Luận văn thạc sĩ vnu uet so sánh một số phương pháp xấp xỉ và mô phỏng fft cho hệ số dẫn nhiệt vật liệu không đồng nhất luận văn ths kỹ thuật cơ khí và cơ kỹ thuật 605201

Luận văn thạc sĩ VNU UET so sánh các phương pháp xấp xỉ và mô phỏng FFT cho hệ số dẫn nhiệt vật liệu không đồng nhất trong kỹ thuật cơ khí.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hải Duyên
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Đức Chính
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Kỹ Thuật
• Đề tài: So sánh một số phương pháp xấp xỉ và mô phỏng FFT cho hệ số dẫn nhiệt vật liệu không đồng nhất
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BÀI TOÁN DẪN
• 1.1. TÍNH CHẤT DẪN VĨ MÔ CỦA VẬT LIỆU ĐỒNG NHẤT HÓA
• 1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ DẪN VĨ MÔ CỦA VẬT LIỆU ĐỒNG NHẤT HÓA
• 1.3. PHƯƠNG PHÁP XẤP XỈ MORI-TANAKA
• 1.4. PHƯƠNG PHÁP XẤP XỈ VI PHÂN
• 1.5. PHƯƠNG PHÁP XẤP XỈ PHÂN CỰC (POLARIZATION APPROXIMATION)
• 2. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XẤP XỈ
• 4. CHƯƠNG 4: VÍ DỤ, SO SÁNH MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XẤP XỈ VÀ PHƯƠNG PHÁP SỐ FFT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp xấp xỉ và mô phỏng FFT

Trong nghiên cứu vật liệu không đồng nhất, việc xác định hệ số dẫn nhiệt là rất quan trọng. Hai phương pháp phổ biến là phương pháp xấp xỉ và mô phỏng FFT. Phương pháp xấp xỉ thường sử dụng các công thức gần đúng để tính toán, trong khi mô phỏng FFT áp dụng các thuật toán số để giải quyết bài toán một cách chính xác hơn. Sự khác biệt giữa hai phương pháp này không chỉ nằm ở độ chính xác mà còn ở cách tiếp cận và ứng dụng thực tiễn.

1.1. Định nghĩa và ứng dụng của phương pháp xấp xỉ

Phương pháp xấp xỉ là một kỹ thuật tính toán nhằm tìm ra giá trị gần đúng cho hệ số dẫn nhiệt của vật liệu không đồng nhất. Phương pháp này thường được sử dụng trong các nghiên cứu về vật liệu composite, nơi mà các thành phần có tính chất khác nhau. Các công thức xấp xỉ như Mori-Tanaka và phân cực giúp đơn giản hóa quá trình tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác ở mức chấp nhận được.

1.2. Mô phỏng FFT và ưu điểm của nó

Mô phỏng FFT (Biến đổi Fourier nhanh) là một phương pháp số mạnh mẽ cho phép tính toán chính xác hệ số dẫn nhiệt của vật liệu không đồng nhất. Phương pháp này sử dụng các thuật toán phức tạp để phân tích và mô phỏng các cấu trúc vi mô của vật liệu. Ưu điểm lớn nhất của mô phỏng FFT là khả năng xử lý các cấu trúc phức tạp mà các phương pháp xấp xỉ không thể thực hiện được.

II. Vấn đề và thách thức trong việc xác định hệ số dẫn nhiệt

Việc xác định hệ số dẫn nhiệt cho vật liệu không đồng nhất gặp nhiều thách thức. Các yếu tố như cấu trúc vi mô, tỷ lệ thể tích của các pha khác nhau, và tính chất của từng thành phần đều ảnh hưởng đến kết quả. Đặc biệt, trong các vật liệu composite, sự phân bố không đồng đều của các thành phần có thể dẫn đến sai số lớn trong kết quả tính toán.

2.1. Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô đến tính dẫn nhiệt

Cấu trúc vi mô của vật liệu không đồng nhất có thể ảnh hưởng lớn đến hệ số dẫn nhiệt. Các yếu tố như kích thước, hình dạng và phân bố của các pha có thể làm thay đổi đáng kể khả năng dẫn nhiệt của vật liệu. Do đó, việc mô phỏng chính xác cấu trúc vi mô là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác.

2.2. Thách thức trong việc áp dụng phương pháp xấp xỉ

Mặc dù phương pháp xấp xỉ có nhiều ưu điểm, nhưng nó cũng gặp phải một số thách thức. Độ chính xác của các công thức xấp xỉ phụ thuộc vào tính chất của các thành phần và cấu trúc vi mô. Trong nhiều trường hợp, các công thức này có thể không phản ánh đúng thực tế, dẫn đến sai số trong kết quả tính toán.

