Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Chương 3: Mô phỏng - Chương 4: Kết quả và phân tích kết quả - Chương 5: Tổng kết 2 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Mô phỏng CFD và phần mềm Ansys Fluent 2. Tổng quan về mô phỏng CFD Mô phỏng CFD là gì? Mô phỏng Động lực học Tính toán (CFD), còn được biết đến là Computational Fluid Dynamics hoặc mô phỏng động lực học chất lỏng, là một nhánh của cơ học chất lưu (fluid mechanics) sử dụng phương pháp số để nghiên cứu và giải quyết các vấn đề về chuyển động và dòng chảy của chất lỏng, bao gồm cả khí và lỏng. Phương trình mô tả dòng chảy thường mang tính phức tạp và không dễ dàng giải bằng phương pháp thủ công, do đó, thường phải sử dụng máy tính để giải quyết.
Kết quả từ quá trình mô phỏng giúp chúng ta có cái nhìn sâu sắc hơn về bản chất của dòng chảy và các ảnh hưởng mà nó gây ra trong quá trình nghiên cứu. Để tiến hành mô phỏng CFD, chúng ta có thể lựa chọn sử dụng các phần mềm thương mại như FLUENT, CFX của Ansys, STAR-CCM+ của Siemens, hoặc các phần mềm mã nguồn mở như OpenFOAM. 1: Phân bố vận tốc gió trong 1 hầm đậu xe 3 Lịch sử hình thành CFD được hình thành do nhà toán học Lewis Fry Richardson (1881-1953) vào những năm 1922, nhưng mãi đến 1967 thì những mô hình CFD 3D đầu tiên cho mô phỏng máy bay mới được công bố. Do khả năng mô phỏng này nên CFD được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu của NASA (National Aeronautics and Space Administration) và Boeing.
Điểm xuất phát cho các vấn đề trong mô phỏng CFD thường là phương trình Navier- Stokes, dùng để mô tả các dòng chảy đơn pha (khí hoặc lỏng, nhưng không đồng thời là khí và lỏng). Từ đó, thông qua việc giả sử đơn giản hóa các thành phần của phương trình Navier- Stokes là một phương pháp thường được sử dụng trong các mô phỏng dòng chảy để giảm bớt độ phức tạp của hệ thống phương trình và tăng tốc độ tính toán, chúng ta thu được các phương trình khác như phương trình Euler, phương trình dòng Stokes, phương trình dòng Fanno, phương trình dòng Rayleigh, và nhiều hơn nữa. Ngược lại, thông qua việc bổ sung các định nghĩa như "nhiệt độ hạt" - năng lượng dao động của hạt rắn, các hệ đa pha như khí-rắn có thể được giải quyết tương tự như dòng chảy liên tục. Đơn giản hóa các thành phần của phương trình Navier-Stokes là một phương pháp thường được sử dụng trong các mô phỏng dòng chảy để giảm bớt độ phức tạp của hệ thống phương trình và tăng tốc độ tính toán.
Dưới đây là cách mô tả các khía cạnh cốt lõi của CFD dựa trên theo phân loại dựa trên mô hình toán học 4 Hình 2. 2: Mô hình căn bản trong mô phỏng CFD Quy trình mô phỏng CFD Mặc dù chưa có tiêu chuẩn cụ thể dành cho việc mô phỏng CFD, nhưng dựa trên tài liệu nội bộ và kinh nghiệm từ Phòng thí nghiệm Los Alamos (Hoa Kỳ), quy trình mô phỏng CFD thường được phân chia thành hai loại chính: Quy trình cơ bản cho người dùng Để hỗ trợ người dùng thực hiện các tác vụ của mô phỏng CFD một cách dễ dàng, quy trình cơ bản của mô phỏng CFD thường được chia thành các bước và được mô tả như hình dưới theo hướng bắt đầu từ bên trái: 5 Hình 2. 3: Quy trình cơ bản cho người sử dụng mô phỏng CFD Quy trình nâng cao cho các kỹ sư: Quy trình này là sự phối hợp giữa các quy trình cơ bản và bổ sung vào đó là quy trình kiểm định mô hình CFD, bao gồm các bước: Kiểm tra (verification) và Kiểm nghiệm (validation). ● Quy trình kiểm tra (verification) mô hình CFD: Đặc điểm cơ bản của các mô hình dựa trên các phương trình toán học, nhưng để giải chúng trên máy tính, ta thường sử dụng các phương pháp số.
