1. Trang Chủ
  2. Vật lý
  3. BÀI TẬP LỚN HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4

BÀI TẬP LỚN HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4

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,... ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜN

Thể loại Tài liệu miễn phí Vật lý

Số trang 44

Ngày tạo 8/30/2018 1:19:01 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 9.06 M

Tên tệp

Tải BÀI TẬP LỚN HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 (.pdf)

Xem mẫu

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG Đ ẠI HỌC BÁCH KHOA BỘ MÔN: KT HÀNG KHÔNG  BÀI TẬP LỚN HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 BÁO CÁO KẾT QUẢ: GAMBIT-FLUENT BK TP.HCM : Thầy Nguy ễn Chí Công GVHD : Đỗ Cao Giang SVTH : GT06HK Lớp : G0600550 MSSV TP.HCM, 12 tháng 7 năm 2011
  2. 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 MỀ M 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 1
  3. GIỚI THIỆU VỀ LƯU CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP CFD Cơ học lưu chất hay còn gọi là cơ học thủ y khí, nghiên cứu sự cân bằng và chuyển đ ộng 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 đ ổi 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 thủ y lực, tuy môi chất thông thường là dầu, nhưng dưới áp áp suất cao, khối lượng riêng của nó cũng thay đ ổi đáng kể. Hay như trong ngành hàng không không gian, đối với những chuyển đ ộng chậm thông thường ( chim, máy bay nhỏ…. – M
  4. 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 b ằng 0. Giả thiết về môi trường: Lưu chất được các tạo từ các “phần tử bé”, chúng chuyển đ ộng hỗn độn va chạm lẫn nhau và va chạm vào các vật rắn. Tuy vậ y, trong nhiều trường hợp thông thường giả thi ết 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 đ ộ, và vận t ốc 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 nhi ều trường hợp, sự thật lưu chất được cấu tạo từ phần tử rời rạc được b ỏ 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 đ ến 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 ki ện 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 ti ền bối khi nghiên cứu chuyển động dòng chả y của sông, sóng biển, gió bão, không khí…. họ dù ng bút và giấ y 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 ki ến thức tự nhiên, tính toán và thực nghiệm họ trở thành những nhà dự đ oán 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 ti ến hành rất công phu trên giấy, sau đó mang ra thực nghiệm, thực nghi ệm thất bại, lại được tiến hành tính toán lại, quá trình đó lập đi lập lại hàng chục thậm chí hàng trăm lần đ ể ra được sản phẩm có hữu dụng cho nhu cầu cuộc sống. Ví như đ ể thi ết kế ra 1 dòng máy bay phải mất tới hàng chục năm, quá trình đó rất lâu dài và tốn kém. Thực nghi ệm 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 đ ến hàng triệu USD hoặc hơn cho mỗi lần. HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 3
  5. Quá trình nghiên cứu khoa học, thi ết kế với giấ y 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 giấ y 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 4
  6. 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 đ ộng phức tạp, như dòng lưu chất chuyển động qua cánh máy bay, dòng l ưu chất chuyển động trong ống, qua ống phun… HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 5
  7. Bằng máy tính, CFD dự đóan những sự thay đ ổi 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 đ ể giải những phương trình toán học trên nền tảng của khoa học - + người dùng nêu vấn đ ề + kiến thức khoa học biểu thị qua toán học + phần mền dùng đã bao gồm các kiến thức và biểu thức mô tả vấn đ ề bằng các thuật ngữ khoa học + phần cứng thi hành các tính toán do phần mềm viết ra + người ki ểm 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 đ ến 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 đ ến CFD vì lợi ích to lớn của nó. Sinh viên hàng không cũng vậ y. Vậ y 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 hi ểu một phần mền chia lưới Gambit…  cho CFD Yêu cầu: a. tìm hiểu các loại lưới, kiểu lưới b. đánh giá lưới Mô hình toán của hi ện tượng vật lý 2. Giải bằng một phần mền CFD ( cụ thể ở đây dùng Fluent) 3. 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 đ ể 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 6
  8. Bài báo cáo đề cập đến việc mô phỏng và tính toán động lực học đối với dòng lưu chất chả y trong mô hình 2D airfoil. Bằng FLUENT & GAMBIT, ta khảo sát được trường áp suất, vận tốc…của dòng chả y 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 k ỹ thuật đa phần các dòng chảy đ ều 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 hi ện tác đ ộng của dòng rối lên các đặc tính trung bình thời gian của dòng chả y (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 vi ệc thiết kế, đánh giá tác động của dòng chả y. GAMBIT là phần mềm CAD có khả năng chia lưới rất mạnh b ằng nhi ều 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 đ ược sử dụng rất phổ biến trên thế giới đ ể 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 đ ộng cơ x ylanh, 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 7
  9. 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 8
  10. 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:  max   eq  min   eq Đặt QEAS  max( , ) 180   eq  eq HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 9
  11. 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 (3 ft). Chiều dài chord flap là 0,3c, khoảng 274,32mm. 1.Mô hình toán: HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 10
  12. 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 đ ộ tiêu tán (dissipation rate)  . Mô hình rối k   là mô hình dạng bán thực nghiệm với phương trình cho đ ộng năng rối k là phương trình chính xác. Còn phương trình cho tốc đ ộ 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 11
  13. 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: CFLx t   max Update Properties Solve continuity, momentum, energy, and species Equations simultaneously Solve turbulence and other scalar equations STO Covergence NO YES P HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 12
  14. 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 đ ối xứng NACA 4412 bằng phần mềm profile HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 13
  15. 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 đ ể sử dụng trong vi ệc chia lưới bằng Gambit. Bằng cách tạo nhiều điểm xung quanh nó với các khoảng cách chọn trước. Tạo các đi ểm 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 14
  16. Sau khi được các điểm đó ta nối chúng với nhau bằng lệnh HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 15
  17. 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 16
  18. Cạnh Hướng Tỉ số Ratio Số điểm AB,GC,G’ C’, DE Ngang 1 550 Dưới lên DG 0.98 550 Trên xuống AG 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 17
  19. Định dạng ki ểu của bằng lệnh bao quanh các nhóm 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 18
  20. HÀNG KHÔNG ĐỘNG LỰC HỌC 4 Page 19
nguon tai.lieu . vn
Toán học Môi trường Vật lý Sinh học Địa Lý Hoá học Nông - Lâm - Ngư Cơ khí - Chế tạo máy Tiếng Anh phổ thông Khoa học ứng dụng Nông - Lâm Kiến thức tổng hợp Giáo dục học Xã hội học