dòng phun vuông góc với bề mặt phẳng ứng dụng trong công nghệ làm mát

Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí
MỤC LỤC

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 1


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

MỞ ĐẦU
Mục đích của việc trình bày đồ án lá để nâng cao độ tin cậy và thấy được vai
trò quan trọng của các thiết bị năng lượng điện và nâng cao hiệu quả của hệ thống
“dòng phun vuông góc với bề mặt phẳng ứng dụng trong công nghệ làm
mát”.Thiết bị Năng lượng điện đang ngày càng được sử dụng rộng trong tất cả các lĩnh
vực khác nhau từ hệ thống hàng không,máy bay các công trình giao thông công cộng
hay điều khiển động cơ và các chuyển biến điện trong nhà. Vai trò của năng lượng điện
là rất quan trọng ,trong nghành hàng không ứng dụng trong đó ở mức cao nhất về an
toàn và yêu cầu độ chính xác cao trong khi vẫn phải đảm bảo khối lượng của thiết bị
năng lượng điện nhỏ gọn.Nhưng khi các thiết bị năng lượng điện hoạt động tạo ra nhiệt
rất lớn có thể gây ra phá hủy thiết bị.Do đó ta phải thiết kế hệ thống làm mát các đế tản
nhiệt cho các thiết bị năng lượng điện đó.Vai trò của hệ thống làm mát rất quan trọng
nó làm tăng đáng kể các tính năng làm việc của các linh kiện điện tử .Việc nghiên cứu
tạo ra các thiết bị các phương pháp phải phù hợp với từng thiết bị cần làm mát .Do đó
ngày nay người ta thường sử dụng hệ thống làm mát bằng các dòng phun được lựa
chọn nghiên cứu thử nghiệm và phát triển hơn nữa. Một loạt các kiểm tra ban đầu xác
định rằng các dòng phun của chất lỏng có thể dùng để tạo ra hệ số truyền nhiệt cao và

giúp làm mát hệ thống nhanh và hiệu quả quả cao cho các thiết bị năng lượng điện .Kết
quả từ thử nghiệm cho thấy rằng làm mát bằng các dòng phun nước các thiết bị được
làm mát hiệu qua cao hơn so với các hệ thống làm mát thông thường khác nó hiệu quả
hơn nhờ phun nước trực tiếp vào các vùng nóng của thiết bị một cách cẩn thận và an
toàn.Hiện nay có rất nhiều đề tài nghiên cứu thiết kế các mảng của hệ thống làm mát
bằng dòng phun theo dõi nhiệt độ trên bề mặt thiết bị cần làm mát người ta đưa ra một
hệ thống dòng phun tối ưu nhất để dùng để làm mát cho các thiết bị.
Cuối cùng để hoàn thành tốt đồ án này em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới thầy
T.S .Nguyễn Anh Tuấn là người thầy đã động viên giúp đỡ em nhiều về mặt tinh thần

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 2


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

cũng như kiến thức để em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp ngày hôm nay. Ngoài ra em
xin gửi lời cảm ơn đến thầy Th.S. Nguyễn Ngọc Minh đã tận tình giúp đỡ em hoàn
thành đồ án tốt nghiệp.Cuối cùng em xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn cũng như
các thầy cô trong khoa Cơ Khí đã cho em kiến thức chuyên ngành và kinh nghiệm quý
báu cùng với sự nỗ lực bản thân để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp hôm nay.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và tất cả những người thân của em
đã tạo điều kiện và giúp đỡ em rất nhiều để đạt được kết quả như hôm nay.
Một lần nữa xin cảm ơn tất cả mọi người.

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 3


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

CHƯƠNG I: DÒNG PHUN VUÔNG GÓC VÀO MẶT PHẲNG ỨNG DỤNG
TRONG LÀM MÁT THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN
I tổng quan về dòng phun
1 dòng chảy trọng vòi phun
Bên dạng vận tốc đã được khai triển cho dòng chảy rối trong vòi sẽ xuất hiện như
được biểu diễn trong hình 1.1 .một lớp đệm chảy tầng ,hay “lớp màng”,chiếm không
gian gần bề mặt ,trong khi đó ở trung tâm của dòng chảy là chảy rối .

