BÀI TẬP LỚN HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 potx

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
BỘ MÔN: KT HÀNG KHÔNG

BÀI TẬP LỚN
HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4
BÁO CÁO KẾT QUẢ: GAMBIT-FLUENT
B K
TP.HCM



GVHD : Thầy Nguyễn Chí Công
SVTH : Đỗ Cao Giang
Lớp : GT06HK
MSSV : G0600550
TP.HCM, 12 tháng 7 năm 2011

HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 1


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU trang 2
1. GIỚI THIỆU trang 7
2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN- ỨNG DỤNG FLUENT trang 8
3. TÌM HIỂU PHẦN MỀM CHIA LƯỚI VÀ TÍNH TOÁN…………. trang 8
4. CHIA LƯỚI AIRFOIL TRONG GAMBIT trang 13
5. TÍNH TOÁN TRÊN FLUENT trang 18
6. CÁC KẾT QUẢ THU ĐƯỢC trang 22
7. CÁNH KHÔNG CÓ FLAP trang 29
8. CÁNH CÓ FLAP, LƯỚI CHIA TỐT NHẤT NACA 23012……… trang 35

9. KẾT LUẬN trang 44
HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 2

GIỚI THIỆU VỀ LƯU CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP CFD
Cơ học lưu chất hay còn gọi là cơ học thủy khí, nghiên cứu sự cân bằng và chuyển động của
các phần tử vật chất vô cùng nhỏ có thể dễ dàng di chuyển và va chạm với nhau trong không gian.
Với cơ học lưu chất, một cách tương đối có thể chia làm hai nhóm:
1, Nghiên cứu chất thề lỏng (nước, dầu, rượu,….) có thể tích thay đổi rất ít khi có tác động của áp suất
và nhiệt độ ( gọi là lưu chất không nén).
2, Nghiên cứu các hiện tượng vật lý của chất thể khí và hơi, dễ bị thay đổi thể tích dưới áp suất và
nhiệt độ ( còn gọi là lưu chất nén được)
Sự thay đổi thể tích của vật chất không chỉ phụ thuộc vào cấu trúc phân tử, mà còn phụ thuộc vào tác
động của ngoại lực hoặc nhiệt độ. Do đó trong một số trường hợp còn phải kể đến khả năng nén được
của chất lỏng. Ví dụ như máy ép thủy lực, tuy môi chất thông thường là dầu, nhưng dưới áp áp suất
cao, khối lượng riêng của nó cũng thay đổi đáng kể. Hay như trong ngành hàng không không gian, đối
với những chuyển động chậm thông thường ( chim, máy bay nhỏ…. – M<0.3) thì dòng lưu chất
chuyển đông qua nó coi là thông thường và không nén được, nhưng với những chuyển động cận và
vượt âm, trên độ cao lớn ( háy bay chiến đấu, tên lửa, dòng qua ống phun ) dòng lưu chất qua vật
thể, qua cánh máy bay với vận tốc rất lớn, sự thay đổi thể tích (hay khối lượng riêng lưu chất) là đáng
lưu tâm, sự giãn nở của dòng lưu chất phải được nghiên cứu kĩ càng.
Một trong những tính chất quan trọng của các lưu chất là lực ma sát trong giữa các dòng chuyển động.
Lực ma sát này thường được gọi là độ nhớt.
Mô hình toán học:
Cũng giống như bất kì mô hình toán học nào về thế giới thực, cơ học lưu chất phải đưa ra một giả
thiết cơ bản về các chất lưu đang được nghiên cứu. Những giả thiết này được trở thành các phương
trình toán phải được thỏa mãn nếu các giả thiết đó là đúng. Ví dụ, hãy xét một lưu chất không nén
được trong môi trường 3D. Giả sử khối lượng bảo toàn có nghĩa là với mọi mặt đóng cho trước
(chẳng hạn mặt cầu) tỷ lệ khối lượng chảy từ “bên ngoài” vào “bên trong” mặt đó phải cùng với tỷ lệ
khối lượng chảy theo hướng “bên trong” ra “bên ngoài”. Điều này có thể chuyển thành một phương
trình tích phân trên mặt đóng đó.