Mục đích của việc kiểm tra và đánh giá mô hình CFD là giảm hết mức tối đa những sai số do phương pháp tính toán số. Trong CFD, kiểm tra và đánh giá mô hình bao gồm kiểm tra lưới, tìm và sửa lỗi trong các 6 thuật toán, và kiểm tra phương pháp số. Các bước cụ thể của quy trình kiểm tra và đánh giá mô hình sẽ được mô tả cụ thể trong các phần tiếp theo. ● Quy trình kiểm nghiệm (validation) mô hình CFD: Để đối chiếu những kết quả từ mô hình CFD và kết quả kiểm nghiệm thực tế, thường sử dụng các bước kiểm nghiệm trong hầu các quy trình phát triển mô hình.
Phạm vi thử nghiệm mô hình CFD có thể bao gồm: (1) Kiểm nghiệm và xác nhận một phần của hệ thống đang hoạt động trong điều kiện tại phòng thí nghiệm, (2) Kiểm nghiệm và xác nhận đánh giá toàn bộ hệ thống trong môi trường thực tế, (3) Kiểm nghiệm và xác nhận những thông số khác nhau trong các dải điều kiện và môi trường làm việc khác nhau, hoặc (4) Kiểm nghiệm và xác nhận đánh giá thời gian thực. Mức độ tin cậy của mô hình tăng khi quy mô kiểm nghiệm càng toàn vẹn và nhiều các số liệu và dữ liệu kĩ thuật được kiểm nghiệm và xác nhận đánh giá. 4: Tóm lược về quy trình kiểm tra (Verification) và kiểm nghiệm (Validation) CFD Các ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD 7 Với khả năng mô phỏng thực tiễn như vậy nên hầu hết các lĩnh vực công nghiệp đều sử dụng mô phỏng CFD. Trong các ngành công nghiệp, ứng dụng phổ biến nhất của mô phỏng CFD có thể được phân chia thành các nhóm như sau: - Công nghệ hàng không và vũ trụ.
- Công nghiệp sản xuất ô tô. - Công nghiệp xây dựng. - Hệ thống công nghiệp hóa chất và dầu khí. - Thiết bị công nghiệp.
- Công nghệ y sinh và dược phẩm. - Thời tiết và khí hậu. - Hàng hải và đóng tàu. Giới thiệu tổng quát về phần mềm Ansys Fluent Công ty bắt đầu được vận hành vào những năm 1970 bởi tiến sĩ John A.
Swanson với tên gọi ban đầu là Swanson Analysis System, Inc (SASI) với mục đích là áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn xây dựng nên một phần mềm để giải các bài toán tĩnh học, động học, nhiệt học và truyền nhiệt. Đến nam 1994 thì được bán lại cho TA Associates đổi tên thành ANSYS Inc và Ansys Fluent được hình thành vào năm 2006 do việc thâu tóm công ty cạnh tranh là Fluent Inc. Trong những năm gần đây, sự tiến bộ trong công nghệ của các công cụ toán học và khoa học máy tính đã tạo ra cơ hội để bổ sung và cải thiện tính hoàn thiện của các phần mềm công nghiệp, giúp giải quyết các bài toán trong cơ học vật rắn, cơ học thủy lực, cơ học đất, cơ học kết cấu và nhiều lĩnh vực khác. Ansys là một trong những phần mềm được biết đến với khả năng tính toán mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Các tính năng nổi bật của Ansys fluent như: Khả năng đồ họa mạnh mẽ giúp cho việc mô hình cấu trúc rất nhanh và chính xác. Thư viện phần tử lớn có thể thêm, loại bỏ hoặc thay đổi độ cứng của các phần tử trong mô hình tính toán. 8 Các dạng tải trọng đa dạng bao gồm tải trọng tập trung, tải trọng phân bố và tải trọng nhiệt. Phần xử lý kết quả cao cấp cung cấp khả năng vẽ đồ thị và thực hiện tính toán tối ưu.
