2 phần mềm mô hình hóa dòng chảy CFD

Đồ án tốt nghiệp

2.2



Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí



Đặc điểm ,phương pháp nghiên cứu, đối tượng làm việc, ứng dụng và vai trò



của CFD

2.2.1 Đặc điểm CFD

ANSYS FLUENT là một phần mềm với những khả năng mô hình hóa một cách

rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt và phản

ứng được áp dụng trong công nghiệp từ dòng chảy qua cánh máy bay đến sự cháy

trong 1 lò lửa, từ các cột bọt khí đến các đệm dầu, từ dòng chảy của các mạch máu cho

đến việc chế tạo các vật liệu bán dẫn và từ thiết kế các căn phòng sạch cho đến các

thiết bị xử lí nước thải. Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình

hóa buồng cháy động cơ cylinder, khí động học sự truyền âm, máy cánh và các hệ

thống đa pha nhằm phục vụ cho việc mở rộng khả năng của phần mềm.

Ngày nay, hàng ngàn công ty trên thế giới đã thu được lợi nhuận lớn từ việc sử dụng

ANSYS FLUENT để phân tích những thiết kế của họ và việc tối ưu hóa quá trình phát

triển sản phẩm. Các bộ giải kỹ thuật tiên tiến giúp đưa ra những kết quả CFD nhanh và

chính xác, lưới chuyển động hay biến dạng và khả năng tăng tốc chạy song song. Các

chức năng người dùng định nghĩa cho phép bổ sung những mô hình mới hay những

tương tác người dùng trên mô hình đang tồn tại. Những khả năng thiết lập bộ giải

tương tác, quá trình giải và hậu xử lý của ANSYS FLUENT làm cho dễ dàng có thể

tạm dừng tính toán, kiểm tra kết quả với quá trình hậu xử lý đã được phân tích, thay

đổi bất cứ thiết lập nào và sau đó tiếp tục tính toán với từng ứng dụng.

Ngày nay, hàng ngàn công ty trên thế giới đã thu được lợi nhuận lớn từ việc sử dụng

ANSYS FLUENT để phân tích những thiết kế của họ và việc tối ưu hóa quá trình phát

triển sản phẩm. Các bộ giải kỹ thuật tiên tiến giúp đưa ra những kết quả CFD nhanh và

chính xác, lưới chuyển động hay biến dạng và khả năng tăng tốc chạy song song. Các

chức năng người dùng định nghĩa cho phép bổ sung những mô hình mới hay những

tương tác người dùng trên mô hình đang tồn tại. Những khả năng thiết lập bộ giải

tương tác, quá trình giải và hậu xử lý của ANSYS FLUENT làm cho dễ dàng có thể



Sinh viên:Phạm đình thức



Page 16



Đồ án tốt nghiệp



Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí



tạm dừng tính toán, kiểm tra kết quả với quá trình hậu xử lý đã được phân tích, thay

đổi bất cứ thiết lập nào và sau đó tiếp tục tính toán với từng ứng dụng.

Vấn đề phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển động của dòng chảy hay biến thiên các

thuộc tính như nhiệt độ, áp suất, vận tốc...của các vật thể chuyển động trong môi

trường chất lưu là rất quan trọng trong việc tính toán, thiết kế tối ưu các sản phẩm để

mang lại hiệu quả nhất. Có thể kể ra một vài ví dụ cụ thể như máy bay chuyển động

trong môi trường khí động, tàu thủy chuyển động trong môi trường chất lỏng, dòng khí

chuyển động trong hệ thống làm mát, dầu nhớt, hóa chất chuyển động trong các ống

dẫn hay bể chứa...Các thuộc tính của dòng chất lỏng có thể nhận được từ kết quả thực

nghiệm hay lời giải các hệ phương trình toán học, tuy nhiên hai phương pháp trên chỉ

áp dụng được trong các bài toán đơn giản, đối với các bài toán phức tạp thì gặp rất

nhiều khó khăn. Sử dụng phương pháp tính toán động lực học chất lỏng - CFD

(Computational Fluid Dynamics) có thể giải quyết được các bài toán phức tạp, việc

phân tích, tính toán trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn và các kết quả nhận được có

độ chính xác cao hơn. Ngày nay CFD được kết hợp cả với thực nghiệm thuần túy và

kết quả lời giải số, ba phương pháp này hỗ trợ bổ xung và là tiêu chuẩn đánh giá của

nhau, trong đó CFD có một vị trí quan trọng trong lĩnh vực động lực học chất lỏng từ

nghiên cứu lý thuyết đến tính toán, thiết kế công nghệ. Để ứng dụng CFD vào một bài

toán cụ thể, thì cần phải hiểu biết về lý thuyết cơ bản của CFD, các phương trình mô tả

chuyển động của chất lỏng, các phương trình lớp biên, từ đó chọn lựa phương pháp

tính, mô hình tính cũng như chọn phần mềm mô phỏng CFD phù hợp đối với kết quả

mong muốn nhận được của một bài toán kỹ thuật cụ thể.