Cơ học lưu chất giả thiết rằng mọi chất lưu thỏa mãn những điều sau đây:
- Bảo toàn khối lượng
- Bảo toàn động lượng
- Giả thiết về môi trường liên tục
Ngoài ra nhiều trường hợp thông thường, giả thiết lưu chất không nén được – nghĩa là mật độ của lưu
chất không đổi. Các chất lỏng có thể mô phỏng như lưu chất không nén được, trong khí các chất khí
HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 3

thường không thỏa mãn điều đó, tuy vậy khi sự nén xảy ra là nhỏ người ta vẫn có thể coi dòng khí đó
như không nén để thuận tiện cho việc tính toán.
Tương tự như vậy, đôi khi người ta giả thiết rằng độ nhớt lưu chất bằng 0. Đối với các loại khí thường
được gia thiết là không nhớt. Nếu một lưu chất có độ nhớt, và dòng chảy của nó bị giới hạn một cách
nào đó (thí dụ trong ống), thì dòng tại biên có vận tốc bằng 0.
Giả thiết về môi trường: Lưu chất được các tạo từ các “phần tử bé”, chúng chuyển động hỗn độn va
chạm lẫn nhau và va chạm vào các vật rắn. Tuy vậy, trong nhiều trường hợp thông thường giả thiết về
một môi trường liên tục – xem lưu chất là liên tục. Nghĩa là ở trường hợp đó, các tính chất như mật
độ, áp suất, nhiệt độ, và vận tốc coi như được định nghĩa trên những điểm nhỏ “vô hạn”, rồi định ra
một phần tử thể tích khảo sát. Các tính chất được giả sử là biến đổi một cách liên tục từ điểm này sang
điểm khác, và là giá trị trung bình của phần tử đó. Trong nhiều trường hợp, sự thật lưu chất được cấu
tạo từ phần tử rời rạc được bỏ qua.
Giả thiết môi trường về bản chất là một xấp xỉ, do đó cần chỉ ra những chỗ xấp xỉ trong cách giải, đó
là nguyên nhân gây sai số giữa tính toán và thực nghiệm, giữa tính toán lý thuyết và thực tế. Việc giả
thiết về môi trường, điều kiện biên có thể dẫn đến những kết quả không nằm trong độ chính xác mong
muốn. Nếu không chỉ ra được những điều kiện làm sai số thì lý thuyết rất xa rời thực tế, và việc tính
toán không còn ý nghĩa. Dưới những điều kiện về môi trường thích hợp những tính toán vẫn có thể
đưa ra kết quả chính xác nhất định.
Đối với những bài toán mà giả thiết về môi trường không đưa ra được lời giải có độ chính xác mong
muốn, thì sẽ được giải bằng phương pháp cơ học thống kê.
Phương pháp CFD:
Các nhà khoa học tiền bối khi nghiên cứu chuyển động dòng chảy của sông, sóng biển, gió bão,

không khí…. họ dùng bút và giấy kết hợp thực nghiệm với các phương pháp giải tích, toán học là
những công cụ kết hợp với kiến thức về lý, hóa, truyền nhiệt… Họ là những người rất giỏi về khoa
học tự nhiên và tính toán. Thậm chí có lúc với kiến thức tự nhiên, tính toán và thực nghiệm họ trở
thành những nhà dự đoán thiên tài kết quả bài toán đang nghiên cứu. Khi chưa xuất hiện máy tính,
thời gian nghiên cứu một vấn đề phức tạp rất lâu. Có những bài toán khoa học đã chiếm hàng chục
năm trong cuộc đời nhà khoa học. Hay những bài toán thiết kế, được tiến hành rất công phu trên giấy,
sau đó mang ra thực nghiệm, thực nghiệm thất bại, lại được tiến hành tính toán lại, quá trình đó lập đi
lập lại hàng chục thậm chí hàng trăm lần để ra được sản phẩm có hữu dụng cho nhu cầu cuộc sống. Ví
như để thiết kế ra 1 dòng máy bay phải mất tới hàng chục năm, quá trình đó rất lâu dài và tốn kém.
Thực nghiệm thiết kế là điều bắt buộc, nó kiểm nghiệm lý thuyết, đánh giá kết quả tính toán, nó kết
luận quá trình thiết kế. Tuy nhiên quá trình thực nghiệm rất tốn kém, với máy bay có thể lên đến hàng
triệu USD hoặc hơn cho mỗi lần.
HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 4


