Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu ảnh hưởng của kỹ thuật chia lưới đến độ chính xác trong mô phỏng động cơ đốt trong bằng phương pháp CFD

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ ĐÌNH NHIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT
CHIA LƯỚI ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG MÔ PHỎNG
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí động lục
Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ


TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2017
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GlẤ TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN LÊ DUY KHẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. NGUYỄN NGỌC LINH
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. PHẠM TUẤN ANH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 22 tháng 7
năm 2017
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ )
1. PGS.TS. HUỲNH THANH CÔNG
2. TS. TRẦN HỮU NHÂN
3. TS. NGUYỄN NGỌC LINH
4. TS. PHẠM TUẤN ANH
5. TS. NGUYỄN CHÍ THANH
Xác nhận của chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã
được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Trưởng
khoa


3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

Tp. HCM, ngày tháng năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGÔ ĐÌNH NHIÊN

MSHV: 13131079

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1989

Nơi sinh: Phú Yên



Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

MS: 60 52 01 16

1- TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiền cứu ảnh hưởng của kỹ thuật chia lưới đến độ chính xác trong mô phỏng động
cơ đốt trong bằng phương pháp CFD
2-

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

2.1 Nghiên cứu, tìm hiểu các kỹ thuật chia lưới trong mô phỏng CFD nói chung, và mô phỏng động cơ
đốt trong bằng phần mềm KTVAIII nói riêng.
2.2 ứng dụng phần mềm KIVA III vào động cơ AVL 5402 hiện hữu bằng phương pháp mô phỏng.
2.3 Từ các kết quả đạt được, đề xuất mật độ lưới phù hợp với quá trình thực hiện mô phỏng động cơ
đốt trong bằng phương pháp CFD.
2.4 Tổng kết đánh giá.
3-

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 16/01/2017

4-

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01/07/2017

5-

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN LÊ DUY KHẢI

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CẢN BỘ HƯỞNG ĐẴN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

KHOA QL CHƯỈẾN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


4

LỜI CÁM ƠN
Để luận văn hoàn thành và đạt kết quả tốt, ngoài sự cố gắng của bản thân, em xin chân thành cám ơn
tất cả các quý thầy cô trong Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí
Minh. Đặc biệt cảm ơn thầy hướng dẫn, TS. Nguyễn Lê Duy Khải đã hướng dẫn em tận tình, động viên và
định hướng cho em trong quá trình em thực hiện luận văn.
Cảm ơn các anh chị trong lớp và các bạn đồng nghiệp đã đóng góp công sức và những ý kiến quý giá.
Xin cảm ơn gia đình đã động viên giúp đỡ vật chất và tinh thần để em có thể hoàn thành tốt luận văn.
Mặc dù rất cố gắng, nhưng do còn hạn chế về kiến thức, thời gian và thiết bị nên khó tránh khỏi
những thiếu sót. Kính mong Quý Thầy Cô và các bạn đóng góp thêm các ý kiến quý báu để đề tài nghiên
cứu này có tính ứng dụng cao.
TP.HỒ Chí Minh, tháng 07 năm 2017
Học viên thực hiện

HV. Ngô Đình Nhiên


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kỹ thuật chia lưới đến độ chính xác trong mô phỏng động cơ
đốt trong bằng phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamic). Mô phỏng động cơ đốt trong
bằng phương pháp CFD là một trong những phương pháp hiệu quả để đánh giá, phân tích các quá
trình diễn ra bên trong động cơ. Điều này giúp đưa ra các biện pháp cải tiến động cơ để nâng cao
hiệu suất, cải thiện các đặc tính của khí thải. Do đó cần phải đảm bảo độ chính xác của kết quả mô
phỏng. Mục tiêu chính của đề tài này là nghiên cứu các kỹ thuật chia lưới trên phần mềm KIVA III
với các thông số của động cơ diesel nghiên cứu AVL 5402 để đạt được kết quả mô phỏng tốt nhất có
thể so với kết quả thực nghiệm. Từ đó đưa ra độ phân giải cần thiết cho lưới mô phỏng để đạt được
độ chính xác tốt nhất có thể. Kết quả nghiên cứu luận văn đóng góp một phần cho sự nghiên cứu
phát triển hoàn thiện các mô phỏng sau này.