2.2.2 phương pháp nghiên cứu

Có rất nhiều phương pháp nghiên cứu về lĩnh vực CFD như: nghiên cứu lý

thuyết CFD, nghiên cứu thực nghiệm về CFD, nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực

nghiệm, sử dụng phần mềm tính toán, mô phỏng bài toán CFD... Trong đề tài này, Em

lựa chọn phương pháp nghiên cứu lý thuyết CFD kết hợp với việc sử dụng phần mềm



Sinh viên:Phạm đình thức



Page 17



Đồ án tốt nghiệp



Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí



mô phỏng CFD trong bài toán kỹ thuật, phân tích, đánh giá kết quả nhận được từ phần

mềm mô phỏng.

Do giới hạn về nghiên cứu lý thuyết, bài toán CFD trong kỹ thuật và phần mềm mô

phỏng, và khả năng của bản thân, cũng như cấu hình của máy tính cá nhân hạn chế.

Trong đề tài này Em chỉ nghiên cứu về các phương trình chủ đạo của động lựu học

chất lỏng, cụ thể hơn đó là các phương trình liên tục, phương trình động lượng và

phương trình năng lượng . Trên cơ sở lý thuyết cơ bản, lựa chọn các bài toán đơn giản

và sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để mô phỏng bài toán chuyển động, truyền

nhiệt, biến thiên vận tốc của chất lỏng.

2.2.3 đối tượng làm việc

CFD thâm nhập vào những nơi có sự dịch chuyển cuả chất lỏng, cuả nhiệt và của

khối luợng. chẳng hạn như các quá trình sau:

•



Thở, ăn uống, tiêu hóa, rửa, bơi, hút thuốc .



•



Giặt giũ và phơi y phục,



•



Sưởi ấm hay quạt căn phòng ; dập tắt lửa bằng nước,



•



Sự đốt cháy trong động cơ nổ và ô nhiễm,



•



Lái máy bay, nhảy dù, trượt nước, lái thuyền buồm,



Hàn, chế tạo thép, điện giải nước... và nhiều quá trình khác

2.2.4 ứng dụng

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...

Thật khó có thể kể hết phạm vi ứng dụng của CFD. Dưới đây em chỉ liệt kê sơ qua

những lĩnh vực nổi bật nhất mà CFD đóng vai trò như một công cụ hữu hiệu không thể

thiếu để nghiên cứu, ứng dụng, cũng như phát triển chúng lên cấp độ công nghiệp,

mang lại nhiều thành tựu lớn nhất. Đó là:

•



Cơ học chất lưu và thủy khí động lực học;



•



Vật liệu học và sức bền vật liệu;



•



Công nghiệp chế tạo máy;



Sinh viên:Phạm đình thức



Page 18



Đồ án tốt nghiệp



Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí



•



Ngành năng lượng nguyên tử;



•



Ngành chế tạo ô tô;



•



Công nghệ composite;



•



Công nghiệp dầu khí;



•



Ống dẫn;



•



Va chạm và phá hủy;



•



Phát triển ứng dụng khoa học công nghệ;



•



Y học;



•



Khí tượng;



•



Sinh học;



•



Sinh thái học;



•



Và còn nhiều lĩnh vực khác …



Công nghiệp hàng không vũ trụ:

•



Mô phỏng dòng chảy bao các phương tiện bay,



Biên dạng cánh trong dòng chảy dưới âm thanh, lân cận âm thanh, siêu âm và siêu

thanh, xác định các đặc tính khí động lực học



Hình 2.2: Phương tiện bay

Ngành công nghiệp chế tạo ô tô:

•



Mô phỏng trên máy tính dòng chảy bao ngoài vỏ ôtô, xác định hệ số ma sát mặt

sườn,



Sinh viên:Phạm đình thức



Page 19



Đồ án tốt nghiệp

•



Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí



Mô phỏng trên máy tính quá trình điều hòa cho sa-lông,



mô phỏng trên máy tính quá trình làm việc của hệ thống thải khí và làm lạnh.



Hình 2.3: Ôtô chịu tác động bởi gió

Ngành chế tạo máy:

•



Các hệ thống thủy tốc và khí tốc áp;



•



Van, khóa van, van tiết lưu;



•



Dòng chảy trong các gói ống dẫn;



•



Sự thoát khí từ ống xả;



•



Mô phỏng quá trình ăn mòn.



Sinh viên:Phạm đình thức



Page 20



Đồ án tốt nghiệp



Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí



Hình 2.4: Dòng chất lỏng chảy qua van

Ngành công nghiệp dầu khí:

• Mô phỏng chuyển động của dầu và khí trong các ống dẫn

• Mô phỏng hoạt động của các trạm bơm

• Xác định các đặc tính thủy lực

• Dòng chảy với tạp chất



Hình 2.5: Hoạt động của dầu trong bơm.

Xây dựng:

• Tính toán phụ tải gió lên nhà cửa và các phần tử kết cấu

• Mô phỏng họat động của đê kè và các công trình che chắn

Sinh viên:Phạm đình thức



Page 21



Đồ án tốt nghiệp



Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí



• Thông gió và điều hòa trong các công trình

• Dòng chảy trong các ống dẫn.



