Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng thân vỏ đến đặc tính khí động học của đoàn xe chở container

Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của các công cụ, phương tiên hỗ trợ tính toán số ra đời, tính toán động lực học chất lỏng CFD Computation Fluid Dynamic đã trở thành công

Lã Trung Sơn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG THÂN VỎ ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC

CỦA ĐOÀN XE CHỞ CONTAINER

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

Ngành: Cơ kỹ thuật

HÀ NỘI - 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lã Trung Sơn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG THÂN VỎ

ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC CỦA ĐOÀN XE CHỞ CONTAINER

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

Ngành: Cơ kỹ thuật

Mã Ngành: 60520101

Cán bộ hướng dẫn: TS Ngô Văn Hệ

HÀ NỘI - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, là kết quả nghiên cứu của tôi đã thực hiện được dưới sự hướng dẫn của Giáo viên hướng dẫn luận văn và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác

Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể Thầy, Cô giáo của Khoa Cơ học Kỹ thuật và Tự động hóa - Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, viện Cơ khí Động lực Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức, giúp đỡ tôi suốt thời gian học tập và

đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, ủng hộ tôi hết lòng, động viên và chia sẻ trong suốt thời gian tôi học tập

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 10

1 Tính cấp thiết của đề tài 10

2 Lịch sử nghiên cứu 10

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 11

5 Phương pháp nghiên cứu 12

Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 14

1.1 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước 14

1.2 Khái niệm khí động lực học 16

1.3 Một số phương trình khí động học cơ bản 17

1.3.1 Động học và động lực học chất lỏng 17

1.3.2 Lực cản khí động 19

1.4 Kết luận chương 1 22

Chương 2: CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ CFD VÀ CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Giới thiệu chung về CFD 23

2.1.1 Công cụ trong Ansys-Fluent 24

2.1.2 Nguyên lý tính toán trong phần mềm Ansys-Fluent 25

2.2 Trình tự giải quyết bài toán CFD 28

2.3 Phương pháp chia lưới trong bài toán mô phỏng 30

2.4 Một số mô hình rối trong Ansys-Fluent 34

2.4.1 Mô hình rối một phương trình (one equation turbulence models) 34

2.4.2 Mô hình hai phương trình (two equations model) 36

2.4.3 Mô hình k-epsilon 37

2.5 Cơ sở phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng thân vỏ đến đặc tính khí

động học thân vỏ đoàn xe chở container 40

2.6 Kết luận chương 2 48

Chương 3 MÔ HÌNH ĐOÀN XE CHỞ CONTAINER SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU VÀ QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ CFD 49

3.1 Đoàn xe chở container 49

3.2 Mô hình đoàn xe chở container sử dụng trong nghiên cứu 51

3.3 Quá trình mô phỏng số CFD thân vỏ đoàn xe chở container 53

3.4 Kết luận chương 3 58

Chương 4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG THÂN VỎ ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG LỰC ĐOÀN XE 59

4.1 Ảnh hưởng của hình dáng thân vỏ đến đặc tính khí động học đoàn xe 59

4.1.1 Mô hình đoàn xe chở container khảo sát 59

4.1.2 Kết quả so sánh về phân bố áp suất và dòng bao quanh thân đoàn xe 63

4.1.3 Kết quả so sánh lực cản khí động tác động lên thân đoàn xe 69

4.2 Ảnh hưởng của khoảng cách tương đối giữa container 20 feet và cabin đến đặc tính khí động học đoàn xe 71

4.2.1 Mô hình đoàn xe khảo sát 71

4.2.2 Một số kết quả so sánh phân bố áp suất và dòng bao quanh đoàn xe 72

4.2.3 Kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên đoàn xe 78

4.3 Kết luận chương 4 79

KẾT LUẬN 81

1 Kết luận 81

2 Kiến nghị 82

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Dynamic)

2 ANSYS Bộ chương trình tính toán, mô phỏng số

ứng dụng trong nghiên cứu, khảo sát và thiết kế với nhiều lĩnh vực khác nhau

3 CN0-CN9 Ký hiệu mô hình đoàn xe chở container

từ mô hình nguyên bản số 0 đến mô hình cải tiến số 9

4 feet Đơn vị đo độ dài, 1feet = 0.3048m

5 Container 20feet Loại container dài 20 feet

6 Container 40feet Loại container dài 40 feet

của dòng chảy

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số đầu vào tính toán 40

Bảng 2.2 Hệ số lực cản khí động tác động lên vật thể cơ bản hình hộp 42

Bảng 3.1 Thông số kích thước cơ bản của đoàn xe chở container 50

Bảng 3.2 Một số điều kiện sử dụng trong tính mô phỏng số CFD 53

Bảng 4.1 Lực cản khí động tác động lên đoàn xe 69

Bảng 4.2 Khoảng cách tương đối giữa container 20 feet và cabin xe 71

Bảng 4.3 Hệ số lực cản khí động và công suất tiêu hao tương ứng của đoàn xe

78

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hệ trục tọa độ Oxyz sử dụng trong nghiên cứu 20 Hình 1.2 Một số hình dáng khí động và hệ số lực cản khí động tương ứng 22 Hình 2.1 Mô hình vật thể cơ bản sử dụng trong nghiên cứu, l/h=1, N0 40 Hình 2.2 Phân bố áp suất bao quanh vật thể khảo sát tại mặt cắt dọc tâm, N0 42 Hình 2.3 Đường dòng bao quanh vật thể khảo sát tại mặt cắt dọc tâm, N0 42 Hình 2.4 Mô hình vật thể với hình dạng bán cầu phát triển từ hình hộp, N1 43 Hình 2.5 Phân bố áp suất bao quanh vật thể trong miền không gian khảo sát 44 Hình 2.6 Đường dòng bao quanh vật thể khảo sát tại mặt cắt dọc tâm, N1 44 Hình 2.7 Hình dạng vật thể khí động phát triển từ hình dạng hình hộp, N2 45 Hình 2.8 Phân bố áp suất bao quanh vật thể trong miền không gian khảo sát 46 Hình 2.9 Đường dòng bao quanh vật thể khảo sát tại mặt cắt dọc tâm, N2 46 Hình 2.10 Hệ số lực cản khí động tổng CT tác động lên các vật thể có hình dạng hình học khác nhau trong khảo sát, N0, N1, N2 47 Hình 3.1 Các phần chính tháo rời của đoàn xe chở container 50 Hình 3.2 Mô hình đoàn xe chở container 40 feet nguyên bản, sử dụng trong nghiên cứu, mô hình CN0 52 Hình 3.3 Miền không gian tính toán mô phỏng CFD 53 Hình 3.4 Chia lưới trên bề mặt thân vỏ đoàn xe trong không gian mô phỏng số CFD với kiểu lưới không cấu trúc với 4,7 triệu lưới không cấu trúc kiểu T 54 Hình 3.5 Phân bố áp suất động tại mặt cắt dọc tâm đoàn xe ở vận tốc V=80km/h 55 Hình 3.6 Phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe nguyên bản NC0 ở vận tốc khai thác V=80km/h 56 Hình 3.7 Đồ thị lực cản khí động và hệ số lực cản khí động tổng theo dải vận tốc khai thác của đoàn xe trong trường hợp có chở theo container và không chở container trên xe 57 Hình 4.1 Hình dáng đoàn xe cải tiến CN1 60 Hình 4.2 Hình dáng đoàn xe cải tiến CN2 60