Quá trình nghiên cứu khoa học, thiết kế với giấy và bút

Sản phảm chưa ứng dụng CFD
Từ khi xuất hiện của máy tính kéo theo ngành công nghệ thông tin, như một sự nhảy vọt trong lịch sử
khoa học loài người. Máy tính rồi CFD, trở thành bạn của nhà nghiên cứu, nhà thiết kế, của sinh viên.
Người ta không còn mất hàng kilo gam giấy cho những bài toán khó, quá trình đó được rút ngắn
xuống rất nhiều. Công sức để dùng bút trên hàng tá giấy A4, được dùng cho việc khác, cho những ý
tưởng, nhưng ước mơ, những nghiên cứu phức tạp gấp bội, máy tính và CFD sẽ làm việc cùng bạn.
HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 5


Quá trình tình đơn giản hơn

Cho ra sản phẩm hữu dụng phức tạp hơn ( máy bay F-22 USA sản phẩm đỉnh cao ứng dụng CFD)

Như vậy CFD là gì, xin giới thiệu sơ về CFD: (Computational Fluid Dynamics)
- Đối tượng làm việc của CFD: CFD thâm nhập vào những nơi có sự dịch chuyển của chất
lỏng, sực thay đổi về nhiệt độ, khối lượng, nơi mà lưu chất chuyển động phức tạp, như dòng
lưu chất chuyển động qua cánh máy bay, dòng lưu chất chuyển động trong ống, qua ống
phun…
HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 6

- Bằng máy tính, CFD dự đóan những sự thay đổi về lượng, khi dòng chuyển động, cho ra
những kết quả tính toán phức tạp với kết quả chính xác phụ thuộc vào điều kiện biên người sử
dụng áp đặt cho nó. Những kết quả mà tính tay không thể làm.
- CFD dùng máy tính để giải những phương trình toán học trên nền tảng của khoa học
+ người dùng nêu vấn đề
+ kiến thức khoa học biểu thị qua toán học
+ phần mền dùng đã bao gồm các kiến thức và biểu thức mô tả vấn đề bằng các thuật ngữ
khoa học
+ phần cứng thi hành các tính toán do phần mềm viết ra
+ người kiểm tra rồi thông dịch các kết quả của chúng
- Độ tin cậy của CFD không đạt 100%, do những điều kiện biên đặt vào bao giờ cũng có sự
khác biệt thực tế, chưa nói đến những sai sót chủ quan của người tiến hành dùng CFD.
Trong thời thế giới hiện đại, bất kì ai khi đang nghiên cứu về khoa học tự nhiên không thể không quan
tâm đến CFD vì lợi ích to lớn của nó. Sinh viên hàng không cũng vậy. Vậy sinh viên học CFD như
thế nào ? phải đặt ra cho mình một chương trình tìm hiểu CFD, phải tự đặt ra cho mình một bài toán
để dùng CFD giải quyết, đánh giá mức độ giải quyết bài toán ?
ĐẶT VẤN ĐỀ:
1. Tìm hiểu một phần mền chia lưới Gambit…  cho CFD
Yêu cầu: a. tìm hiểu các loại lưới, kiểu lưới
b. đánh giá lưới
2. Mô hình toán của hiện tượng vật lý
3. Giải bằng một phần mền CFD ( cụ thể ở đây dùng Fluent)
Sau đó:

