Luận Văn Thạc Sĩ: Ứng Dụng Phương Pháp Lọc Kalman Hiệu Chỉnh Bài Toán Vật Thể Chuyển Động Dưới Nước

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu ứng dụng phương pháp lọc Kalman trong bài toán vật thể chuyển động dưới nước, thuộc lĩnh vực cơ khí.

• Tác giả: Nguyễn Văn Tùng
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Tất Thắng
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Kỹ Thuật
• Đề tài: Ứng Dụng Phương Pháp Lọc Kalman Hiệu Chỉnh Bài Toán Vật Thể Chuyển Động Dưới Nước
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUYỂN ĐỘNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC CỦA VẬT THỂ DẠNG MẢNH
• 1.1. Đặc điểm chuyển động vật thể dạng mảnh khi có hiệu ứng khoang rỗng
• 1.2. Nguồn gốc, bản chất của hiệu ứng khoang rỗng
• 1.3. Hiệu ứng khoang rỗng của vật thể dạng mảnh di chuyển trong nước
• 1.4. Trạng chuyển động của vật thể dạng mảnh trong khoang rỗng
• 1.5. Tình hình nghiên cứu về chuyển động trong nước của vật thể dạng mảnh
• 1.6. Các nghiên cứu điển hình về chuyển động trong nước của vật thể với hiệu ứng khoang rỗng của các tác giả ngoài nước
• 1.7. Các nghiên cứu điển hình về chuyển động trong nước của vật thể với hiệu ứng khoang rỗng của các tác giả trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH MÔ TẢ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT THỂ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC KHI CÓ KHOANG RỖNG XUẤT HIỆN
• 2.1. Mô hình động lực học vật thể chuyển động trong khoang rỗng
• 2.2. Mô hình động lực học dòng chảy (nước) xung quanh vật thể
• 2.3. Mô hình dòng hỗn hợp (Mixture model)
• 2.4. Mô hình dòng chảy rối Realizable k – ε
• 2.5. Mô hình khoang rỗng (Cavitation model)
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP LỌC KALMAN VÀO BÀI TOÁN VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG DƯỚI NƯỚC CÓ SỰ XUẤT HIỆN KHOANG RỖNG
• 3.1. Giới thiệu về phương pháp lọc Kalman
• 3.2. Phương pháp lọc Kalman cổ điển
• 3.3. Phương pháp lọc Kalman phi tuyến
• 3.4. Kết hợp bộ lọc Kalman SEIK với ANSYS Fluent
• 3.5. Mô hình mô phỏng trên ANSYS Fluent
• 3.6. Xây dựng lại tính toán
• 3.7. Thiết lập trên ANSYS Fluent
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VỚI MÔ HÌNH SỐ KẾT HỢP
• 4.1. Vận tốc chuyển động trong khoang rỗng của vật thể
• 4.2. So sánh với giá trị tham khảo giả định
• 4.3. So sánh với thực đo liên tục
• 4.4. So sánh với thực đo gián đoạn
• 4.5. Kết quả mô phỏng sự hình thành khoang rỗng bao quanh vật thể
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng phương pháp lọc Kalman trong nghiên cứu vật thể chuyển động dưới nước

Phương pháp lọc Kalman đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc theo dõi và phân tích chuyển động của các vật thể dưới nước. Đặc biệt, trong bối cảnh nghiên cứu vật thể chuyển động dưới nước, phương pháp này giúp cải thiện độ chính xác của các mô hình mô phỏng. Việc áp dụng lọc Kalman cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh các thông số mô hình dựa trên dữ liệu thực tế, từ đó nâng cao độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu.

1.1. Lịch sử phát triển và nguyên lý hoạt động của phương pháp lọc Kalman

Phương pháp lọc Kalman được phát triển vào những năm 1960 bởi R. Kalman. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên việc sử dụng các mô hình toán học để dự đoán trạng thái của một hệ thống, sau đó điều chỉnh dự đoán này dựa trên các quan sát thực tế. Điều này giúp giảm thiểu sai số trong quá trình theo dõi chuyển động của vật thể dưới nước.