III. Phương pháp xấp xỉ Mori Tanaka và ứng dụng

Phương pháp xấp xỉ Mori-Tanaka là một trong những phương pháp phổ biến nhất để xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu không đồng nhất. Phương pháp này dựa trên nguyên lý Eshelby và cho phép tính toán hệ số dẫn nhiệt cho các vật liệu có cấu trúc phức tạp. Ứng dụng của phương pháp này rất đa dạng, từ vật liệu xây dựng đến vật liệu trong ngành hàng không.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp Mori Tanaka

Phương pháp Mori-Tanaka sử dụng một mô hình hình học để tính toán hệ số dẫn nhiệt của vật liệu composite. Nguyên lý cơ bản là xác định ảnh hưởng của các pha khác nhau đến tính chất dẫn nhiệt của vật liệu tổng thể. Phương pháp này cho phép tính toán chính xác hơn so với các phương pháp xấp xỉ đơn giản khác.

3.2. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp Mori Tanaka

Phương pháp Mori-Tanaka đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, bao gồm vật liệu xây dựng, vật liệu điện tử và vật liệu trong ngành hàng không. Việc sử dụng phương pháp này giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu có thể dự đoán chính xác hơn về tính chất dẫn nhiệt của các vật liệu composite phức tạp.

IV. Mô phỏng FFT và kết quả nghiên cứu

Mô phỏng FFT đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc xác định hệ số dẫn nhiệt cho các vật liệu không đồng nhất. Kết quả từ các mô phỏng cho thấy rằng mô phỏng FFT có thể cung cấp độ chính xác cao hơn so với các phương pháp xấp xỉ truyền thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

4.1. Kết quả từ mô phỏng FFT

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô phỏng FFT có thể đạt được độ chính xác cao trong việc xác định hệ số dẫn nhiệt cho các vật liệu không đồng nhất. Kết quả từ các mô phỏng cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các phương pháp xấp xỉ và mô phỏng FFT, đặc biệt là trong các trường hợp có cấu trúc vi mô phức tạp.

4.2. Ứng dụng của mô phỏng FFT trong nghiên cứu vật liệu

Mô phỏng FFT không chỉ giúp xác định hệ số dẫn nhiệt mà còn có thể được áp dụng để nghiên cứu các tính chất khác của vật liệu không đồng nhất. Việc sử dụng mô phỏng FFT trong nghiên cứu vật liệu giúp các nhà khoa học có cái nhìn sâu sắc hơn về cách mà các thành phần vi mô ảnh hưởng đến tính chất vĩ mô của vật liệu.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về hệ số dẫn nhiệt của vật liệu không đồng nhất vẫn đang tiếp tục phát triển. Các phương pháp xấp xỉ và mô phỏng FFT đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, mô phỏng FFT đang trở thành xu hướng chính trong nghiên cứu vật liệu nhờ vào độ chính xác cao và khả năng xử lý các cấu trúc phức tạp.

5.1. Tóm tắt những điểm mạnh và yếu của các phương pháp

Mỗi phương pháp đều có những điểm mạnh và yếu riêng. Phương pháp xấp xỉ thường đơn giản và nhanh chóng, nhưng có thể không chính xác trong các trường hợp phức tạp. Trong khi đó, mô phỏng FFT cung cấp độ chính xác cao hơn nhưng yêu cầu tài nguyên tính toán lớn hơn.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm kiếm các phương pháp mới kết hợp giữa xấp xỉ và mô phỏng để tối ưu hóa quá trình tính toán. Việc phát triển các thuật toán mới và cải tiến mô phỏng sẽ giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu không đồng nhất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN BÀI TOÁN DẪN 1. TÍNH CHẤT DẪN VĨ MÔ CỦA VẬT LIỆU ĐỒNG NHẤT HÓA Để đánh giá tính dẫn nhiệt vĩ mô của vật liệu đồng nhất hóa, ta đánh giá dựa trên phần tử đặc trưng V. Xét phần tử đặc trưng V (RVE: Representative Volume Element) của vật liệu tổ hợp, phần tử đặc trưng phải đủ lớn so với các cấu trúc vi mô để đại diện cho các tính chất của vật liệu thành phần đồng thời phải đủ nhỏ so với kích thước vật thể để việc xác định tính chất vĩ mô có ý nghĩa.

1 Phần tử đặc trưng RVE Phần tử đặc trưng V được cấu thành bởi n thành phần chiếm không gian V  V và có các hệ số dẫn C ,   1,. Phần tử đặc trưng V (thể tích V được coi là bằng 1) được gắn với hệ tọa độ Đề các  x1 , x2 . Khi các thành phần cấu thành phân bố hỗn độn hay đều theo mọi hướng trong không gian ta có thể coi vật liệu là đẳng hướng vĩ mô, các kích thước vi mô là đủ lớn so với kích thước phân tử để có thể được coi là môi trường liên tục. Có nhiều tính chất cơ-lý của vật liệu mà khoa học hiện nay cần quan tâm, tuy nhiên do phạm vi nghiên cứu nên trong luận văn này chỉ đề cập đến tính dẫn nhiệt và một số tính dẫn có tính chất tương tự.