Hình 4.3 Hình dáng đoàn xe cải tiến CN3 61

Hình 4.4 Hình dáng đoàn xe cải tiến CN4 61

Hình 4.5 Hình dáng đoàn xe cải tiến CN5 62

Hình 4.6 Hình dáng đoàn xe cải tiến CN6 62

Hình 4.7 Phân bố áp suất bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc tâm 63

Hình 4.9 Phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc tâm miền không gian tính toán, CN0-CN3 65

Hình 4.10 Phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc tâm miền không gian tính toán, CN4-CN6 66

Hình 4.11 Phân bố áp suất trên bề mặt thân đoàn xe 67

Hình 4.12 Phân bố áp suất trên bề mặt thân đoàn xe 68

Hình 4.13 Lực cản khí động tác động lên đoàn xe tại vận tốc khai thác 80km/h

69

Hình 4.14 Mô hình đoàn xe chở container 20 feet với các vị trí đặt container 20 feet khác nhau, CN7, CN8, CN9 71

Hình 4.15 Phân bố áp suất bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc tâm 72

Hình 4.16 Phân bố áp suất bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc y=1.176m 73

Hình 4.17 Phân bố áp suất bao quanh đoàn xe tại mặt cắt bằng z=2.5m 74

Hình 4.18 Phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc tâm 75

Hình 4.19 Phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc y=1.176m

76

Hình 4.20 Phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe tại mặt cắt bằng z=2.5m 77

Hình 4.21 Các thành phần lực cản khí động tác động lên đoàn xe tại vận tốc khai thác 80km/h 78

Hình 4.22 Lực cản khí động tác động lên xe trong quá trình vận tải container 78

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong quá trình giao thông vận tải nói chung và giao thông đường bộ nói riêng, để nâng cao hiệu quả khai thác cho đoàn xe chở hàng, cần thiết phải giảm tiêu hao nhiên liệu cần thiết tiêu tốn trong quá trình chạy xe Để giảm tiêu hao nhiên liệu trong quá trình khai thác này thì giảm lực cản, tối ưu tốc độ đoàn xe là một trong những biện pháp hữu ích và mang lại nhiều lợi ích thiết thực nhất hiện nay Vấn đề nghiên cứu giảm lực cản, tiết kiệm nhiên liệu hiện đang được nhiều nhà nghiên cứu, thiết kế và khai thác kinh doanh vận tải quan tâm

Trong những năm gần đây, việc phát triển giao thông vận tải container được chú trọng rất nhiều Quá trình vận tải hàng hóa xuất nhập khẩu qua các cảng nội địa đường bộ và đường thủy ngày càng tăng cao Kéo theo sự phát triển

đó là sự phát triển đa dạng hóa của đoàn xe chở container Trên các tuyến vận chuyển container nước ta đã xuất hiện và đa dạng hóa các chủng loại xe đầu kéo

có thiết kế hình dáng khí động khác nhau, xe nhập khẩu, xe nội địa sự đa dạng hóa này có phải là sự đầu tư nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cao từ các thiết kế kiểu dáng đoàn xe hay không Tốc độ khai thác nào của đoàn xe thì tương ứng với kiểu dáng thiết kế đó có hiệu quả kinh tế trong vận tải Đây còn là các vấn

đề cần đặt ra và phải được giải quyết không chỉ với các nhà thiết kế chế tạo mà còn cần thiết cho các ngành kinh doanh vận tải xe ô tô

Trước những nhu cầu cần thiết để nâng cao hiệu quả khai thác cho đoàn xe chở container, sự cần thiết để có cái nhìn tổng thể về hình dáng khí động phù hợp cho đoàn xe chở container, tác giả lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên đoàn xe chở container, nhằm nâng cao hiệu quả kinh

tế khai thác vận tải hàng hóa cho đoàn xe

2 Lịch sử nghiên cứu

Lĩnh vực tính toán lực cản xe ô tô nói chung, cũng như lực cản khí động tác động lên đoàn xe chở container nói riêng đã có một số tác giả trong nước và quốc tế quan tâm nghiên cứu [6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 18] Từ nhiều năm về trước khi công cụ hỗ trợ tính toán chưa phát triển, thì việc tính toán xác định lực cản khí động xe ô tô chủ yếu dựa trên kết quả thực nghiệm mô hình tại các

phòng thử nghiệm khí động lực học ô tô Trên cơ sở kết quả tổng hợp của rất nhiều thử nghiệm sẽ thu được các công thức thực nghiệm hay giá trị hệ số lực cản khí động tương ứng cho từng loại xe ô tô khác nhau Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của các công cụ, phương tiên hỗ trợ tính toán số ra đời, tính toán động lực học chất lỏng CFD (Computation Fluid Dynamic) đã trở thành công cụ hữu dụng trong việc ước lượng, dự đoán lực cản khí động tác động lên xe ô tô Ngày nay CFD đã trở thành công cụ phổ biến được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng làm phương tiện hỗ trợ nghiên cứu đắc lực cho mình [6-16] Úng dụng CFD trong nghiên cứu tính toán giảm lực cản khí động tác động lên đoàn xe chở container là đề tài đã và đang là vấn đề đặt ra cho nhiều giới chuyên môn giải đáp [6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 18] Với mỗn loại xe ô tô khác nhau, cần có các biện pháp kỹ thuật khác nhau để làm giảm lực cản khí động tác động lên xe Càng giảm được lực cản khí động tác động lên đoàn xe thì đồng nghĩa với việc nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác cho đoàn xe Đây cũng chính

là vấn đề đặt ra cần giải quyết trong luận văn này

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là phân tích, đánh giá đặc tính khí động lực học tác động lên thân vỏ đoàn xe chở container Thông qua các kết quả tính toán

mô phỏng số CFD, đề xuất một số giải pháp làm giảm lực cản khí động tác động lên thân vỏ đoàn xe nhằm góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác cho đoàn xe

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn là thân vỏ đoàn xe chở container, nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên đoàn xe chở container nhằm góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác của đoàn xe

Do giới hạn về thời gian trong việc vẽ thiết kế các bản vẽ 3D cho đoàn xe, cũng như giới hạn về tốc độ máy tính cá nhân, thời gian chờ kết quả chạy mô phỏng số CFD, đề tài chỉ giới hạn phạm vi nghiên cứu trên một loại hình dáng đoàn xe chở container nhất định và hạn chế một số trường hợp cụ thể để tính toán so sánh

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Trong luận văn này, tác giả tiến hành nghiên cứu tổng quan về khí động học đoàn xe chở container, thiết lập mô hình 3D của đoàn xe đã chọn, sau đó sử

dụng các bước giải một bài toán mô phỏng số CFD để giải quyết vấn đề đặt ra

Cụ thể là, khi thiết lập xong mô hình 3D tác giả đã sử dụng công cụ phần mềm thương mại để chia lưới và đưa vào phần mềm Ansys-Fluent để thiết lập các thông số đầu vào tính toán, điều kiện biên cho bài toán, từ đó thực hiện chạy mô phỏng số trên máy tính để xác định được các phân bố vận tốc, áp suất và lực cản khí động tác động lên đoàn xe khảo sát