1.2. Tại sao lọc Kalman lại quan trọng trong nghiên cứu vật thể dưới nước

Lọc Kalman giúp cải thiện độ chính xác trong việc theo dõi chuyển động của vật thể dưới nước, đặc biệt là trong các điều kiện phức tạp như dòng chảy nhiều pha. Phương pháp này cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh mô hình dựa trên dữ liệu thực tế, từ đó nâng cao độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu vật thể chuyển động dưới nước

Nghiên cứu vật thể chuyển động dưới nước gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc mô phỏng các hiệu ứng như khoang rỗng. Hiện tượng này có thể làm giảm độ chính xác của các mô hình tính toán. Các yếu tố như tốc độ dòng chảy, hình dạng vật thể và điều kiện môi trường đều ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu.

2.1. Hiện tượng khoang rỗng và ảnh hưởng của nó đến chuyển động vật thể

Hiện tượng khoang rỗng xảy ra khi áp suất tại mũi vật thể giảm xuống dưới áp suất hơi ảo, dẫn đến sự hình thành các bọt khí. Điều này có thể làm giảm lực cản và ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động của vật thể.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác trong mô phỏng

Các yếu tố như tốc độ dòng chảy, hình dạng vật thể và điều kiện môi trường đều có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của các mô hình mô phỏng. Việc không tính toán chính xác các yếu tố này có thể dẫn đến sai số lớn trong kết quả nghiên cứu.

III. Phương pháp lọc Kalman cổ điển và ứng dụng trong mô hình hóa chuyển động

Phương pháp lọc Kalman cổ điển là một trong những phương pháp hiệu quả nhất trong việc theo dõi và dự đoán trạng thái của hệ thống. Trong nghiên cứu vật thể chuyển động dưới nước, phương pháp này giúp cải thiện độ chính xác của các mô hình mô phỏng bằng cách kết hợp dữ liệu thực tế với các dự đoán toán học.

3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc Kalman

Bộ lọc Kalman bao gồm hai bước chính: dự đoán và cập nhật. Trong bước dự đoán, trạng thái của hệ thống được ước lượng dựa trên mô hình toán học. Trong bước cập nhật, ước lượng này được điều chỉnh dựa trên dữ liệu quan sát thực tế.

3.2. Kết hợp bộ lọc Kalman với mô hình CFD

Việc kết hợp bộ lọc Kalman với mô hình CFD (Computational Fluid Dynamics) giúp cải thiện độ chính xác trong việc mô phỏng chuyển động của vật thể dưới nước. Phương pháp này cho phép điều chỉnh các thông số mô hình dựa trên dữ liệu thực tế, từ đó nâng cao độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp lọc Kalman trong nghiên cứu vật thể dưới nước

Phương pháp lọc Kalman đã được áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu về vật thể chuyển động dưới nước. Các ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác của các mô hình mô phỏng mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực này.

4.1. Ứng dụng trong robot dưới nước

Phương pháp lọc Kalman được sử dụng để theo dõi và điều khiển các robot dưới nước, giúp cải thiện khả năng định vị và điều hướng của chúng trong môi trường phức tạp.

4.2. Nghiên cứu dòng chảy và ô nhiễm nước

Lọc Kalman cũng được áp dụng trong nghiên cứu dòng chảy và ô nhiễm nước, giúp cải thiện độ chính xác trong việc dự đoán sự lan truyền của ô nhiễm trong môi trường nước.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu vật thể chuyển động dưới nước

Nghiên cứu vật thể chuyển động dưới nước với sự hỗ trợ của phương pháp lọc Kalman đã mở ra nhiều cơ hội mới cho các nhà nghiên cứu. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ nhờ vào sự phát triển của công nghệ và các phương pháp tính toán hiện đại.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Với sự phát triển của công nghệ, các phương pháp mới sẽ được áp dụng để cải thiện độ chính xác trong nghiên cứu vật thể chuyển động dưới nước. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các nghiên cứu trong lĩnh vực này.

