NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THÁI PHƯỚC Lớp: 50DT-1
Ngành: Đóng Tàu Thủy Mã ngành: 102
Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất
(Computational Fluid Dynamics – CFD) trong các bài toán kĩ thuật.
Số trang: 79 Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 9
Hiện vật: 1 bản thuyết minh, 1 CD.
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN.
Kết luận: Nha Trang, ngày tháng năm 2012
Cán bộ hướng dẫn.
PGS. TS Trần Gia Thái PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2
1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 2
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 3
1.2.1 Tình hình ngoài nước 3
1.2.2 Tình hình trong nước 4
1.3 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4
1.3.1 Mục tiêu 4
1.3.2 Nội dung 4
1.3.3 Phương pháp 5
Chương 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC
HỌC LƯU CHẤT - CFD 6
2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CFD 6
2.1.1 CFD là gì 6
2.1.2 Vai trò và ý nghĩa của CFD trong giải các bài toán kỹ thuật nói chung và
kỹ thuật tàu thủy nói riêng 6
2.2 NHỮNG PHƯƠNG TRÌNH CHỦ ĐẠO CỦA PHƯƠNG PHÁP CFD 10
2.2.1 Mở đầu 10
2.2.2 Mô hình hóa dòng 10
2.2.2.1 Thể tích kiểm soát hữu hạn (quan điểm Euler) 10
2.2.2.2 Phần tử chất lưu vô cùng bé (quan điểm Lagrange) 11
2.2.3 Đạo hàm vật chất 12
2.2.4 Phương trình liên tục 15
2.2.5 Phương trình động lượng 18
2.2.6 Phương trình năng lượng 21
2.2.7 Điều kiện biên 24
2.3 RỜI RẠC VÀ LƯỚI 28
ii

2.3.1 Rời rạc 28

3.1.2.5 Phân tích kết quả 53
3.2 BÀI TOÁN “HỘP DI CHUYỂN TRÊN NƯỚC” 63
3.2.1 Mô tả bài toán 63
3.2.1.1 Nội dung bài toán 63
3.2.1.2 Số liệu đầu vào 64
3.2.1.3 Số liệu đầu ra 64
3.2.2 Trình tự tính toán 64
3.2.2.1 Các thông số cơ bản 64
3.2.2.2 Phương trình chủ đạo 65
3.2.2.3 Mô hình rối 65
3.2.2.4 Phương pháp VOF 65
3.2.2.5 Lưới 66
3.2.2.6 Hội tụ bài giải 66
3.2.2.7 Phân tích kết quả 67
3.2.3 Phát triển bài toán hộp di chuyển trên nước thành bài toán thuyền di
chuyển trên nước 69
3.2.3.1 Mô tả bài toán 69
3.2.3.2 Lưới 70
3.2.3.3 Hội tụ bài giải 74
3.2.3.4 Phân tích kết quả 74
Chương 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 79
4.1 KẾT LUẬN 79
4.2 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 79
PHỤ LỤC 80
Phụ lục 1 TẠO LƯỚI VÀ THIẾT LẬP BÀI GIẢI CHO BÀI TOÁN “VÁCH
NGĂN VỠ” 80
P1.1 Tạo hình học cho mô hình 80
P1.2 Chia lưới 80
P1.3 Thiết lập và giải trong ANSYS FLUENT 82
iv

Trong quá trình thực hiện đề tài, do tài liệu và kiến thức còn hạn hẹp nên không
thể tránh khỏi những sai sót. Kính mong quý thầy cô xem xét và bổ sung, góp ý để
đề tài có thể hoàn chỉnh hơn.
Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Gia Thái, các thầy cô của khoa Kỹ Thuật
Giao Thông, trường Đại học Nha Trang cùng gia đình và bạn bè đã giúp đỡ cho
chúng tôi hoàn thành đề tài này.
Nha Trang, ngày 09 tháng 7 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thái Phước
2

Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Như đã biết dòng chảy lưu chất chuyển động đóng một vai trò quan trọng
trong đa số các bài toán kĩ thuật, chẳng hạn như dòng không khí bao quanh máy bay,
gió thổi qua các công trình xây dựng, sự lưu thông và truyền nhiệt của dòng lưu
chất trong các hệ thống làm mát, dòng nước trong các công trình thủy lợi, dòng
nước và không khí bao quanh thân tàu thủy,… Việc nắm được các đặc tính dòng
chảy, sự biến thiên của các đại lượng thuộc tính của dòng lưu chất sẽ giúp người kĩ
sư có các nhìn toàn diện về sự vận động của dòng, từ có có thể tính toán, tối ưu hóa
thiết kế các thiết bị, phương tiện nhằm đạt được hiệu quả làm việc cao nhất. Trong
thực tế thông tin về cấu trúc dòng chảy có thể thu được từ đo đạc, kiểm tra thực
nghiệm hoặc trong tính toán lí thuyết. Những phương pháp này cung cấp những
thông tin quan trọng, nhưng vẫn còn giới hạn bởi chưa đánh giá được hết các đặc
tính dòng, mất khá nhiều công sức, thời gian và tiền bạc. Sử dụng phương pháp tính
toán động lực học chất lưu (Computational Fluid Dynamics – mà sau đây ta gọi tắt
là CFD) cho khả năng đánh giá tốt hơn, cung cấp những phân tích, đánh giá sâu hơn
đối với các dòng chảy phức tạp, bao gồm các thuộc tính dòng như vận tốc, áp suất,
chế độ chảy rối, nhiệt độ, nồng độ… bên ngoài cũng như bên trong vật thể phân tích,

phương trình đạo hàm riêng và sau đó là những dạng lưới phức tạp hơn như lưới
cấu trúc-lưới không cấu trúc, lưới lục diện-lưới tứ diện… nhằm có được lưới khớp
tốt nhất với các biên dạng hình học phức tạp mà vẫn đạt được tốc độ tính toán
nhanh nhất có thể.
Ngày nay, CFD được ứng dụng rộng rãi vào các ngành khoa học tiên tiến và
công nghệ cao cũng như các ngành khoa học phục vụ dân sinh. Chẳng hạn, CFD
được ứng dụng mô phỏng về chuyển động của tàu vũ trụ với vận tốc siêu thanh và
dòng chảy bao cũng như các yếu tố khí động tác dụng lên các vật thể bay nói chung.
Ngoài ứng dụng trong các ngành kỹ thuật, CFD còn được ứng dụng rộng rãi trong
các ngành khác như sinh học, y tế, khí tượng,… Chẳng hạn, CFD được ứng dụng
vào ngành đại dương học để mô phỏng các quy luật của dòng biển nóng, lạnh và tác
4

động của chúng lên khí hậu toàn cầu, Trong y tế, CFD được sử dụng để mô phỏng
quá trình hoàn lưu máu ở hai vòng tuần hoàn, ảnh hưởng của các yếu tố bên trong,
bên ngoài lên nhịp đập cũng như sức khỏe của nội tạng nói riêng và toàn bộ cơ thể
nói chung Thật khó có thể kể hết phạm vi ứng dụng của CFD mà các nước đã đạt
được.
Đặt biệt, với những ứng dụng to lớn và hiệu quả kinh tế mà CFD mang lại, ngày
nay các công ty đóng tàu lớn trên thế giới cũng đã đưa CFD vào trong chương trình
nghiên cứu và ứng dụng để mô phỏng, tính toán trường chất lỏng bao quanh thân
tàu để nâng cao chất lượng thiết kế vỏ tàu, tối ưu hóa đường hình, thiết kế chân vịt,
tính toán thủy động lực học chân vịt, thiết kế các hệ thống bơm,
1.2.2 Tình hình trong nước
CFD đã được nghiên cứu từ lâu trên thế giới và đã đi vào ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khoa học, quân sự lẫn dân sự. Trong khi đó nước ta vẫn chỉ ở mức độ
tiếp xúc với những vấn đề cơ bản, và chỉ hạn hẹp trong một số lĩnh vực mà chưa có
nhiều tài liệu nghiên cứu sâu, cũng như phổ biến học tập. Hiện tại CFD chỉ được
nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực quân sự, tính toán khí động học máy bay…
các lĩnh vực khác vẫn chưa được ứng dụng nhiều. Do sự hạn hẹp về nghiên cứu lẫn

