CFD trong giải quyết một
số bài toán kỹ thuật chọn lựa) .
Chương 4: Thảo luận kết quả và kiến nghị.


Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Đối với các bài toán kỹ thuật trong thực tế thì việc nghiên cứu trường phân
bố dòng chảy (áp suất, vận tốc, ) của chất lỏng hay khí bao xung quanh hay bên
trong vật thể là rất quan trọng và cần thiết. Bởi vì sự hiểu biết được về sự chuyển
động của chất lỏng hay khí như thế nào và những hiệu ứng mà nó gây ra sẽ giúp ích
cho chúng ta rất nhiều. Để làm được điều này, trước đây chúng ta chỉ có thể áp dụng
một trong hai phương pháp cổ điển để nghiên cứu nó, đó là lý thuyết thuần túy và
thực nghiệm thuần túy. Nếu áp dụng hai phương pháp này, một là nếu dùng phương
pháp lý thuyết thuần túy sẽ có tính chính xác cao nhưng khó có thể ứng dụng thực
tế, vì khả năng tính toán sẽ bị giới hạn; hai là nếu sử dụng phương pháp thực
nghiệm thuần túy cũng sẽ có tính chính xác cao nhưng tốn rất nhiều chi phí. Ngày
nay, những nhược điểm đó đã được giải quyết nhờ sự ra đời của CFD, được xem là
“phương pháp thứ ba” trong động lực học lưu chất (phương pháp kết hợp giữa lý
thuyết thuần túy và thực nghiệm thuần túy). Cùng với sự phát triển mạnh của máy
tính số tốc độ cao, CFD đã giải quyết nhanh chóng, chính xác, và tiết kiệm được
nhiều chi phí cho hầu hết các bài toán gặp phải trong thực tế.
Với tầm quan trọng và những ứng dụng thực tế mà CFD mang lại (cụ thể là
như thế nào sẽ được thảo luận trong chương 2), nên trong đề tài này, chúng em
nghiên cứu về những khía cạnh cơ bản về phương pháp CFD. Từ đó vận dụng nó
vào giải các bài toán thực tế để làm nổi bật được lý thuyết của CFD và vai trò quan
trọng của nó.
3
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CFD TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Ở nước ngoài, CFD đã được đẩy mạnh nghiên cứu từ rất lâu, đặc biệt Mỹ đã
đưa CFD vào hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật, nhất là ngành hàng không vũ trụ từ rất
sớm (những năm 50 của thế kỷ 20). Vì vậy mà tại sao ngày nay chúng ta thấy Mỹ
lại có một sự phát triển mạnh như vậy trong ngành hàng không vũ trụ nói riêng và
các ngành kỹ thuật nói chung. Đó là vì CFD đã đóng góp một phần to lớn trong thứ
hạng số một thế giới của quốc gia này.
Chúng ta biết rằng, CFD đi liền với sự phát triển của máy tính số. Quả thật
nếu không có máy tính số thì CFD không làm được gì cả. Ngược lại CFD cũng trực
tiếp là động lực thúc đẩy cho sự phát triển mạnh mẽ của máy tính số ngày nay. Và
cùng với sự phát triển mạnh mẽ đó, CFD ngày nay đã vươn xa ra rất nhiều quốc gia
như Đức, Nga, Pháp, Anh, . và thu được rất nhiều thành công.
Ở nước ta, nhìn chung CFD còn khá mới mẽ, đang trong giai đoạn làm quen
từng bước. Nhưng đã có nhiều nhóm nghiên cứu sinh, nhiều Viện, trường đại học
đã mạnh dạng nghiên cứu về lĩnh vực mới này, họ không chỉ tự mình tích cực tìm
kiếm tài liệu mà trực tiếp ra nước ngoài như Nga, Mỹ, để học tập, nghiên cứu,
theo đuổi ước mơ CFD. Những con người này sẽ là những hạt mầm cho sự phát
triển của CFD ở Việt Nam trong tương lai.
1.3 PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
1. Phương pháp nghiên cứu
Như đã nói ở trên, CFD được xem là “phương pháp thứ ba” trong động lực
học lưu chất. Thực chất, đó là sự kết hợp giữa lý thuyết thuần túy và thực nghiệm
thuần túy. Vì vậy, phương pháp nghiên cứu của đề tài cũng đi theo “phương pháp
thứ ba” này. Trước tiên nghiên cứu về lý thuyết của CFD, đó là những phương trình
chủ đạo; sau đó, vận dụng lý thuyết này vào giải quyết các bài toán thực tế mà cụ
thể là sử dụng các phần mềm mô phỏng bằng máy tính (Ansys Flotran, Ansys
Fluent), để minh họa cho tầm quan trọng của CFD.
