Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình rơi tự do của các loại hạt thực vật có cánh trong tự nhiên, đặc biệt là quả chò, thể hiện cơ chế khí động học tự quay độc đáo giúp giảm vận tốc rơi tịnh tiến và kéo dài thời gian lơ lửng trong không khí. Tại Việt Nam, các nghiên cứu chuyên sâu về khí động học của quả chò bằng phương pháp mô phỏng số vẫn còn hạn chế. Đề tài đồ án tốt nghiệp này được thực hiện nhằm kế thừa dữ liệu thực nghiệm trước đó, ứng dụng công cụ mô phỏng động lực học chất lưu để phân tích chi tiết tương tác khí động giữa dòng không khí và cấu trúc cánh quả chò, hướng đến việc ứng dụng nguyên lý phỏng sinh học vào thiết kế cánh quạt tản nhiệt trong ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt và các hệ thống tuabin khí.

Tác giả xác định ba nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể trong đồ án:

  1. Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu các phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng của quả chò.
  2. Nhiệm vụ 2: Mô phỏng chuyển động thẳng đứng với hướng gió thổi từ dưới lên tác động vào quả chò bằng phần mềm ANSYS FLUENT.
  3. Nhiệm vụ 3: Phân tích lực nâng, lực cản và mô-men xoay của quả chò.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quả chò nâu có tên khoa học là Dipterocarpus retusus, cụ thể là mẫu hình học số 13 đã được xác định là mẫu có thời gian rơi tối ưu từ nghiên cứu thực nghiệm trước.
  • Không gian thực hiện: Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày 15/12/2022 đến ngày 18/02/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng khung lý thuyết dựa trên cơ học chất lưu và động lực học vật thể bay tự quay:

  • Lý thuyết quá trình rơi của quả chò: Quá trình chuyển động thẳng đứng của quả chò trong không khí được chia làm hai giai đoạn chính:
    • Giai đoạn 1 ($t_0 \le t \le t^*$): Quả chò bắt đầu rơi thẳng đứng và thân quả bị lật ngược để định vị cánh lên phía trên hạt. Phương trình chuyển động có dạng $m\vec{g} + \vec{F}_c = m\vec{a}$, trong đó lực cản không khí phụ thuộc vào vận tốc: $F_c = \frac{1}{2} C_d \rho A (v^2 + u^2)$.
    • Giai đoạn 2 ($t \ge t^*$): Quả chò bắt đầu xoay ổn định quanh trục thẳng đứng. Độ cong hình học của cánh tạo ra chuyển động xoáy ổn định, sinh ra lực nâng $F_L = \frac{1}{2} \rho v^2 A C_L(\alpha)$ vuông góc với hướng gió tương đối, lực cản $F_D = \frac{1}{2} \rho v^2 A C_D(\alpha)$ tiếp tuyến/song song với hướng gió, và mô-men xoay khí động học $M = \frac{1}{2} C_m \rho A l v^2$ với tốc độ góc $\Omega = 2\pi f$.
  • Cơ sở Động lực học chất lưu tính toán (CFD): Dựa trên phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method - FVM), rời rạc hóa miền không gian thành các thể tích kiểm soát hữu hạn để giải hệ phương trình bảo toàn khối lượng, bảo toàn động lượng và bảo toàn năng lượng.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp kế thừa và xử lý số liệu thực nghiệm: Tiếp nhận số liệu đo đạc kích thước hình học, khối lượng và thời gian rơi từ đề tài thực nghiệm trước (phân tích quy hoạch thực nghiệm Factorial DOE trên phần mềm Minitab từ 81 mẫu quả chò).
  • Phương pháp mô hình hóa hình học 3D: Thiết kế biên dạng hình học thực của hạt và hai cánh quả chò trên phần mềm AutoCAD 2020.
  • Phương pháp mô phỏng số CFD: Xây dựng miền tính bao quanh (Enclosure), thực hiện chia lưới phần tử hữu hạn bằng phương pháp tứ diện (Tetrahedrons), kiểm tra chất lượng lưới qua hệ số Skewness và Aspect Ratio, thiết lập điều kiện biên và giải số bằng phần mềm ANSYS FLUENT với mô hình dòng chảy tầng (Laminar flow).