Hệ số dẫn nhiệt C(x) là tensor bậc hai đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, nói chung là khác nhau cho các hướng khác nhau đối với vật liệu dị hướng, C(x)=C nếu x V ,   1,. Với điều kiện chịu nhiệt của vật thể, trường vectơ dòng nhiệt J cần phải thỏa mãn phương trình cân bằng:  J(x)  0, x  V (1.1) Với liên kết lý tưởng trên mặt ngăn cách giữa các pha: x V , J   n  J   n (liên tục về dòng nhiệt), T   x   T   x  (liên tục về nhiệt độ) với, n (x) là pháp tuyến ngoài biên trên. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 11 Trường dòng J(x) quan hệ với trường gradient nhiệt E(x)= T (x) thông qua định luật Fourier J(x)=-C(x)  E(x) (1.2) Điều kiện biên có thể cho trước là trường nhiệt độ T (x)  T0 (x) , hoặc dòng nhiệt J (x)  n(x)  q (x) , T0 (x) và q (x) là các giá trị cho trước. Trong trường hợp vật 0 0 liệu đẳng hướng ta có C  CI , trong đó I là tensor đơn vị bậc hai và C là giá trị vô hướng thể hiện hệ số dẫn đẳng hướng.

Từ các phương trình (1.2) ta nhận được phương trình Laplace: T  0 (1.3) Một số tính dẫn khác có cấu trúc tính toán tương tự tính dẫn nhiệt: Hệ số tán xạ D đặc trưng cho khả năng lan truyền của dòng vật chất được xác định thông qua định luật Fick 1: J = -D  (1.4) trong đó J là dòng lan truyền thỏa mãn phương trình cân bằng (1.1),  là mật độ vật chất. Hệ số dẫn điện c thỏa mãn định luật Ohm J (x) = -c(x) E(x)  -c(x)  ( x) (1.5) trong đó J là trường dòng điện thỏa mãn phương trình cân bằng (1.1),  là trường điện thế. Hệ số thấm k được xác định thông qua định luật Darcy: k q(x)   P(x) (1.6)  trong đó P là áp lực nước,  là hệ số nhớt của nước, q là trường dòng( tỉ lệ với tốc độ thấm v và độ rỗng của môi trường vật chất  , q   v ) thỏa mãn phương trình cân bằng   q  0. Hệ số điện môi (thấm điện) 𝜖 đặc trưng cho tính chất điện của môi trường điện môi được xác định qua phương trình: Q(x)   E(x) (1.7) trong đó Q là vectơ dịch chuyển điện từ thỏa mãn phương trình cân bằng   Q  0 , E là trường điện từ.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 12 Hệ số thấm từ (độ từ thẩm)  là đại lượng đặc trưng cho tính thấm từ của từ trường ngoài, thỏa mãn phương trình: B(x)   H(x) (1.8) trong đó B là cảm ứng từ thỏa mãn phương trình cân bằng  B  0 , H là cường độ từ trường. Tất cả các tính dẫn trên đều có chung một cấu trúc toán học, đều dẫn tới thỏa mãn phương trình Laplace và các kết quả đều có thể sử dụng chung với các hệ số tương ứng cho từng trường hợp cụ thể. Do đó trong luận văn chỉ xét đến bài toán dẫn nhiệt. Có nhiều phương pháp tiếp cận để xác định tính chất dẫn vĩ mô của vật liệu như phương pháp đánh giá, phương pháp xấp xỉ, phương pháp số.

Các phương pháp có độ phức tạp khác nhau và cũng đưa đến những kết quả có mức độ chính xác khác nhau. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ DẪN VĨ MÔ CỦA VẬT LIỆU ĐỒNG NHẤT HÓA. Hướng tiếp cận cơ bản để xác định tính chất cơ-lý hiệu quả của vật liệu nhiều thành phần có thể chia thành 2 hướng chính: Đường hướng giải phương trình: giải trực tiếp các phương trình vi phân, tích phân mô tả làm việc của vật liệu và Đường hướng năng lượng (Biến phân): tìm lời giải bài toán thông qua việc tìm cực trị của các phiếm hàm năng lượng. Cụ thể, có ba phương pháp chính đó là phương pháp đánh giá, phương pháp xấp xỉ và phương pháp số.

