Đặt vấn đề Hiện nay mô hình tính toán động lực học lƣu chất (Computation Fluid Dynamics model-CFD) là mô hình tốt nhất để mô phỏng các quá trình cháy. Để thực hiện việc mô phỏng theo phƣơng pháp này cần trải qua các giai đoạn: - Mô tả vấn đề - Giai đoạn tiền xử lý (Pre-processor) Xác định vùng tính toán Tạo lƣới Đặt điều kiện biên Thiết lập điều kiện ban đầu Thiết lập mô phỏng - Giai đoạn mô phỏng (processor) - Giai đoạn hậu xử lý (Post- processor) - Đánh giá kết quả Để việc mô phỏng có kết quả chính xác cần phải thực hiện đầy đủ và chính xác các bƣớc trên, tuy nhiên bƣớc tạo lƣới là bƣớc có ảnh hƣởng lớn tới độ chính xác của mô phỏng và thƣờng đƣợc thực hiện bằng các phần mềm chuyên dùng để tạo lƣới (Gridgen, ICEM,….) trƣớc khi đƣa vào phần mềm mô phỏng chính. Việc tạo lƣới tốt hay không phụ thuộc vào việc chọn loại phần tử phù hợp, chọn cách chia lƣới có cấu trúc hay không có cấu trúc, tính toán độ mịn của lƣới nhƣ thế nào. Cho nên chúng ta cần tìm ra những quy tắc chung khi chia lƣới cho những loại vấn đề cần giải quyết, đánh giá sự ảnh hƣởng của các thông số của lƣới đến các thông số của kết quả cần tính toán.
Đây là lý đo tác giả chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA KỸ THUẬT CHIA LƢỚI ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG BẰNG PHƢƠNG PHÁP CFD”.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Trên thế giới đã có một số đề tài nghiên cứu về sự ảnh hƣởng của lƣới đến quá trình mô phỏng dùng phƣơng pháp CFD trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau. Trong đó có đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của mật độ lƣới đến độ chính xác trong tính toán bằng phƣơng pháp CFD” của P. Các tác giả Trang 2 của đề tài cho rằng một trong những bƣớc quan trọng trong mô phỏng dùng CFD là tạo ra mô hình hình học, tiếp đó là tạo lƣới cho vùng tính toán. Việc mô phỏng một hiện tƣợng nào đó dùng CFD đòi hỏi phải rời rạc hóa miền tính để thực hiện tính toán bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn.
Vì vậy cần phải thực hiện việc chia lƣới tốt để chuẩn bị cho quá trình mô phỏng. Chia lƣới có vai trò rất quan trọng trong mô phỏng do đó cần phải tìm sự cân bằng tối ƣu giữa số lƣợng ô lƣới và phần cứng máy tính. Bài báo này giải quyết việc ứng dụng CFD trong nghành địa chất và đặc biệt giúp chúng ta so sánh mô hình tính toán và mô phỏng trên một số mô hình với chất lƣợng lƣới khác nhau. Mục tiêu của đề tài này là để xác định rõ mật độ lƣới ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến quá trình tính toán.
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hƣởng của lƣới đến sự hội tụ và độ chính xác trong mô phỏng CFD” của Abdalla Mohamed Elraghy [2]. Đề tài này nghiên cứu và khảo sát sự tƣơng quan giữa thông số lƣới cánh máy bay và mô phỏng CFD. Điều này góp phần nâng cao độ chính xác trong mô phỏng CFD nhằm phục vụ cho việc thiết kế máy bay. Hơn nữa điều này sẽ phục vụ cho các nghiên cứu về sự hội tụ và sự thích nghi của lƣới trong tƣơng lai.
Đề tài cũng cung cấp thêm các hiểu biết về cách tạo lƣới trên phần mềm mô phỏng ANSYS, là một trong những phần mềm ứng dụng phƣơng pháp CFD. Đề tài “Ảnh hƣởng của kích thƣớc lƣới đến phân tích CFD về sự ăn mòn các chi tiết có biên dạng cong” của tác giả Preshit Tambey và Michael Lengyel, Jr [3]. Sự ăn mòn của các hạt rắn trong dòng chảy là hiện tƣợng xảy ra trong các ống, van, bơm và các thiết bị truyền dẫn lƣu chất khác. Với sự thay đổi hƣớng dòng chảy của các hạt trong một chi tiết có biên dạng cong, làm cho các hạt nhỏ hơn trên thành chi tiết bị tách ra khỏi bề mặt chi tiết đó.