Nguồn dữ liệu:

  • Dữ liệu thực nghiệm đo đạc mẫu quả chò nâu (Dipterocarpus retusus) số 13 tại khuôn viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
  • Tài liệu công bố quốc tế về các dạng quả chò hai cánh (Dipterocarpus alatus), ba cánh (Triplaris samaras) và năm cánh (Dryobalanops aromatica).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Mở đầu

Chương này trình bày tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu khí động học của các vật thể tự nhiên có cánh, nhấn mạnh cấu trúc khí động học của quả chò. Tác giả nêu rõ lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu tìm hiểu các thành phần lực tác động lên quả chò (lực nâng, lực cản, mô-men xoay) và tiềm năng ứng dụng các đặc tính này vào việc tối ưu hóa thiết kế cánh quạt tản nhiệt trong ngành Kỹ thuật Nhiệt, cánh tuabin gió và các cánh quạt công nghiệp. Chương I xác định phương pháp tiếp cận là kết hợp số liệu thực nghiệm với công cụ mô phỏng số ANSYS FLUENT trên máy tính, đồng thời công bố cấu trúc đồ án gồm bốn chương.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Chương II tập trung hệ thống hóa toàn bộ lý thuyết sinh học, động lực học vật thể rơi và nền tảng tính toán số:

  • Đặc điểm thực vật học của loài chò nâu (Dipterocarpus retusus): Cây thân gỗ, lá hình trái xoan dài 20–40 cm, rộng 15–25 cm; hoa mọc thành chùm nở vào tháng 11–12; quả chín vào tháng 4 hình cầu hoặc trứng đường kính 2–3 cm mang hai cánh lớn dài 18–20 cm có ba gân nổi rõ.
  • Tổng quan nghiên cứu quốc tế:
    • Nghiên cứu của Thammarong Eadkong và cộng sự (Đại học Walailak, Thái Lan) sử dụng phần mềm Tracker khảo sát quả chò hai cánh (Dipterocarpus alatus) thả rơi từ độ cao 20–40 m, xác định quy luật lực cản phụ thuộc vào vận tốc.
    • Nghiên cứu của Celso L. Ladera và Pedro A. Pineda (2009) trên quả chò ba cánh (Triplaris samaras) kết hợp thước đo, đồng hồ bấm giờ, sóng siêu âm và chùm tia quang học, chỉ ra hai chế độ chuyển động: giai đoạn phi tuyến tính ngắn ban đầu và giai đoạn vận tốc giới hạn ổn định cuối cùng.
    • Nghiên cứu của Yung-Jeh CHU (Đại học Malaya, Malaysia) ứng dụng hình dạng quả chò năm cánh (Dryobalanops aromatica) để mô phỏng sinh học tuabin dòng điện biển bằng các phần mềm GetData Graph Digitizer, JavaFoil, SALOME, OpenFOAM và ParaView.
  • Tổng quan nghiên cứu trong nước: Phân tích kết quả của nhóm sinh viên khóa trước (Lê Thanh Phú, Hoàng Hữu Trí) thu thập 81 mẫu quả chò nâu tại trường, đo đạc khối lượng, chiều dài quả, chiều rộng cánh và góc cánh. Sử dụng phương pháp Factorial DOE trên Minitab, nhóm nghiên cứu trước xác định góc cánh là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến thời gian rơi (thông qua biểu đồ Pareto và phương trình hồi quy), từ đó chọn ra mẫu số 13 có thời gian rơi tối ưu đạt 2,64 s (thực nghiệm thả 10 lần kiểm chứng đạt trung bình 2,79 s, độ chênh lệch xấp xỉ 5,68%).
  • Cơ sở lý thuyết CFD và phần mềm: Trình bày các phương trình đạo hàm riêng bảo toàn khối lượng, động lượng, năng lượng; quy trình giải bài toán CFD tám bước; giới thiệu môi trường ANSYS Workbench, mô-đun ANSYS Fluent và phần mềm AutoCAD 2020.
Yếu tố hình học khảo sát Dụng cụ đo đạc thực nghiệm Ảnh hưởng đến thời gian rơi (DOE)
Khối lượng ($m$) Cân tiểu ly điện tử Ảnh hưởng bậc ba
Chiều dài quả ($l$) Thước thẳng kỹ thuật Ảnh hưởng kết hợp
Góc cánh ($E$) Thước đo góc chuyên dụng Yếu tố ảnh hưởng lớn nhất (Biểu đồ Pareto)
Chiều rộng cánh ($w$) Thước đo độ dài Yếu tố ảnh hưởng bậc hai

