Khảo sát hiệu quả của tấm phẳng trong điều khiển dòng chảy qua tiết diện cầu

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khảo sát hiệu quả của tấm phẳng điều khiển dòng chảy qua tiết diện cầu bằng phương pháp số, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp

• Người hướng dẫn: TS. Phan Đức Huynh
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây Dựng và Cơ Học Ứng Dụng
• Đề tài: Khảo Sát Hiệu Quả Tấm Phẳng Điều Khiển Dòng Chảy Qua Cầu Bằng Phương Pháp Số
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.3. PHƯƠNG PHÁP BIÊN NHÚNG IBM
• 1.4. NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP BIÊN NHÚNG IMMERSED BOUNDARY METHOD (IBM)
• 2.1. PHƯƠNG PHÁP BIÊN NHÚNG
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP BIÊN NHÚNG CHO BIÊN CỨNG
• 3.1. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LƯỢNG
• 3.2. PHƯƠNG PHÁP SỐ
• 3.2.1. Rời rạc không gian và thời gian
• 3.2.2. Giải vật thể
• 3.2.3. Giải hệ phương trình Navier-stokes
• 3.2.3.1. Sử lý phi tuyến độ nhớt
• 3.2.3.2. Hiệu chỉnh áp suất
• 3.2.3.3. Lưới so le
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khảo sát hiệu quả tấm phẳng điều khiển dòng chảy qua cầu

Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát hiệu quả của tấm phẳng điều khiển dòng chảy qua cầu, đặc biệt là cầu dây văng. Tấm phẳng được lắp đặt nhằm giảm thiểu các dao động do gió và các tác động khí động học khác. Việc sử dụng phương pháp số trong khảo sát này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời mang lại kết quả chính xác hơn so với các phương pháp thử nghiệm truyền thống.

1.1. Giới thiệu về tấm phẳng điều khiển dòng chảy

Tấm phẳng điều khiển dòng chảy là một thiết bị khí động học được lắp đặt trên dầm cầu nhằm cải thiện sự ổn định khí động học. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc lắp đặt tấm phẳng có thể giảm thiểu đáng kể các dao động không mong muốn.

1.2. Tầm quan trọng của khảo sát hiệu quả tấm phẳng

Khảo sát hiệu quả của tấm phẳng không chỉ giúp cải thiện thiết kế cầu mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Việc hiểu rõ tác động của tấm phẳng đến dòng chảy sẽ giúp các kỹ sư đưa ra các giải pháp tối ưu hơn.

II. Vấn đề và thách thức trong khảo sát tấm phẳng

Mặc dù tấm phẳng có nhiều lợi ích, nhưng việc khảo sát hiệu quả của nó cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như điều kiện thí nghiệm không đồng nhất và sự phức tạp trong mô hình hóa dòng chảy là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Các vấn đề trong thí nghiệm thực tế

Thí nghiệm thực tế thường gặp khó khăn trong việc tái tạo các điều kiện khí động học giống như trong thực tế. Điều này có thể dẫn đến những sai lệch trong kết quả khảo sát.

2.2. Thách thức trong mô hình hóa dòng chảy

Mô hình hóa dòng chảy xung quanh tấm phẳng đòi hỏi phải sử dụng các phương pháp số phức tạp. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của kết quả.

III. Phương pháp số trong khảo sát tấm phẳng

Phương pháp số, đặc biệt là phương pháp biên nhúng (IBM), đã được áp dụng để khảo sát hiệu quả của tấm phẳng. Phương pháp này cho phép mô phỏng dòng chảy một cách chính xác mà không cần phải chia lưới phức tạp.

3.1. Giới thiệu về phương pháp biên nhúng

Phương pháp biên nhúng là một kỹ thuật mạnh mẽ trong tính toán động lực học lưu chất. Nó cho phép mô phỏng các dòng chảy phức tạp mà không cần phải chia lưới lại khi hình dạng vật thể thay đổi.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng phương pháp số

Việc sử dụng phương pháp số giúp giảm thiểu thời gian và chi phí thí nghiệm. Đồng thời, nó cũng cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra nhiều kịch bản khác nhau một cách nhanh chóng.