Tính toán động lực học cơ lƣu chất (CFD) về sự ăn mòn có thể cung cấp thông tin về mức độ và vị trí chịu sự ăn mòn lớn nhất trên thành chi tiết. các yếu tố nhƣ kích thƣớc lƣới có thể ảnh hƣởng đến kết quả phân tích CFD do có sự khác biệt về số lƣợng phần tử và điểm nút. Đề tài đã tiến hành nghiên cứu sự ảnh hƣởng của kích thƣớc và mật độ lƣới đến chi tiết có biên dạng cong có đƣờng kính 1.27mm sử dụng phần mềm FLUENT. Dòng không khí đi qua có các hạt với kích thƣớc 50-350 microns.
Kết quả cho thấy rằng khi tăng mật độ lƣới với số lƣợng phần tử lớn hơn đã có sự tác động đến kết quả về mức độ ăn mòn của chi tiết. Hầu hết các đề tài nêu trên đều nghiên cứu về sự tác động các thông số của lƣới và kiểu chia lƣới đến mô phỏng CFD trong các lĩnh vực khác, chƣa nghiên cứu về mô phỏng quá trình cháy của động cơ đốt trong. Do đó tác giả đã chọn phần mềm KIVA Trang 3 và thực hiện mô phỏng quá trình cháy với các phƣơng pháp chia lƣới, thông số lƣới khác nhau để nghiên cứu. Ngoài ra trong nƣớc hiện nay có một số đề tài nghiên cứu mô phỏng về quá trình cháy của động cơ đốt trong dùng phƣơng pháp CFD.
Trong đó có đề tài “Đánh giá ảnh hƣởng của hồi lƣu khí thải đến độ phát thải động cơ diesel bằng phƣơng pháp mô phỏng”của tác giả Phí Văn Cƣơng [4], đề tài “Mô phỏng quá trình cháy động cơ Vikyno RV125-2 sử dụng nhiên liệu kép CNG-Diesel bằng phần mềm FLUENT” của Nhóm tác giả: Trần Thanh Hải Tùng, Hu nh Phƣớc Sơn, Nguyễn Đình Quý [5]. Các đề tài này chỉ thực hiện quá trình mô phỏng với một kiểu chia lƣới, thông số lƣới nhất định, và chủ yếu thay đổi các thông số khác nhƣ loại nhiên liệu,lƣợng phun, góc tia phun, tỉ lệ hồi lƣu khí thải. Chƣa có sự đánh giá tính chính xác của kết quả mô phỏng.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Trong phạm vi giới hạn về thời gian, nguồn lực và yêu cầu của luận văn thạc sĩ, đề tài này chỉ giới hạn nghiên cứu nhƣ sau: - Đối tƣợng nghiên cứu: Đề tài chọn phần mềm KIVA và động cơ nghiên cứu AVL để thực hiện quá trình mô phỏng. Từ đó tìm hiểu các phƣơng pháp chia lƣới, thực hiện quá trình chia lƣới và mô phỏng trên phần mềm KIVA, đồng thời thay đổi các thông số của lƣới để nghiên cứu sự ảnh hƣởng của việc chia lƣới đến độ chính xác của phƣơng pháp mô phỏng CFD.