Hình 1.1 Biên dạng vận tốc
chất lỏng chảy qua vòi thường sinh ra co hẹp ở chỗ vào vòi, sau đó mở rộng ra và chảy
đầy vòi. Khoảng không gian giữa mặt ngoài dòng chảy tại chỗ co hẹp và mặt thành vòi
là một khu nước xoáy, áp lực nhỏ hơn áp lực không khí nên ở đó hình thành chân
không. Trị số chân không lớn nhỏ tùy theo cột nước tác dụng vào vòi. đó là đặc tính cơ
bản của vòi; chú ý rằng vòi chỉ có đặc tính trên, khi chất lỏng chảy đầy vòi
2 giới thiệu về dòng tia
2.1 Khái niệm
Dòng chất lỏng có kích thước hữu hạn, không bị giới hạn bởi những thành rắn,
chuyển động trong môi trường chất lỏng cùng loại hoặc khác loại, được gọi là dòng tia.
Người ta phân biệt dòng tia ngập và dòng tia không ngập.
•

Dòng tia ngập là dòng tia chuyển động trong môi trường chất lỏng cùng
loại hoặc trong không gian đầy nước.

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 4


Đồ án tốt nghiệp
•

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

Dòng tia không ngập là dòng tia chuyển động trong môi trường không khí.

Dòng tia ngập đã được nghiên cứu tương đối nhiều so với dòng tia không ngập.
Trạng thái chảy trong dòng tia có thể là chảy tầng hoặc chảy rối, nhưng thường
gặp trong thực tế là trạng thái chảy rối. Dưới đây ta chỉ đề cập đến trạng thái chảy rối
của dòng tia
2.2 Dòng tia ngập

Hình 1.2: Mô hình dòng tia tác dụng lên trường.

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 5


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

Hình 1.3: Trường dòng chảy dòng tia tự do.
Dòng tia, chảy vào môi trường chất lỏng cùng loại hoặc trong nước, do đó ma sát
với chất lỏng xung quanh mà mở rộng dần ra rồi tiêu tan vào môi trường chất lỏng.
Trong quá trình dòng tia mở rộng những phần tử chất lỏng ở môi trường không chuyển
chuyển động, tiếp xúc với dòng tia, bị lôi đi theo; do đó một khối lượng chất lỏng nhất
định bị thu hút vào chuyển động.
•

Cấu tạo của dòng tia, dựa vào sự phân tích đồ phân bố lưu tốc trên những
mặt cắt ngang của dòng tia, bao gồm:

-

Khu lõi hoặc khu tốc độ không đổi: bắt đầu từ mặt cắt đầu ở miệng vòi, nhỏ
dần và kết thúc ở mặt cắt tại đó chỉ có tốc độ ở trục dòng tia bằng tốc độ u0.
Thí nghiệm chứng minh rằng đường giới hạn này là một đường thẳng.

-

Khu tầng biên giới: là khu có tốc độ liên tục biến đổi cho tới nơi có tốc độ
bằng không. Ðường nối các điểm tốc độ bằng không là đường phân chia. Thí
nghiệm chứng tỏ đường phân chia là một đường thẳng; trên thực tế, có sự

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 6


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

trao đổi những phần tử chất lỏng bằng mạch động giữa khu tầng biên giới và
môi trường chất lỏng, xung quanh đường phân chia.
•

-

Theo chiều dài của dòng tia, có thể chia làm hai đoạn:

Ðoạn đầu: từ mặt cắt đầu đến mặt cắt quá độ tức là mặt cắt kết thúc khu lõi:
trong phạm vi hai đường phân chia ở đoạn đầu, có hai khu: khu lõi và khu tầng
biên giới.

-

Ðoạn cơ bản: từ mặt cắt quá độ trở đi, trong phạm vi hai đường phân chia, đoạn
cơ bản chỉ bao gồm tầng biên giới; tốc độ tại trục dòng tia giảm dần.

Giao điểm của hai đường phân chia gọi là điểm cực của dòng tia.
Về sự biến thiên của tốc độ trên trục dòng tia. Trong đoạn đầu, tốc độ giữ không đổi và
bằng tốc độ u0 tại mặt cắt đầu: trong đoạn cơ bản, thí nghiệm chứng tỏ rằng tốc
độ u1 trên trục dòng tia ở cách mặt cắt đầu l, biến thiên theo quy luật hypecbôn:
II Ứnng dụng của dòng phun trong làm mát thiết bị năng lượng điện
1 Giới thiệu về năng lượng điện và ứng dụng của các thiết bị năng lượng điện
1.1 Tầm quan trọng của việc quản lý năng lượng điện
Trong năm 2010 17,9 tỷ kwh điện đã được tiêu thụ trên toàn cầu với 82% được tạo
ra từ nguồn tái tạo .Khi chính phủ và các ngành công nghiệp tạo ra một nền kinh tế
cacbon thấp .Quản lý hiệu quả các năng lượng điện ngày càng quan tâm và quan
trọng.Sức mạnh tạo ra hệ thống điện tử là trọng tâm để giảm thiểu các tác động tiêu

cực của toàn cầu về môi trường.Sử dụng điện tiêu hao năng lượng có thể được giảm
bằng cách quản lý hiệu quả chuyển đổi ,điều khiển và chuyền tải.
1.2 Ứng dụng của các thiết bị năng lượng điện
Thiết bị năng lượng điện có khả năng chuyển đổi lượng điện ở tần số lên đến
100KHz.Các thiết bị năng lượng điện được sủ dụng trong một loạt các ứng dụng
thương mai công nghiệp và tất cả các lĩnh vực trong cuộc sống.
•
•
•