ABSTRACT
Study the influence of meshing techniques on the accuracy of internal combustion engine
simulators by CFD (Computational Fluid Dynamic) method. Simulation of internal combustion
engine by CFD is one of the effective methods for evaluating and analyzing processes occurring
inside the engine. This helps to provide engine improvement measures to improve efficiency and
improve the characteristics of the exhaust gas. Therefore, it is necessary to ensure the accuracy of
simulation results. The main objective of this thesis is to study meshing techniques on KIVA 3V
software with parameters of AVL 5402 diesel engine to achieve the best possible simulation results,
and comparison with the experimental results. From there give the resolution needed for the
simulation mesh to achieve the best possible accuracy. The results of the thesis research contribute in
part to the complete research and development of later simulations.


LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
Họ và tên học viên: NGÔ ĐÌNH NHIÊN
Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1989

Nơi sinh: Phú Yên

Địa chỉ liên lạc: 71 Tân lập 1, Hiệp Phú, Quận 9, Tp.HCM.
Số điện thoại: 01686835580
Email: nhienckd@gmail.com
Tôi xỉn cam đoan luận văn “Nghiền cứu ảnh hưởng của kỹ thuật chia lưới đến độ chính xác trong mô
phỗng động cơ đốt trong bằng phương pháp CFD ” là do tôi thực hiện, không sao chép của người

khác. Nếu sai sự thật, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường và pháp luật.
Học viên thực hiện

Ngô Đình Nhiên


V

M ỤC LỤC


vi

2.2.1.
5.1

2.2.2.

TÀI LỆU THAM KHẢO

2.2.3.

PHỤ LỤC


Trang 9

2.2.4.
2.2.5.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề
2.2.6.
Hiện nay mô hình tính toán động lực học lưu chất (Computation Fluid Dynamics
model-CFD) là mô hình tốt nhất để mô phỏng các quá trình cháy. Để thực hiện việc mô
phỏng theo phương pháp này cần trải qua các giai đoạn:
-

Mô tả vấn đề
Giai đoạn tiền xử lý (Pre-processor)
• Xác định vùng tính toán
• Tạo lưới
• Đặt điều kiện biên
• Thiết lập điều kiện ban đầu
• Thiết lập mô phỏng
- Giai đoạn mô phỏng (processor)
- Giai đoạn hậu xử lý (Post- processor)
- Đánh giá kết quả
2.2.7. Để việc mô phỏng có kết quả chính xác cần phải thực hiện đầy đủ và chính xác
các bước trên, tuy nhiên bước tạo lưới là bước có ảnh hưởng lớn tới độ chính xác của mô phỏng
và thường được thực hiện bằng các phần mềm chuyên dùng để tạo lưới (Gridgen, ICEM,....) trước
khi đưa vào phần mềm mô phỏng chính. Việc tạo lưới tốt hay không phụ thuộc vào việc chọn loại
phần tử phù hợp, chọn cách chia lưới có cấu trúc hay không có cấu trúc, tính toán độ mịn của lưới
như thế nào. Cho nên chúng ta cần tìm ra những quy tắc chung khi chia lưới cho những loại vấn
đề cần giải quyết, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số của lưới đến các thông số của kết quả
cần tính toán. Đây là lý đo tác giả chọn đề tài: “NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT
CHIA LƯỚI ĐEN ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG MÔ PHỎNG ĐỘNG cơ ĐỐT TRONG BẰNG
PHƯƠNG PHÁP CFD”.
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
2.2.8. Trên thế giới đã có một số đề tài nghiên cứu về sự ảnh hưởng của lưới đến quá
trình mô phỏng dùng phương pháp CFD trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau. Trong đó có
đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của mật độ lưới đến độ chính xác trong tính toán bằng phương
pháp CFD” của P.Stasa, V.Kebo và O.Kodym [1], Các tác giả của đề tài cho rằng một trong những
bước quan họng trong mô phỏng dùng CFD là tạo ra mô hình hình học, tiếp đó là tạo lưới cho
vùng tính toán. Việc mô phỏng một hiện tượng nào đó dùng CFD đòi hỏi phải rời rạc hóa miền