- Phạm vi nghiên cứu: Đề tài này thực hiện nghiên cứu về các kiểu chia lƣới trong phƣơng pháp mô phỏng CFD nói chung và so sánh ƣu khuyết điểm các cách chia lƣới trong phần mềm KIVA nói riêng. Sử dụng phần mềm KIVA thực hiện mô phỏng cho động cơ diesel AVL 5402 với các độ mịn lƣới khác nhau, từ đó so sánh các kết quả để thấy đƣợc sự ảnh hƣởng của việc chia lƣới đến kết quả mô phỏng.4 Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu các phƣơng pháp chia lƣới trong mô phỏng CFD, tìm ra ƣu khuyết điểm từng loại. Tìm ra sự phù hợp của từng loại lƣới theo từng loại vấn đề cần mô phỏng. - Các kết quả thu đƣợc từ việc phân tích, đánh giá sự ảnh hƣởng việc chia lƣới sẽ giúp tìm đƣợc phƣơng pháp chia lƣới tốt nhất theo loại bài toán mô phỏng.5 Nội dung nghiên cứu - Trình bày các kiểu chia lƣới trong mô phỏng CFD nói chung và so sánh ƣu khuyết điểm các cách chia lƣới trong phần mềm KIVA nói riêng.
- Trình bày các phƣơng trình bảo toàn có liên quan đến mô phỏng động lực học cơ lƣu chất (CFD). - Tiến hành mô phỏng quá trình cháy cho động cơ diesel AVL 5402 với các độ mịn lƣới khác nhau để lấy các kết quả và xử lý. - Phân tích các kết quả tính toán mô phỏng từ đó đƣa ra đánh giá về sự ảnh hƣởng các thông số của lƣới, cách chia lƣới đến độ chính xác của kết quả mô phỏng bằng phƣơng pháp CFD.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Đề tài này là sự tiếp nối và phát triển trên cơ sở của những đề tài trƣớc trong việc mô phỏng quá trình cháy cho động cơ đốt trong. Những đề tài trƣớc thực hiện mô phỏng với việc chia lƣới mang tính chủ quan chƣa đƣợc phân tích đánh giá kỹ càng, dẫn đến kết quả mô phỏng chƣa đƣợc đánh giá chính xác.
Do đó đề tài này nghiên cứu các phƣơng pháp chia lƣới, so sánh ƣu khuyết điểm, thực hiện mô phỏng với sự thay đổi các thông số của lƣới để tìm ra kết quả chính xác nhất có thể cho một động cơ cụ thể. Từ đó làm cơ sở tham khảo cho việc mô phỏng quá trình cháy của các động cơ khác. - Ý nghĩa thực tiễn: Từ kết quả nghiên cứu có thể đánh giá sự ảnh hƣởng của lƣới đến việc mô phỏng động cơ đốt trong. Xác định rõ sự thay đổi các thông số của lƣới ảnh hƣởng đến các Trang 5 thông số kết quả mô phỏng, từ đƣa ra các phƣơng án giúp nâng cao tính chính xác khi mô phỏng quá trình cháy cho động cơ đốt trong.7 Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài này la phƣơng pháp lý thuyết kết hợp với mô phỏng.
- Nghiên cứu lý thuyết các phƣơng pháp chia lƣới trong mô phỏng động lực học lƣu chất - Mô phỏng cho động cơ diesel AVL 5402 với sự thay đổi các thông số của lƣới.8 Kết quả dự kiến - Kiểu lƣới đƣợc lựa chọn (Lƣới có cấu trúc hay không có cấu trúc). - Các thay đổi dự kiến: Kích thƣớc lƣới đƣợc thay đổi từng 0,1mm trong khoảng từ 1,5 đến 5mm. Phân bố ô lƣới đều, hay không đều - Kết quả mô phỏng đƣợc so sánh với giá trị thực nghiệm trên động cơ AVL 5402, sử dụng nhiên liệu dầu DO chạy ở chế độ 80% tải, tốc độ 2000 vòng/phút. Trang 6 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các phƣơng trình bảo toàn Mô hình Động lực học lƣu chất (CFD) là phƣơng pháp số để giải các bài toán của dòng lƣu chất không ổn định và chảy rối.
Các bài toán với dòng chảy đa chiều luôn luôn đƣợc giải dựa trên hệ phƣơng trình vi phân của các phƣơng trình bảo toàn khối lƣợng, năng lƣợng và động lƣợng theo thời gian và không gian. Do tính phức tạp của hệ phƣơng trình này, bài toán chỉ có thể giải trên máy tính. Để đơn giản hoá, trong chƣơng này ta chỉ xét dòng chảy một pha, một thành phần.