Điều khiển động cơ
Năng lượng chuyển đổi
Biến tần

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 7


Đồ án tốt nghiệp
•
•

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

Chỉnh lưu chuyển mạch
Xung điều chế…

Nó chuyển đổi được sử dung hầu hết các thiết bị di động và máy tính để duy trì điện áp
tại một giá trị nhất định không phụ thuộc vào sạc pin.Những chuyển đổi cũng dùng để

phân lập điện tử và hiệu chỉnh hệ số công suất
•

Ứng dụng trong ngành ôtô,hàng không và quân sự đòi hỏi khắt khe về chất
lượng cũng như trọng lượng ,kích thước và hiệu suất của thiết bị năng lượng
điện.hàng không vũ trụ và ngành công nghiệp ôtô đã được ứng dụng đầy đủ các

•

tính năng của các thiết bị năng lượng điện.
Ứng dụng trong hệ thống giao thông

Ứng dụng của các thiết bị năng lượng này đảm bảo độ tin cậy và an toàn cao và hiệu
quả cao nhất.
1.3 Các thành phần của hệ thống thiết bị năng lượng điện
•
•
•
•
•
•

Mạch vi điện tử
Tụ điện
Cuộn cảm
Điện trở
Modun năng lượng
Hệ thống làm mát với bộ trao đổi nhiệt đế

1.4 Mô hình hệ thống dòng phun vuông góc vào mặt phẳng trong làm mát các

thiết bị năng lượng điện
1.4.1 Giới thiệu chung
Dòng phun vuông góc vào mặt phẳng ứng dụng trong làm mát các thiết bị năng
lượng điện đựơc nghiên cứu và đánh giá là phương pháp làm mát hiệu quả nhất ,có hệ
số truyền nhiệt cao.
Hình 1.4 là mô hình ban đầu của hệ thống làm mát bằng dòng phun,nó là cơ sở ban đầu
để phát triển hệ thống sau này

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 8


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

Hình 1.4
Lượng nhiệt sinh ra trong các thiết bị năng lượng điện được lấy ra từ các đường dấn
nhiệt hay bằng các thiết bị .trên hình 1.4 ở trên cùng là các linh kiện trong thiết bị lớp
tiếp theo là một lớp dung môi cách điện có thể là một lớp gốm dày khoảng 250 các lớp
tiếp theo là lớp vật liệu có hệ số dấn nhiệt tốt như nhôm có bề dày khoảng 210
Cuối cùng là mảng có các lỗ để tạo ra dòng phun. Các dòng phun phun trực tiếp vào
các lớp đệm tiếp xúc với các linh kiện.
1.4.2 Mô tả
Một hệ thống làm mát bằng dòng phun va chạm nước được phun qua một loạt các
vòi phun hẹp với đường kình 1mm được thiết kế trên các ô của đế tản nhiệt

Hình 1.5 mô hình

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 9


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

Bơm đẩy nước tới các mảng vòi phun và phun vào mặt phẳng tiếp xúc với các linh kiện
cần làm mát.sau đó nước lại theo đường khe thoát nước lại thực hiên quá trình làm mát
tiếp theo. Các vòi phun được thiết kế như hình 1.6

Hình 1.6
1.4.3 mô hình thiết kế trực tiếp
Một đế tản nhiệt có kích thước 105mmx60mm ,mỗi tấm đế chia làm 12 ô ,11 ô có
kích thước 6x8 trong đó có các lỗ đường kính 1mm và cách nhau 2mm (48 lỗ trong
một ô) hình 1.7 và ô cuối cùng được dùng làm lối ra cho chất lỏng nó không chữa lỗ
nào .các chất lỏng được phun qua các lỗ đó với vận tốc lớn các lỗ thành các vòi phun
phun tơi mặt phẳng cần làm mát.hệ số truyền nhiệt được cung cấp nhờ các dòng chảy
của chất lỏng trên tấm phẳng đệm.độ dày tấm phun 1.5mm và khoảng cách phun
1.5mm các buồng thông gió bên trên các vòi phun 2mm có tác dụng thúc đẩy sự va
chạm của chất lỏng vơi thành phẳng .sau va chạm trên tấm đệm nước làm mát được
Sinh viên:Phạm đình thức

