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


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


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

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

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

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.
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


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
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,

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.


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.
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

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

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


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.

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

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.


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