Trên cơ sở phân tích kết quả thu được từ việc tính mô phỏng lực cản khí động tác động lên đoàn xe nguyên bản, tác giả đã đề xuất một số thay đổi hình dáng cho thượng tầng cabin của đoàn xe, thân xe và một số thay đổi vị trí, khoảng cách đặt container 20 feet so với cabin, sử dụng phần mềm chuyên dụng Ansys-Fluent để mô phỏng quá trình chuyển động của đoàn xe khi đã có thay đổi hình dáng tại tốc độ khai thác để xác định lực cản khí động cùng các đặc tính khí động của xe sau khi đã thay đổi hình dáng theo đề xuất

Kết quả mô phỏng số đưa ra phân bố vận tốc, phân bố áp suất trên đoàn xe với hình dáng thân xe, cabin đề xuất thay đổi khác nhau Trên cơ sở phân tích kết quả mô phỏng số thu được, tác giả đưa ra những kết luận quan trọng, những lưu ý và khuyến cáo cho việc thiết kế khí động học của đoàn xe

5 Phương pháp nghiên cứu

Trong các nghiên cứu về đặc tính khí động lực học nói chung, các phương pháp nghiên cứu thường được sử dụng cho đến nay gồm: phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mô hình trong các phòng thử nghiệm khí động học và phương pháp tính toán lý thuyết thuần túy Bên cạnh đó, phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết với thực nghiệm mô hình cũng được các nhà nghiên cứu sử dụng Ngày nay, với sự phát triển của khoa học tính toán số và công cụ máy tính, phương pháp nghiên cứu sử dụng công cụ mô phỏng số đã được áp dụng phổ biến Tuy nhiên việc sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số cần được thực hiện kết hợp chặt chẽ với lý thuyết tính toán và kinh nghiệm trong tính toán

số để đảm bảo kết quả tính toán có độ tin cậy cao

Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết truyền thống và tính toán mô phỏng số Đây là phương pháp nghiên cứu phổ biến và hiện đại trên thế giới mà nhiều nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới hiện đang quan tâm, sử dụng làm công cụ nghiên cứu cho mình Trên cơ sở nghiên cứu tài liệu, lý thuyết khí động học và tính toán mô

phỏng số CFD, tác giả tiến hành mô hình hóa các mô hình đoàn xe chở container, thiết kế bài toán tính mô phỏng số khảo sát đặc tính khí động học cho đoàn xe chở container và sau đó thực hiện các công việc để mô phỏng số CFD trên máy tính Kết quả thu đƣợc từ mô phỏng số đƣợc đánh giá và phân tích thông qua so sánh kết quả tính toán giữa các mô hình với nhau dựa trên kinh nghiệm tính toán và tài liệu nghiên cứu đã có trong phạm vi nghiên cứu

Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước

Đặc tính khí động của đoàn xe tải gần đây đã được các nhà sảm xuất và khai thác xe quan tâm đến Một trong những đặc tính khí động học quan trọng cần phải quan tâm đối với đoàn xe là lực khí động, bao gồm cả lực cản và lực nâng tác động lên đoàn xe trong quá trình lưu thông Lực cản liên quan đến công suất tiêu hao của động cơ, liên quan đến lượng tiêu hao nhiên liệu của đoàn xe Lực nâng ảnh hưởng đến tính an toàn ổn định và bám mặt đường của xe Đối với các đoàn xe khi khai thác ở dải vận tốc thấp, thì hình dáng thân vỏ xe ít ảnh hưởng đến các thành phần lực khí động tác đụng lên xe Trong trường hợp này, lực cản khí động tác dụng lên xe chỉ khoảng dưới 10% lực cản tổng thể và lên tới 30% tổng lực cản ở dải vận tốc 35km/h Tuy nhiên, khi đoàn xe khai thác ở dải vận tốc cao khoảng 80km/h thì sự ảnh hưởng của hình dáng thân vỏ xe tăng lên đáng

kể, thành phần lực cản khí động tác dụng lên xe có thể tăng lên tới 55%, thậm chí lên tới 80% tổng lực cản tổng thể của xe ở dải vận tốc trên 100km/h [4, 5, 6,

7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 18] Trong một số nghiên cứu đã công bố cho thấy, việc thay đổi hình dáng hình học thân vỏ xe bằng các phương pháp đơn giản như gắn thêm các tấm khí động, thêm mui tại đỉnh cabin xe, cải thiện hình dáng khí động nóc container, cải thiện hình dáng gầm xe hay thêm tấm bịt chắn bánh xe đều có thể giúp giảm lực cản khí động tác dụng lên đoàn xe khi lưu thông Việc làm cải thiện hình dáng khí động học cho đoàn xe này có thể làm giảm được tới 25% tổng lực cản khí động tác động lên xe [6, 7, 9, 11, 12, 13, 14, 18] Trong các biện pháp cải tiến hình dáng khí động cho đoàn xe thì việc gắn thêm mui nóc cabin giúp cải thiện đáng kể lực cản khí động tác động lên xe, việc cải thiện này đơn giản và không làm ảnh hưởng đến tính năng vận tải của xe Biện pháp che chắn khoảng trống và thay đổi khoảng cách giữa container và đầu kéo cũng mang lại hiệu quả đáng kể, tuy nhiên việc cải tiến này chỉ thích hợp với các đoàn

xe lưu thông trên các hành trình thẳng, ít quay trở Vì việc thay đổi này sẽ ảnh hưởng đến tính quay trở của xe

Nghiên cứu của nhóm tác giả Ch Hakansson và M.J Lenngren (2010) đưa ra các nghiên cứu cải tiến hình dáng khí động học cho thân xe tải thông qua ứng

dụng CFD tính toán và phân tích đặc tính khí động học Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hưởng của hình dáng khí động đến việc giảm lực cản khí động ở dải vận tốc 90 km/h với góc nghiêng dọc của xe từ 0-5 độ Việc cải thiện hình dáng nóc cabin và đuôi xe giúp giảm được lực cản khí động tác động lên xe một cách

rõ rệt từ khoảng 2 đến 22% lực cản khí động tổng thể tác động lên xe [9]

Nghiên cứu của nhóm tác giả H Chowdhury cùng cộng sự (2013), thông qua phương pháp thực nghiệm mô hình với tỷ lệ 1/10 so với kích thước thực của xe, trong ống thử khí động với một số biện pháp cải thiện hình dáng mui xe và che chắn thân xe, nhóm tác giả đã thực nghiệm với 6 mô hình xe khác nhau Kết quả thực nghiệm được thực hiện trong dải vận tốc từ 40km/h đến 145km/h đối với các mô hình do nhóm nghiên cứu đưa ra Kết quả thực nghiệm đã cho thấy với các mô hình cải tiến hệ số lực cản khí động của xe có thể giảm được tới 26% so với ban đầu, kết quả thử nghiệm mô hình cho thấy hệ số lực cản khí động tác động lên xe dao động trong phạm vi giá trị từ 0.5 đến 0.69 giảm đi khoảng 26%

so với giá trị của mô hình xe ban đầu [11]

Tổng hợp kết quả nghiên cứu của tổ chức nghiên cứu vận tải Châu Âu năm

2010 cho thấy với một số nghiên cứu cải tiến phần đuôi xe tải nhằm điều khiển dòng thoát sau xe có thể giúp cải thiện được đặc tính khí động học của xe, nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc cải tiến đuôi xe có thể giúp giảm được tới 7% tổng lượng khí thải CO2 của loại xe tải này [14]