Page 10


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

đưa ra qua lỗ cắm ống xả nó lại được bơm làm mát cho quá trình tiếp theo.quá trình
phun va chạm tiếp tục tiến hành với những ô khác có các vòi phun .Với việc sử dụng
thích hợp xả ống thoát nước để chuyển hướng nước làm mát các mảng khác các mảng
được thể hiện ở hình 1.9

Hình 1.7
Vật liệu của mảng được làm từ thép không gỉ,các tấm đệm được làm băng nhôm có
rãnh như hình 1.8

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 11


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

Hình 1.8

Hình 1.9 mô phỏng sự thay đổi mảng làm mát qua xả khe thoát nước
Việc sắp xếp các ô 6x8 để giảm tác động của dòng chảy xuyên hạ lưu của chất lỏng
,việc sử dụng các mảng vòi phun nhỏ ví dụ 3x3 sẽ tăng số lượng ô trên tấm tản nhiệt
điều này sẽ làm tăng diện tích chiếm chỗ bởi các bức tường và các khe xả do đó làm
giảm diện tích làm việc giảm hiệu quả việc truyền nhiệt làm mát.hệ thống làm mát
dòng phun va chạm này tương thích hấu hết các thiết bị năng lượng điện tử thương mại
được xây dựng trên quy mô lớn
Sinh viên:Phạm đình thức

Page 12


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ANSYS
1 giới thiệu chung
ANSYS được lập ra từ năm 1970, do nhóm nghiên cứu của Dr.John Swanson, hệ
thống tính toán Swanson, tại Hợp Chủng Quốc Hoa Kì. Trong hệ thống này, bài toán
cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc.
Phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method) là phương pháp không
nhưng chỉ ngày càng ngày được sử dụng nhiều để giải quyết các bài toán cơ kỹ thuật,
mà còn ngày càng ngày được sử dụng rộng rãi lĩnh vực khác trong kỹ thuật và nó mang
lại hiệu quả cao.
Hiện nay như chúng ta đã biết, có rất nhiều phần mềm đang có mặt tại Việt nam
như: ANSYS, MARC, SAMCEF, SAP 2000, STAAD III, MEANS, FEAP, DEFORM,
ABAQUS… và có một số phần mềm đã được đưa vào giảng dạy ở một số trường kỹ
thuật. Trong đó có phần mềm ANSYS, nó là một chương trình rất mạnh giải các bài
toán về kỹ thuật và nó là được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật như kết
cấu, dòng chảy, nhiệt, điện, điện từ, âm học, sinh học… phần mềm ANSYS gồm nhiều
modul khác nhau: ANSYS/Multiphysics, ANSYS/Mechanical, ANSYS/Professional,
ANSYS/Structural,

ANSYS/LS-DYNA,

ANSYS/LinearPlus,

ASYS/Thermal,

ANSYS/Emag, ANSYS/FLOTRAN, ANSYS/PrepPost, ANSYS CFX, ANSYS ED,
ANSYS PTD, ANSYS TASPCB, ANSYS ICEM CFD, ANSYS AI*Evironment,
ANSYS DesignXploder, ANSYS DesignModeler, ANSYS DesignExplode VT,
ANSYS BledeModeler, ANSYS TurboGrid, ANSYS AUTODYN…
Hiện nay, phần mềm không ngừng phát triển ra các phiên bản mới như ANSYS
14.5, ANSYS 15. ANSYS có thể giải được các bài toán tuyến tính, phi tuyến trong các
lĩnh vực như cơ học vật rắn, cơ học lưu chất… Mặt khác, phần mềm ANSYS không
chỉ hỗ trợ hơn 200 kiểu phân tử khác nhau, mỗi kiểu phần tử là một dạng bài toán, mà
còn kết nối với các phần mềm khác như ACAD,SOILDWORK, PRO/E,
Hypermesh….để phân tích các bài toán có kết cấu phức tạp. Để giải các bài toán mà số

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 13


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

phần tử lớn thì phải đòi hỏi cấu hình máy tính cao, ví dụ ANSYS 15 có thể chạy trên
môi trường Windows NT, Windows XP, Windows Vista, Windows 7, tất cả các hệ
điều hành có thể là 32bit hoặc 64bit. Cấu hình tối thiểu cho phiên bản ANSYS 15 là:
Pentium Pro, Pentium 3~4, bộ nhớ RAM 128M trở lên, ổ cứng dư tối thiểu là 500M,
chuột 100% tương thich với các phiên bản của hệ điều hành đang dùng.
Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán cùng với sự phát triển
của máy tính điện tử, đã thiết lập và dần dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử
dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thuỷ khí, các bài toán động, bài toán