Phương pháp đánh giá là phương pháp xác định hệ số dẫn hiệu quả thông qua việc tìm cực trị của các phiếm hàm năng lượng trên phần tử đặc trưng V mà cụ thể là tìm cách đánh giá cận trên, cận dưới của các tính chất bằng cách xuất phát từ nguyên lý năng lượng cực tiểu. Nguyên lý năng lượng cực tiểu để tìm đánh giá trên hệ số dẫn nhiệt cho vật liệu đẳng hướng vĩ mô n pha C eff E0  E0  inf 0  E  C  Edx  E  E V (1.9) và nguyên lý năng lượng bù cực tiểu (nguyên lý biến phân đối ngẫu) để tìm đánh giá dưới (C eff ) 1 J 0  J 0  inf 0  J  C1  Jdx  J  J V (1.10) LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 13 trong đó E trong (1.9) là vector gradient của một hàm liên tục trên V, E0 là vector 1 V V hằng,    là trung bình thể tích trên V,    dx. Trường dòng J trong (1.10) thỏa mãn điều kiện cân bằng  J  0 Nổi bật trong các nghiên cứu theo phương pháp này là nghiên cứu của Voigt-Reuss (đánh giá bậc một), Hashin-Strikman (đánh giá bậc hai), Milton, Phạm Đức Chính. Voight đã đưa ra công thức trung bình cộng số học [34] và Reuss đưa ra trung bình cộng điều hòa [33] để tính xấp xỉ các tính chất vĩ mô của các loại vật liệu tổ hợp n thành phần với hình học pha và tỉ lệ thể tích bất kì ở các pha.

Đối với hệ số dẫn vật liệu đẳng hướng (tổng theo  chạy từ 1 đến n): C eff   v C  C V (1.12) eff C   C  Các biểu thức trung bình cộng số học (1.11) và trung bình cộng điều hòa (1.12) có các giá trị khác nhau, các kết quả này chỉ gần nhau khi tính chất các thành phần gần nhau. Với cách xây dựng đánh giá theo đường lối biến phân có thể chỉ ra rằng (1.12) chính là các đánh giá trên và đánh giá dưới đối với tính chất hiệu quả của vật liệu tổ hợp đẳng hướng nhiều thành phần với cấu trúc hình học pha bất kì của vật liệu. Nguyên lý năng lượng cực trị lần đầu tiên được đề xuất bởi [20] trong nghiên cứu tính chất hiệu quả của vật liệu và chọn trường khả dĩ hằng số, ông đã chứng minh được tính chất hiệu quả luôn nằm giữa trung bình cộng số học CV và trung bình cộng điều hòa CR, đối với hệ số dẫn của vật liệu tổ hợp đẳng hướng n thành phần: CR  C eff  CV (1.13) Nghiên cứu [18] đã xây dựng tính chất hiệu quả dựa trên nguyên lý biến phân riêng dẫn tới trường khả dĩ phân cực (polarization fields) với các giá trị trung bình khác nhau trên các pha khác nhau. Đánh giá của Hashin- Strickman (HS) tốt hơn của Hill khi nó nằm trong đánh giá này.

Đánh giá HS cho hệ số dẫn vĩ mô cho vật liệu nhiều thành phần trong không gian 2 chiều được biểu diễn: PC  Cmin   C eff  PC  Cmax  (1.14) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail., Cn  , Cmax  max C1 ,., Cn  , Đánh giá Hashin- Shtrikman ở trên đúng với mọi vật liệu tổ hợp đẳng hướng bất kỳ, không phụ thuộc cấu trúc hình học pha như thế nào. Với tính chất vật liệu cho trước C và tỷ lệ thể tích pha v cũng cho được biểu thức đánh giá. Các đánh giá hẹp hơn đánh giá HS có chứa thêm các thông tin bậc cao về hình học pha của vật liệu đã được xây dựng bởi các tác giả khác nhau, như Milton (1981), Miller (1969), Phạm D. Trong nghiên cứu [2, 29] hệ số dẫn C eff được xác định theo (1.16)    0 , x V Trường khả dĩ phân cực E trong (1.9) được chọn như sau: 1 C0  Ei  Ei 0  p '  ,ij , j i  1, 2.17)  Trong đó p '  p   p  với trường véc tơ phân cực p   p   (x) :  1  2C0     0     p  1   E (1.18) ta có đánh giá trên như sau: C eff  PC  C0   C** (1.19) trong đó C0 là số dương tùy ý, 1    PC (C0 )      C0 (1.21)  1 X     C  C0 C  C0 A  là các hệ số hình học mô tả xấp xỉ bậc ba hình học của vật liệu [30] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.10) với trường khả dĩ phân cực J được chọn là: 1     q '  ,ij qi '  , q '  q  q   Ji  Ji0   C0   j  1  2  C0    1    q  1    C 1   C    C   C   1 1  J0 (1.22)   0   0  với trường phân cực q   q   (x)  Từ (1.