Chương III: Xây dựng mô hình và mô phỏng số

Chương III trình bày chi tiết quy trình tính toán mô phỏng khí động học cho mẫu quả chò số 13:

  • Xử lý số liệu và mô hình hóa 3D: Sử dụng AutoCAD 2020 để dựng hình học ba chiều chi tiết gồm phần hạt, cánh thứ nhất, cánh thứ hai, phân tích mặt cắt ngang A-A và mặt cắt dọc B-B của cánh quả chò nhằm đảm bảo đúng độ cong khí động học.
  • Thiết lập không gian hình học trong ANSYS Geometry: Nhập mô hình từ AutoCAD, thực hiện lệnh Generate, tạo miền bao không khí (Enclosure), đặt tên khối lưu chất không khí và vật thể quả chò, áp dụng phép toán Boolean và gộp mô hình thành một Part duy nhất.
  • Chia lưới phần tử hữu hạn trong ANSYS Meshing: Cài đặt các thông số kích thước phần tử và áp dụng phương pháp chia lưới Tetrahedrons (tứ diện). Đánh giá chất lượng lưới thông qua hai chỉ số hình học: Skewness (độ méo/độ lệch) và Aspect Ratio (tỷ lệ khung hình). Kết quả kiểm tra lưới phân loại theo Skewness đạt yêu cầu chất lượng tính toán.
  • Thiết lập điều kiện vật lý và điều kiện biên trong ANSYS Fluent:
    • Kích hoạt gia tốc trọng trường $g$ theo phương thẳng đứng.
    • Thiết lập mô hình dòng chảy tầng (Laminar flow).
    • Định nghĩa vật liệu: Khối không khí xung quanh và vật liệu cấu tạo quả chò.
    • Gán điều kiện biên: Bề mặt gió vào phía dưới (Velocity Inlet) với hướng gió thổi từ dưới lên, bề mặt thoát khí phía trên (Pressure Outlet).
    • Thiết lập các báo cáo giám sát hội tụ: Drag Report Definition (hệ số lực cản $C_d$), Lift Report Definition (hệ số lực nâng $C_l$), Moment Report Definition (hệ số mô-men xoay $C_m$).
    • Khởi tạo không gian nghiệm (Initialize) và tiến hành giải lặp. Kết quả giải số đạt trạng thái hội tụ tại vòng lặp thứ 1686 (iteration 1686).
  • Hậu xử lý và phân tích kết quả:
    • Xuất đường dòng vận tốc (Velocity Streamline) thể hiện hướng và xoáy dòng khí đi qua hai cánh.
    • Phân tích sự phân bố trường vận tốc và trường áp suất trên mặt phẳng XY, làm rõ vùng áp suất cao phía dưới cánh và vùng áp suất thấp phía trên cánh.
    • Đồ thị lịch sử hội tụ drag-rplot, lift-rplot, moment-rplot ghi nhận giá trị ổn định tại bước lặp 1686.
    • Phân tích biểu đồ phân bố hệ số áp suất (Pressure Coefficient) trên bề mặt quả chò qua chức năng Solution XY Plot.