tường minh và không tường minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, các bài toán về
trường điện từ, bài toán tương tác đa trường vật lý. ANSYS là một phần mềm mạnh
được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, có thể đáp ứng các yêu cầu nói trên
của cơ học. Trong tính toán thiết kế cơ khí, phần mềm ANSYS có thể liên kết với các
phần mềm thiết kế mô hình hình học 2D và 3D để phân tích trường ứng suất, biến
dạng, trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi và phá huỷ
của chi tiết. Nhờ việc xác định đó, có thể tìm các thông số tối ưu cho công nghệ chế
tạo. ANSYS còn cung cấp phương pháp giải các bài toán cơ với nhiều dạng mô hình
vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo, đàn nhớt, dẻo, dẻo
nhớt, chảy dẻo, vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chất lỏng và chất khí…
ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn
(Finite Element Analysis, FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công
nghiệp, đã và đang được sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết
cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý.
Cấu trúc cơ bản một bài tính trong ANSYS. Tổng quát cấu trúc cơ bản của một bài
tính trong ANSYS, gồm 3 phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán
(solution) và xử lý kết quả (postprocessor). Ngoài 3 bước chính trên, quá trình phân
tích bài toán trong ANSYS còn phải kể đến quá trình chuẩn bị (preferences) chính là
quá trình định hướng cho bài tính. Trong quá trình này ta cần định hướng xem bài toán
ta sắp giải dùng kiểu phân tích nào (kết cấu, nhiệt hay điện từ...), mô hình hoá như thế
Sinh viên:Phạm đình thức

Page 14


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

nào (đối xứng trục hay đối xứng quay, hay mô hình 3 chiều đầy đủ ...), dùng kiểu phần

tử nào (Beam, Shell. Plate...).
Hiểu được các bước phân tích này trong ANSYS sẽ giúp ta dễ dàng hơn trong việc giải
bài toán của mình. Vấn đề đặt ra là làm sao để thể hiện những ý tưởng này trong
ANSYS. ANSYS cung cấp 2 cách để giao tiếp với người dùng (Graphic User Interface,
GUI): công cụ trực quan dùng menu với các thao tác click chuột hoặc viết mã lệnh
trong một file văn bản rồi đọc vào từ File/Read input from ,ta cũng có thể dùng kết hợp
2 cách này một cách linh hoạt: dùng lệnh tạo cấu trúc, rồi dùng menu khai thác kết
quả…
Các dòng sản phẩm của Công ty Ansys đã thiết lập nên một chuẩn mực trong mô
phỏng kỹ thuật. Công ty ANSYS xây dựng, phát triển, cung cấp phần mềm và hỗ trợ
toàn cầu cho các giải pháp mô phỏng kỹ thuật nhằm dự đoán các ứng xử của sản phẩm
ở trong môi trường sản xuất và sử dụng thực tế. Công ty ANSYS là công ty hàng đầu
trong việc phát triển cả công cụ và công nghệ CAE (Computer-Aided Engineering).Các
giải pháp Ansys giúp doanh nghiệp không chỉ biết được các tính năng hoạt động của
sản phẩm mà cả chất lượng thiết kế của nó.
2

phần mềm mô hình hóa dòng chảy CFD

2.1 khái niệm về CFD
CFD-Computational Fluid Dynamics: Đây là lĩnh vực khoa học sử dụng các
phương pháp số kết hợp với công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải quyết các bài
toán liên quan đến các yếu tố chuyển động của môi trường, đặc tính lý hóa của các quá
trình trong môi trường đang xét, đặc tính sức bền của môi trường, đặc tính nhiệt động,
đặc tính động học, hay đặc tính động lực học hoặc khí động lực học, đặc tính lực, hoặc
đặc tính lực moment và tương tác của các môi trường với nhau....phụ thuộc vào từng
đối tượng và phạm vi cụ thể của từng vấn đề, từng lĩnh vực khoa học mà CFD có thể
ứng dụng được