Trang 10

tính để thực hiện tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Vì vậy cần phải thực hiện việc
chia lưới tốt để chuẩn bị cho quá trình mô phỏng. Chia lưới có vai trò rất quan trọng trong mô
phỏng do đó cần phải tìm sự cân bằng tối ưu giữa số lượng ô lưới và phần cứng máy tính. Bài báo
này giải quyết việc ứng dụng CFD trong nghành địa chất và đặc biệt giúp chúng ta so sánh mô
hình tính toán và mô phỏng trên một số mô hình với chất lượng lưới khác nhau. Mục tiêu của đề
tài này là để xác định rõ mật độ lưới ảnh hưởng như thế nào đến quá trình tính toán.
2.2.9. Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của lưới đến sự hội tụ và độ chính xác trong mô
phỏng CFD” của Abdalla Mohamed Elraghy [2]. Đề tài này nghiên cứu và khảo sát sự tương quan
giữa thông số lưới cánh máy bay và mô phỏng CFD. Điều này góp phần nâng cao độ chính xác
trong mô phỏng CFD nhằm phục vụ cho việc thiết kế máy bay. Hơn nữa điều này sẽ phục vụ cho
các nghiên cứu về sự hội tụ và sự thích nghi của lưới trong tương lai. Đề tài cũng cung cấp thêm
các hiểu biết về cách tạo lưới trên phần mềm mô phỏng ANSYS, là một trong những phần mềm
ứng dụng phương pháp CFD.
2.2.10. Đề tài “Ảnh hưởng của kích thước lưới đến phân tích CFD về sự ăn mòn các chi
tiết có biên dạng cong” của tác giả Preshit Tambey và Michael Lengyel, Jr [3], Sự ăn mòn của các
hạt rắn trong dòng chảy là hiện tượng xảy ra trong các ống, van, bơm và các thiết bị truyền dẫn
lưu chất khác. Với sự thay đổi hướng dòng chảy của các hạt trong một chi tiết có biên dạng cong,
làm cho các hạt nhỏ hơn trên thành chi tiết bị tách ra khỏi bề mặt chi tiết đó. Tính toán động lực
học cơ lưu chất (CFD) về sự ăn mòn có thể cung cấp thông tin về mức độ và vị trí chịu sự ăn mòn
lớn nhất trên thành chi tiết, các yếu tố như kích thước lưới có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích
CFD do có sự khác biệt về số lượng phần tử và điểm nút. Đề tài đã tiến hành nghiên cứu sự ảnh
hưởng của kích thước và mật độ lưới đến chi tiết có biên dạng cong có đường kính 1.27mm sử
dụng phần mềm FLUENT. Dòng không khí đi qua có các hạt với kích thước 50-350 microns. Kết
quả cho thấy rằng khi tăng mật độ lưới với số lượng phần tử lớn hơn đã có sự tác động đến kết
quả về mức độ ăn mòn của chi tiết.
2.2.11. Hầu hết các đề tài nêu trên đều nghiên cứu về sự tác động các thông số của lưới
và kiểu chia lưới đến mô phỏng CFD trong các lĩnh vực khác, chưa nghiên cứu về mô phỏng quá
trình cháy của động cơ đốt trong. Do đó tác giả đã chọn phần mềm KTVA và thực hiện mô phỏng
quá trình cháy với các phương pháp chia lưới, thông số lưới khác nhau để nghiên cứu.
2.2.12. Ngoài ra trong nước hiện nay có một số đề tài nghiên cứu mô phỏng về quá trình
cháy của động cơ đốt trong dùng phương pháp CFD. Trong đó có đề tài “Đánh giá ảnh hưởng của
hồi lưu khí thải đến độ phát thải động cơ diesel bằng phương pháp mô phỏng”của tác giả Phí Văn
Cương [4], đề tài “Mô phỏng quá trình cháy động cơ Vikyno RV125-2 sử dụng nhiên liệu kép