Chương IV: Kết luận và kiến nghị

Chương cuối tổng kết các kết quả đạt được trong việc xây dựng mô hình CAD 3D và mô phỏng thành công quá trình dòng khí tương tác với quả chò nâu bằng ANSYS FLUENT. Tác giả khẳng định đồ án đã hoàn thành các nhiệm vụ đề ra và đưa ra các đề xuất nhằm phát triển nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả tính toán mô phỏng và kế thừa thực nghiệm cụ thể sau:

Thông số / Hạng mục Giá trị / Đặc tính kỹ thuật ghi nhận trong đồ án
Mẫu nghiên cứu tối ưu Mẫu số 13 loài chò nâu (Dipterocarpus retusus)
Thời gian rơi thực nghiệm tối ưu 2,64 s (kết quả phân tích Factorial DOE)
Thời gian rơi kiểm chứng trung bình 2,79 s (qua 10 lần thả thực nghiệm, sai số khoảng 5,68%)
Yếu tố hình học chi phối chính Góc nghiêng của cánh ($E$)
Phương pháp chia lưới CFD Lưới tứ diện (Tetrahedrons)
Tiêu chuẩn kiểm soát lưới Skewness và Aspect Ratio
Mô hình dòng chảy thiết lập Dòng chảy tầng (Laminar), vận tốc gió thổi từ dưới lên
Điểm hội tụ của bộ giải số Vòng lặp thứ 1686 (Iteration 1686)
Dữ liệu trích xuất hậu xử lý Đường dòng Streamline, trường áp suất/vận tốc mặt phẳng XY, đồ thị $C_d$, $C_l$, $C_m$, hệ số áp suất

Giải pháp và kiến nghị của tác giả:

  • Sử dụng biên dạng cong và góc nghiêng tối ưu của cánh quả chò để cải tiến hình học cánh quạt tản nhiệt, giúp tạo lưu lượng gió và lực nâng khí động học tốt hơn ở tốc độ thấp.
  • Khai thác quy trình mô phỏng phối hợp giữa AutoCAD và ANSYS Fluent để nghiên cứu các kết cấu phỏng sinh học khác.

Đóng góp của đồ án:

  • Thiết lập quy trình mô hình hóa 3D và mô phỏng số hoàn chỉnh về đặc tính khí động học của quả chò nâu (Dipterocarpus retusus) tại Việt Nam.
  • Cung cấp dữ liệu trực quan về sự phân bố áp suất, vận tốc, lực nâng, lực cản và mô-men xoay, làm rõ cơ chế khí động học giúp quả chò tự quay ổn định trong quá trình rơi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa bài toán tĩnh với hướng gió thổi thẳng đứng từ dưới lên trong chế độ dòng chảy tầng (Laminar), chưa mô phỏng bài toán chuyển động động lực học 6 bậc tự do (6-DOF) đầy đủ trong không gian rơi tự do biến đổi theo thời gian.
  • Điều kiện biên mô phỏng giả định vận tốc gió ổn định, chưa xét đến các tác động nhiễu loạn gió phức tạp ngoài môi trường tự nhiên.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Ứng dụng các thông số khí động học và biên dạng cánh quả chò vào bài toán thiết kế chế tạo cánh quạt tản nhiệt trong kỹ thuật nhiệt, tuabin gió trục đứng hoặc cánh quạt công nghiệp.
  • Mở rộng khảo sát mô phỏng ở nhiều dải vận tốc gió, góc tấn khác nhau và mô phỏng chuyển động xoay liên tục (Dynamic Mesh / Moving Reference Frame).

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn cho:

  • Sinh viên, học viên và giảng viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Hàng không và Năng lượng tái tạo.
  • Các nhà nghiên cứu đang thực hiện đề tài về phỏng sinh học (Biomimetics), thiết kế cánh tuabin hoặc cánh quạt dòng chảy tốc độ thấp.