IV. Kết quả nghiên cứu về hiệu quả tấm phẳng

Kết quả nghiên cứu cho thấy tấm phẳng có tác dụng tích cực trong việc ổn định khí động học của cầu dây văng. Các số liệu thu được từ mô phỏng cho thấy sự giảm đáng kể trong các lực tác động lên cầu.

4.1. Phân tích số liệu tính toán

Số liệu tính toán cho thấy rằng tấm phẳng lắp đặt với góc θ = 30° mang lại hiệu quả tốt nhất trong việc giảm thiểu lực cản và lực nâng.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của tấm phẳng

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thiết kế cầu mới, giúp cải thiện độ ổn định và an toàn cho các công trình cầu dây văng.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tấm phẳng có hiệu quả trong việc điều khiển dòng chảy qua cầu. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa vị trí và góc lắp đặt tấm phẳng nhằm đạt được hiệu quả tốt nhất.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Tóm lại, tấm phẳng đã chứng minh được hiệu quả trong việc ổn định khí động học của cầu dây văng. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế tấm phẳng và khảo sát các điều kiện khí động học khác nhau để nâng cao hiệu quả sử dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 10 năm 2012 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii CẢM TẠ Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Xây Dựng và Cơ Học Ứng Dụng và khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Phan Đức Huynh, dù rất bận rộn với công việc giảng dạy nhƣng thầy vẫn luôn dành thời gian quan tâm, hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi cũng chân thành cám ơn thầy ThS. Nguyễn Hoàng Sơn đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. iii TÓM TẮT Dầm chính cầu dây văng dễ bị dao động do gió, nhƣ xoáy hoặc rung xoắn. Đặc biệt hiện nay các cầu dây văng đƣợc thiết kế ngày càng dài hơn và nhẹ hơn thì mức độ ảnh hƣởng càng trở nên nghiêm trọng. Tấm phẳng đã đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣ các thiết bị giảm xóc khí động học. Việc lắp đặt tấm phẳng lên dầm chính của cầu dây văng, nhằm mục đính ngăn chặn sự kích thích xoáy và rung xoắn. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phƣơng pháp biên nhúng để khảo sát hiệu quả của tấm phẳng điều khiển dòng chảy qua tiết diện cầu. Kết quả cho thấy tấm phẳng có tác dụng ổn định khí động học rất tốt tới cầu dây văng. iv ABSTRACT The study of the aerodynamic stability of long-span suspension bridge is very important in design state. One of control methods is to change the flow over the bridge deck, so that the aerodynamic forces will be changed. This study investigates the effectiveness of control surface attached to bridge deck by using the immersed boundary method. The results show that the values of the aerodynamic forces are reduced after controlling the control surfaces. v MỤC LỤC TRANG TỰA QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH CÁ NHÂN . i LỜI CAM ĐOAN . ii CẢM TẠ . vi KÝ HIỆU KHOA HỌC . viii DANH SÁCH CÁC BẢNG . ix DANH SÁCH CÁC HÌNH .1 GIỚI THIỆU CHUNG .2 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC .3 PHƢƠNG PHÁP BIÊN NHÚNG IBM .4 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN . TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP BIÊN NHÚNG . PHƢƠNG PHÁP BIÊN NHÚNG CHO BIÊN CỨNG .1 PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG LƢỢNG .2 PHƢƠNG PHÁP SỐ .1 