4
2. Nội dung nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu những phương trình chủ đạo được xem là “trọng tâm” của
CFD, mà dựa vào nó các nhà lập trình đã viết thành các phần mềm tính toán mô
phỏng như: phần mềm Ansys nói chung và mô đun Ansys Flotran, Ansys Fluent nói
riêng để giải quyết các bài toán kỹ thuật một cách tiện lợi. Sau khi nghiên cứu kỹ về
phần lý thuyết này, bước tiếp theo trong đề tài là vận dụng Ansys vào giải quyết các
bài toán thực tế: bài toán dòng bao ngoài vật thể, và bài toán dòng bên trong ống.
Từ kết quả đó, đưa ra những nhận xét và suy đoán, so sánh với thực tế.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chung của đề tài là nghiên cứu ứng dụng của phương pháp động lực
học lưu chất trong các bài toán kỹ thuật. Từ đó giúp nắm bắt được phần cơ bản của
CFD, tạo tiền đề mở rộng tư duy về các lĩnh vực ứng dụng cao hơn mà CFD có thể
mang lại.
Cụ thể hơn, mục tiêu của đề tài là tìm hiểu và phân tích được các phương
trình chủ đạo của chất lưu dưới dạng bảo toàn và không bảo toàn, sự khác nhau và
mối tương quan giữa hai dạng bảo toàn và không bảo toàn của các phương trình chủ
đạo. Từ các điều kiện biên, dẫn ra được các phương trình chủ đạo của dòng nhớt và
dòng không nhớt ở hai dạng này. Sau đó, từ lý thuyết cơ bản của CFD lựa chọn bài
toán cụ thể và ứng dụng CFD để giải bài toán kỹ thuật thực tế.
5
Chương 2
MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH
TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT - CFD
2.1. CFD LÀ GÌ?
Mọi khía cạnh vật lý của bất kỳ dòng chảy nào đều được kiểm soát bởi ba
nguyên lý cơ bản sau: (1) Bảo toàn khối lượng; (2) F=ma (định luật 2 Newton); và
(3) Bảo toàn năng lượng. Những nguyên lý cơ bản này có thể biểu thị dưới dạng
các số hạng của phương trình toán học, mà dạng tổng quát nhất của chúng là những
phương trình đạo hàm riêng theo thông lệ.
CFD là một lĩnh vực khoa học sử dụng các phương pháp số kết hợp với công
nghệ mô phỏng trên máy tính để giải quyết các bài toán liên quan đến quá trình
chuyển động của môi trường, đặc tính lý hóa của các quá trình trong môi trường
đang xét, đặc tính sức bền của môi trường, đặc tính nhiệt động, đặc tính động học,
hay đặc tính khí động lực học Phụ thuộc vào từng đối tượng và phạm vi cụ thể
của từng vấn đề, từng lĩnh vực khoa học mà CFD có thể ứng dụng được. Như vậy
CFD không chỉ đơn thuần là tính toán động lực học lưu chất.
2.2 VAI TRÒ VÀ ỨNG DỤNG CỦA CFD TRONG GIẢI CÁC BÀI TOÁN KỸ
THUẬT NÓI CHUNG VÀ KỸ THUẬT TÀU THỦY NÓI RIÊNG
1. Vai trò của CFD
Vai trò của CFD trong dự báo kĩ thuật công nghiệp đã trở nên mạnh mẽ đến
mức ngày nay nó được nhìn nhận như “phương pháp thứ ba” trong động lực học
lưu chất, cùng với hai phương pháp cổ điển khác là lý thuyết thuần túy và thực
nghiệm thuần túy. Từ năm 1687 với sự công bố nguyên lý cơ bản của Newton cho
tới giữa những năm 1960, những tiến bộ về cơ học chất lỏng được thực hiện bằng
cách kết hợp với thực nghiệm tiên phong và phân tích lý thuyết cơ bản – những
phân tích mà hầu như luôn yêu cầu sử dụng những mô hình dòng đơn giản để nhận
6
được lời giải dạng khép kín của các phương trình chủ đạo. Những lời giải dạng
khép kín có lợi thế nổi bậc là đồng nhất ngay lập tức một vài tham số cơ bản của bài
toán đã cho, và thể hiện rõ câu trả lời cho những bài toán bị ảnh hưởng bởi sự thay
đổi các tham số như thế nào. Tuy nhiên, chúng có bất lợi là không đưa ra được mọi
quá trình vật lý cần thiết của dòng. Với khả năng kiểm soát các phương trình chủ
đạo ở dạng chính xác cùng với việc xem xét các hiện tượng vật lý chi tiết như phản
ứng hóa học ở mức độ hạn chế, CFD trở thành một công cụ phổ biến trong phân
tích kỹ thuật. Ngày nay, CFD hỗ trợ và bổ sung cả thực nghiệm thuần túy lẫn lý
thuyết thuần túy, trong quan điểm của các nhà nghiên cứu, CFD vẫn được xem là
phương pháp thứ ba trong động lực học lưu chất, có dáng vóc và tầm quan trọng
như nhau đối với thực nghiệm và lý thuyết. Nó có một vị trí cố định trong tất cả các
khía cạnh của động lực học lưu chất, từ nghiên cứu cơ bản đến thiết kế kỹ thuật.