5.2. Tầm quan trọng của việc kết hợp công nghệ mới

Việc kết hợp các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy với phương pháp lọc Kalman sẽ giúp nâng cao khả năng phân tích và dự đoán trong nghiên cứu vật thể chuyển động dưới nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TÙNG ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP LỌC KALMAN HIỆU CHỈNH BÀI TOÁN VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG DƢỚI NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2018 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TÙNG ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP LỌC KALMAN HIỆU CHỈNH BÀI TOÁN VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG DƢỚI NƢỚC Ngành: Cơ kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 8520101.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN TẤT THẮNG Hà Nội – 2018 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Ứng dụng phương pháp lọc Kalman hiệu chỉnh bài toán vật thể chuyển động dưới nước là c ng tr nh nghiên c u c a ản th n is h ng n c a TS. N ễn Tất Thắng C c tài li u đ cs ng đ u c ngu n gốc r ràng và đ c ghi trong ph n tài li u tham khảo Số li u t nh to n và k t quả c a luận văn hoàn toàn trung th c N u sai tôi xin ch u hoàn toàn tr ch nhi m và c c h nh th c k luật c a nhà tr ng Tác giả Nguyễn Văn Tùng LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn các th y, c gi o đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong th i gian tôi học tập tại khoa Cơ học kỹ thuật và T động h a, tr ng Đại học Công ngh – ĐHQG HN Đặc bi t tôi xin bày tỏ lòng bi t ơn ch n thành t i TS. Nguyễn Tất Thắng và các cộng s đã tận t nh h ng d n, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này Tác giả Nguyễn Văn Tùng LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC MỞ ĐẦU. 1 Chƣơn 1 – Tổng quan chuyển độn tron môi trƣờn nƣớc của vật thể dạng mảnh . Đặc điểm chuyển động vật thể dạng mảnh khi có hi u ng khoang rỗng . Ngu n gốc, ản chất c a hi u ng khoang rỗng . Hi u ng khoang rỗng c a vật thể dạng mảnh di chuyển in c . ạng chuyển động c a vật thể dạng mảnh trong khoang rỗng . T nh h nh nghiên c u v chuyển động in c c a vật thể dạng mảnh . C c nghiên c u điển h nh v chuyển động i n c c a vật thể v i hi u ng khoang rỗng c a c c t c giả n c ngoài . C c nghiên c u điển h nh v chuyển động i n c c a vật thể v i hi u ng khoang rỗng c a c c t c giả trong n c . 10 Chƣơn 2 – Mô hình mô tả chuyển động của vật thể tron môi trƣờn nƣớc khi có khoang rỗng xuất hiện. M h nh động l c học vật thể chuyển động trong khoang rỗng . M h nh động l c học dòng chảy (n c) xung quanh vật thể . Mô hình dòng hỗn h p (Mixture model) . Mô hình dòng chảy rối Realizable k – ε . Mô hình khoang rỗng (Cavitation model). 19 Chƣơn 3 – Ứng dụn phƣơn pháp lọc Kalman vào bài toán vật thể chuyển độn dƣới nƣớc có sự xuất hiện khoang rỗng . Gi i thi u v ph ơng ph p lọc Kalman . Ph ơng ph p lọc Kalman cổ điển . Ph ơng ph p lọc Kalman phi tuy n . K t h p bộ lọc Kalman SEIK v i ANSYS Fluent . Mô hình mô phỏng trên ANSYS Fluent . Xây d ng l i tính toán . Thi t lập trên ANSYS Fluent . 31 Chƣơn 4 – Kết quả tính toán với mô hình số kết hợp . Vận tốc chuyển động trong khoang rỗng c a vật thể. So sánh v i giá tr tham khảo giả đ nh . So sánh v i th c đo liên t c . So sánh v i th c đo gi n đoạn . K t quả mô phỏng s hình thành khoang rỗng bao quanh vật thể . 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 42 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN . 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT TÊN GỌI KÝ HIỆU / CHỮ VIẾT TẮT ĐƠN VỊ 1 Ti t di n đ u mũi vật thể A mm2 Góc giữa tr c dọc vật thể 2 θ rad và tr c dọc khoang rỗng 3 H số cản cx , k H số cản đối v i vật 4 cx0 h nh đĩa Đ ng k nh đ u mũi vật 5 dc mm thể 6 Đ ng kính khoang rỗng Dca mm 7 Số khoang rỗng σ 8 Tổng chi u dài vật thể L mm Chi u dài ph n đ u vật 9 L1 mm thể Chi u dài ph n thân vật 10 L2 mm thể 11 Chi u dài khoang rỗng Lca mm 12 Mật độ n c ρl kg/m3 13 Mật độ hơi n c ρv kg/m3 14 Áp suất hơi ão hòa pv Pa Áp suất m i tr ng ở xa 15 p∞ Pa vô cùng 16 Vận tốc dòng chảy V m/s LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ H nh – iểu đ pha (phas ) c a chất lỏng . 3 H nh – òng chảy ao quanh pro il .3 – Mô tả khoang rỗng trong quá trình chuyển động c a vật thể dạng mảnh .4 – H nh ng c a khoang rỗng [18] .5 – Hình dạng elip c a khoang rỗng .6 – ạng chuyển động c a vật thể trong khoang rỗng . Rand et al .2 – K t quả t nh to n quãng đ ng đi đ c và vận tốc vật thể theo 2 mô hình [19] 10 Hình 1.3 – H số áp suất Cp đối v i vật thể hình tr đ u phẳng và đ u bán c u .4 – H thống thí nghi m và các vật thể s d ng trong vi c khảo sát .1 – Các tr c c a vật thể và h quy chi u quán tính .2 – Chi u ài nh t c a vật thể .3 – Hình dạng c a khoang rỗng .1 – Sơ đ hoạt động c a bộ lọc Kalman cổ điển .1 – Sơ đ vận hành c a mô hình số k t h p .1 – Vật thể nghiên c u trong bài toán .2 – Mô hình 2D n a đối x ng .4 – Thi t lập chung .5 – Thi t lập các mô hình dòng chảy .6 – Kích hoạt mô hình cavitation .7 – Nạp th vi n UDF vào ANSYS Fluent .8 – Thi t lập Inlet và Outlet .9 – Thi t lập Operating Pressure .10 – Thi t lập bộ giải và th i gian tính .1 – K t quả tính toán vận tốc chuyển động c a vật thể U(t) .2 – K t quả tính toán vận tốc chuyển động c a vật thể U(t) .3 – K t quả tính toán vận tốc chuyển động c a vật thể U(t) .1 – Đ ng đ ng m c c a khoang rỗng ở th i điểm t = 0.2 – Đ ng đ ng m c c a khoang rỗng ở th i điểm t = 0.3 – Đ ng đ ng m c c a khoang rỗng ở th i điểm t = 0.4 – Đ ng đ ng m c c a khoang rỗng ở th i điểm t = 0.5 – Đ ng đ ng m c c a khoang rỗng ở th i điểm t = 0.6 – So sánh k t quả mô phỏng v i th c nghi m [8] . 40 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 1 MỞ ĐẦU Vật thể chuyển động i n c nói chung là một bài toán ph c tạp, nhất là khi có s tham gia c a dòng chảy nhi u pha. Dòng chảy nhi u pha v i các quá trình chuyển pha c a chất lỏng ch a ao gi là một lĩnh v c dễ dàng nghiên c u. Để giải quy t các bài toán v Cơ học chất lỏng nói chung và dòng chảy nhi u pha nói riêng, ph ơng ph p th y kh động l c tính toán (CFD) là ph ơng ph p đ c s d ng và phát triển rộng rãi nhất Ph ơng ph p CF thuộc nh m ph ơng ph p số, giúp các kỹ s , nhà nghiên c u có những phân tích chi ti t v dòng chảy chất lỏng, đ a ra c c đ nh h ng thí nghi m, . Khi một vật thể có dạng mảnh (slender body) di chuyển v i vận tốc l n (≥ 50m/s) trong m i tr ng n c, hi n t ng khoang rỗng (supercavitation) sẽ xuất hi n mà ở đ ph n n c (dạng lỏng) xung quanh vật thể chuyển hóa thành dạng hơi (khí). L p hơi n c (khí) bao bọc h u h t vật thể (ngoại trừ ph n đ u mũi) khi n cho l c cản c a m i tr ng giảm đi rất nhi u. Nh có khoang rỗng (cavity) đ c tạo ra mà vật thể có thể di chuyển đ c quãng đ ng xa hơn Các nghiên c u v vật thể chuyển động in c từ lâu đã đ c nhi u nhóm nghiên c u trên th gi i nghiên c u và ng d ng. Ở Vi t Nam, đ y là một vấn đ còn khá m i mẻ. Các nghiên c u đã c trong và ngoài n c v vật thể chuyển động i n c có thể chia thành h ng chính: - Nghiên c u lý thuy t:  Nghiên c u v hi n t ng khoang rỗng: ảnh h ởng c a hình dạng vật thể đ n s xuất hi n khoang rỗng; các dạng khoang rỗng; hình dạng, k ch th c khoang rỗng [19]; s xâm th c ở cánh quạt m y ơm, c nh ch n v t tàu, . - Nghiên c u th c nghi m:  Xây d ng các h thí nghi m đo đạc chuyển động c a vật thể khi có hi n t ng khoang rỗng xuất hi n [20]. Các nghiên c u th c nghi m ch y u h ng đ n m c đ ch kiểm ch ng các k t quả nghiên c u lý thuy t (tính toán, mô phỏng số, .