1. Phân tích cac đại lượng vật lý được mô hình hóa trong mô mình toán
2. Phân tích các phương pháp mô phỏng sử dụng trong phần mền được dùng để gải bài toán
3. Phân tích các phương pháp rời rạc hóa đã sử dụng để rời rạc hóa mô hình toán
4. Đánh giá ảnh hưởng của phương pháp mô phỏng, phương pháp rời rạc hóa, phương pháp chia
lưới lên sự chính xác của kết quả
5. Trình bày đánh giá kết quả

HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 7

Bài báo cáo đề cập đến việc mô phỏng và tính toán động lực học đối với dòng lưu chất chảy
trong mô hình 2D airfoil. Bằng FLUENT & GAMBIT, ta khảo sát được trường áp suất, vận tốc…của
dòng chảy tại từng vị trí trong mô hình.
Mô hình được chia thành lưới phần tử tứ diện bằng GAMBIT. Điều kiện biên là vận tốc đầu vào cho
trước. Các đồ thị thể hiện được quan hệ giữa vận tốc áp suất, động năng rối…theo các phương khác
nhau.
1. GIỚI THIỆU
Trong kỹ thuật đa phần các dòng chảy đều là rối nên dòng rối không những có vai trò quan trọng
trong lý thuyết mà trong thực tế rất cần các công cụ có khả năng thể hiện tác động của dòng rối lên
các đặc tính trung bình thời gian của dòng chảy (như vận tốc, áp suất, ứng suất…). Với sự phát triển
của các phần mềm tin học, tính toán trên các mô hình ảo ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc
thiết kế, đánh giá tác động của dòng chảy.
GAMBIT là phần mềm CAD có khả năng chia lưới rất mạnh bằng nhiều cách: lưới tam giác, lưới
tứ diện, lưới lục giác, lưới không cấu trúc… bằng công cụ TGrid. Ngoài ra, sau khi chia lưới, việc làm
sạch lưới với giải thuật Laplace, Equipotential cũng được áp dụng.
FLUENT là phần mềm được sử dụng rất phổ biến trên thế giới để tính toán, mô phỏng dòng chảy
của lưu chất và sự truyền nhiệt. Khả năng mô hình hóa vật lý của FLUENT được ứng dụng rộng khắp
trong mọi lĩnh vực công nghiệp: từ dòng chảy không khí qua cánh máy bay đến sự cháy trong lò, từ
các cột bọt khí đến việc sản xuất thủy tinh, từ dòng chảy trong máu đến công nghiệp bán dẫn, từ thiết
kế phòng sạch đến các nhà máy xử lý nước thải. Phần mềm có có khả năng mô hình hóa động cơ
xylanh, đường đạn, máy và thiết bị tuốc-bin, và hệ thống đa pha.

Ngày nay, hàng ngàn công ty trên toàn thế giới được lợi từ việc sử dụng những công cụ thiết kế
và phân tích quan trọng này. Được mở rộng bởi khả năng tương tác đa môi trường khiến phần mềm
trở thành công cụ phổ thông trong trong cộng đồng CFD. Với sự nổi tiếng về sự thân thiện và mạnh
mẽ, FLUENT rất dễ sử dụng đối với người mới bắt đầu để nâng cao năng suất và hiệu quả trong công
việc.






HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 8

2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN- ỨNG DỤNG FLUENT

3. TÌM HIỂU PHẦN MỀM CHIA LƯỚI VÀ TÍNH TOÁN
A. TÌM HIỂU PHẦN MỀM CHIA LƯỚI
1.Tìm hiểu các loại lưới:
Có 2 loại lưới:
Lưới có cấu trúc và không có cấu trúc
Các dạng lưới:

Lưới có cấu trúc dùng dạng: quad/hex
Lưới không có cấu trúc: dùng các dạng còn lại.
HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 9

2.Tiêu chuẩn đánh giá lưới:
Có 3 tiêu chuẩn cơ bản:
Skewness
Smoothness

Aspect ratio
 Skewness
Dựa trên thể tích:

Dựa trên góc đều nhau:

Đặt
max min
max( , )
180
eq eq
EAS
eq eq
Q
   
 
 



HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 10


Tiêu chuẩn Skewness là quan trọng vì khi tiêu chuẩn này thỏa thì 2 tiêu chuẩn còn lại cũng thỏa.
B. HIỆN TƯỢNG VẬT LÝ:
Dòng không nén qua cánh có flap . Cánh có biên dạng là NACA 23012, flap có biên dạng là Clark Y.
khe hở giữa flap và cánh chính là 0,015c với c là chiều dài chord cánh chính.
Cánh chính có chiều dài chord là 914,4mm (3ft). Chiều dài chord flap là 0,3c, khoảng 274,32mm.
1.Mô hình toán:

HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 11

Velocity inlet boundary: được dùng để xác định vận tốc của dòng kèm theo tất cả các đặc trưng vô
hướng của dòng tại lối vào. Đặc trưng dừng của dòng không được cố định. Điều kiện biên này hướng
tới dòng không nén, nếu dùng cho dòng nén được sẽ dẫn đến kết quả phi tự nhiên. Không nên đặt vận
tốc vào quá gần vật thể rắn vì có thể làm cho đặc trưng dừng dòng vào không đồng đều.
Pressure outlet boundary: đòi hỏi đặc trưng của áp suất tĩnh tại lối ra. Giá trị của áp suất tĩnh chỉ dùng
cho dòng dưới âm.
Chọn mô hình rối:
Chọn mô hình rối sẽ phụ thuộc vào sự xem xét như hiện tượng vật lý bao quanh dòng, thực nghiệm
được thiết lập cho bái toán, mức độ chính xác yêu cầu, khả năng tài nguyên tính toán, thời gian mô
phỏng
Mô hình tiêu chuẩn k-ε
Mô hình rối k


là một mô hình trong các phương trình Reynolds-averaged Navier-Stokes
(RANS), dạng “Two-Equation Model” dựa trên hai phương trình được xây dựng dựa vào hai
thông số: động năng rối k và tốc độ tiêu tán (dissipation rate)

.
Mô hình rối
k


là mô hình dạng bán thực nghiệm với phương trình cho động năng rối k là
phương trình chính xác. Còn phương trình cho tốc độ tiêu tán

được xây dựng dựa trên sự
kết hợp giữa lí thuyết và thực nghiệm.

Dùng mô hình Realizable k-ε model: là mô hình được phát triển và khác với mô hình chuẩn với 2
cách quan trọng:
Mô hình realizable chứa công thức mới cho độ nhớt rối
Phương trình vận chuyển mới cho độ tiêu tán ε, xuất phát từ phương trình chính xác cho sự
thay đổi bất thường về xoáy tính bình phương trung bình.
C. GIẢI BẰNG PHẦN MỀM CFD
Các đại lượng vật lý gồm: vận tốc, áp suất, khối lượng riêng, hệ số nhớt động học.
Các phương pháp sử dụng để giải bài toán:
Có 2 phương pháp chính là Segrated solver và Coupled slover do phần mềm Fluent hỗ trợ. Sự khác
nhau giữa 2 phương pháp là cách tuyến tính hóa và giải những phương trình rời rạc.
Rời rạc dùng mô hình không gian Third-Order MUSCL Scheme:
Monotone Upstream-Centered Scheme forConservation Laws
Là sự kết hợp giữa phương pháp Central differencing Scheme và Second-order upwind Scheme.
Không như QUICK Scheme chỉ áp dụng cho lưới lục giác, MUSCL áp dụng cho lưới bất kỳ. So với
HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 12