Trang 11

CNG-Diesel bằng phần mềm FLUENT” của Nhóm tác giả: Trần Thanh Hải Tùng, Huỳnh Phước
Sơn, Nguyễn Đình Quý [5], Các đề tài này chỉ thực hiện quá trình mô phỏng với một kiểu chia
lưới, thông số lưới nhất định, và chủ yếu thay đổi các thông số khác như loại nhiên liệu,lượng
phun, góc tia phun, tỉ lệ hồi lưu khí thải. Chưa có sự đánh giá tính chính xác của kết quả mô
phỏng.
1.3 Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu
2.2.13.
Trong phạm vi giới hạn về thời gian, nguồn lực và yêu cầu của luận văn thạc sĩ,
đề tài này chỉ giới hạn nghiên cứu như sau:
-

Đối tượng nghiên cứu:
2.2.14. Đề tài chọn phần mềm KIVA và động cơ nghiên cứu AVL để thực hiện quá trình
mô phỏng. Từ đó tìm hiểu các phương pháp chia lưới, thực hiện quá trình chia lưới và mô
phỏng ưên phần mềm KIVA, đồng thời thay đổi các thông số của lưới để nghiên cứu sự
ảnh hưởng của việc chia lưới đến độ chính xác của phương pháp mô phỏng CFD.

- Phạm vi nghiên cứu:
2.2.15.
Đề
tài
này
thực
hiện
nghiên
cứu
về
các
kiểu
chia
lướihưởng
sánh
trong
ưu
khuyết
phương
điểm
pháp
các

cách
phỏng
chia
CFD
lưới
nói
ttong
chung
phần
vàmô
so
mềm
KTVA
phỏng
nói
cho
riêng.
động

Sử
diesel
dụng
phần
AVL
mềm
5402
KIVA
với
thực
các
độ
hiện
mịn
lưới
khác
ảnh
nhau,
của
từ
đó
việc
so
chia
sánh
lưới
các
kết
đến
quả
kết
để
quả
thấy

phỏng.
được
sự


1.4 Mục tiêu nghiên cứu
-

Nghiên cứu các phương pháp chia lưới trong mô phỏng CFD, tìm ra ưu khuyết điểm từng
loại. Tìm ra sự phù hợp của từng loại lưới theo từng loại vấn đề cần mô phỏng.
Các kết quả thu được từ việc phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng việc chia lưới sẽ giúp tìm
được phương pháp chia lưới tốt nhất theo loại bài toán mô phỏng.

1.5 Nội dung nghiên cứu
-

Trình bày các kiểu chia lưới trong mô phỏng CFD nói chung và so sánh ưu khuyết điểm
các cách chia lưới trong phần mềm KTVA nói riêng.

-

Trình bày các phương trình bảo toàn có liên quan đến mô phỏng động lực học cơ lưu chất
(CFD).

-

Tiến hành mô phỏng quá trình cháy cho động cơ diesel AVL 5402 với các độ mịn lưới
khác nhau để lấy các kết quả và xử lý.

-

Phân tích các kết quả tính toán mô phỏng từ đó đưa ra đánh giá về sự ảnh hưởng các
thông số của lưới, cách chia lưới đến độ chính xác của kết quả mô phỏng bằng phương
pháp CFD.

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học:
2.2.16.
Đề tài này là sự tiếp nối và phát triển trên cơ sở của những đề tài trước trong việc
mô phỏng quá trình cháy cho động cơ đốt trong. Những đề tài trước thực hiện mô phỏng
với việc chia lưới mang tính chủ quan chưa được phân tích đánh giá kỹ càng, dẫn đến kết
quả mô phỏng chưa được đánh giá chính xác. Do đó đề tài này nghiên cứu các phương
pháp chia lưới, so sánh ưu khuyết điểm, thực hiện mô phỏng với sự thay đổi các thông số
của lưới để tìm ra kết quả chính xác nhất có thể cho một động cơ cụ thể. Từ đó làm cơ sở
tham khảo cho việc mô phỏng quá trình cháy của các động cơ khác.
- Ý nghĩa thực tiễn:
2.2.17.
Từ kết quả nghiên cứu có thể đánh giá sự ảnh hưởng của lưới đến việc mô phỏng
động cơ đốt trong. Xác định rõ sự thay đổi các thông số của lưới ảnh hưởng đến các
thông số kết quả mô phỏng, từ đưa ra các phương án giúp nâng cao tính chính xác khi mô
phỏng quá trình cháy cho động cơ đốt trong.