Trong luận văn này, thứ nhất tác giả đi nghiên cứu, khảo sát đặc tính khí động học của một số hình dáng vật thể thông dụng, cơ bản nhằm đưa ra cơ sở chung nhất để thiết kế và cải thiện hình dáng vật thể tối ưu biên dạng khí động học Thông qua các kết quả khảo sát, tác giả đồng thời thực hiện việc so sánh kết quả tính mô phỏng số CFD thu được với một số kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm khác đã được công bố trên các tài liệu có uy tín trong và ngoài nước trước đây, nhằm kiểm nghiệm tính đúng đắn của phương pháp tính toán mô phỏng số CFD sử dụng trong luận văn Thứ hai, tác giả thực hiện khảo sát đặc tính khí động học của đoàn xe chở container hiện đang được khai thác vận tải chiếm phần lớn ở Việt Nam thông qua tính toán động lực học chất lỏng CFD (Computation Fluid Dynamic) Trên cơ sở đó tác giả đưa ra một số giải pháp cải thiện hình dáng khí động học cho thân xe nhằm điểu khiển, thay đổi dòng khí động bao quanh thân xe để làm giảm lực cản khí động tác động lên đoàn xe trong quá trình lưu thông Các nghiên cứu cải thiện hình dáng thân vỏ đoàn xe này sẽ được thực hiện trong phần ba của luận văn Từ kết quả so sánh về phân

bố vận tốc dòng bao quanh thân xe, phân bố áp suất trên bề mặt thân xe và lực khí động tác dụng lên xe, tác giả đưa ra các nhận xét nhằm cải thiện thân vỏ xe hợp lý nhất với điều kiện khai thác sử dụng đoàn xe tại Việt Nam, để có thể nâng cao hiệu suất kinh tế vận tải cho đoàn xe chở container

1.2 Khái niệm khí động lực học

Khí động lực học là môn học nghiên cứu về dòng chảy của chất khí, được nghiên cứu đầu tiên bởi George Cayley vào thập niên 1800 "Khí động học" là một nhánh của động lực học chất lưu nghiên cứu chuyển động của không khí, đặc biệt là khi nó tương tác với một đối tượng di chuyển Khí động học đã thường được sử dụng đồng nghĩa với khí động lực, với sự khác biệt là khí động lực áp dụng đối với dòng chảy nén Tìm hiểu về sự chuyển động của không khí (thường được gọi là một trường dòng chảy) xung quanh một đối tượng cho phép tính toán các lực, mô men lực tác động lên đối tượng Giải pháp cho các vấn đề khí động lực học dẫn đến các tính toán về tính chất khác nhau của dòng chảy, như vận tốc, áp suất, mật độ và nhiệt độ, như là các hàm của không gian và thời gian Khi hiểu được các tính chất này của chất khí, người ta có thể tính toán chính xác hay xấp xỉ các lực và các mômen lực lên hệ thống dòng chảy Việc sử dụng khí động học thông qua phân tích toán học, xấp xỉ thực nghiệm và gió đường hầm thử nghiệm là cơ sở khoa học

Khí động học có thể được chia thành hai loại như khí động học bên ngoại biên và khí động học nội biên Khí động học ngoại biên về cơ bản là nghiên cứu

về dòng chảy xung quanh các vật thể rắn hình dạng khác nhau Đánh giá thang máy, máy bay, dòng chảy của không khí qua một lưỡi tuabin gió hay sóng xung kích hình thành ở phía trước mũi của một tên lửa là ví dụ về khí động học ngoại biên Khí động học nội biên bao gồm việc nghiên cứu các luồng không khí thông qua một động cơ phản lực hoặc thông qua một đường ống điều hòa không khí [1, 2, 3, 4, 5]

Khí động lực học cũng có thể được phân loại theo tỉ số vận tốc của dòng chảy so với vận tốc âm thanh Môn học được xem là dưới vận tốc âm thanh nếu các vận tốc đều nhỏ hơn vận tốc âm thanh là siêu thanh, và cực siêu thanh nếu vận tốc nhanh hơn vận tốc âm thanh nhiều lần Các vấn đề này được nghiên cứu sâu hơn đối với các lĩnh vực hàng không vũ trụ

1.3 Một số phương trình khí động học cơ bản

Trong tính toán động lực học chất lỏng CFD, các phương trình cơ bản được sử dụng và giải theo các phương pháp cụ thể khác nhau Trong công cụ mô phỏng số Ansys-Fluent phương pháp phần tử thể tích được sử dụng để thực hiện giải bài toán Trong phần này, một số phương trình cơ bản sử dụng trong tính toán động lực học chất lỏng CFD được giới thiệu [1, 2, 3, 4]

1.3.1 Động học và động lực học chất lỏng

a) Phương trình liên tục

Phương trình liên tục của dòng chảy được viết trên cơ sở các định luật bảo toàn khối lượng, phương trình liên tục là một dạng của định luật bảo toàn khối lượng Phương trình liên tục đạng tổng quát thu gọn được viết như sau [1, 2, 3]:

v

v

Trong đó: X, Y, Z tương ứng là các thành phần gia tốc của lực khối tương ứng

theo các phương ox, oy, oz của hệ trục tọa độ Oxyz

u(ux,uy,uz) là các thành phần vận tốc chuyển động tương ứng theo các phương ox, oy, oz trong hệ trục tọa độ Oxyz

p là áp suất khảo sát

 là độ nhớt động học của chất lỏng khảo sát Phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực, phương trình Navier-Stockes viết dưới dạng vector như sau:

(1.5) Phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực viết dưới dạng hình chiều như sau:

(1.6)

Hệ phương trình chủ đạo có thể được viết dưới dạng véctơ như sau:

(1.7) Với các véc tơ W, F, G lần lượt được định nghĩa như sau:

(1.4)

(1.8)

Với H là véctơ các thành phần lực khối

Để khép kín hệ phương trình, chúng ta đưa vào một số các điều kiện biên như sau:

- Điều kiện biên tại đầu vào: V(x=0,y)=V∞

- Điều kiện biên tại đầu ra: pout =p∞ =pa

- Áp suất tại các biên của vùng tính toán: p= p∞

- Điều kiện tường không trượt trên toàn bộ bề mặt ô tô:

- Thành phần lực cản khí động tác động lên thân vỏ xe Thành phần này bao gồm cả thành phần lực cản ma sát giữa không khí với thân vỏ xe tác

động lên xe ô tô và lực cản áp suất tác động lên thân xe trong quá trình chuyển động gây ra

Trong luận văn này, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu thành phần lực cản khí động tác động lên đoàn đoàn xe chở container

Lực cản khí động được đặc trưng bởi hệ số lực cản khí động Hệ số lực cản khí động phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng khí động, độ bóng của bề mặt vỏ và các góc cạnh của thân vỏ vật thể Lực khí động ảnh hưởng lớn đến chất lượng động lực học, an toàn của đoàn xe và hiệu quả kinh tế khai thác đoàn xe trong quá trình vận tải hàng hóa

Trong nghiên cứu lực khí động tác động lên ô tô theo quan điểm động lực học, người ta thường phân chia lực khí động thành các thành phần tương ứng theo các phương của hệ trục tọa độ Oxyz như sau:

