Nghiên cứu ảnh hưởng của một số hình dạng vật thể lên hệ số lực cản (dùng phần mềm fluent)

i

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: NÔNG TIẾN LINH Lớp: 49ĐT - 2
Ngành: Đóng Tàu
Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số hình dạng vật thể lên hệ số lực cản
(dùng phần mềm Fluent).
Số trang: Số chương: 07 Số tài liệu tham khảo: 19
Hiện vật: - 02 đĩa CD.
- 02 cuốn đồ án

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN









Kết luận:


Nha Trang, ngày …… tháng ……. năm 2011
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


Th.S Lê Nguyễn Anh Vũ
ii

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐATN

Họ và tên sinh viên: NÔNG TIẾN LINH Lớp: 49ĐT-2
Ngành: Đóng Tàu
Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số hình dạng vật thể lên hệ số lực cản
(dùng phần mềm Fluent).
Số trang: Số chương: 07 Số tài liệu tham khảo: 19
Hiện vật: - 02 đĩa CD
- 02 cuốn đồ án
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN








Điểm phản biện:
Nha Trang, ngày …… tháng …… năm 2011 …
CÁN BỘ PHẢN BIỆN




ĐIỂM CHUNG
Nha Trang, ngày …… tháng …… năm 2011 …

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Bằng số Bằng chữ


iii

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian tìm hiểu và thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một
số hình dạng vật thể lên hệ số lực cản (dùng phần mềm Fluent)” , cho đến nay nội
dung đề tài đã được hoàn thành. Ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi còn được qua tâm
giúp đỡ từ nhiều phía.
Qua đây tôi muốn gửi lời cảm ơn tới các đơn vị, tập thể, cá nhân đã giúp đỡ
tôi trong suốt thời gian vừa qua.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ban chủ nhiệm khoa Kỹ thuật tàu thủy –
Trường đại học Nha Trang, các thầy trong bộ môn đóng tàu đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới thầy Lê Nguyễn Anh Vũ, người đã
tận tình theo sát hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn
thành luận văn tốt nghiệp.
Và cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn giúp đỡ và
động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Nha Trang, ngày 15 tháng 7 năm 2011
Sinh viên
Nông Tiến Linh

iv

MỤC LỤC


LỜI CẢM ƠN iii
LỜI MỞ ĐẦU viii
Chương 1: DẤN NHẬP 1
1. Đặt vấn đề 1
2. Mục đích đề tài 1
3. Nhiệm vụ của đề tài 1
4. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài 2
5. Phương pháp nghiên cứu 2
Chương 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 3
1. Dòng lưu chất qua vật thể 3
2. Kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm và khả năng mô hình hóa của phương
pháp số về động học lưu chất 4
2.1. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm động học lưu chất 4
2.2. Khả năng mô hình hóa của phương pháp số 8
Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15
1. Phương trình Becnuli 15
2. Lý thuyết lớp biên 15
3. Lực cản và lực nâng 16
3.1. Lực cản và hệ số lực cản
D
C 17
3.1.1. Lực cản 17
3.1.2. Hệ số lực cản
D

C 19
3.2. Lực nâng 19
4. Hệ số áp suất
p
C 20
5. Các phương trình bảo toàn của dòng lưu chất 20
5.1. Phương trình bảo toàn khối lượng 21
5.2. Phương trình bảo toàn động lượng 22
Trang
v

Chương 4: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM GAMBIT VÀ FLUENT 23
1. Phần mềm Gambit 23
1.1. Giới thiệu 23
1.2. Các tính năng của phần mềm Gambit 23
2. Phần mềm Fluent 24
2.1. Giới thiệu 24
2.2. Cấu trúc của phần mềm 25
2.3. Các mô hình tính toán chuyển động rối 25
2.4. Sơ đồ thuật toán 27
3. Mô hình rối k-

chuẩn và các thông số đặc trưng 27
4. Phương pháp giải 29
5. Phương pháp thể tích hữu hạn 31
6. Rời rạc hóa miền không gian tính 32
7. Các yêu cầu đối với việc lựa chọn mật độ rời rạc 33
7.1. Thời gian 33
7.2. Chi phí tính toán 33
7.3. Sự hội tụ số 34