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 15


Đồ án tốt nghiệp
2.2

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

Đặc điểm ,phương pháp nghiên cứu, đối tượng làm việc, ứng dụng và vai trò

của CFD
2.2.1 Đặc điểm CFD
ANSYS FLUENT là một phần mềm với những khả năng mô hình hóa một cách
rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt và phản
ứng được áp dụng trong công nghiệp từ dòng chảy qua cánh máy bay đến sự cháy
trong 1 lò lửa, từ các cột bọt khí đến các đệm dầu, từ dòng chảy của các mạch máu cho
đến việc chế tạo các vật liệu bán dẫn và từ thiết kế các căn phòng sạch cho đến các
thiết bị xử lí nước thải. Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình
hóa buồng cháy động cơ cylinder, khí động học sự truyền âm, máy cánh và các hệ
thống đa pha nhằm phục vụ cho việc mở rộng khả năng của phần mềm.
Ngày nay, hàng ngàn công ty trên thế giới đã thu được lợi nhuận lớn từ việc sử dụng
ANSYS FLUENT để phân tích những thiết kế của họ và việc tối ưu hóa quá trình phát
triển sản phẩm. Các bộ giải kỹ thuật tiên tiến giúp đưa ra những kết quả CFD nhanh và
chính xác, lưới chuyển động hay biến dạng và khả năng tăng tốc chạy song song. Các
chức năng người dùng định nghĩa cho phép bổ sung những mô hình mới hay những
tương tác người dùng trên mô hình đang tồn tại. Những khả năng thiết lập bộ giải
tương tác, quá trình giải và hậu xử lý của ANSYS FLUENT làm cho dễ dàng có thể
tạm dừng tính toán, kiểm tra kết quả với quá trình hậu xử lý đã được phân tích, thay
đổi bất cứ thiết lập nào và sau đó tiếp tục tính toán với từng ứng dụng.

Ngày nay, hàng ngàn công ty trên thế giới đã thu được lợi nhuận lớn từ việc sử dụng
ANSYS FLUENT để phân tích những thiết kế của họ và việc tối ưu hóa quá trình phát
triển sản phẩm. Các bộ giải kỹ thuật tiên tiến giúp đưa ra những kết quả CFD nhanh và
chính xác, lưới chuyển động hay biến dạng và khả năng tăng tốc chạy song song. Các
chức năng người dùng định nghĩa cho phép bổ sung những mô hình mới hay những
tương tác người dùng trên mô hình đang tồn tại. Những khả năng thiết lập bộ giải
tương tác, quá trình giải và hậu xử lý của ANSYS FLUENT làm cho dễ dàng có thể

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 16


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

tạm dừng tính toán, kiểm tra kết quả với quá trình hậu xử lý đã được phân tích, thay
đổi bất cứ thiết lập nào và sau đó tiếp tục tính toán với từng ứng dụng.
Vấn đề phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển động của dòng chảy hay biến thiên các
thuộc tính như nhiệt độ, áp suất, vận tốc...của các vật thể chuyển động trong môi
trường chất lưu là rất quan trọng trong việc tính toán, thiết kế tối ưu các sản phẩm để
mang lại hiệu quả nhất. Có thể kể ra một vài ví dụ cụ thể như máy bay chuyển động
trong môi trường khí động, tàu thủy chuyển động trong môi trường chất lỏng, dòng khí
chuyển động trong hệ thống làm mát, dầu nhớt, hóa chất chuyển động trong các ống
dẫn hay bể chứa...Các thuộc tính của dòng chất lỏng có thể nhận được từ kết quả thực
nghiệm hay lời giải các hệ phương trình toán học, tuy nhiên hai phương pháp trên chỉ
áp dụng được trong các bài toán đơn giản, đối với các bài toán phức tạp thì gặp rất
nhiều khó khăn. Sử dụng phương pháp tính toán động lực học chất lỏng - CFD
(Computational Fluid Dynamics) có thể giải quyết được các bài toán phức tạp, việc

phân tích, tính toán trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn và các kết quả nhận được có
độ chính xác cao hơn. Ngày nay CFD được kết hợp cả với thực nghiệm thuần túy và
kết quả lời giải số, ba phương pháp này hỗ trợ bổ xung và là tiêu chuẩn đánh giá của
nhau, trong đó CFD có một vị trí quan trọng trong lĩnh vực động lực học chất lỏng từ
nghiên cứu lý thuyết đến tính toán, thiết kế công nghệ. Để ứng dụng CFD vào một bài
toán cụ thể, thì cần phải hiểu biết về lý thuyết cơ bản của CFD, các phương trình mô tả
chuyển động của chất lỏng, các phương trình lớp biên, từ đó chọn lựa phương pháp
tính, mô hình tính cũng như chọn phần mềm mô phỏng CFD phù hợp đối với kết quả
mong muốn nhận được của một bài toán kỹ thuật cụ thể.
2.2.2 phương pháp nghiên cứu
Có rất nhiều phương pháp nghiên cứu về lĩnh vực CFD như: nghiên cứu lý
thuyết CFD, nghiên cứu thực nghiệm về CFD, nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực
nghiệm, sử dụng phần mềm tính toán, mô phỏng bài toán CFD... Trong đề tài này, Em
lựa chọn phương pháp nghiên cứu lý thuyết CFD kết hợp với việc sử dụng phần mềm

