Fluent là phần mềm chuyên dụng trong tính toán cơ học chất lưu và truyền nhiệt dựa trên nền tảng CFD – Computational Fluid Dynamics ( tính toán động lực học chất lưu có trợ giúp của máy tính ), còn Gambit là một công cụ tạo lưới mạnh cho các bài toán CFD và phương pháp phần tử hữu hạn dùng trong tính toán kết cấu. Ở đây, chúng ta sẽ tìm hiểu kĩ hơn về hai phần mềm này và xem xét các lưu ý khi sử dụng chúng.
3.1 LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN
Khởi nguồn của Fluent bắt đầu vào những năm 1980 khi mà CFD đang bắt đầu trở thành một trong những mục tiêu hấp dẫn trong nghiên cứu và phát triển tại Hoa Kỳ. Cũng tại thời điểm đó, Michael Engelman thành lập Fluid Dynamics International (FDI), một công ty chuyên về phần mềm trên nền CFD.
Sự hợp tác giữa đại học Sheffield và FDI cho ra đời một phần mềm dễ sử dụng trong CFD gọi là Fluent. Phiên bản đầu tiên của phần mềm này được chạy vào tháng 10 năm 1983. Cái tên Fluent được xuất phát dựa trên những công trình nghiên cứu nổi tiếng của Isac Newton.
Phần mềm nhanh chóng thành công và trở thành phần mềm CFD thương mại được phổ biến nhất. Chính điều này dẫn đến sự phát triển của nhóm Fluent trong FDI trở thành một công ty riêng vào năm 1988. Công ty đặt trụ sở chính tại Lebanon – New Hampshine. Nhanh chóng hợp tác với Nhật Bản và Châu Âu, sau 10 năm phát triển, Fluent trở thành một công ty quốc tế với trụ sở đặt tại hơn 10 nước trên thế giới.
Tháng 8 năm 1995, Fluent đuợc sát nhập với Aavid Thermal Technologies, một tập đoàn chuyên về thiết bị và công nghệ nhiệt cho các hệ thống điện tử. Đây là một bước đột phá quan trọng cho cả hai công ty, sau đó cả hai công ty có những
37
bước phát triển nhanh chóng đến kinh ngạc. Sau đó, 5- 1996, Fluent đã mua lại công ty FDI, đây là công ty sở hữu phần mềm FIDAP, cũng là một phần mềm mạnh về CFD, đối thủ cạnh tranh lớn của Fluent. Năm 1997, Fluent tiếp tục giành thêm được Polyflow S.A là công ty sở hữu phần mềm POLYFLOW, chuyên tính toán dòng phẳng nhớt. Năm 2000, tập đoàn Aavid được mua lại bởi Willis Stein &
Partners – công ty đầu tư tài chính hàng đầu Hoa Kỳ. Từ đó đến nay, Fluent tiếp tục phát triển và duy trì vị trí hàng đầu về công nghệ phần mềm trên nền tảng CFD.
3.2 CẤU TRÚC CỦA BỘ PHẦN MỀM FLUENT Trong đó:
ắ Fluent: Bộ tớnh toỏn chính,
ắ Gambit: Tạo lưới 2D và 3D.
ắ Tgrid: Tạo lưới 3D từ lưới 2D.
ắ PrePDF: Bộ tiền xử lý cho tính toán quá trình cháy trong Fluent.
ắ Cỏc bộ giao tiếp chương trỡnh: Cho phộp trao đổi dữ liệu của Fluent với cỏc chương trình khác như ANSYS, NASTRAN…
3.3 KHẢ NĂNG CỦA FLUENT
Fluent có khả năng giải quyết các bài toán sau:
• Dòng 2D, 3D đối xứng.
• Dòng tĩnh hay dòng tức thời (phụ thuộc vào thời gian hay không)
• Dòng nén được hay không nén được ở mọi vận tốc (low subsonic, transonic, supersonic và hypersonic flows)
• Dòng nhớt, dòng tầng, dòng rối.
Hình 3. 1 Cấu trúc của bộ phần mền Fluent
38
• Chất lỏng Newton hay không Newton.
• Trao đổi nhiệt.
• Các đặc tính của phản ứng hỗn hợp hóa học, quá trình nổ, cháy…
• Dòng nhiều pha liên tục (lỏng-khí, lỏng –lỏng).
• Dòng gồm các pha liên tục trong một pha liên tục (lỏng – rắn).
• Mô hình lỗ hổng.
• Sự thay đổi pha: nóng chảy, đông đặc…
• Mô hình màng thấm, tấm lọc…
• Mô hình quạt, bơm, động cơ tuabin…
• Mô hình các tấm chuyển động.
• Mô hình số.
Ứng dụng của Fluent chính là ứng dụng của CFD hiện nay, bởi hiện nay Fluent chính là đại biểu ưu tú nhất của CFD trên phương diện tính toán.