7.3.1. Mật độ lưới 34
7.3.2. Độ mượt của lưới 34
7.3.3. Hình dạng của lưới 34
8. Áp đặt điều kiện biên cho bài toán 34
8.1. Điều kiện biên vận tốc vào (Velocity-inlet) 35
8.2. Điều kiện biên áp suất ra (Pressure-outlet) 35
8.3. Điều kiện biên thành rắn (Wall) 35
8.4. Điều kiện biên đối xứng (Symmetry) 35
Chương 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẪU VÀ TÍNH TOÁN 37
1. Mô hình và các thông số cơ bản cho bài toán mẫu 37
2. Rời rạc hóa miền không gian tính toán và điều kiện biên 38
3. Tính toán cho bài toán mẫu 39
vi

3.1. Ảnh hưởng của mật độ lưới tới hệ số lực cản 39
3.2. Phân tích đặc tính của dòng qua khối trụ tròn 41
4. Kết luận 44
Chương 6: TÍNH TOÁN VỚI MỘT SỐ MÔ HÌNH KHÁC 46
1. Các mô hình và điều kiện biên ban đầu 46
2. Xây dựng mô hình và tính tính toán 47
2.1. Bài toán dòng qua tấm phẳng đứng 47
2.1.1. Mô hình và rời rạc hóa bài toán 47
2.1.2. Một số kết quả đạt được với bài toán dòng qua tấm phẳng đứng 48
2.2. Bài toán dòng qua nửa khối trụ tròn thuận dòng 52
2.1.1. Mô hình và rời rạc hóa bài toán 52
2.2.1. Một số kết quả đạt được cho bài toán nửa khối trụ tròn thuận dòng
54
2.3. Bài toán nửa khối trụ tròn ngược dòng 58
2.3.1. Mô hình bài toán và trời rạc hóa 58
2.3.2. Một số kết quả đạt được cho bài toán nửa khối trụ tròn ngược dòng 59

2.4. Bài toán dòng qua khối trụ tam giác thuận dòng 62
2.4.1. Mô hình bài toán và rời rạc hóa 62
2.4.2. Một số kết quả đạt được với bài toán dòng qua khối trụ tam giác thuận
dòng …………………………………………………………………………63
2.5. Bài toán dòng qua khối trụ tam giác ngược dòng 66
2.5.1. Mô hình bài toán và rời rạc hóa 66
2.5.2. Một số kết quả đạt được với bài toán dòng qua khối trụ tam giác
ngược dòng 68
2.6. Bài toán dòng qua khối trụ vuông 71
2.6.1. Mô hình bài toán và rời rạc hóa miền không gian tính 71
2.6.2. Một số kết quả đạt được với bài toán dòng qua khối trụ vuông 72
2.7. Bài toán dòng qua khối trụ vuông xoay 90
0
75
2.7.1. Mô hình bài toán và rời rạc hóa miền không gian tính 75
vii

2.7.2. Một số kết quả đạt được với bài toán dòng qua khối trụ vuông xoay
90
0
77
3. Kết luận 80
4. Tối ưu hóa biên dạng của cánh NACA 0020 82
Chương 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 83
1. Tóm tắt kết qủa đề tài 83
2. Đánh giá kết qủa của đề tài 83
3. Đề nghị hướng phát triển của đề tài 84
PHỤ LỤC 85
CÁC NHÓM CÔNG CỤ TRONG PHẦN MỀM GAMBIT VÀ FLUENT 85
DANH MỤC CÁC BẢNG 99

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH 100
KẾ HOẠCH THỜI GIAN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO 106