Hình 1.1 Hệ trục tọa độ Oxyz sử dụng trong nghiên cứu

Thành phần có phương trùng với phương chuyển động của xe Ox, song song với bề mặt đường được gọi là thành phần lực cản khí động Đây được coi là thành phần chính của lực khí động vì khi xe chuyển động theo phương này nên vận tốc tuyệt đối giữa dòng khí và xe là lớn nhất

Thành phần có phương vuông góc với phương chuyển động của xe, hướng lên theo phương Oz, tạo lực nâng nếu hướng của lực lên phía trên Điều này làm giảm khả năng bám đường của xe, gây ra các hiện tượng xe bốc khỏi mặt đường làm giảm sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường Thành phần lực này đối với chuyển động của xe ở dải vận tốc trung bình và thấp là tương đối nhỏ, tuy nhiên

khi vận tốc chuyển động rất cao thì thành phần này tăng lên đáng kể và có thể

gây lật xe nếu đủ lớn

Thành phần có phương ngang, Oy gây ra lực làm mất ổn định hướng đi cho

xe Thành phần lực này thường là nhỏ nhất do tính đối xứng của đoàn xe Trong

những trường hợp xe hoạt động trong điều kiện có gió ngang thì thành phần lực

này có thể gây nguy hiểm, mất an toàn cho đoàn xe

Trong tính toán lực cản khí động, các thành phần lực khí động tác động lên

đoàn xe được xác định theo biểu thức sau [1, 2, 3]:

(1.9) Trong đó:

động lực học và tính toán mô phỏng số CFD nói chung cũng được tổng quan trong chương này

Những khái niệm cơ bản liên quan đến đặc tính khí động lực học, các thành phần lực khí động, hệ trục tọa độ cũng như một số yếu tố tổng quan liên quan đến đặc tính khí động học của đoàn xe được nêu ra một cách sơ lược, tổng quan trong các phần của chương này Đây là những khái niệm, những vấn đề cơ bản nhất liên quan đến quá trình nghiên cứu và giải quyết vấn đề được đề cập đến trong luận văn này

Những vấn đề đã trình bày thể hiện quá trình giới thiệu tổng quan nghiên cứu liên quan đến luận văn và nêu lên những vấn đề cần giải quyết cũng như

công cụ, phương pháp sử dụng và lý thuyết sử dụng trong luận văn này

Chương 2: CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ CFD VÀ CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 Giới thiệu chung về CFD

CFD là cụm từ viết tắt của Computation Fluid Dynmaic, tính toán động lực học chất lỏng Việc ứng dụng công cụ phương pháp số và máy tính ngày nay

đã trở lên thông dụng, các nhà tính toán đã phát triển lên những chương trình tính toán động lực học chất lỏng, công cụ tính toán mô phỏng số nói chung Một

trong những hướng chính của CFD là ứng dụng các công cụ mô phỏng số CFD trong việc giải các bài toán thực tế Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng công

cụ, chương trình mô phỏng số Ansys-Fluent v.14.5 để thực hiện việc nghiên cứu của mình

Bộ chương trình 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 được áp dụng trong công nghiệp với rất nhiều bài toán có thể thực hiện được như việc

mô phỏng dòng chảy qua cánh máy bay, ô tô, tàu thủy đến sự cháy trong buồng đốt đồng cơ, 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 với đối tượng nghiên cứu rộng

Phần mềm Ansys-Fluent là một công cụ mạnh để mô phỏng và phân tích được sử dụng trên thế giới Nó bao gồm gói các chương trình bên trong để tính toán, trong luận văn này tác giả sử dụng một số công cụ chính trong bộ chương trình để thực hiện các việc tính toán mô phỏng của mình như công cụ mô hình hóa và chia lưới ICEM-CFD, modul Fluid dynamics – Fluent để tính toán mô phỏng và xuất kết quả tính toán

2.1.1 Công cụ trong Ansys-Fluent

- Ansys-Fluent có khả năng mô hình hóa các mô hình vật lý cần thiết cho các

mô hình dòng chảy, rối, truyền nhiệt, và phản ứng trong các dạng hình học phức tạp

- Ansys-Fluent được viết bằng ngôn ngữ lập trình C và là phần mềm mô phỏng

sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method-FVM)

- Ansys-Fluent cung cấp sự chia lưới hoàn toàn linh hoạt, bao gồm cả khả năng giải quyết các vấn đề dòng chảy sử dụng lưới không cấu trúc Hỗ trợ các loại lưới bao gồm 2D tam giác, tứ giác, 3D tứ diện, lục giác, kim tự tháp, hình nêm, đa diện và lưới hỗn hợp (lưới lai) Ansys-Fluent cũng cho phép ta làm tinh hay thô lưới dựa trên giải quyết dòng chảy Sau khi lưới đã được đọc vào trong Ansys-Fluent, tất cả các thao tác còn lại được thực hiện bên trong Ansys-Fluent Những thao tác này bao gồm các điều kiện biên, định nghĩa thuộc tính chất lưu, thực thi giải pháp, tinh chỉnh lưới, hậu xử lý và hiển thị kết quả

2.1.2 Nguyên lý tính toán trong phần mềm Ansys-Fluent

2.1.2.1 Các bộ giải trong Ansys-Fluent

Các bộ giải trong Ansys-Fluent dựa trên phương pháp thể tích hữu hạn:

- Vùng chất lỏng được phân ly thành hữu hạn tập hợp các thể tích điều khiển

- Các phương trình bảo toàn (vận chuyển) tổng thể cho khối lượng, động lượng, năng lượng, hình thái được giải quyết trên tập hợp các thể tích điều khiển này

- Các phương trình vi phân từng phần liên tục (các phương trình chủ đạo) được rời rạc thành hệ các phương trình đại số tuyến tính mà máy tính có thể giải được

a) Hai bộ giải sẵn có trong Ansys-Fluent

Bộ giải dựa trên áp suất: coi động lượng và áp suất (hoặc áp suất hiệu

chỉnh) là các biến chính Các thuật toán liên kết áp suất- vận tốc được bắt nguồn từ tái định dạng phương trình liên tục

Trong bộ giải dựa trên áp suất có hai thuật toán được sử dụng:

Thuật toán độc lập: Giải áp suất hiệu chỉnh và động lượng một cách liên tục Thuật toán liên kết: Giải áp suất và động lượng đồng thời

Bộ giải dựa trên mật độ: Các phương trình liên tục, động lượng, năng

lượng, và chất đều được giải dưới dạng vector Áp suất đạt được qua phương trình trạng thái Các phương trình vô hướng bổ sung được giải theo cách riêng Bộ giải dựa trên mật độ có thể chạy tường minh hoặc ẩn

Implicit: dùng phương pháp điểm-ẩn Gauss-Seidel đối xứng khối để giải các

rối, dòng phản ứng Trong cả hai bộ giải dựa trên phương pháp khối điều khiển đều bao gồm quy trình tính toán như sau:

- Phân chia miền tính toán thành những thể tích rời rạc sử dụng lưới tính toán

- Tích phân các phương trình chủ đạo theo các thể tích riêng lẻ để xây dựng hệ phương trình đại số đối với các biến rời rạc phụ thuộc như: vận tốc, áp suất, nhiệt độ và các đại lượng vô hướng

