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

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute 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

• Tác giả: Hàn Ngọc Trung
• Người hướng dẫn: TS. Phan Đức Huynh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu 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 NƢỚC
• 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
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Nghiên cứu về tấm phẳng điều khiển dòng chảy qua cầu là một lĩnh vực quan trọng trong thiết kế cầu, đặc biệt là cầu dây văng. Các cầu này thường dễ bị dao động do gió, xoáy hoặc rung xoắn. Việc lắp đặt tấm phẳng lên dầm chính của cầu nhằm ngăn chặn sự kích thích xoáy và rung xoắn. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp số để khảo sát hiệu quả của tấm phẳng trong việc điều khiển dòng chảy qua tiết diện cầu. Kết quả cho thấy tấm phẳng có tác dụng ổn định khí động học rất tốt, giúp giảm thiểu các tác động tiêu cực từ môi trường. Việc ứng dụng công nghệ điều khiển trong thiết kế cầu không chỉ giúp cải thiện độ bền mà còn nâng cao an toàn cho người sử dụng.

II. Lịch sử nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu về ảnh hưởng của tấm phẳng đến sự ổn định khí động học của cầu dây văng đã được thực hiện bởi nhiều nhà khoa học. Các thí nghiệm cho thấy tấm phẳng có hiệu quả trong việc cải thiện sự ổn định khí động lực chống lại sự kích thích xoáy. Kết quả cho thấy rằng tấm phẳng được lắp đặt với góc θ = 30° có tác dụng tốt cho ổn định khí động học. Những nghiên cứu này đã mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng công nghệ điều khiển để nâng cao hiệu quả thiết kế cầu. Việc áp dụng phương pháp số trong nghiên cứu này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời cho kết quả chính xác hơn so với các phương pháp thí nghiệm truyền thống.

III. Phương pháp biên nhúng IBM

Phương pháp biên nhúng (IBM) là một trong những phương pháp tiên tiến trong tính toán động lực học chất lỏng. Phương pháp này cho phép mô phỏng các cấu trúc đàn hồi tương tác với dòng chảy chất lỏng mà không cần chia lưới phức tạp. IBM được áp dụng để khảo sát hiệu quả của tấm phẳng trong việc điều khiển dòng chảy qua tiết diện cầu. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng xử lý các hình dạng phức tạp mà không cần thay đổi lưới tính toán. Việc sử dụng phương pháp số giúp giảm thiểu chi phí và thời gian nghiên cứu, đồng thời nâng cao độ chính xác trong các kết quả tính toán.

IV. Kết quả tính toán

Kết quả tính toán cho thấy rằng tấm phẳng có tác dụng tích cực trong việc ổn định khí động học của cầu. Các thông số như lực nâng, lực cản và moment đều được cải thiện khi có sự hiện diện của tấm phẳng. Việc xác định vị trí lắp đặt tấm phẳng cũng rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối ưu. Các mô hình tính toán cho thấy rằng việc lắp đặt tấm phẳng ở vị trí thích hợp có thể giảm thiểu đáng kể các tác động tiêu cực từ dòng chảy. Kết quả này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong thiết kế cầu hiện đại.

V. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tấm phẳng có hiệu quả trong việc điều khiển dòng chảy qua cầu, góp phần nâng cao độ ổn định khí động học. Các kết quả đạt được từ phương pháp số không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có thể áp dụng trong thực tiễn thiết kế cầu. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế tấm phẳng và mở rộng ứng dụng của công nghệ điều khiển trong các lĩnh vực khác. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển sẽ giúp nâng cao hơn nữa hiệu quả và an toàn cho các công trình cầu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật cầu, đặc biệt là cầu dây văng, sự ổn định khí động học của dầm chính cầu đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và tuổi thọ công trình. Theo báo cáo của ngành, các cầu dây văng hiện đại ngày càng có chiều dài lớn và kết cấu nhẹ hơn, dẫn đến mức độ dao động do gió như xoáy và rung xoắn ngày càng nghiêm trọng. Việc kiểm soát dòng chảy khí động học qua tiết diện cầu nhằm giảm thiểu các hiện tượng này là một thách thức kỹ thuật lớn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát hiệu quả của tấm phẳng điều khiển dòng chảy qua tiết diện cầu dây văng bằng phương pháp số, cụ thể là phương pháp biên nhúng (Immersed Boundary Method - IBM). Nghiên cứu tập trung vào việc mô phỏng dòng chảy và tính toán các hệ số lực nâng, lực cản, moment tác động lên tiết diện cầu, đồng thời xác định vị trí và góc lắp đặt tấm phẳng tối ưu để nâng cao độ ổn định khí động học. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên mô hình tiết diện cầu dây văng với các góc tới α trong khoảng từ -6° đến 6°, vận tốc gió 2 m/s, trong môi trường mô phỏng số tại thành phố Hồ Chí Minh, năm 2012.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật giúp giảm rung lắc và tăng độ bền cho cầu dây văng, đồng thời giảm chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế nhờ ứng dụng phương pháp số chính xác và hiệu quả. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng thiết kế cầu dây văng trong điều kiện khí động học phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: động lực học chất lỏng và phương pháp biên nhúng (IBM). Động lực học chất lỏng được mô tả qua hệ phương trình Navier-Stokes cho dòng chảy không nén được trong không gian hai chiều, bao gồm các thành phần vận tốc, áp suất, khối lượng riêng và độ nhớt của lưu chất.