viii

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thực tế khi vật chuyển động trong môi trường lưu chất sẽ chịu tác dụng
của lực cản, có phương ngược với phương chuyển động của vật. Lực cản có ảnh
hưởng rất lớn đến tính năng tốc độ khi vật thể chuyển động. Tuy nhiên việc nghiên
cứu ảnh hưởng này rất phức tạp và tốn kém, đặc biệt trong những điều kiện ngặt
nghèo khó có thể thực hiện nghiên cứu bằng thực nghiệm.
Ngày nay với sự phát triển mạnh về công nghệ thông tin, máy tính được sử
dụng trong việc mô phỏng tính toán được đánh giá khá hữu hiệu, làm giảm thiểu
khối lượng ghiên cứu thực nghiệm, kết quả tính toán có độ chính xác cao đáng tin cậy.
Với ý tưởng đó Khoa Kỹ Thuật Tàu Thủy Trường Đại Học Nha Trang đã
giao cho tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số hình dạng vật
thể lên hệ số lực cản (dùng phần mềm Fluent)”. Nội dung của đề tài bao gồm các
chương sau:
Chương 1: DẪN NHẬP
Chương 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 4: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM GAMBIT VÀ FLUENT
Chương 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẪU VÀ TÍNH TOÁN
Chương 6: TÍNH TOÁN VỚI MỘT SỐ MÔ HÌNH KHÁC
Chương 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Do thời gian, kiến thức, kỹ năng và kinh nghiệm sử dụng phần mềm còn
nhiều hạn chế, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện
đề tài. Kính mong quý thầy cô, các bạn cùng những ai quan tâm đến vấn đề này góp
ý bổ sung để đề tài được hoàn thiện hơn.
Nha trang, ngày 15 tháng 7 năm 2011
Sinh viên
Nông Tiến Linh
1

Chương 1
DẪN NHẬP
1. Đặt vấn đề
Khi vật chuyển động trong môi trường lưu chất sẽ chịu tác dụng của lực cản
và lực nâng được đặc trưng bởi hai hệ số
D
C và
L
C , các hệ số này phụ thuộc chủ
yếu vào biên dạng hình học đặc trưng của vật thể. Trong phạm vi của đề tài quan
tâm nhiều đến hệ số lực cản
D
C .
Nhiều công trình nghiên cứu đã thực hiện đề cập đến vấn đề trên với cách tiếp
cận và phương pháp nghiên cứu khác nhau. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng
phương pháp mô phỏng số để xem xét, phân tích và đánh giá mức ảnh hưởng của hình
dạng vật thể tới hệ số lực cản

D
C . Trên cơ sở đó có thể phát triển áp dụng trong những
trường hợp cụ thể khác.
2. Mục đích đề tài
Mục đích của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của các hình dạng vật thể tới
hệ số lực cản, trong cùng một điều kiện tính toán giống với thực nghiệm khi vật
chuyển động trong dòng lưu chất.
Việc xây dựng mô hình mô phỏng và tính toán được thực hiện bằng phần
mềm, và so sánh kết quả thu được giữa các mô hình với nhau cũng như giữa mô
hình tính và thực nghiệm.
3. Nhiệm vụ của đề tài
- Tìm hiểu và lựa chọn phương pháp số thích hợp dùng trong tính toán
dòng chảy qua vật thể.
- Mô hình hóa bài toán, thiết lập hệ phương trình và xây dựng các điều
kiện biên cho bài toán.
- Áp dụng kết quả tính toán của mỗi bài toán so sánh với thực nghiệm,
nhận xét, đánh giá ảnh hưởng của biên dạng đến hệ số lực cản
D
C và
dòng chảy qua vật thể.

2

4. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài ảnh hưởng của hình dạng một số biên
dạng 2D đơn giản đến hệ số lực cản.
- Đề tài mô phỏng tính toán số bài toán 2D.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Sử dụng phương pháp số để giải các phương trình động lực học lưu chất.
- Sử dụng phần mềm để xây dựng mô hình và mô phỏng dòng qua vật thể

nghiên cứu, kết hợp với tra cứu tài liệu qua sách báo, tài liệu internet…từ
đó phân tích tổng hợp tài liệu.


















3

Chương 2
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
Trong chương này sẽ đề cập nghiên cứu về chuyển động của vật thể trong lưu
chất được thực hiện bằng thực nghiệm và ứng dụng của mô phỏng và tính toán số
bằng phần mềm Fluent.
1. Dòng lưu chất qua vật thể
Khi lưu chất qua vật thể có hai trường hợp xảy ra:
- Vật thể đứng yên, dòng chuyển động với vận tốc V hình 2.2.