2. Ứng dụng của CFD trong giải các bài toán kỹ thuật nói chung và kỹ thuật tàu
thủy nói riêng.
CFD được phát triển, ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong các lĩnh vực
cơ học môi trường chất lưu (khí, lỏng, plasma, ) và môi trường biến dạng, đàn
hồi, Trên thực tế, CFD được ứng dụng rộng rãi vào các ngành khoa học tiên tiến
và công nghệ cao cũng như các ngành khoa học phục vụ dân sinh. Chẳng hạn, CFD
được ứng dụng mô phỏng chuyển động của tàu vũ trụ với vận tốc siêu thanh và
dòng chảy bao quanh cũng như các yếu tố khí động tác dụng lên các vật thể bay nói
chung. CFD được ứng dụng vào ngành đại dương học để mô phỏng tìm các quy luật
của dòng biển nóng, lạnh và tác động của chúng lên khí hậu toàn cầu, . CFD được
ứng dụng trong y tế để mô phỏng quá trình hoàn lưu máu ở hai vòng tuần hoàn, ảnh
hưởng của các yếu tố bên trong, bên ngoài lên nhịp đập cũng như sức khỏe của nội
tạng nói riêng, toàn bộ cơ thể nói chung Thật khó có thể kết luận hết phạm vi ứng
dụng của CFD, dưới đây có thể liệt kê những lĩnh vực mà CFD đóng vai trò như
một công cụ hữu hiệu không thể thiếu để nghiên cứu, ứng dụng, cũng như phát
triển, mang lại thành tựu cao. Đó là:
7
 Cơ học dòng chảy và thủy khí động lực học
 Vật liệu học và sức bền vật liệu
 Công nghiệp chế tạo máy, đóng tàu
 Năng lượng nguyên tử
 Công nghiệp ô tô, máy bay
 Công nghệ composite
 Xây dựng
 Công nghiệp dầu khí
 Va chạm và phá hủy
 Y học
 Sinh học
 Khí tượng thủy văn

Nói đến lĩnh vực tàu thủy, với những ứng dụng to lớn và hiệu quả kinh tế mà
CFD mang lại, ngày nay các công ty đóng tàu lớn trên thế giới đã đưa CFD vào
trong chương trình nghiên cứu và ứng dụng để mô phỏng, tính toán trường dòng
chất lỏng bao quanh tàu để nâng cao chất lượng tính toán thiết kế cho tàu, từ đó
có thể tối ưu hóa đường hình. Mặc khác CFD cũng là một bể thử ảo cho ngành
tàu nhưng kết quả thử khá chính xác và hoàn toàn chấp nhận được trong điều
kiện thực tế yêu cầu. Chúng ta hãy tưởng tượng rằng, khi chúng ta muốn kiểm tra
một con tàu về sức cản, muốn kiểm tra xem thiết kế của chúng ta đã tối ưu chưa
bằng cách tạo ra các mô hình thử thật, rồi đưa chúng vào các bể thử thật, từ đó
nhận được các số liệu đầu ra, nếu không thỏa mãn yêu cầu thì lại quay ngược lại
thiết kế và tạo mô hình mới, rồi lại thử, và cứ thế cho đến khi nào đạt được
được yêu cầu mong muốn. Không cần nói ra nhưng chúng ta hiểu được nó tốn
kém nhiều như thế nào. Xét về khía cạnh này, CFD giúp chúng ta tiết kiệm được
một khoảng tiền rất lớn, vì những điều mà ta tiến hành với thực nghiệm hoàn
toàn thao tác dễ dàng với những nhấp chuột trên môi trường thí nghiệm ảo của


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Anderson, John D., Jr.: Introduction to Flight, 3d ed, McGraw-Hill, New York,
1989
[2]. Anderson, John D Jr ( 1989), Hypersonic and hight temperature Gas Dynamics,
McGraw-Hill, New York.
[3]. Computational Fluid Dynamics, Von Karman Insitute , Germany
[4]. Đinh Bá Trụ - Hoàng Văn Lợi, Hướng dẫn sử dụng Ansys – phần 1, Học viện
kỹ thuật quân sự.
[5]. Đinh Bá Trụ - Hoàng Văn Lợi, Hướng dẫn sử dụng Ansys – phần 2, Học viện
kỹ thuật quân sự.
[6] Phạm Ngọc Dũng, Bùi Tá Long , Tính toán mô phỏng lan truyền chất sử dụng
phần mềm Ansys, Viện Môi trường và Tài nguyên.
[7]. PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn, Phương pháp phần tử hữu hạn.
[8] Tutorial of Ansys Fluent.



Click tải về