Phương pháp biên nhúng là kỹ thuật số mô phỏng tương tác giữa lưu chất và vật thể có biên dạng phức tạp, trong đó vật thể được nhúng vào lưới Euler cố định, còn các điểm biên được biểu diễn theo hệ tọa độ Lagrange. Hàm Dirac delta được sử dụng để liên kết hai hệ tọa độ này, cho phép áp dụng lực biên lên lưu chất và nội suy vận tốc lưu chất tại biên vật thể.

Ba khái niệm chính trong nghiên cứu gồm:

• Lưới Eulerian và Lagrangian: Lưới Eulerian cố định dùng để giải phương trình Navier-Stokes, lưới Lagrangian biểu diễn biên vật thể.
• Hàm Dirac delta làm mịn: Được xây dựng để phân phối lực biên và nội suy vận tốc một cách chính xác trên lưới.
• Hệ số lực nâng (CL), lực cản (CD), moment (CM): Các đại lượng đặc trưng đánh giá hiệu quả khí động học của tiết diện cầu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu là kết quả mô phỏng số được thực hiện trên phần mềm Matlab, sử dụng phương pháp biên nhúng để giải hệ phương trình Navier-Stokes với điều kiện biên không trượt và biên cứng mô phỏng tiết diện cầu dây văng. Cỡ mẫu gồm 800 điểm lưới theo phương x và 500 điểm theo phương y, với 400 điểm nút trên biên dạng cầu. Thời gian tính toán kéo dài 20 giây với bước thời gian Δt = 0.0001 giây.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Rời rạc không gian và thời gian bằng phương pháp sai phân hữu hạn trên lưới so le.
• Giải hệ phương trình Navier-Stokes bằng cách xử lý phi tuyến độ nhớt, hiệu chỉnh áp suất qua phương trình Poisson.
• Tính toán lực nâng, lực cản và moment từ lực biên tác dụng lên lưu chất.
• So sánh kết quả mô phỏng tiết diện cầu không có tấm phẳng và có lắp đặt tấm phẳng với các góc lắp đặt θ = 25°, 30°, 35°, 40°, 45°.
• Phân tích ảnh hưởng của góc tới α trong khoảng từ -6° đến 6° đến các hệ số khí động học.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2012, với giai đoạn thu thập dữ liệu, lập trình mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ổn định dòng chảy và giảm xoáy nhờ tấm phẳng:
   Mô phỏng cho thấy dòng chảy phía trên tiết diện cầu không có tấm phẳng xuất hiện nhiều dòng xoáy lớn, đặc biệt tại góc tới α từ 20° đến 60°, gây mất ổn định khí động học. Khi lắp đặt tấm phẳng góc θ = 30°, dòng chảy phía trên trở nên ổn định hơn rõ rệt, với các xoáy nhỏ không đáng kể, đồng thời dòng chảy phía dưới cũng duy trì ổn định.

2. Phân bố áp suất cân bằng hơn:
   Áp suất lưu chất trên tiết diện cầu có tấm phẳng phân bố đồng đều và cân bằng giữa phía trên và dưới, giảm lực nâng không mong muốn. Áp suất tập trung tại đầu cầu giảm đáng kể, làm giảm lực cản.