Rời rạc không gian và thời gian .2 Giải vật thể .3 Giải hệ phƣơng trình Navier-stokes .1 Sử lý phi tuyến độ nhớt .2 Hiệu chỉnh áp suất .3 Lƣới so le .1 Đạo hàm xấp xỉ .2 Điều kiện biên .3 Phƣơng trình poisson . CẤU TRÚC HÀM DIRAC DELTA . KẾT QUẢ TÍNH TOÁN .1 SỐ LIỆU TÍNH TOÁN VÀ LẬP TRÌNH .2 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ NHẬN XÉT . KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO .44 THE 2012 INTERNATIONAL CONFERENCE ON GREEN TECHNOLOGY AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT .45 NUMERICALLY STUDY EFFECTIVENESS OF CONTROL SURFACE ON AERODYNAMIC OF BRIDGE DECK BY USING IMMERSED BOUNDARY METHOD .46 INVESTIGATING THE FLOW OVER BRIDGE DECK CONTROLLED BY CONTROL SURFACES BY USING IMMERSED BOUNDAY METHOD .51 vii KÝ HIỆU KHOA HỌC  Xs, t    X s, t , Y s, t    X k , Yk  là hàm vecto đƣợc cho bởi tọa độ của các điểm trên biên Γ(nhƣ là một hàm của độ dài cung s và thời gian t). k=0,1,2,…,m-1  F  Fx s, t , Fy s, t  là lực biên (boundary force density)  Us, t   U s, t ,V s, t   U k ,Vk  là vận tốc của điểm lƣới Lagrangian  f   f x x, t , f y x, t là lực vật thể đƣợc tích hợp vào phƣơng trình Navier-Stokes  x  x, y  là tọa độ theo lƣới Eulerian  ux, t   ux, t , vx, t  là vận tốc của lƣu chất ( theo 2 chiều x, y)  px, t  là áp suất của lƣu chất.   là khối lƣợng riêng của lƣu chất   là độ nhớt  u* là vận tốc trung gian (trƣờng vận tốc)  ∇p là gradient áp suất. 2 2    x 2 y 2 là toán tử Laplace     grap     ,   x y  δ δ  (.) xem nhƣ là một ký hiệu và đƣợc dùng : (  .= + δx δy (với grap,div là các hàm đƣợc sử dụng trong toán tử laplace)  Lb là chiều dài của đƣờng cong khép kín Γ  𝛿 𝐱 − 𝐗 𝑠, 𝑡 = 𝛿 𝑥 − 𝑋 𝛿 y − Y là hàm Dirac Delta. viii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 5.1: Các hệ số tính toán .2: Kí hiệu các hệ số trong biểu đồ.3: Kết quả hệ số cản CD .4: Kết quả hệ số nâng CL .5: Kết quả hệ số moment CM.40 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Kích thƣớc tiết diện cầu .2: Kích thƣớc và vị trí tấm phẳng lắp đặt lên tiết diện cầu .3: Ảnh chụp luồng khói thổi qua tiết diện cầu không có tấm phẳng .4: Ảnh chụp luồng khói thổi qua tiết diện cầu có lắp đặt tấm phẳng .1: Biểu diễn lƣới chứa vật thể biên nhúng .1: a) Biểu đồ lƣu chất – hệ thống biên nhúng b) Rời rạc Eulerian (chấm sáng) và lƣới Lagrangian (chấm đen) .2: Lƣới so le .1: Rời rạc hàm Dirac delta .1: Kích thƣớc tính toán tiết diện cầu không có tấm phẳng .2: Kích thƣớc tính toán tiết diện cầu lắp đặt tấm phẳng với góc θ=300 .3: Dòng chảy qua tiết diện cầu tại góc tới α là 00 .4: Dòng chảy qua tiết diện cầu tại thời gian t = 6.5: Áp suất cho cầu không có tấm phẳng với góc tới α = 00 .6: Áp suất cho cầu lắp đặt tấm phẳng θ=300 với góc tới α = 00 .7: Biểu đồ quan hệ giữa hệ số cản và góc tới α.8: Biểu đồ giữa hệ số nâng và góc tới α .9: Biểu đồ quan hệ giữa hệ số moment và góc tới α .40 x Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Dầm chính cầu dây văng dễ bị dao động do gió, như xoáy hoặc rung xoắn. Đặc biệt hiện nay các cầu dây văng được thiết kế ngày càng dài hơn và nhẹ hơn thì mức độ ảnh hưởng càng trở nên nghiêm trọng. Tấm phẳng đã được sử dụng rộng rãi như các thiết bị giảm xóc khí động học. Việc lắp đặt tấm phẳng lên dầm chính của cầu dây văng, nhằm mục đính ngăn chặn sự kích thích xoáy và rung xoắn. Đã có nhiều thí nghiệm được thực hiện, nhưng vẫn còn một số