- Vật chuyển động trong lưu chất đứng yên hình 2.1, khái niệm đứng
yên ở đây xét theo vị trí tương đối giữa vật và dòng lưu chất.
Tuy nhiên để dễ cho việc nghiên cứu chuyển động của dòng lưu chất, hầu hết
các nghiên cứu đều xem vật thể đứng yên và dòng lưu chất chuyển động qua nó với
vận tốc V. Việc xem xét dĩ nhiên là không hoàn toàn đúng với thực tế nhưng giả
thiết trên đây có thể chấp nhận được.















Hình 2.1: Ô tô chuyển động trong không khí với vận tốc V
D
Lực cản
V
Dòng không khí
4

2. Kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm và khả năng mô hình hóa của phương
pháp số về động học lưu chất
2.1. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm động học lưu chất
Để nghiên cứu, đánh giá mức ảnh hưởng của hình dạng vật thể tới hệ số cản
D
C , các nhà khoa học đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm trên các vật thể có hình
dạng khác nhau trong một kênh lưu chất như hình 2.3 hoặc trong trong các đường
hầm khí động hình 2.4.













Hình 2.2: Nghiên cứu dòng lưu chất chuyển động qua khối trụ tròn

bằng thực nghiệm
Hình 2.3: Mô hình nghiên cứu thực nghiệm dòng qua khối trụ tròn

Hình 2.3: Mô hình thực nghiệm dòng qua vật thể trong kênh lưu chất
Nhìn t
ừ

trên xu
ố
ng

Nhìn ngang
Xy lanh
V
V
5










Các nghiên cứu được tiến hành với nhiều số Re khác nhau để xem xét, phân
tích sự biến đổi của dòng lưu chất qua vật thể. Đồ thị hình 2.5, kết quả nghiên cứu
thực nghiệm đối với một số mô hình khách nhau.

Đối với bài toán dòng chảy hai chiều, xem chiều dài của vật thể là vô hạn, bỏ
qua sự ảnh hưởng của hai đầu vật thể. Hình 2.6 kết quả nghiên cứu thực nghiệm
dòng hai chiều với hệ số
4
10Re  [5].

Hình 2.4: Đường hầm khí động thí nghiệm


Hình 2.5: Đồ thị hệ số
D
C phụ thuộc vào số Re của một số vật thể có hình dạng
khác nhau [7]

Vd
Re 
6

Bài toán dòng chảy ba chiều, chiều dài của vật thể là hữu hạn, nghĩa là có xét
tới sự ảnh hưởng của hai đầu vật thể. Hình 2.7 kết quả nghiên cứu thực nghiệm
dòng ba chiều với số
4
10Re  [5].

Hình 2.6: Hệ số lực cản của một số vật thể 2D [5]
Hình dạng C
D

Hình dạng C
D

Hình dạng C
D

7
















Nghiên cứu lực cản khí động đối với ô tô ngày nay được các nhà sản suất,

thiết kế và người sử dụng rất quan tâm, sự hợp lý hóa hình dạng của ô tô để giảm hệ
số lực cản khí động được thể hiện ở hình 2.8. Hệ số lực cản khí động thấp nhất ở
mô hình năm 2000 đây chỉ là giá trị lý thuyết thực hiện trên mô hình thực nghiệm.











Hình
2.7
: H
ệ

s
ố

l
ự
c c
ả
n
D
C
c

ủ
a m
ộ
t s
ố

v
ậ
t th
ể

d
ạ
ng 3D
[
5
]

Hình 2.8: Hệ số lực cản
D
C của ô tô [5]
8

2.2. Khả năng mô hình hóa của phương pháp số
Ngày nay có rất nhiều phần mềm tính toán và mô phỏng số như: Fluent,
StarCD, Flow 3D…các phần mềm này được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh
vực khác nhau. Tuy nhiên trong phạm vi của đề tài tác giả chỉ sử dụng phần mềm
Fluent phục vụ cho việc mô phỏng và tính toán cho các bài toán CFD
Khả năng mô hình hóa vật lý của Fluent được sử dụng rộng khắp trong nhiều
lĩnh vực khác nhau.