3. Giảm lực cản (CD):
   Hệ số cản trung bình của tiết diện cầu có tấm phẳng θ = 30° là 0,0926, giảm 7,4% so với 0,1 của cầu không có tấm phẳng. Biên độ dao động của CD cũng ổn định hơn.

4. Ổn định lực nâng (CL) và moment (CM):
   Hệ số nâng CL của cầu có tấm phẳng dao động ổn định với biên độ nhỏ hơn, thời gian đạt trạng thái ổn định giảm từ 15s xuống còn 5s. Hệ số moment CM tăng 28% (từ 0,0211 lên 0,0271), cho thấy mức độ ổn định khí động học được cải thiện đáng kể.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện là do tấm phẳng điều khiển dòng chảy, làm giảm sự hình thành xoáy và rung xoắn trên tiết diện cầu. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm trước đây của các nhà khoa học Nhật Bản, khẳng định hiệu quả của tấm phẳng lắp đặt ở góc θ = 30° trong việc ổn định khí động học cầu dây văng.

So sánh với cầu không có tấm phẳng, việc giảm lực cản và lực nâng đồng nghĩa với giảm rung lắc và tăng tuổi thọ công trình. Biểu đồ hệ số lực và moment theo thời gian minh họa rõ sự ổn định hơn khi có tấm phẳng, đồng thời giảm thời gian đạt trạng thái ổn định giúp tiết kiệm chi phí vận hành và bảo trì.

Kết quả cũng cho thấy phương pháp biên nhúng là công cụ hiệu quả, cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy phức tạp quanh tiết diện cầu với chi phí tính toán hợp lý, thay thế cho các thí nghiệm tốn kém và phụ thuộc nhiều vào điều kiện thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Lắp đặt tấm phẳng điều khiển dòng chảy với góc θ = 30°

   • Mục tiêu: Tối ưu hóa độ ổn định khí động học, giảm lực cản và lực nâng.
   • Thời gian thực hiện: Trong giai đoạn thiết kế và thi công cầu dây văng mới.
   • Chủ thể thực hiện: Các đơn vị thiết kế và thi công cầu.

2. Ứng dụng phương pháp biên nhúng trong mô phỏng thiết kế cầu

   • Mục tiêu: Giảm chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế, nâng cao độ chính xác mô phỏng.
   • Thời gian thực hiện: Áp dụng trong các dự án nghiên cứu và thiết kế cầu hiện đại.
   • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, trường đại học và công ty tư vấn kỹ thuật.

3. Nâng cao chất lượng vật liệu và độ cứng của tấm phẳng

   • Mục tiêu: Đảm bảo tấm phẳng hoạt động hiệu quả trong điều kiện thực tế, chịu được tải trọng gió và rung động.
   • Thời gian thực hiện: Song song với quá trình thiết kế và sản xuất tấm phẳng.
   • Chủ thể thực hiện: Nhà sản xuất vật liệu và thiết bị cầu.

4. Theo dõi và đánh giá hiệu quả sau khi lắp đặt

   • Mục tiêu: Đánh giá thực tế hiệu quả ổn định khí động học và điều chỉnh thiết kế nếu cần.
   • Thời gian thực hiện: Trong vòng 1-2 năm sau khi cầu đi vào vận hành.
   • Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án, cơ quan quản lý cầu đường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế cầu dây văng

   • Lợi ích: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến thiết kế, giảm rung lắc và tăng độ bền công trình.
   • Use case: Thiết kế tiết diện cầu với tấm phẳng điều khiển dòng chảy.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy, kỹ thuật xây dựng

   • Lợi ích: Nắm bắt phương pháp biên nhúng và ứng dụng trong mô phỏng khí động học.
   • Use case: Tham khảo phương pháp số và kết quả mô phỏng trong các đề tài nghiên cứu.

3. Cơ quan quản lý và vận hành cầu đường

   • Lợi ích: Hiểu rõ tác động của thiết bị điều khiển khí động học đến an toàn và bảo trì cầu.
   • Use case: Lập kế hoạch bảo trì và nâng cấp cầu dây văng.