1.7 Phương pháp nghiên cứu
-

Phương pháp nghiên cứu của đề tài này la phương pháp lý thuyết kết hợp với mô phỏng.
Nghiên cứu lý thuyết các phương pháp chia lưới trong mô phỏng động lực học lưu chất
Mô phỏng cho động cơ diesel AVL 5402 với sự thay đổi các thông số của lưới.

1.8 Kết quả dự kiến
- Kiểu lưới được lựa chọn (Lưới có cấu trúc hay không có cấu trúc).
- Các thay đổi dự kiến:
• Kích thước lưới được thay đổi từng 0,1 mm trong khoảng từ 1,5 đến 5mm.
• Phân bố ô lưới đều, hay không đều
- Kết quả mô phỏng được so sánh với giá trị thực nghiệm trên động cơ AVL 5402, sử dụng nhiên
liệu dầu DO chạy ở chế độ 80% tải, tốc độ 2000 vòng/phút.


2.2.18.

2.2.19. CHƯƠNG2
2.2.20. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các phương trình bảo toàn
2.2.21.
Mô hình Động lực học lưu chất (CFD) là phương pháp số để giải các bài toán của
dòng lưu chất không ổn định và chảy rối. Các bài toán với dòng chảy đa chiều luôn luôn
được giải dựa trên hệ phương trình vi phân của các phương trình bảo toàn khối lượng,
năng lượng và động lượng theo thời gian và không gian. Do tính phức tạp của hệ phương
trình này, bài toán chỉ có thể giải trên máy tính.
2.2.22.
Để đơn giản hoá, trong chương này ta chỉ xét dòng chảy một pha, một thành
phần. Thực tế trong buồng cháy động cơ, pha khí luôn có rất nhiều thành phần và thay đổi
do tham gia các phản ứng hoá học. Trong động cơ diesel phun trực tiếp, dòng lưu chất có
hai pha, ngoài pha khí còn có pha lỏng là các hạt nhiên liệu. Trong trường hợp này, cần
thêm các phương trình bảo toàn liên quan đến các thành phần nguồn hay thành phần dịch
chuyển.
2.1.1

Bảo toàn khối lượng

2.2.23.

Xét phần tử có thể tích dv = dxidx2(ỈX3 như hình dưới.

2.2.24.
Giả định phần tử này cố định trong không gian, còn dòng lưu chất di chuyển vào
và ra khỏi phần tử. Khối lượng trong phần tử được xem xét (control volume - CV) sẽ gia
tăng nếu khối lượng vào > khối lượng ra, và ngược lại.

2.2.25. Điều kiện cân bằng khối lượng:

2.2.26.

d
t

(2.1)

2.2.27. trong đó:

2.2.28.
đm* =
dx2dx2(pvt)Xl-đx2dx2(pvt)Xiưx,
tự cho các sô hạng còn lại.

-KU =
(2.2) và tương


2.2.29.
2.2.30.
2.2.31.
2.2.32.
2.2.33.
2.2.1.
>2 *
<
1
*
2

2.2.2.
* CĨẮ-Ị

2.2.34.
2.2.35.
2.2.36.
2.2.37.
2.2.38.
2.2.39.
2.2.40.
2.2.41.
2.2.42.

2.2.43.
2.2.44.

Hình 2.1 Phần tử được xem xét [6]

2.2.45. Khai triển chuỗi Taylor cho số hạng trong pt (2.2):
2.2.46.

(pv1)^=(pv1)11

2.2.47. Thay lại (2.3) vào pt (2.2):
2.2.48.
dm = -dx2dxĩ-^—(pvl)dx1
1
2.2.49.
dxl 1
2.2.50. và tương tự cho các số hạng còn lại.
2.2.51. Ket hợp (2.1) và (2.4), dạng tổng quát của pt bảo toàn khối lượng là:
2.2.52.

(2.
3)

(2.
4)


2.2.4.
(2.5)
2.2.3.
Theo
quy tắc Einstein:
2.2.5.
(2.6)
2.2.53.
2.2.54.
2.2.55.
2.2.56.
2.2.57.


2.2.58.

Biến đổi pt (2.6):
2.2.59. ổí 1 ỔX,. ổx,.