Ví dụ như việc mô phỏng tương tác giữa các cánh máy bay hoặc giữa các
cánh máy bay và thân máy bay trực thăng, để dự đoán trường áp suất gây ra bởi sự
tương tác giữa các cánh và giữa các cánh với thân máy bay.





Trong y học phần mềm Fluent được sử dụng để mô phỏng hệ thống tuần hoàn
máu và hệ thống hô hấp. Hình dưới đây cho thấy được sự phân bố trường áp suất và
chiều chuyển động của máu trong mạch.






Trong lĩnh vực thể thao phần mềm Fluent được ứng dụng để mô phỏng, phân
tích, hiển thị đường đi của dòng lưu chất, từ đó phân tích sâu hơn và xử lý được một
số vấn đề lực cản, để đem lại kết quả cao nhất cho các vận động viên.
Tại thế vận hội 2004, Athens, Hy Lạp phần mềm Fluent được sử dụng để mô
phỏng và phân tích dòng trong thiết kế mũ bảo hiểm của vận động viên đua xe đạp.

Hình 2.9: Trường áp suất phân bố trên cánh và thân máy bay trực thăng.

Hình 2.10
: Mô ph
ỏ
ng h
ệ

th
ố
ng tu
ầ
n hoàn máu trong y h
ọ
c

9

Với việc giảm lực cản tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo độ an toàn cao nhất. Nghiên cứu
được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu cơ khí thể thao tại đại học Shefield .








Nhằm chuẩn bị cho thế vận hội Olympic 2008 tại Bắc Kinh. Công ty sản xuất
đồ dùng thể thao hàng đầu thế giới Speedo của Mỹ sử dụng phần mềm Fluent để tối
ưu hóa trong thiết kế, để sản xuất phiên bản kế tiếp của bộ đồ bơi Fastskin danh tiếng.
Phần mềm sẽ hiển thị đường đi của dòng chảy tỏa ra từ cơ thể động viên và
quanh chất liệu Fastskin, được thiết kế giống như da cá mập với những gợn nhỏ lăn
tăn trên bề măt. Bary Bixler một thành viên quan trọng trong Aqualab, cho biết nhờ
Fluent ông có thể phân tích sâu hơn và xử lý được một số vấn đề về lực cản khi bơi.

Hình 2.11: Mô phỏng dòng lưu chất qua mũ bảo hiểm của vận động
viên đua xe đạp. Công trình nghiên cứu của đại học Shefield, Anh

Hình 2.12: Mô phỏng dòng chảy qua cơ thể vận động viên bơi lội. Công trình
nghiên cứu của công ty sản xuất đồ dùng thể thao hàng đầu thế giới Speedo, Mỹ
10











Ngày nay, ngành công nghiệp ô tô trên thế giới đang tiếp tục phát triển ở mức
độ cạnh tranh toàn cầu. Các nhà chế tạo ô tô không ngừng đưa ra các kiểu dáng ô tô

mới để cạnh tranh lẫn nhau. Tuy nhiên, để có được một mẫu ô tô mới sau khi đã
kiểm tra toàn bộ các đặc tính của ô tô, đặc biệt là đặc tính khí động của nó không
phải là dễ dàng. Với sự hỗ trợ của máy tính thì việc mô phỏng, tính toán, phân tích
khí động học được thực hiện dễ dàng, giảm chi phí trong nghiên cứu thực nghiệm.
Tuy nhiên, việc áp dụng các phần mềm mô phỏng cho các trường hợp thực tế,
các nhà khoa học trên thế giới vẫn còn nhiều hoài nghi về mức độ tin cậy của công cụ này.
Chính vì vậy trong thiết kế kiểu dáng của ôt ô cần phải có sự kết hợp giữa
việc tính toán, phân tích, mô phỏng bằng phần mềm và thực nghiệm. Kết quả thu
được từ phần mềm sẽ được so sánh với mô phỏng thực nghiệm trong ống khí động.