4. Nhà sản xuất vật liệu và thiết bị cầu

   • Lợi ích: Phát triển sản phẩm tấm phẳng với đặc tính kỹ thuật phù hợp.
   • Use case: Thiết kế và sản xuất tấm phẳng điều khiển dòng chảy.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp biên nhúng (IBM) là gì và tại sao được sử dụng trong nghiên cứu này?
   IBM là phương pháp số mô phỏng tương tác giữa lưu chất và vật thể có biên dạng phức tạp trên lưới Euler cố định kết hợp với lưới Lagrangian biểu diễn biên vật thể. Phương pháp này giúp mô phỏng chính xác dòng chảy quanh tiết diện cầu mà không cần chia lưới phức tạp, tiết kiệm thời gian và chi phí so với thí nghiệm thực tế.

2. Tấm phẳng điều khiển dòng chảy có tác dụng như thế nào đối với cầu dây văng?
   Tấm phẳng làm giảm sự hình thành xoáy và rung xoắn trên tiết diện cầu, cân bằng áp suất giữa hai phía, từ đó giảm lực nâng và lực cản không mong muốn, giúp cầu ổn định hơn khi chịu tác động của gió.

3. Góc lắp đặt tấm phẳng tối ưu là bao nhiêu?
   Nghiên cứu cho thấy góc θ = 30° là vị trí lắp đặt tấm phẳng hiệu quả nhất, giúp giảm lực cản 7,4% và tăng hệ số moment khí động học lên 28%, đồng thời cải thiện sự ổn định dòng chảy.

4. Phương pháp mô phỏng có thể áp dụng cho các loại cầu khác không?
   Có, phương pháp biên nhúng có thể mở rộng để mô phỏng dòng chảy và tương tác lưu chất-kết cấu cho nhiều loại cầu và cấu trúc kỹ thuật khác có biên dạng phức tạp.

5. Kết quả mô phỏng có thể thay thế hoàn toàn thí nghiệm thực tế không?
   Mô phỏng số cung cấp kết quả chính xác và tiết kiệm chi phí, nhưng vẫn cần thí nghiệm thực tế để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình, đặc biệt trong các điều kiện vận hành phức tạp.

Kết luận

• Tấm phẳng điều khiển dòng chảy lắp đặt ở góc θ = 30° giúp cải thiện đáng kể độ ổn định khí động học của tiết diện cầu dây văng.
• Phương pháp biên nhúng (IBM) là công cụ hiệu quả, cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy và lực tác động lên cầu với chi phí tính toán hợp lý.
• Kết quả mô phỏng cho thấy giảm 7,4% lực cản, tăng 28% hệ số moment, đồng thời giảm thời gian đạt trạng thái ổn định từ 15s xuống 5s.
• Nghiên cứu góp phần giảm rung lắc, tăng tuổi thọ và an toàn cho cầu dây văng, đồng thời giảm chi phí thử nghiệm thực tế.
• Đề xuất áp dụng tấm phẳng điều khiển dòng chảy trong thiết kế cầu mới và tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng phương pháp số trong kỹ thuật cầu.

Các đơn vị thiết kế và quản lý cầu nên xem xét tích hợp tấm phẳng điều khiển dòng chảy vào quy trình thiết kế và vận hành, đồng thời ứng dụng phương pháp biên nhúng để nâng cao hiệu quả nghiên cứu và phát triển công trình cầu dây văng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀN NGỌC TRUNG KHẢO SÁT HIỆU QUẢ CỦA TẤM PHẲNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG CHẢY QUA TIẾT DIỆN CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S K C0 0 3 5 9 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012 Luan van BỘ GIÁO GIỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀN NGỌC TRUNG KHẢO SÁT HIỆU QUẢ CỦA TẤM PHẲNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG CHẢY QUA TIẾT DIỆN CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀN NGỌC TRUNG KHẢO SÁT HIỆU QUẢ CỦA TẤM PHẲNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG CHẢY QUA TIẾT DIỆN CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Hướng dẫn khoa học: TS PHAN ĐỨC HUYNH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I.

LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: HÀN NGỌC TRUNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 27/10/1986 Nơi sinh: Bắc Ninh Quê quán: Bắc Ninh Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 1096/1 - Kha Vạn Cân - Linh Chiểu - Quận Thủ Đức - TPHCM. Điện thoại cơ quan: Điện thoại: [phone] Fax: E-mail: trung. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Đại học chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 09/2009 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐHSP KỸ THUẬT TPHCM Ngành học: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY III.

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 09/2010 ĐHSP Kỹ Thuật TP.HCM Học viên cao học i Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 .13 vi Luan van 3.1 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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).