3.4 ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ
CFD chỉ là thuật toán để giải các bài toán dựa trên lưới có sẵn chứ bản thân chương trình CFD không thể tạo lưới và trong CFD cũng không bao gồm thuật toán tạo lưới (mặc dù nó là một bước quan trọng của bài toán CFD bởi vì không tạo lưới thì CFD không thể tiến hành được). Thông thường, các chương trình CFD cần có một công cụ tạo lưới riêng, có thể tích hợp vào hoặc riêng rẽ.
Việc tạo lưới thực chất là quá trình xác định vị trí của các điểm sẽ tiến hành giải các phương trình cơ học chất lưu. Một bài toán có thể giải chính xác hay không phụ thuộc vào việc rời rạc hoá nó có phù hợp hay không. Việc phù hợp ở đây gồm:
Tạo số điểm chia hợp lý với từng yêu cầu bài toán, không bỏ sót tại các vùng nhạy cảm.
39 3.4.1 Yêu cầu chọn mô hình lưới
Để giải mỗi bài toán, ta cần xây dựng một lưới riêng. Vậy việc xây dựng lưới đó phụ thuộc vào các yếu tố sau:
a) Thời gian
Mỗi bài toán đều có giới hạn về thời gian, do vậy việc xây dựng lưới cũng phải căn cứ vào yêu cầu trên để thực hiện. Nếu thời gian cho phép là lớn thì có thể tiến hành tạo lưới lớn, số phần tử nhiều để tính toán. Tuy nhiên nếu thời gian bị hạn chế thì chỉ nên tạo các lưới có kích cỡ và số phần tử nhỏ. Thường thì, lưới có cấu trúc đòi hỏi thời gian xây dựng lâu hơn lưới không có cẩu trúc (do số đường và số mặt lớn hơn).
b) Chi phí tính toán
Đây là một vấn đề liên quan đến lưới. Các lưới đồ sộ luôn đòi hỏi cầu hình tính toán cũng như thời gian sử dụng lớn hơn. Do vậy, khi phác thảo một mô hình lưới cho bài toán ta phải tự xem xét khả năng của mình đến đâu. Nếu kích thước lưới là quá lớn so với khả năng tính toán hiện tại có thể dẫn đến không tính toán được.
c) Sự hội tụ số
Mỗi mô hình tính toán phải đảm bảo tính hội tụ. Tiêu chuẩn hội tụ được đánh giá qua một đại lượng gọi là chất lượng lưới. Chất lượng lưới được đánh giá thông qua các điều kiện sau:
i) Mật độ lưới
Khi rời rạc hoá một mô hình liên tục, giá trị các đại lượng được tính toán dựa trên phân bố các điểm lưới. Trong một vài trường hợp, mật độ phân bố các điểm lưới tại vùng quan trọng có thể dẫn tới thay đổi tính chất dòng chảy.
40
Thông thường trong các vùng có các đại lượng biến đổi mạnh đòi hỏi phải có sự phân bố các lưới thật dày, tuy nhiên điều này bị giới hạn bởi bộ nhớ của máy tính cũng như khả năng xử lý của CPU do vậy phải cân đối hai mặt này. Trong Fluent, sau khi nhập lưới có thể kiểm tra bằng cách: Grid / Memory Usage.
ii ) Độ mượt của lưới
Việc thay đổi hình dạng các phần tử lưói quá đột ngột có thể dẫn tớí những sai số lớn trong tính toán. Trong trường hợp này ta phải làm mượt lại lưới bằng cách chia nhỏ phần tử. Đặc biệt là các vùng là sẽ có hiện tượng muốn quan tâm sẽ diễn ra. Ví dụ: Sự thay đổi chiều dòng chảy sẽ đi qua một khu vực nào đó thì khu vực đó nên được làm mượt hơn các vùng khác.
iii) Hình dạng của lưới
Hình dạng các lưới không đồng đều, quá méo mó có thể dẫn đến sai số. Thông thường trong một dạng phần tử, việc đưa giá trị độ dài các cạnh và các góc càng gần nhau càng tốt. Ví dụ trong tứ giác các góc gần bằng 90o. Tỷ lệ các cạnh không vượt quá 1/5.
Các thông số về chất lượng lưới ở trên có thể được kiểm tra trong quá trình tạo lưới bằng cách dùng các công cụ kiểm tra của chương trình.
3.4.2 Cách tạo lưới
Thực tế của phương pháp thực hành là xác định sự biến đổi các giá trị tại các giao điểm (node), sự thay đổi môi trường chính là sự biến đổi tại các mắt lưới của mặt và đường mà ta đã tạo ra. Chính vì thế, việc tạo lưới đóng vai trò then chốt trong độ chính xác của kết quả thu được.
41