Hình 2.6: Dòng chất khí chuyển động qua khu đô thị và quạt gió.

Năng lượng nguyên tử:

• Đảm bảo độ tin cậy và an toàn sử dụng các trang thiết bị cơ nhiệt điện khi tăng công

suất các cụm phát điện của nhà máy điện hạt nhân.



Hình 2.7: bình đựng nhiên liệu.



Sinh viên:Phạm đình thức



Page 22



Đồ án tốt nghiệp



Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí



2.2.5 Vai trò của CFD

CFD có vai trò rất quan trọng trong dự báo kĩ thuật công nghiệp. CFD được xem

như là hướng thứ ba trong động lực học chất lỏng, hai hướng khác là những trường hợp

cổ điển của thực nghiệm thuần túy và lý thuyết thuần túy. CFD hỗ trợ và bổ sung cả

thực nghiệm thuần túy lẫn lý thuyết thuần túy, và quan điểm của các nhà nghiên cứu,

CFD có tầm quan trọng rất lớn đối với thực nghiệm và lý thuyết. Nó có một vị trí cố

định trong tất cả các khía cạnh của động lực học chất lỏng, từ nghiên cứu cơ bản đến

thiết kế kỹ nghệ.

2.2.6 Ưu điểm của CFD

CFD có những ưu điểm rõ rệt trong việc thiết kế hệ thống dòng chảy:

•



Giảm đáng kể thời gian và giá thành thiết kế mới,



•



Có thể nghiên cứu các hệ thống mà thực nghiệm rất khó hoặc không thể thực



hiện được,

•



Có khả năng nghiên cứu các hệ thống nằm trong những điều kiện nguy hiểm



vượt qua giới hạn hoạt động bình thường,

Có thể đưa ra số lượng kết quả không giới hạn một cách hết sức chi tiết.



Sinh viên:Phạm đình thức



Page 23



Đồ án tốt nghiệp



Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí



CHƯƠNG III CÁC PHƯƠNG TRÌNH TÌNH TOÁN TRONG ANSYS

3.1 phương trình cơ bản trong và mô hình tính toán trong CFD

Nền tảng của CFD là những phương trình chủ đạo cơ bản của động lực học lưu chất

•



Phương trình liên tục (The Continuity Equation)



•



Phương trình động lượng (The Momentum Equation)



•



Phương trình năng lượng (The Energy Equation)



Những phương trình trên nói đến quá trình vật lý. Chúng là những phát biểu toán học

của ba nguyên lý vật lý cơ bản mà toàn bộ động lực học lưu chất đặt trên cơ sở đó:

1)



Bảo toàn khối lượng.



2)



F = ma (định luật 2 Newton).



3)



Bảo toàn năng lượng



3.1.1 Phương trình liên tục

r

∂p

+ div( pv) = sm

∂t



Trong đó:

p – mật độ

r

v

- véc tơ tốc độ

sm



- khối lượng được thêm vào pha liên tục từ pha khuếch tán thứ 2 và các nguồn



donguoiwf dung định nghĩa.

Công thức trên nếu biểu diễn trong hệ tọa độ 3 chiều sẽ có dang:

∂p ∂ ( pvx ) ∂( pv y ) ∂ ( pvz )

+

+

+

= sm

∂t

∂x

∂y

∂z



Công thức này là phương trình bài toán 3 chiều không tĩnh hay phương trình liên

tục tại một điểm trong dòng chảy nén được. Số hạng đầu tiên trong vế trái của phương

trình là tốc độ thay đổi theo thời gian của khối lượng riêng. Ba số hạng tiếp theo trong

Sinh viên:Phạm đình thức



Page 24



Đồ án tốt nghiệp



Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí



phương trình mô tả lưu lượng khối lượng thực chất đi ra khỏi phần tử qua các biên của

nó và được gọi là lưu lượng đối lưu.

Với dòng chảy không nén được thì khối lượng riêng p là hằng số và khi đó phương

trình bảo toàn khối lượng có dạng đơn giản hơn:



r

r

divv = S m divv = S m



3.1.2 Phương trình động lượng

r

∂

∂p

( pu ) + div( pvu ) = div(ugradu ) − + Bt + Vt

∂t

∂x

r

∂

∂p

( pu ) + div( pvu ) = div(ugradu ) − + Bt + Vt

∂t

∂x



Trong đó:

v- tốc độ theo phương X

u- độ nhớt

p – áp suất tĩnh

Bt

Vt



- lực tác dụng lên đơn vị thể tích theo hướng X

- thể hiện các thành phần nhớt ngoài các thành phần đã được thể hiện bởi div(u grad



u).

Trong một không gian tham chiếu quán tính (không gia tốc), phương trình bảo toàn

động lượng được viết như sau:

rr

r

ur ur ∂ r

rr

r

ur ur

∂ r

( pv) + div( pvv) = div( j ) = ∇p + pg + F

( pv) + div( pvv) = div( j ) = ∇p + pg + F

∂t

∂t



Trong đó:

ur

pg



và



ur

F



là lực trọng trường và ngoại lực.



Sinh viên:Phạm đình thức



Page 25