+ y. + p= 0

(2.
7)

2.2.60. Với lưu chất không bị nén (chất lỏng, hoặc khí có số Ma <0.3), ta có p= const:
2.2.61.
2.1.2

(2.8)

Bảo toàn động lượng

2.2.62.
Phương trình bảo toàn động lượng được xây dựng cho từng phương x1; x2 và x3j
theo nguyên tắc: Sự thay đổi động lượng theo thời gian sẽ bằng tổng ngoại lực tác động
lên phần tử đang khảo sát (CV). Phương trình có dạng:

j =
1,2,3

ổí

Trong đó Tịj là tensor
ứng suất: ơịj =

*1*1
*2*1

*1*2
T „
*2*2

X T „
*1*3

T .

*2*3
T .
*3*2

(2.9
)
(2.1
0)
(2.1
1)
(2.1
2)

F. là ngoại lực: /Ị = F2 =
0, F3 = -g
Theo Stokes
(1845):
Ty
2.2.63.

2.2.64.
2.2.65. trong đó dịj là hàm delta Kronecker, dịj = 0 khi ỉ ì j, dịj = 1 khi ị = j
2.2.66. Với lưu chất không nén được ơvi / ôxi = 0, phương trình (2.9) trở thành:
ÕVỊ

p

ÕVỊ

+ K —— dt
õXị

2.2.67. ổp , -T- + P dxi

j=l,2,3

y

2.1.3 Bảo toàn năng lượng

(2.1
3)

2.2.68. Cùng với phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng, Phương trình bảo
toàn năng lượng giúp mô tả sự phân bố vận tốc, nhiệt độ và áp suất trong dòng lưu chất. Dạng
tổng quát của phương trình năng lượng cho cv cố định ưong không gian:


2.2.69.
+Wg +Wp +wr + Qin -Qout

^ = Ein-Eout
(2.14)

2.2.70. Bỏ qua thế năng, sử dụng quan hệ h = u+p/p, phương trình nhiệt năng viết lại dưới dạng:

õh
õh
pdxxdx2d ~7~ +
v
x3
2.2.71. i~T~

(2.1
5)

2.2.72.
2.2.73. công thêm vào cv do tiêu tán, thường bỏ qua trong phần lớn bài toán

2.2.74. Giả thiết nhiệt truyền chỉ do tiếp xúc, bỏ qua truyền nhiệt bức xạ, thì nhiệt truyền theo
hướng X sẽ là:
2.2.75.
— dx^


(2.16)

)ut

2.2.76.
2.2.77.

Ct-

Đx1

(2.1
7)

ÍV _

2.2.78.

— dx^dXj

ỔX,.

2.2.79. k: hệ số dẫn nhiệt, là hằng số
2.2.80. Thay vào (2.14), phương trình nhiệt năng trở thành:

õh
„ + V; „ k

õh
ôt

2.2.81.

(2.18)

2.2.82. Nếu lưu chất có thể mô tả bằng phương trình trạng thái khí lý tưởng:
2.2.83.
2.2.84.

(õT . ÕT} , Õ2T
I

II/-----I

!r

(2.1
9)

2.2 Các kiểu chia lưói trong mô phỏng CFD
2.2.85.
- Lưới:
• Để chỉ các ô phần tử nằm trong dòng chảy cần được tính toán
• Là sự rời rạc hóa hình dạng hình học của vấn đề cần giải quyết
• Có những nhóm ô phần tử được đặt trong một vùng nơi sẽ được áp đặt các điều kiện
biên.


- Lưới có ý nghĩa rất quan trọng đến:
• Mức độ phân kỳ


Độ chính xác.



Mức độ sử dụng tài nguyên máy tính.

- Các thông số quan ửọng của lưới ảnh hưởng đến kết quả là:


Mật độ lưới.



Tỷ lệ chiều dài/Khối lượng của các ô lưới gần nhau.



Độ lệch



Lưới loại Tet vs. hex.



Lớp biên của lưới

2.2.1.

Các dạng phần tử

2.2.86.
Có nhiều dạng phần tử và kiểu lưới khác nhau. Việc chọn lựa phụ thuộc vào vấn
đề cần giải quyết và khả năng giải quyết vấn đề.
- Các loại phần tử:


2.2.87.

2.2.88.