tồn tại chưa giải quyết được. Mức độ hiệu quả của tấm phẳng, vị trí lắp đặt tấm phẳng cho hiệu quả tốt nhất, và những hình ảnh giải thích cho sự hiệu quả đó. Việc thử nghiệm thường tốn rất nhiều thời gian, tiền bạc nhưng lại cho kết quả chưa thực sự chính xác. Thí nghiệm phụ thuộc quá nhiều vào điều kiện thí nghiệm, cũng như những tác động không chính xác từ phía con người. Trước sự phát triển vượt bậc của máy tính điện tử cũng như ngành tin học, việc ứng dụng các phương pháp số dưới sự hỗ trợ của máy tính để giải quyết các bài toán cơ học trở nên phổ biến và cần thiết bởi những tính năng vượt trội của nó (giải quyết nhanh và cho kết quả chính xác). Vì vậy nhiều phương pháp tính số đã và đang phát triển mạnh mẽ và trở thành một công cụ hữu hiệu không thể thiếu được khi giải quyết các bài toán khoa học – kỹ thuật (phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử biên, các phương pháp không lưới, thể tích hữu hạn. Trong lĩnh vực tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics-CFD) hay tương tác giữa lưu chất và kết cấu (Fluid-Structure Interaction- FSI) đã có sự tiến bộ đáng kể về phương pháp tính toán chính xác và hiệu quả đối với những hình dạng phức tạp bất kỳ hay biên di chuyển. Phương pháp biên nhúng (Immersed Boundary Methods - IBMs) gần đây đã được đưa ra để áp dụng đối với những dạng hình học phức tạp hay biên di chuyển trong khi yêu cầu tính toán ít hơn 1 so với các phương pháp khác mà vẫn đảm bảo được sự chính xác. Những ưu điểm chính của IBMs là tạo lưới dễ hơn và không cần chia lưới lại khi vật thể thay đổi hay biên di chuyển. IBMs lần đầu tiên được giới thiệu bởi Peskin (1972). Ứng dụng của IBMs là tập trung chủ yếu vào dòng chảy với sự di chuyển của các biên và mô phỏng dòng chảy xung quanh những vật thể có dạng hình học phức tạp. Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phương pháp số là phương pháp biên nhúng (IBM) để khảo sát hiệu quả của tấm phẳng, điều khiển dòng chảy qua tiết diện cầu. Tính toán và lập trình với sự hỗ trợ của phần mềm matlab.2 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC Ảnh hưởng của tấm phẳng đến sự ổn định khí động học của cầu dây văng được thí nghiệm bởi 3 nhà khoa học người Nhật: Shinichi MIYACHI, Masahiro YONEDA và Katsuya EDAMOTO. Mặt cắt ngang của mô hình cầu sử dụng để thí nghiệm trong hầm gió được thể hiện trong hình 1.1: Kích thước tiết diện cầu Chiều rộng của tấm phẳng lắp đặt ở mặt bên của mô hình là b = 20 mm. Thí nghiệm được thực hiện bằng cách thay đổi góc θ như trong hình 1.2: Kích thước và vị trí tấm phẳng lắp đặt lên tiết diện cầu Thí nghiệm mô phỏng dùng một luồng khói được thổi liên tục với tốc độ gió là u = 5 m/s. Kết quả thử nghiệm trên hai mô hình cầu không có tấm phẳng hình 1.3 và cầu có lắp đặt tấm phẳng hình 1.4 với góc thổi là α = + 30.3: Ảnh chụp luồng khói thổi qua tiết diện cầu không có tấm phẳng Hình 1.4: Ảnh chụp luồng khói thổi qua tiết diện cầu có lắp đặt tấm phẳng Sau khi tiến hành thí nghiệm với hai loại trên, ba nhà khoa học người nhật đã đưa ra một số kết luận chính như sau. Tấm phẳng có hiệu quả cải thiện sự ổn định khí động lực chống lại sự kích thích xoáy của cầu. Tấm phẳng được lắp đặt với góc θ = 300 có tác dụng tốt cho ổn định khí động học chống lại rung xoắn. Hiệu quả của tấm phẳng chống rung xoắn có thể được đánh giá bởi giá trị dCM/ dα trong các thí nghiệm khí động lực.