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 17


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

mô phỏng CFD trong bài toán kỹ thuật, phân tích, đánh giá kết quả nhận được từ phần
mềm mô phỏng.
Do giới hạn về nghiên cứu lý thuyết, bài toán CFD trong kỹ thuật và phần mềm mô
phỏng, và khả năng của bản thân, cũng như cấu hình của máy tính cá nhân hạn chế.
Trong đề tài này Em chỉ nghiên cứu về các phương trình chủ đạo của động lựu học
chất lỏng, cụ thể hơn đó là các phương trình liên tục, phương trình động lượng và

phương trình năng lượng . Trên cơ sở lý thuyết cơ bản, lựa chọn các bài toán đơn giản
và sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để mô phỏng bài toán chuyển động, truyền
nhiệt, biến thiên vận tốc của chất lỏng.
2.2.3 đối tượng làm việc
CFD thâm nhập vào những nơi có sự dịch chuyển cuả chất lỏng, cuả nhiệt và của
khối luợng. chẳng hạn như các quá trình sau:
•

Thở, ăn uống, tiêu hóa, rửa, bơi, hút thuốc .

•

Giặt giũ và phơi y phục,

•

Sưởi ấm hay quạt căn phòng ; dập tắt lửa bằng nước,

•

Sự đốt cháy trong động cơ nổ và ô nhiễm,

•

Lái máy bay, nhảy dù, trượt nước, lái thuyền buồm,

Hàn, chế tạo thép, điện giải nước... và nhiều quá trình khác
2.2.4 ứng dụng
CFD được phát triển, ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong các lĩnh vực cơ
học môi trường chất lưu (khí, lỏng, plasma,..) và môi trường biến dạng, đàn hồi...

Thật khó có thể kể hết phạm vi ứng dụng của CFD. Dưới đây em chỉ liệt kê sơ qua
những lĩnh vực nổi bật nhất mà CFD đóng vai trò như một công cụ hữu hiệu không thể
thiếu để nghiên cứu, ứng dụng, cũng như phát triển chúng lên cấp độ công nghiệp,
mang lại nhiều thành tựu lớn nhất. Đó là:
•

Cơ học chất lưu và thủy khí động lực học;

•

Vật liệu học và sức bền vật liệu;

•

Công nghiệp chế tạo máy;

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 18


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

•

Ngành năng lượng nguyên tử;

•

Ngành chế tạo ô tô;

•

Công nghệ composite;

•

Công nghiệp dầu khí;

•

Ống dẫn;

•

Va chạm và phá hủy;

•

Phát triển ứng dụng khoa học công nghệ;

•

Y học;

•

Khí tượng;

•

Sinh học;

•

Sinh thái học;

•

Và còn nhiều lĩnh vực khác …

Công nghiệp hàng không vũ trụ:
•

Mô phỏng dòng chảy bao các phương tiện bay,

Biên dạng cánh trong dòng chảy dưới âm thanh, lân cận âm thanh, siêu âm và siêu
thanh, xác định các đặc tính khí động lực học

Hình 2.2: Phương tiện bay
Ngành công nghiệp chế tạo ô tô:
•

Mô phỏng trên máy tính dòng chảy bao ngoài vỏ ôtô, xác định hệ số ma sát mặt
sườn,

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 19


Đồ án tốt nghiệp
•

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

Mô phỏng trên máy tính quá trình điều hòa cho sa-lông,

mô phỏng trên máy tính quá trình làm việc của hệ thống thải khí và làm lạnh.

Hình 2.3: Ôtô chịu tác động bởi gió
Ngành chế tạo máy:
•

Các hệ thống thủy tốc và khí tốc áp;

•

Van, khóa van, van tiết lưu;

•

Dòng chảy trong các gói ống dẫn;

•

Sự thoát khí từ ống xả;

•

Mô phỏng quá trình ăn mòn.

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 20


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

Hình 2.4: Dòng chất lỏng chảy qua van
Ngành công nghiệp dầu khí:
• Mô phỏng chuyển động của dầu và khí trong các ống dẫn
• Mô phỏng hoạt động của các trạm bơm
• Xác định các đặc tính thủy lực
• Dòng chảy với tạp chất

Hình 2.5: Hoạt động của dầu trong bơm.
Xây dựng:
• Tính toán phụ tải gió lên nhà cửa và các phần tử kết cấu
• Mô phỏng họat động của đê kè và các công trình che chắn
Sinh viên:Phạm đình thức

Page 21


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

• Thông gió và điều hòa trong các công trình
• Dòng chảy trong các ống dẫn.

Hình 2.6: Dòng chất khí chuyển động qua khu đô thị và quạt gió.
Năng lượng nguyên tử:
• Đảm bảo độ tin cậy và an toàn sử dụng các trang thiết bị cơ nhiệt điện khi tăng công
suất các cụm phát điện của nhà máy điện hạt nhân.

