CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV
2.2. CÔNG CỤ HỖ TRỢ VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRONG MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV
2.2.1. Công cụ hỗ trợ tính toán
Ansys [8]hiện nay là một phần mềm rất mạnh và đƣợc dùng rộng rãi trong lĩnh vực mô phỏng số. Ansys cung cấp các khả năng tính toán mô phỏng với rất nhiều dạng mô hình từ mô hình vật rắn, thể lỏng, khí hay hóa học, điện từ trường, v.v… Ngoài ra, Ansys Fluent[9]là một phần trong gói phần mềm Ansys về động lực
50
học dòng chất lưu; nó có thể được sử dụng môphỏngdòng chảy chất lỏng, nhiệt với dạnghình họcphức tạp. Để tiến hành tính toán mô phỏng trong Ansys Fluent cần phải trải qua các bước cơ bản mô tả ngắn gọn trên Hình 2.1.
Hình 2.1. Sơ đồ tính toán trong Ansys Fluent[9]
Trước tiên trong mô phỏng cần có mô hình, Ansys cung cấp phần mềm DesignModeler để người dùng có thể xây dựng các mô hình dạng hình học của mô hình nghiên cứu. DesignModeler có đầy đủ các công cụ vẽ đồ họa để có thể xây dựng được các mô hình từ đơn giản tới phức tạp. Người dùng cũng có thể sử dụng bất cứ phần mềm đồ họa kĩ thuật nào để xây dựng mô hình để đƣa vào mô phỏng.
Các phần mềm hỗ trợ trực tiếp nhƣ: ACIS, CATIA v5, IGES, Parasoild, Pro- ENGINEER, Solid Edge, SolidWorks vàSTEP.
Mô hình dạng hình học xây dựng được sẽ được chuyển sang bước lưới hóa trong phần MESHING. Nó cung cấpkhả năng linh hoạt trong việc chialưới cho mô hình hoànchỉnh, bao gồm cảkhả năngsử dụnglướiphi cấu trúccó thểtạo được lưới cho các mô hình hình họcphứctạp tương đối dễ dàng. Các loạilướihỗ trợ bao
• DesignModeler
• Xây dựng mô hình
• Có thể sử dụng các phần mềm đồ họa kỹ thuật khác nhƣ Solidworks
MÔ HÌNH DẠNG HÌNH HỌC
• MESHING
• Chia lưới
• Định nghĩa các đường, mặt và khối của mô hình
MÔ HÌNH ĐÃ LƯỚI HÓA
• Ansys Fluent
• Khai báo đặt điều kiện biên để tính toán
• Tiến hành các công việc tiền xử lý số liệu
• Tính toán
KẾT QUẢ
51
gồm2D: hình tam giác, tứ giác; 3D: tứ diện, lục diện,kim tự tháp,nêm, đa diệnvà hỗn hợp[9].
Sau khi chia lưới mô hình được đưa vào khai báo và tính toán xử lý trong Fluent. Ansys Fluent cung cấp môi trường làm việc rất trực quan giúp người dùng có thể thao tác một cách thuận tiện đặt điều kiện biên, kết xuất và xử lí số liệu một cách dễ dàng.
2.2.2. Căn bản lý thuyết tính toán đƣợc sử dụng trong công cụ hỗ trợ
Fluent sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn[66] để giải các phương trình mô tả đặc tính cho các bài toán khác nhau, trong phạm vi bài toán mô phỏng dòng chảy thì phương trình cơ bản chính là phương trình liên tục:
0
div V t
(2.1)
Với chất lỏng không nén được, ta có các phương trình Navier-Stokes và phương trình năng lượng:
V gradp
F dt
V
d
1
(2.2)
h
j
eff j j
eff T h J t V S
k div p E V div E
t
(2.3) Ở đây:
: khối lƣợng riêng,
V
: vectơ vận tốc,
: hệ số nhớt động học,
F
: lực khối đơn vị, p: áp suất,
E: nhiệt dung riêng của chất lỏng,
52 Keff: hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng,
Jj
: thông lƣợng khuyếch tán,
Sh: bao hàm nhiệt của phản ứng hoá học và các nguồn nhiệt khác.
Mô hình k-[50]mô hình bán thực nghiệm cho nên có nhiều hằng số đƣợc định nghĩa trước đòi hỏi người sử dụng phải hiểu rõ bài toán. Mô hình này áp dụng việc giải độc lập hai phương trình chuyển động với năng lượng động học rối (k) và tỉ lệ khuyếch tán của nó ():
k b M k
j k t
j i i
S Y G
G x
k x
ku x k
t
(2.4)
S
k C G C G k C x x
u x
t k j k b
t
j i i
2
2 3
1
(2.5) Trong đó:
t: độ nhớt rối,
Gk: sự phát sinh năng lƣợng động học rối do gradien vận tốc trung bình, Gb: sự phát sinh năng lƣợng động học do sức nổi,
YM: thể hiện sự dãn nở biến đổi trong dòng chảy rối nén đƣợc, C1, C2là các hằng số (C1=1,44; C2=1,92),
C3: thể hiện mức độ chịu ảnh hưởng của vào sức nổi,
k; là số Prandtl rối của k và (k=1; =1,3), Sk; S: là đại lượng do người dùng định nghĩa.
Luận án sử dụng hai giả thiết quan trọng là:
- Dòng chảy rối hoàn toàn,
- Bỏ qua ảnh hưởng của độ nhớt phân tử.
53
Các bước tiến hành giải các phương trình này là:
- Sử dụng lưới chia mô hình thành các thể tích hữu hạn, rời rạc;
- Tích phân các phương trình theo từng thể tích hữu hạn để xây dựng các phương trình đại số cho các biến độc lập như vận tốc, áp suất, nhiệt độ cũng như các đại lượng vô hướng khác;
- Tuyến tính hoá các phương trình rời rạc và giải các hệ phương trình tuyến tính.