Hình 2.13: Mô phỏng ứng suất tiếp sinh ra trên cơ thể vận động viên bơi lôi. Công
trình nghiên c
ứ
u c
ủ
a công ty s
ả
n
xu
ấ
t đ
ồ

dùng th
ể

thao hàng đ
ầ
u th
ế

gi
ớ
i Speedo,

M
ỹ

11

Ngoài lĩnh vực nghiên cứu cho xe ô tô phần mềm Fluent còn được sử dụng
để mô phỏng, tính toán trong thiết kế xe mô tô. Như vấn đề xem xét đặc tính của
dòng không khí hay phân sự bố áp suất trên loại xe này từ đó tối ưu hóa trong thiết
kế kiểu dáng xe.








Hình 2.14: Thử nghiệm sản phẩm xe đua thể thức 1 trong đường hầm
khí động, tại phòng thí nghiệm mô phỏng khí động

Hình 2.15: Xem xét đặc tính dòng không khí qua xe đua thể thức 1, mô phỏng
bằng phần mềm Fluent
12

Ngoài lĩnh vực nghiên cứu cho lĩnh vực thể thao, ô tô, mô tô nói trên. Phần
mềm Fluent còn được sử dụng trong lĩnh vực hàng không, trong việc mô phỏng,
phân tích, tính toán thiết kế chế tạo máy bay.
Đặc biệt quan trọng trong mô phỏng một số trường hợp ngặt nghèo không
thể tiến hành bằng thực nghiệm, nếu được thì chi phí rất lớn và khó thực hiện.
Phương pháp mô phỏng số giúp giảm được chi phí, nguyên vật liệu cũng như bảo
vệ môi trường.













Hình 2.17: Mô hình máy bay AEW&C trong ống khí động, Trung Quốc

Hình 16: Xem xét dòng khí qua mô tô thể thao của hai nhà thiết kế Werner Seibert
người Đức và Robert Lewis người Anh, 2004 [12]
13

Việc tối ưu hóa quá trình vận hành buồng đốt nhân tạo cho buồng sinh khí
cũng được mô phỏng bằng phần mềm Fluent. Dự án này được tiến hành bởi sự hợp
tác giữa Greenpower và Herz được trợ cấp bởi EU. Mối quan hệ phức tạp giữa sự
rối loạn của dòng lưu chất, bức xạ, khí hóa đồng nhất không đồng nhất, đốt cháy và
tro bay khó thực hiện bằng thực nghiệm.
Các kết quả mô phỏng của phần mềm được sử dụng để cải tiến trong thiết kế,
từ đó nâng cao hiệu quả nhiệt cũng như việc giảm lượng khí thải carbon monoxide,
oxit nitơ và bụi. Việc phân tích nhiệt độ có ích cho việc lựa chọn thép thích hợp

Hình 2.20: Phân bố áp suất tĩnh trên một nửa bề mặt máy bay ARJ21 (a); đồ
thị so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán bằng phần mềm Fluent
(b), nghiên cứu của Zhu Jie, công ty hàng không thương mại, Trung Quốc [9]

Hình 2.18: Mô hình cánh máy bay
trong phòng thí nghiệm

Hình 2.19: Phân bố áp suất trên cánh máy
bay mô phỏng bằng phần mềm Fluent


(a)
(b)
14

trong chế tạo vỏ cũng như xác định điểm nóng bên trong buồng đốt, nơi nhiệt độ
nguy hiểm và xác định được khu vực ăn mòn cao.











Ngoài các lĩnh vực kể trên phần mềm Fluent còn được sử dụng trong thiết kế
thiết bị đẩy của tàu thủy. Với sự hỗ trợ của phần mềm mô phỏng đã giúp các nhà

thiết kế giảm bớt gánh nặng cho công việc chế tạo mẫu và thử nghiệm nhiều lần.











Hình 2.21: Kết quả thu được từ mô phỏng buồng đốt sinh học bằng phần
mềm Fluent


Hình 2.22: Mô phỏng bằng phần mềm Fluent sự phân bố áp suất trên bề mặt cánh
(a); phân bố túi hơi trên bề mặt cánh (b) của thiết bị đẩy tàu thủy (chân vịt)

(a)
(b)

15

Chương 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong chương này sẽ trình bày lý thuyết lưu chất và các phương trình cơ bản
như: phương trình trình Becnuli với dòng lưu chất thực, các phương trình bảo toàn,
điều kiện biên và rời rạc miền không gian tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn
cho bài toán động học lưu chất.