- Tuyến tính các phương trình rời rạc và giải quyết hệ phương trình tuyến tính

và cập nhật các giá trị của các biến phụ thuộc

Hai bộ giải sử dụng quy trình rời rạc hóa giống nhau (thể tích hữu hạn),nhưng cách tiếp cận để tuyến tính hóa và giải quyết các phương trình rời rạc là khác nhau

- Bộ giải dựa trên mật độ (Density-based couple solver): áp dụng khi mối

quan hệ liên kết mạnh mẽ hoặc phụ thuộc lẫn nhau giữa các đại lượng khối lượng riêng, năng lượng, động lượng và chất

c) Các thuật toán có sẵn trong Fluent

- Semi-Implicit Method (SIMPLE): được mặc định sẵn, tính toán mạnh mẽ

- SIMPLE-Consistent (SIMPLEC): cho phép hội tụ nhanh hơn với những bài toán đơn giản (ví dụ: dòng chảy tần không sử dụng mô hình vật lý nào cả)

- Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO): dùng cho các bài toán dòng không ổn định hoặc có lưới chứa các phần tử có độ méo cao hơn mức trung bình

- Fractional Step Method (FSM): sử dụng cho dòng chảy không ổn định, có đặc tính tương tự như PISO

- Couple: đây là bộ giải liên kết

2.1.2.2 Rời rạc hóa trong Ansys-Fluent

Vấn đề rời rạc hóa trong Ansys-Fluent được chia thành hai phương pháp như sau:

Rời rạc hóa theo không gian bao gồm các phương pháp nội suy sau:

a Các phương pháp nội suy cho toán hạng đối lưu:

- First-Order Upwind: dễ hội tụ nhất và chỉ chính xác cấp 1

- Second-Order Upwind: cho độ chính xác cấp 2, cần thiết cho lưới tri/tet hay

khi dòng chảy không thẳng hàng với lưới, sự hội tụ xảy ra chậm

- MUSCL: sơ đồ rời rạc đối lưu cấp 3 cho lưới không cấu trúc, chính xác hơn

trong dự đoán dòng thứ cấp, xoáy, lực bậc 2

- QUICK: áp dụng cho lưới tứ giác/lục diện và lưới hỗn hợp, hữu ích cho dòng

chảy quay/xoáy, cho độ chính xác cấp 3 trên lưới đồng nhất

- Power Law: có độ chính xác cao hơn First-Order Upwind cho các dòng có Re< 5.Sơ đồ First – order upwind, Second – order upwind và third – order Upwind, MUSCL được dùng trong cả hai bộ giải dựa trên áp suất và mật độ

Sơ đồ Power law và QUICK được dùng trong bộ giải dựa trên áp suất và khi

giải quyết các phương trình vô hướng bổ sung trong bộ giải dựa trên mật độ

b) Các phương pháp nội suy Gradients

- Gradient của các biến cần thiết để đánh giá khuếch tán thông lượng, các đạo hàm vận tốc, và cho các sơ đồ rời rạc bậc cao

- Gradient của các biến ở tâm phần tử có thể được tính theo 3 phương pháp:

- Green-Gauss Cell-Based: sức mạnh tính toán kém nhất; lời giải có thể có

lỗi khuếch tán

- Green –Gauss Node-Based: mức tính toán/chính xác cao hơn; giảm thiểu

lỗi khuếch tán và được khuyên dùng cho lưới không cấu trúc

- Least-Squares Cell-Based: phương pháp mặc định; có độ chính xác và

tương tự Node-Based Gradients và mức tính toán kém hơn

Trong Ansys Fluent phương pháp Gradient được chọn mặc định là Squares Cell- Based.Phương pháp Green Gauss Node Based không sử dụng cùng với lưới đa giác

Least-c) Các phương pháp nội suy cho áp suất

Các sơ đồ nội suy cho tính toán áp suất tại bề mặt các phần tử khi dùng bộ giải dựa trên áp suất như sau:

- Standard: được mặc định sẵn; độ chính xác giảm đối với dòng có thành phần

gradient áp suất vuông góc bề mặt lớn (nhưng không nên áp dụng khi có những thay đổi áp suất quá lớn trong dòng chảy- sơ đồ PRESTO được áp dụng thay thế)

- PRESTO: dùng cho dòng chảy có xoáy lớn, những dòng chảy có gradient áp

suất quá lớn (môi trường rỗng, mô hình quạt…) hoặc trong các miền có độ cong lớn

- Linear: áp dụng khi các lựa chọn khác dẫn đến sự khó hội tụ hoặc không tuân

theo các quy luật vật lý

- Second-Order: áp dụng cho dòng nén được; không thích hợp cho môi trường

rỗng, bơm, quạt…hoặc mô hình nhiều pha VOF (Volume of fraction)/Mixture

- Body Force Weighted: áp dụng khi lực khối lớn, ví dụ như sự đối lưu tự

nhiên có số Ra lớn hay khi dòng chảy có độ xoáy lớn

Rời rạc hóa theo thời gian:

Đối với mô phỏng ở trạng thái không dừng (phụ thuộc vào thời gian), các phương trình chủ đạo phải được rời rạc hóa theo cả không gian và thời gian Sự rời rạc hóa theo thời gian đối với các phương trình phụ thuộc vào thời gian là giống hệt với trường hợp trạng thái dừng Rời rạc theo thời gian liên quan đến phép lấy tích phân của mọi số hạng trong phương trình vi phân trên một bước thời gian t Trong sơ đồ rời rạc hóa theo thời gian có phép lấy tích phân theo thời gian ẩn và phép lấy tích phân theo thời gian hiện

2.2 Trình tự giải quyết bài toán CFD

Bất kỳ trong mọi lĩnh vực nào, giải bài toán CFD gồm các bước như sau: Đặt vấn đề, Giải quyết vấn đề và Đánh giá kết quả

a) Đặt vấn đề

Từ nhu cầu thực tiễn cần giải quyết các vấn đề mà chúng ta đặt ra vấn đề cho bài toán của mình, từ đó đi tìm lời giải cho chúng Ví dụ về bài toán mô phỏng CFD cho một con tàu, người thiết kế cần tính toán một số thông số liên quan đến các vấn đề mà con tàu sẽ gặp phải khi chạy như hệ số ma sát, hệ số

cản, hệ số đàn hồi của vật liệu, độ bền Người thiết kế đặt ra câu hỏi, với dạng hình học như trong bản thiết kế thì đã tối ưu chưa? Ứng suất sinh ra có vượt quá giới hạn cho phép không? Có đảm bảo độ bền và an toàn không? Từ đó, người thiết kế cần tính toán được các thông số đầu vào, và cần phải tìm nhưng thông số đầu ra nào cho bài toán CFD của mình

b) Giải quyết vấn đề

Đây chính là phần quan trong nhất, nhiệm vụ trung tâm của bài toán CFD

Nó gồm ba giai đoạn là: Pre-Processing, Processing, và Post-Processing

Pre-Processing là giai đoạn chuẩn bị để giải quyết bài toán CFD, đó là xây dựng mô hình hình học của vật thể, rời rạc hóa vấn đề bằng các điểm rời rạc hay còn gọi là các lưới điểm.Phương pháp rời rạc phải đảm bảo được các yêu cầu về khả năng làm việc của máy tính, đảm bảo độ chính xác và hội tụ của phương pháp tính.Sau khi đã xây dựn được lưới tính toán, chúng ta tiến hành lựa chọn các phương pháp tính Ở mỗi lĩnh vực cụ thể, CFD có các phương trình, hệ phương trình cụ thể để giải quyết bài toán thuộc phạm vi lĩnh vực đó Tuy nhiên các phương trình mô tả bài toán đều có dạng tích phân, hoặc vi phân không tuyến tính rất phức tạp Mỗi loại phương trình đòi hỏi những thông số tối thiểu,

