Ứng dụng CFD nghiên cứu động lực học vật thể chuyển động trong môi trường chất lỏng

Bài viết đưa ra cơ sở toán học từ đó sử dụng mô hình lưới động trong phần mềm Ansys - Fluent để tính toán mô phỏng động lực học của vật thể chuyển động trong môi trường chất lỏng, cụ thể cho trường hợp vật thể là một hình hộp rơi tự do trong môi trường nước.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ứng dụng CFD nghiên cứu động lực học vật thể chuyển động trong môi trường chất lỏng CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 ỨNG DỤNG CFD NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG TRONG MÔI TRƯỜNG CHẤT LỎNG UTILISING THE CFD TO STUDY THE DYNAMICS OF AN ARBITRARY OBJECT MOVING IN THE FLUID ENVIRONMENT VŨ VĂN DUY, NGUYỄN CHÍ CÔNG Viện Cơ khí-Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt Bài báo đưa ra cơ sở toán học từ đó sử dụng mô hình lưới động trong phần mềm Ansys - Fluent để tính toán mô phỏng động lực học của vật thể chuyển động trong môi trường chất lỏng, cụ thể cho trường hợp vật thể là một hình hộp rơi tự do trong môi trường nước. Abstract This article presents the mathematic theory from which using the dynamic mesh model in Ansys - Fluent to calculate and simulate the dynamics of a body moving in the fluid environment. The specific case is the box falling in the water. Key words: CFD, Dynamics mesh. 1. Giới thiệu Việc sử dụng mô hình lưới động cho phép ta khảo sát được bài toán động lực học theo thời gian thực của các vật thể chuyển động trong môi trường chất lỏng. Các kết quả tường minh và gần với bài toán thực tế sẽ mở ra nhiều hướng nghiên cứu như tối ưu hóa biên dạng vật thể; xác định quĩ đạo chuyển động vật thể; tác động của sóng, gió tới tính ổn định của vật nổi và vật lơ lửng…Tuy nhiên, đây là bài toán rất phức tạp, phải tự động chia lại lưới sau mỗi bước thời gian cũng như phải mô tả được đặc tính của vật thể dưới dạng một chương trình được lập trình bằng ngôn ngữ C++. Việc kết hợp giữa các phần mềm chuyên dụng và các dữ liệu do người sử dụng định nghĩa (udf) đòi hỏi phần mềm có tính mở cao. 2. Mô hình nghiên cứu và cơ sở lý luận 2.1. Mô hình nghiên cứu Mô hình nghiên cứu có kích thước thể hiện như hình vẽ sau: 1 Hình 1. Mô hình bài toán nghiên cứu Bài toán 2D đặt ra ở đây mô tả chuyển động của vật thể hình vuông rơi thẳng trong môi trường nước, có vị trí ban đầu như hình vẽ (mép trên vật thể so với gốc là L1). 2.2. Cơ sở lý luận Liên quan đến việc giải quyết bài toán lưới động, nhiều tác giả trên thế giới đã đưa ra các phương pháp khác nhau. Nhóm tác giả Huazhong Tang, Tao Tang [2,4] đã tập trung phát triển Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 02 – 11/2016 25 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 thuật toán theo phương pháp Lagrange và Euler để chia lại lưới sau mỗi bước thời gian, nhóm tác giả J. Donea, Antonio Huerta và các cộng sự [3] đã phân tích nhược điểm của thuật toán theo phương pháp Lagrange và Euler để từ đó đề xuất thuật toán kết hợp cả hai phương pháp này. Hình 2. Minh họa hình ảnh chia lại lưới theo bước thời gian Ở đây RX là hình ảnh lưới tương ứng với vật thể ban đầu (bên trái) và khi bị biến đổi (bên phải), theo qui luật biến đổi . Ta có: (X,t)  (X,t) = (x,t) (1)  x = x(X,t) ; t = t (2) Trong nội dung bài báo, tác giả sử dụng thuật toán lưới động thuộc phần mềm Fluent-Ansys, kết hợp với việc sử dụng ngôn ngữ lập trình C++ để thiết lập đặc tính của vật thể, sau đó biên dịch và đưa vào thư viện của phần mềm để triển khai tính toán mô phỏng. Qui trình tính toán được thể hiện qua sơ đồ khối sau: Hình 3. Sơ đồ khối thể hiện qui trình tính toán Với sơ đồ khối trên hình 3 đã chỉ rõ qui trình ứng dụng CFD vào khảo sát bài toán, việc ứng dụng Fluent-Ansys chỉ giải quyết được một công đoạn trong quá trình nghiên cứu. Nhưng Fluent- Ansys là phần mềm mở, nó cho phép can thiệp vào thư viện để mô tả đặc tính của đối tượng nghiên cứu. Công đoạn quan trọng nhất ở đây vẫn là việc phân tích kết quả, để đánh giá được sai số trong tính toán mô phỏng, từ đó đưa ra được những hiệu chỉnh phù hợp cho mô hình nghiên cứu. Cửa sổ chính được sử dụng như sau:[1] Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 02 – 11/2016 26 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 3. Phân tích kết quả 3.1. kết quả chia lại lưới theo bước thời gian Dưới đây là hình ảnh lưới tại thời điểm đầu và tại bước thời gian (∆t=0,033445s); với số lượng ô lưới là hơn 100.000, dạng tam giác. (a) Hình 5. Hình ảnh lưới tại thời điểm đầu (a) và lúc ∆t=0,033445s (b) b) Trên hình 5 cho thấy khi vật thể rơi xuống tại thời điểm ∆t=0,033445s, các ô lưới bị kéo giãn cũng như bị nén lại theo thuật toán chia lại lưới được sử dụng. 3.2. Phân bố vận tốc và áp suất xung quanh vật thể trong quá suốt quá trình chuyển động: Tại thời điểm ∆t=0,033445s ta có trường phân bố áp suất tĩnh và vận tốc xung quanh vật thể như sau: (a) Hình 6. Phân bố áp suất tĩnh (a) và trường vận tốc (b) lúc ∆t=0,033445s (b) Ta thể hiện trường véc tơ vận tốc xung quanh vật thể để thấy rõ sự tương tác của vật thể với chất lỏng trong quá trình chuyển động. Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 02 – 11/2016 27 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 Hình 7. Trường véc tơ vận tốc xung quanh vật thể lúc ∆t=0,033445s Qua kết quả trên hình 6 và 7 cho thấy khi vật thể rơi xuống làm nén chất lỏng phía dưới nó và kéo theo chất lỏng chuyển động ở hai bên và đặc biệt là mặt trên cùng ...