1. Phương trình Becnuli
Phương trình mô tả biến đổi năng lượng của dòng lưu chất. Phương trình này
thể hiện mối quan hệ giữa mật độ lưu chất, vận tốc và áp suất.
Dạng tổng quát của phương trình được biểu diễn:

21
22
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1







h
g
Vp
Z
g
Vp

Z
tbtb
(3.1)
Trong đó:
- h
21

: Tổn thất năng lượng trên một đơn vị thể tích từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2.
-
2,1
pp
: Áp suất tại mặt cắt 1-1 và mặt cắt 2-2.
-

: Trọng lượng riêng của lưu chất.
-
tbtb
VV
21
, : Vận tốc trung bình trên mặt cắt 1-1 và 2-2
-

: Hệ số không đều động năng.

2


: Đối với dòng chảy tầng.

1,101,1




: Đối với dòng chảy rối.

1


: Đối với dòng chảy trong ống.
2. Lý thuyết lớp biên
Lớp biến là lớp có vận tốc của dòng chảy thay đổi từ 0 (trên chính bề mặt vật)
đến một giá trị bằng giá trị vận tốc của dòng không bị nhiễu loạn. Lý thuyết đã chứng
minh chiều dày của lớp biên có thể được xác định theo công thức:

Re
L


(3.2)
16

Trong đó L kích thước đặc trưng của vật. Lớp biên phụ thuộc vào vận tốc của
dòng, các tính chất của lưu chất và hình dạng vật thể.
Có hai loại lớp biên: Lớp biên chảy tầng và lớp biên chảy rối. Thông thường
xuất hiện lớp biên chảy tầng trước sau đó mới phát triển thành chảy rối. Sự phát
triển từ chảy tầng sang chảy rối phụ thuộc vào số Reynolds và chiều dày lớp biên,
tại nơi có sự thay đổi từ chảy tầng sang chảy rối được gọi là vùng chuyển đổi.
Trong vùng chảy rối sự mất mát năng lượng nhiều nhất, ma sát bề mặt được sinh ra
và lực cản cũng tăng lên, đây là phần dày nhất của lớp biên.

3. Lực cản và lực nâng
Thực nghiệm chứng tỏ rằng một vật chuyển động trong lưu chất thực sẽ chịu
tác dụng của lực cản
D
,
trong các điều kiện nào đó sẽ chịu tác dụng của lực nâng
L
. Lực tổng hợp của lưu chất tác dụng lên vật thể ký hiệu là
R
.

R
=
L
+
D
( 3.3)


Trong đó:

L
: Lực nâng, có phương vuông góc với phương của vận tốc V.


D
: Lực cản, cùng phương với phương của vận tốc V.

Lực cản và lực nâng xuất phát từ việc phân bố áp suất và phân bố ứng suất ma
sát trên bề mặt vật thể chuyển động trong lưu chất.



Hình 3.1: Hình minh họa lớp biên từ vùng chảy tầng sang vùng chảy rối
17









Người ta đã chứng minh rằng các quá trình làm xuất hiện các lực kể trên xảy
ra chủ yếu trong lớp biên ở sát bề mặt của vật thể.
3.1. Lực cản và hệ số lực cản
D
C
3.1.1. Lực cản
Lực cản có phương song song và ngược chiều với vận tốc của dòng lưu chất.
Lực cản D có hai thành phần chính: Thành phần lực cản gây ra do áp suất nhớt giữa
chất lỏng với bề mặt vật thể, được gọi là lực cản ma sát ký hiệu là D
ms
. Thành phần

thứ hai gây ra do sự phân bố áp suất trên bề mặt vật được gọi là lực cản áp suất ký
hiệu là D
ap
.







Lực cản ma sát có phương tiếp tuyến với bề mặt vật thể. Lực cản ma sát phụ
thuộc vào kích thước vật thể, độ nhớt của lưu chất, vận tốc tương đối giữa lưu chất
và vật thể V.


sindAD
A
ms

 (3.4)

Hình 3.3: Thành phần lực cản ma sát và lực cản áp suất trên bề mặt vật thể [7]
V



Hình

3.2

: L
ự
c c
ả
n và l
ự
c nâng trên cánh

V