Nội dung đáng tham khảo nhất:

  • Phương pháp chuyển đổi số liệu đo đạc thực vật học thành mô hình hình học 3D chính xác trên AutoCAD (mặt cắt A-A và B-B).
  • Quy trình thiết lập miền tính, chia lưới Tetrahedrons, kiểm soát chỉ số Skewness/Aspect Ratio và cài đặt các báo cáo giám sát lực ($C_d$, $C_l$, $C_m$) trên ANSYS Fluent.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đồ án sử dụng loài quả chò nào và dữ liệu hình học ban đầu được lấy từ đâu?
    Đồ án nghiên cứu trên loài chò nâu có tên khoa học là Dipterocarpus retusus. Dữ liệu hình học và thời gian rơi được kế thừa từ mẫu số 13 (mẫu tối ưu) trong nghiên cứu thực nghiệm 81 mẫu của nhóm sinh viên Lê Thanh Phú và Hoàng Hữu Trí tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

  2. Yếu tố hình học nào của quả chò ảnh hưởng lớn nhất đến thời gian rơi theo dữ liệu thực nghiệm?
    Theo kết quả phân tích quy hoạch thực nghiệm Factorial DOE trên phần mềm Minitab (thể hiện qua biểu đồ Pareto và phương trình hồi quy), yếu tố góc cánh ($E$) là thông số có mức độ ảnh hưởng lớn nhất đến thời gian rơi của quả chò, tiếp theo là chiều rộng cánh và khối lượng.

  3. Phương pháp chia lưới nào được sử dụng trong ANSYS Meshing và chất lượng lưới được đánh giá ra sao?
    Tác giả sử dụng phương pháp chia lưới tứ diện (Tetrahedrons) cho miền không gian bao quanh quả chò. Chất lượng lưới được kiểm tra và đánh giá thông qua hai tiêu chuẩn hình học là độ lệch (Skewness) và tỷ lệ khung hình (Aspect Ratio).

  4. Bài toán mô phỏng trong ANSYS FLUENT đạt hội tụ ở bước lặp nào và sử dụng mô hình dòng chảy gì?
    Quá trình tính toán số trên ANSYS FLUENT đạt trạng thái hội tụ tại vòng lặp thứ 1686 (iteration 1686), sử dụng mô hình dòng chảy tầng (Laminar flow) với điều kiện biên vận tốc gió vào (Velocity Inlet) thổi thẳng đứng từ dưới lên và thoát khí ở đầu ra (Pressure Outlet).

  5. Kết quả phân tích khí động học của quả chò được tác giả định hướng ứng dụng vào lĩnh vực nào?
    Kết quả phân tích về biên dạng cánh, lực nâng và mô-men xoay được định hướng ứng dụng vào việc thiết kế, cải tiến cánh quạt tản nhiệt trong ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, cánh tuabin gió biển và các cánh quạt thông gió công nghiệp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phan Tấn Chí đã nghiên cứu thành công đặc tính khí động học về quá trình rơi của quả chò nâu (Dipterocarpus retusus) bằng phần mềm ANSYS FLUENT dựa trên số liệu thực nghiệm mẫu tối ưu số 13. Công trình đã xây dựng hoàn chỉnh mô hình 3D trên AutoCAD 2020, xử lý chia lưới tứ diện Tetrahedrons và thực hiện mô phỏng dòng chảy tầng đạt hội tụ ở bước lặp thứ 1686. Các kết quả trích xuất về đường dòng vận tốc, phân bố trường áp suất, lực nâng, lực cản và mô-men xoay đã làm sáng tỏ cơ chế chuyển động tự xoay của quả chò, cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật giá trị cho việc ứng dụng phỏng sinh học vào thiết kế cánh quạt tản nhiệt ngành Nhiệt.