2D prism

(quadrilateral
or“quad”)

2.2.89.
prism with
quudrilaleral base

-3D

(hexahedron or “hex'1)

2.2.90.
prism with
iriangularba^e
2.2.91.
(wedge)

Các loại lưới

Hình 2.2 Các dạng
phần tử [l I]

2.2.2.

2.2.92. Lưới có cấu trúc
2.2.93. Trong lưới có cấu trúc, chúng ta có thể xây dưng một bản đồ, nó sẽ giúp chuyển lưới
có dạng đường cong (thể hiện đúng hình dạng vật lý) sang lưới dạng đề các (đây là cách mà máy tính
lưu trữ dữ liệu), điều này cho phép những điểm gần nhau sẽ được nhận dạng một cách dễ dàng và
hiệu quả, giúp cho tốc độ xử lý nhanh hơn.
2.2.94.

• i,j,k là chỉ số chỉ vị trí các ô phần tử gần nhau.



Đường lưới phải đi qua cả giới hạn tính toán



Có thể thấy răng dạng lưới này không thể dùng cho mọi dạng hình học.


2.2.95.

Computational Domain
(im X jm cells}

2.2.96.

iK Ik ỊC
i-1



ỊB

Í-ĨÍT1

Hình 2.3 Bản đồ lưu trữ [11]
2.2.97.
Mặc khác, chứng ta không thể thêm một điểm vào lưới CFD một cách tùy ý khỉ cần
mở rộng giới hạn tính toán. Khỉ thêm điểm vào lưới chứng ta phải thêm cả đường (hoặc mặt
phẳng đối với lưới 3D) để bảo toàn cấu trúc của lưới.
2.2.98.
Ví dụ, nếu muốn thêm một điểm giữa hai điểm (i,j)và (i+1 j) ở hình dưới, chúng ta
phải thêm một điểm khác giữa hai điểm (i,j+l), (i+1 j+l),Và giữa hai điểm (ij-l), (i+lj-1).
2.2.99.
2.2.100. Hình 2.4 Cách thức chuyển đổi từ mô hình vật lý sang không gian máy tính[12]

Physical

Coiiipjlatiofiai
Spsoe
--------4

1-------►
--------4

1
&
1 H --------1

Ị---------•


2.2.101. Lưổỉ không cấu trúc
2.2.102. Trong lưới không cấu trúc không có một bản đồ liên hệ giữa việc lưu trữ trong bộ
nhớ máy tính và hình dạng cấu trúc vật.


Các ô phần tử được sắp xếp một cách tùy ý.



Không có các ô lưới đơn vị, không có sự ràng buộc trên các ô lưới

2.2.103. Không giống như lưới có cấu trúc, các ô lưới tại vị trí “n” tring bộ nhớ không có
mối liên hệ vật lý với các ô lưới kế bên tại vị trí “n+1”. Điều này cỏ nghĩa là lưới không cấu trúc
phải giải quyết lượng công việc ít hơn để tính toán nơi đặt các ô lưới kề nhau , nhưng nó cho phép
sự tự do hơn cho cấu trúc lưới CFD. Chứng ta có thể làm mịn lưới ở những nơi cần thiết và làm
lưới thô ờ những nơi không cần thiết.
2.2.104. Lưu ý rằng chúng ta cố thể chuyển đổi lưới từ có cấu trúc sang không cấu trúc.
Dùng lưới không cấu trúc giúp chứng ta tránh khỏi việc luôn dùng hình tứ giác (trong 2D hoặc
khối sáu mặt trong 3D) là cách mà chúng ta thường làm trong lưới cố cấu trúc. Một sổ lưới không
cấu trúc chỉ cho phép một dạng ô lưới cho cả vùng tính toán, nhưng hầu hết cho phép chúng ta
xây dựng lưới với các hình dạng ô lưới khác nhau. Một sổ loại lưới không cấu trúc mới hơn thậm
chí cho phép dùng dạng đa giác “n-side”, ở đó lưới có thể được xây dựng các ô phần tử với số
lượng các mặt tùy ý.

2.2.106.