đủ để có thể giải và cho lời giải, đó là các điều kiện đầu, điều kiện biên, điều kiện khép kín

Processing là giai đoạn tính toán được thực hiện, vấn đề còn lại đó là can thiệp vào các đại lượng thứ sinh (xuất phát từ tổ hợp các biến cơ sở trong hệ phương trình) Ở giai đoạn này chúng ta quyết định sử dụng các giải pháp nào cho phương pháp tính để đảm bảo được một phương án tối ưu cho các yêu cầu

về thời gian tính toán, khả năng tính toán và độ chính xác của lời giải

Post-Processing là giai đoạn trực quan và xử lý kết quả Sau khi giai đoạn Processing hoàn tất, toàn bộ dữ liệu của bài toán được ghi lại thành dữ liệu số, nhị phân, mã hóa trên ổ cứng của máy tính Chúng ta hoàn toàn có thể xử lý chúng để thu được lời giải cho bài toán của mình

c) Xử lý kết quả mô phỏng

Phần này chúng ta so sánh kết quả vừa tìm được với các kết quả thực nghiệm và lời giải số học và để làm tiêu chuẩn điều chỉnh cho phương pháp giải của mình Đối với các bài toán đơn giản mà thực nghiệm có thể đưa ra kết quả chính xác, các lời giải toán học cũng có kết quả chính xác thì kết quả của chúng

ta cũng phải trùng khớp hoặc trong phạm vi sai số chấp nhận được, nếu sai số vượt quá giới hạn cho phép thì lúc này thì chúng ta phải điều chỉnh thế nào để có kết quả chính xác nhất Đối với bài toán phức tạp thì thực nghiệm và lời giải số rất khó khăn để đưa ra được kết quả chính xác, CFD có ưu thế hơn ở trường hợp này Nếu một vấn đề phức tạp mà cả ba phương pháp trên đều không đưa ra được kết chính xác thì cả ba phương pháp cùng đi nghiên cứu sâu về một đặc tính cụ thể nào đó, CFD lấy lời giải của hai lĩnh vực còn lại làm tiêu chí đánh giá kết quả của mình

2.3 Phương pháp chia lưới trong bài toán mô phỏng

Chia lưới là một trong những khía cạnh quan trọng nhất của lĩnh vực mô phỏng kỹ thuật Có quá nhiều phần tử lưới khiến việc giải bài toán trở nên lâu và nếu lưới quá thưa thì cũng dẫn đến các kết quả thiếu chính xác ANSYS Meshing cung cấp một công cụ chia lưới để cân bằng những yêu cầu về mặt kỹ thuật này, để thu được lưới tốt cho mỗi bài toán mô phỏng theo cách tự động nhất có thể Kỹ thuật chia lưới trong ANSYS được xây dựng dựa trên những công cụ chia lưới tốt nhất hiện nay.Những khía cạnh mạnh mẽ của các công cụ chia lưới này được tích hợp vào trong một môi trường duy nhất để tạo ra những khả năng chia lưới mạnh mẽ nhất có thể

Môi trường chia lưới có tính tự động cao có thể dễ dàng tạo ra các loại lưới:

- Lưới tứ diện

- Lưới lục diện

- Lớp biên căng lăng trụ

- Lớp biên căng lục giác

- Lõi lục giác

- Lưới Đề-Các thích nghi vật thể

- Cut cell Cartesian

Các môi trường vật lý khác nhau yêu cầu các cách tiếp cận về lưới khác nhau.Các mô phỏng động lực học dòng chảy yêu cầu lưới có chất lượng cao cả

về hình dạng lẫn độ mượt khi có sự thay đổi về kích thước Các mô phỏng về cơ học kết cấu thì cần sử dụng lưới hiệu quả vì thời gian thực hiện sẽ tăng lên khi

số lượng phần tử lớn Chia lưới trong Ansys cho phép thiết lập về môi trường vật lý để chắc chắn rằng người dùng sử dụng đúng loại lưới với từng mô phỏng

- Khả năng tham số hóa: tạo ra các tham số điều khiển hệ thống

- Tính ổn định: Các cập nhật mô hình luôn được thực hiện thành công trong

b) Phương pháp chia lưới lục diện

Công nghệ Ansys Meshing cung cấp các phương pháp đa dạng để tạo ra lưới sáu mặt thuần túy hoặc lưới sáu mặt đa số (hex-dominant) Kiểu lưới, chất lượng lưới mong muốn và thời gian thực hiện quá trình chia lưới phụ thuộc vào độ phức tạp của mô hình,vì vậy Ansys Meshing đã cung cấp một giải pháp mềm dẻo Tự động tạo ra lưới lục diện hoặc hex-dominant một cách nhanh chóng, hoặc tạo ra lưới lục diện có sự kiểm soát chặt chẽ, cho giải pháp tối ưu hiệu quả

và chính xác

Phương pháp chia lưới trực giao:

- Phương pháp chia lưới này tạo ra tỉ lệ phần trăm phần tử lưới lục diện cao trong trường xa, để nhận được chính xác các kết quả dòng chất lỏng

- Được đặt trên bề mặt, các kiểu phần tử hỗn hợp được sử dụng cho phép lưới tạo ra các phần tử lưới phù hợp với các chi tiết về hình dạng

- Các phần tử bề mặt có thể được “bơm căng” tạo ra lớp lăng trụ tròn hoặc lục diện để bắt được các vùng ảnh hưởng vật lý (tường bao)

- Tạo ra lưới lục diện nhanh chóng với thiết lập người dùng tối thiểu khiến cho phương pháp chia lưới này phù hợp với các mô hình hình học phức tạp trong

mô phỏng tính toán động lực học dòng chảy (CFD)

Chia lưới mặt cong tự động:

- Các vật thể có thể uốn cong được tự động nhận dạng và chia lưới với lưới lục diện khi có thể

- Thiết lập tăng cạnh và mặt ghép nối/ ánh xạ được thực hiện tự động

- Các đường dẫn uốn cong được tự động tìm thấy cho các miền/vật thể trong các cụm chi tiết đa vật thể

- Các biên căng được định nghĩa thông qua mặt cong của các vật thể kết nối bị uốn cong

- Các điều khiển kích thước và ánh xạ có thể được thêm vào, và các mặt nguồn được lựa chọn để thay đổi và thực hiện tạo mặt cong tự động

- Thêm/chỉnh sửa phần phân tách/các lớp hình học vào mô hình sẽ hỗ trợ rất nhiều trong việc tự động hóa để thu được lưới lục diện thuần túy

Chia lưới mặt cong mỏng:

- Phương pháp chia lưới này nhanh chóng tạo ra lưới lục diện cho các chi tiết mỏng có nhiều mặt có dạng mặt nguồn và mặt đích