Hình 2.7: bình đựng nhiên liệu.

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 22


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

2.2.5 Vai trò của CFD
CFD có vai trò rất quan trọng trong dự báo kĩ thuật công nghiệp. CFD được xem
như là hướng thứ ba trong động lực học chất lỏng, hai hướng khác là những trường hợp
cổ điển của thực nghiệm thuần túy và lý thuyết thuần túy. CFD hỗ trợ và bổ sung cả
thực nghiệm thuần túy lẫn lý thuyết thuần túy, và quan điểm của các nhà nghiên cứu,
CFD có tầm quan trọng rất lớn đối với thực nghiệm và lý thuyết. Nó có một vị trí cố
định trong tất cả các khía cạnh của động lực học chất lỏng, từ nghiên cứu cơ bản đến
thiết kế kỹ nghệ.

2.2.6 Ưu điểm của CFD
CFD có những ưu điểm rõ rệt trong việc thiết kế hệ thống dòng chảy:
•

Giảm đáng kể thời gian và giá thành thiết kế mới,

•

Có thể nghiên cứu các hệ thống mà thực nghiệm rất khó hoặc không thể thực

hiện được,
•

Có khả năng nghiên cứu các hệ thống nằm trong những điều kiện nguy hiểm

vượt qua giới hạn hoạt động bình thường,
Có thể đưa ra số lượng kết quả không giới hạn một cách hết sức chi tiết.

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 23


Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

CHƯƠNG III CÁC PHƯƠNG TRÌNH TÌNH TOÁN TRONG ANSYS
3.1 phương trình cơ bản trong và mô hình tính toán trong CFD
Nền tảng của CFD là những phương trình chủ đạo cơ bản của động lực học lưu chất

•

Phương trình liên tục (The Continuity Equation)

•

Phương trình động lượng (The Momentum Equation)

•

Phương trình năng lượng (The Energy Equation)

Những phương trình trên nói đến quá trình vật lý. Chúng là những phát biểu toán học
của ba nguyên lý vật lý cơ bản mà toàn bộ động lực học lưu chất đặt trên cơ sở đó:
1)

Bảo toàn khối lượng.

2)

F = ma (định luật 2 Newton).

3)

Bảo toàn năng lượng

3.1.1 Phương trình liên tục
r
∂p
+ div( pv) = sm

∂t

Trong đó:
p – mật độ
r
v
- véc tơ tốc độ
sm

- khối lượng được thêm vào pha liên tục từ pha khuếch tán thứ 2 và các nguồn

donguoiwf dung định nghĩa.
Công thức trên nếu biểu diễn trong hệ tọa độ 3 chiều sẽ có dang:
∂p ∂ ( pvx ) ∂( pv y ) ∂ ( pvz )
+
+
+
= sm
∂t
∂x
∂y
∂z

Công thức này là phương trình bài toán 3 chiều không tĩnh hay phương trình liên
tục tại một điểm trong dòng chảy nén được. Số hạng đầu tiên trong vế trái của phương
trình là tốc độ thay đổi theo thời gian của khối lượng riêng. Ba số hạng tiếp theo trong
Sinh viên:Phạm đình thức

Page 24

Đồ án tốt nghiệp

Nghành Kỹ Thuật Cơ Khí

phương trình mô tả lưu lượng khối lượng thực chất đi ra khỏi phần tử qua các biên của
nó và được gọi là lưu lượng đối lưu.
Với dòng chảy không nén được thì khối lượng riêng p là hằng số và khi đó phương
trình bảo toàn khối lượng có dạng đơn giản hơn:

r
r
divv = S m divv = S m

3.1.2 Phương trình động lượng
r
∂
∂p
( pu ) + div( pvu ) = div(ugradu ) − + Bt + Vt
∂t
∂x
r
∂
∂p
( pu ) + div( pvu ) = div(ugradu ) − + Bt + Vt
∂t
∂x

Trong đó:
v- tốc độ theo phương X

u- độ nhớt
p – áp suất tĩnh
Bt
Vt

- lực tác dụng lên đơn vị thể tích theo hướng X
- thể hiện các thành phần nhớt ngoài các thành phần đã được thể hiện bởi div(u grad

u).
Trong một không gian tham chiếu quán tính (không gia tốc), phương trình bảo toàn
động lượng được viết như sau:
rr
r
ur ur ∂ r
rr
r
ur ur
∂ r
( pv) + div( pvv) = div( j ) = ∇p + pg + F
( pv) + div( pvv) = div( j ) = ∇p + pg + F
∂t
∂t

Trong đó:
ur
pg

và

ur

F

là lực trọng trường và ngoại lực.

Sinh viên:Phạm đình thức

Page 25