2.2.105.
2.2.107.Hình 2.5 Lưới không câu trúc 2D [13]


2.2.108.
2.2.109.
2.2.110.Hỉnh 2.6 Lưới không cáu trúc 3D [11]
2.2.111.
Một dạng lưới không cấu trúc khác là lưới không cấu trúc dạng đề-các. Tất cả các
điểm của lưới được sắp xếp theo ý nghĩa của tứ “đề-các”,khi xây dựng lưới theo kiểu này chứng ta
phải bắt đàu với một hình lập phương (hoặc hình vuông trong 2D) “ồ lưới” sau đó nhân rộng ra
cho toàn vùng tính toán, sau đó các khối lập phương được chia nhỏ ra cho đến mức cần thiết. Hình
dưới đây thề hiện lưới 2D của một nửa xylanh.

2.2.112.
2.2.113. Hình 2.7 Lưới đề-các[13]


2.2.114.
Lưu ý rằng làm thế nào để các ô lưới xung quanh không giống các ô ở phần trung
tâm. Đây là đặc điểm nổi bật của loại lưới này. Đe thực hiện tính toán cho loại luới này cần dùng
đến kỹ thuật “ nhúng biên” để chia lưới các bề mặt cong . Do đó tất cả các hình lập phương hay
hình vuông và biên không được chia nhỏ lưới vẫn nằm bên trong vùng được tính toán.
2.2.115.
Lưới không cấu trúc mang lại sự linh động tối đa: theo lý thuyết chúng ta có thể
chia lưới bất kỳ đâu, dù cho phức tạp. Tuy nhiên chúng ta chỉ cần chia lưới ở những nơi thực sự
cần thiết, trong lưới có cấu trúc, vì mọi thứ được kết nối với nhau, chúng ta thường phải chỉ ra
trong một vùng rộng lớn đâu là vùng cần tính toán, trong khi lưới không cấu trúc cho phép loại bỏ
các đặc trưng gây khó khăn cho quá trình tạo lưới thường có với lưới có cấu trúc.
2.2.116.
Nhưng chúng ta vẫn cần lưới có cấu trúc. Có một số lý do sau đây. Thứ nhất lưới
cấu trúc giải quyết những bài toán thông thường nhanh hơn lưới không cấu trúc. Thứ hai, mặc dù
theo lý thuyết lưới không cấu trúc dễ tạo hơn, nhưng trong trường hợp cần tạo ra lưới có độ mịn
cao thì mất thời gian tương đương so với lưới có cấu trúc.
2.2.117.Ngoài ra với cùng một lưới không cấu trúc không thể giải quyết hơn hai bài toán, trong
khi lưới cấu trúc có thể là bốn, năm, hoặc sáu bài toán.

2.2.118. Lưới lai.
2.2.119. Sử dụng hầu hết các dạng phần tử với nhiều dạng liên kết
2.2.120.

Tam giác và hình chữ nhật (2D).

2.2.121.

Tứ diện, lăng trụ và hình chóp (3D).


2.2.122.

2.2.123.
2.2.124.Hình 2.8 Lưới lai [11]
2.3 Giới thiệu phần mềm mô phỏng KTVA-3V
2.2.125. Đa số các bài toán mô tả các quá trình vật lý, trong đỗ cố hoạt động của động cơ
đốt trong liên quan đến các hiện tượng của quá trình cháy: dòng chảy hỗn loạn, truyền ngọn lửa
hỗn loạn, truyền nhiệt bức xạ, đánh lửa, hình thành chất gây ô nhiễm, sự truyền nhiệt qua thành xy
lanh trong động cơ diesel, sự phun nhỉên liệu, động lực học tia phun,...Chứng thường được biểu
diễn dưới dạng các phương trình vỉ phân đạo hàm riêng.
2.2.126. Tuy nhỉên việc xác định nghiệm của các phương trình này bằng phương pháp giải
tích là rất khố thực hiện, do tính chất phi tuyến đặc trưng của các phương trình vi phân riêng phần
mô tả các quá trình nhiệt vật lý cùng với tính chất phức tạp của chứng do số lượng tham số và
phương trình mô tả quá trình là rất lớn. Để cố thể giải được các bài toán dạng này, thông thường
chúng ta sử dụng cảc phương pháp số như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương phảp sai
phân hữu hạn (FDM) để tìm nghiệm gần đúng của chứng.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×