Có thể nghiên cứu các phản ứng vật lý như trường ứng suất, trường nhiệt độ và ảnh hưởng của điện từ. Tạo ra các mẫu kiểm tra cho các môi trường làm việc có nhiều điều kiện khó khăn. Các công việc cần chuẩn bị khi mô phỏng ANSYS Fluent - Lựa chọn các loại phần tử phù hợp với bài toán cần giải, Ansys Fluent cung cấp hơn 200 loại phần tử khác nhau. - Mỗi khi thực hiện một bài toán, việc xác định vật liệu là dẻo hay đàn hồi, tuyến tính hay phi tuyến là rất quan trọng.
Đồng thời, cần nhập đủ thông số vật lý cần thiết cho mỗi loại vật liệu. - Ansys là một phần mềm sử dụng phương pháp số để giải quyết vấn đề, hoạt động trên các mô hình hình học trong điều kiện thực tế. Nó có thể tạo ra các mô hình 3D và 2D, có hình dáng và kích thước phản ánh thực tế từ đơn giản đến phức tạp như vật thật. Vì vậy, việc tạo mô hình gần giống với thực tế là rất quan trọng.
Trước khi tiến hành tính toán, hai mô hình thường được thống nhất với nhau. - Ansys có thể cho người dùng thực hiện chia lưới phần tử theo chọn lựa hoặc chia lưới tự động. Số lượng phần từ và nút được quyết định có ảnh hưởng đến độ chính xác và tin cậy của bài toán. - Trong phạm vi tính toán của phần mềm Ansys, bài toán cơ kỹ thuật thường được thực hiệnt bằng phương pháp "Phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc".
- Nếu đã có kết cấu, Ansys có thể được sử dụng để kiểm tra độ bền của nó. Nếu kết cấu không đạt yêu cầu về độ bền, Ansys có thể giúp xác định nguyên nhân của vấn đề và từ đó đề xuất cách khắc phục kịp thời. Ngoài ra, nếu có sự cố xảy ra, Ansys cũng có thể giúp xác định nguyên nhân của sự cố đó. 9 - Nếu chưa có kết cấu, Ansys có thể được sử dụng để tìm kiếm nghiên cứu và tìm ra các điều kiện và phương pháp tối ưu cho kết cấu, nhằm khắc phục những sai sót có thể gây thiệt hại.
Ansys là 1 phần mềm gần như là được sử dụng trong toàn bộ lĩnh vực của cuộc sống: - Trong lĩnh vực xây dựng, Ansys làm việc hiệu quả trong việc giải quyết các dạng toán liên quan đến cơ học đàn hồi, đất, cấu trúc xây dựng, sự xuất hiện nứt do biến dạng nhiệt trong bê tông, tiến hành nghiên cứu các vật liệu mới ngành trong xây dựng và các loại vật liệu cấu trúc liên hợp mới. - Trong lĩnh vực cơ khí, Ansys có khả năng tích hợp với các phần mềm là một công cụ thiết kế để tạo ra mô hình hình học 2D và 3D, cung cấp khả năng phân tích về trường ứng suất, biến dạng, nhiệt độ và tốc độ dòng chảy. Nó cũng có thể cho thấy được độ mòn, mỏi, và phá hủy của các chi tiết trong mô hình. Việc xác định này giúp tìm ra các thông số tối ưu cho quy trình sản xuất công nghệ.