- Phương pháp chia lưới này có thể sử dụng kết hợp với các phương pháp chia lưới khác

- Các điều khiển kích thước và ánh xạ có thể được thêm vào, và các mặt nguồn được lựa chọn để thay đổi và thực hiện tạo mặt cong tự động

Chia lưới mặt cong đa miền:

- Phương pháp tạo mặt cong cao cấp này sử dụng để phân tách các cấu trúc liên kết tự động, cố gắng tự động tạo ra lưới lục diện thuần túy hoặc đa số trên các mô hình phức tạp

- Cấu trúc liên kết bị phân tách được chia lưới với lưới ánh xạ hoặc lưới mặt cong nếu có thể Lựa chọn này cho phép chia lưới tự do trong các cấu trúc liên kết con mà không bị ảnh hưởng bởi thiết lập lưới ánh xạ hoặc uốn cong

- Phương pháp này hỗ trợ nhiều lựa chọn nguồn/đích

- Các biên căng được định nghĩa thông qua mặt cong của các vật thể kết nối bị uốn cong

- Các điều khiển kích thước và ánh xạ có thể được thêm vào, và các mặt nguồn được lựa chọn để thay đổi và thực hiện tạo mặt cong tự động

Chia lưới Hex-dominant (lưới lục diện đa số):

- Phương pháp chia lưới này sử dụng biện pháp chia lưới phi cấu trúc để tạo ra lưới bề mặt quad-dominant sau đó điền đầy phần bên trong bởi lưới hex-dominant

- Phương pháp này thường tạo ra các phần tử lưới lục diện trên biên của chi tiết ngắn và dày, bên trong sử dụng lưới lai lục diện, trụ, hình chóp hoặc lưới

tứ diện

c) Phương pháp chia lưới tứ diện

Sự kết hợp mạnh mẽ và tự động chia lưới bề mặt, lớp biên căng và chia lưới

tứ diện sử dụng các điều khiển vật lý mặc định để chắc chắn rằng lưới chất lượng cao phù hợp cho các mô phỏng đã được định nghĩa Sử dụng các điều khiển cục bộ về kích thước, ghép nối, ánh xạ, cấu trúc liên kết ảo, pinch và các điều khiển khác để tăng khả năng mềm dẻo, linh hoạt nếu cần thiết

Phương pháp chia lưới Patch-conforming:

- Phương pháp này sử dụng cách tiếp cận từ dưới lên (tạo lưới bề mặt sau đó tạo lưới thể tích)

- Các thuật thoán chia lưới bề mặt đa tam giác được thực hiện ngầm bên dưới

để chắc chắn lưới bề mặt chất lượng cao được tạo ra ngay từ lần đầu tiên

- Từ lưới bề mặt, các lớp biên căng có thể được tạo ra thông qua một vài kỹ thuật

- Thể tích còn lại được chia lưới với cách tiếp cận chính diện cao cấp Delaunay, là sự kết hợp tốc độ của phương pháp Delaunay với lưới chuyển trơn của phương pháp tiếp cận chính diện nâng cao

- Xuyên suốt quá trình chia lưới này là các chức năng định kích thước cao cấp

mà điều khiển duy trì dựa trên sự làm mịn, mượt và tăng cường chất lượng của lưới

Phương pháp chia lưới Patch-independent:

- Phương pháp này sử dụng cách tiếp cận từ trên xuống (tạo thể tích lưới trước sau đó tạo ra lưới bề mặt từ các biên)

- Khi mô hình xây dựng không tốt sẽ có nhiều vấn đề phổ biến xảy ra trong quá trình chia lưới Nếu sử dụng mô hình không tốt làm cơ bản để tạo ra lưới

bề mặt thì lưới này thường xảy ra các điều không mong muốn (chất lượng tồi, vấn đề về kết nối, v.v )

- Phương pháp Patch-Independent chỉ sử dụng hình học để kết hợp các mặt biên của lưới thành các vùng lưới quan tâm, do đó nó lờ đi các khe hở, các vùng gối lên nhau và vô số các vấn đề trong các công cụ chia lưới khác

- Phần lưới thể tích được tạo ra trước lớp biên căng Khi lưới thể tích đã tồn tại, các vấn đề về xung đột và các vấn đề phổ biến khác về lớp biên căng sẽ được biết trước

Chú ý: Đối với chia lưới thể tích, lưới tứ diện thường cung cấp một giải pháp tự động hơn cùng với khả năng thêm các điều khiển lưới để tăng cường tính chính xác trong các vùng giới hạn Ngược lại lưới lục diện thường được cung cấp các giải pháp chính xác hơn nhưng khó tạo ra

Chia lưới bề mặt mặc định:

- Công cụ chia lưới đa bề mặt được sử dụng ngầm định để cung cấp lưới bề mặt một cách tự động và mạnh mẽ, bao gồm lưới tứ giác, lưới quad-dominant hoặc lưới bề mặt tam giác (hoàn toàn)

- Các điều khiển kích thước và ánh xạ có thể được thêm vào, và các mặt nguồn được lựa chọn để thay đổi và thực hiện tạo mặt cong tự động

Ngoài ra còn có các phương pháp khác để chia lưới tương thích với các mô hình phức tạp khác nhau được giới thiệu cụ thể trong tài liệu của ANSYS [18]

2.4 Một số mô hình rối trong Ansys-Fluent

2.4.1 Mô hình rối một phương trình (one equation turbulence models)

Mô hình chảy rối một phương trình giải quyết một phương trình đối lưu chảy rối (turbulent transport equation) thường là động năng chảy rối.Nguồn gốc

mô hình một phương trình chảy rối là mô hình một phương trình của Prandtl

k

C D

2 3



 C D 0.08 k 1Trong đó:

l : Chiều dài dòng chảy rối

k: hệ số đặc trưng cho động năng rối

ρ: khối lượng riêng của môi trường

ε: hệ số đặc trưng cho lượng tiêu tán rối

2 1

i i j j

i T

x

U x

U x

U x

U x

U P

-Mô hình Spalart-Allmaras:

Độ nhớt rối động học:

(2.5) Phương trình độ nhớt rối:

(2.6) Các hằng số và quan hệ bổ trợ:

1355 0

2 



3 1 3

3 1

v v

C x

x f





1 2

1

1

v v

xf

x f





6 3 6

6 3

C g

~

~

d k S

r 

2 2 2

~

~

v f d k S

j

i ij

2

d là khoảng cách đến bề mặt gần nhất

2.4.2 Mô hình hai phương trình (two equations model)

Mô hình chảy rối hai phương trình là những mô hình khá phổ biến của các

mô hình chảy rối Mô hình k-epsilon và mô hình k-omega đã trở thành mô hình công nghiệp tiêu chuẩn và được sử dụng phổ biến cho hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật tính toán mô phỏng số Mô hình chảy rối hai phương trình vẫn còn rất nhiều vấn đề đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển để hoàn thiện hơn Theo định nghĩa, mô hình chảy rối hai phương trình bao gồm thêm hai phương trình đối lưu để mô tả cho tính chảy rối của dòng chảy.Thông thường một trong các biến đối lưu là hệ số động năng chảy rối (turbulent kinetic energy)

k, biến đối lưu thứ hai khác nhau phụ thuộc vào kiểu của mô hình hai phương