Second-order Scheme, MUSCL cải thiện tính chính xác bằng cách giảm sự phân kỳ. MUSCL có khả
năng áp dụng cho pressure-based và density-based.
Dùng thuật toán couple có nhiều ưu điểm, dùng coupled algorithm thì cần thiết khi chất lượng lưới
chưa tốt (poor). Coupled algorithm giải phương trình liên tục và phương trình moment kết hợp với
nhau.
Hệ số Courant number (CFL-Courant Friedrich Levy number) : Bước thời gian tỉ lệ với CFL như sau:
max
CFL x
t

 


Update Properties
Solve continuity, momentum, energy,
and species
Equations simultaneously
Solve turbulence and other scalar
equations
Covergence
STO
P
NO
YES

HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 13

Thông thường, chọn bước thời gian lớn sẽ hội tụ nhanh, vì vậy ưu điểm là thiết lập CFL lớn nhất có
thể.
CFL cho coupled explicit solver:
Giá trị mặc định của CFL cho coupled explicit là 1, có thể tăng nhưng không vượt quá 2.
CFL cho couple implicit slover:
Giá trị mặc định của CFL là 5, có thể tăng lên 10, 20, 100 hoặc lớn hơn.
4. CHIA LƯỚI AIRFOIL TRONG GAMBIT
Vẽ cánh đối xứng NACA 4412 bằng phần mềm profile


HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 14

Sau đó xuất sang CAD dưới dạng file .DXF, dùng CAD chỉnh sửa, rồi đưa đầu airfoil về gốc
tọa độ, rồi dùng lệnh REGION chuyển file từ .DXF  .DAT để GAMBIT đọc.


Hình trong Cad

Trong Gambit
Dùng airfoil vừa tạo được để sử dụng trong việc chia lưới bằng Gambit. Bằng cách tạo nhiều
điểm xung quanh nó với các khoảng cách chọn trước. Tạo các điểm đó bằng lệnh copy các điểm có
sẵn trên airfoil theo các phương và khoảng cách theo ba trục x,y,z
HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 15


Sau khi được các điểm đó ta nối chúng với nhau bằng lệnh

HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 16

Từ các cạnh đã tạo được, ta tiếp tục tạo mặt với lệnh

Như vậy ta sẽ tạo được 5 mặt: ABCG. GCC’G’, C’G’DE, EFG,AFG
Trong bài chia lưới ta đặt tên theo thứ tự là

Sau đó ta tạo điểm. Trên các cạnh ngang tạo 550 điểm, cạnh dọc tạo 550 điểm. Cung tròn tạo
550 điểm. Ta sẽ có


HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 17

C
ạ
nh

Hư
ớ
ng

T
ỉ

s
ố

Ratio

S
ố

đi
ể
m

AB,GC,G’

C’, DE

Ngang

1

5
50

DG Dưới lên 0.98 550
AG Trên xuống 0.98 550
AF,DF

Cong vào

0.98

550

Sau khi chia điểm thành công chúng ta tiếp tục tạo lưới từ các điểm đã tạo

Tạo nhóm cạnh bằng lệnh

Ta sẽ được các nhóm cạnh với tên: far1, far2, far3, airfoil


HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 18

Định dạng kiểu bao quanh của các nhóm bằng lệnh
Nhóm far1,far2, far3 định dạng kiểu Pressure Farfield. Nhóm airfoil định dạng kiểu Wall.
Save file và xuất lưới ra file .msh
5. TÍNH TOÁN TRÊN FLUENT
Thiết lập các thông số của dòng





HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 19







HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 20

HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 21






HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 22

6. CÁC KẾT QUẢ THU ĐƯỢC
Sau khi nhập vào các thông số ta dùng chương trình Fluent vẽ được các mối quan hệ




HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 23






HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 24

Quá trình chia lưới không đạt yêu cầu, dẫn đến phân bố áp suất sai xung quanh vùng cánh.