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CFD
2.1.1 CFD là gì
Tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics–CFD) 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 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 được ứng dụng.
Những yếu tố vật lí của bất kỳ một dòng chất lưu nào đều được kiểm soát bởi
ba nguyên lý cơ bản:
1. Bảo toàn khối lượng.
2. F = ma (định luật 2 Newton).
3. Bảo toàn năng lượng.
Những nguyên lý cơ bản này có thể biểu thị dưới dạng các số hạng của phương
trình toán học, mà dạng tổng quát nhất của chúng là những phương trình đạo hàm
riêng. Tính toán động lực học chất lưu là thuật toán thay thế những phương trình
đạo hàm riêng chủ đạo của dòng lưu chất bằng rời rạc số và đưa những rời rạc số
này vào không gian và/hoặc thời gian để nhận được sự mô tả số đầy đủ cho trường
dòng đang xét.
2.1.2 Vai trò và ý nghĩa của CFD trong giải các bài toán kỹ thuật nói chung và
kỹ thuật tàu thủy nói riêng
7

Ngày nay CFD đã phát triển hết sức mạnh mẽ, được ứng dụng trong hầu hết các
lĩnh vực. Khó có thể kế hết những ứng dụng đó, nhưng nhìn chung trong các ngành
kỹ thuật thì CFD có những ứng dụng như sau:
 Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ
- Mô phỏng dòng bao các phương tiện bay, biên dạng cánh trong dòng

 Năng lượng
- Mô phỏng quá trình diễn ra trong các kết cấu tua-bin khí.
- Các bài toán trao đổi nhiệt liên hợp…
 Năng lượng nguyên tử
9

- Đảm bảo độ tin cậy và an toàn sử dụng các trang thiết bị nhiệt điện
khi tăng công suất các cụm phát điện của nhà máy điện hạt nhân…
 Ngành công nghiệp tàu thủy
- Mô phỏng quá trình sinh sóng trên mặt thoáng khi tàu di chuyển trên
mặt nước.
- Mô phỏng trạng thái dòng bao, hiện tượng tạo bọt khí của chân vịt khi
hoạt động.
- Tinh toán sức cản, tối ưu hóa đường hình tàu thủy…

Hình 2.4 Mô phỏng quá trình sinh sóng khi tàu di chuyển (a) phương pháp bể thử
(b) phương pháp CFD.

Hình 2.5 Mô phỏng hiện tượng tạo bọt khí của chân vịt (a) phương pháp CFD (b)
phương pháp thực nghiệm.
10

2.2 NHỮNG PHƯƠNG TRÌNH CHỦ ĐẠO CỦA PHƯƠNG PHÁP CFD
2.2.1 Mở đầu
Nền tảng của CFD là những phương trình chủ đạo cơ bản của động lực học
chất lưu:
 Phương trình liên tục.
 Phương trình động lượng.
 Phương trình năng lượng.
Chúng là những phát biểu toán học của ba nguyên lý vật lý cơ bản mà toàn bộ cở sở

hoặc đạo hàm riêng nhận được từ thể tích kiểm soát hữu hạn cố định trong không
được gọi là dạng bảo toàn của những phương trình chủ đạo. Còn đối với thể tích
kiểm soát hữu hạn chuyển động cùng với chất lưu được gọi là dạng không bảo toàn
của những phương trình chủ đạo.
2.2.2.2 Phần tử chất lưu vô cùng bé (quan điểm Lagrange)
Xét một phần tử chất lưu vô cùng bé trong dòng, với một thể tích vi phân dV, đủ
lớn để chứa một số khổng lồ những phần tử để có thể xem như một môi trường liên
12

tục. Phần tử chất lưu có thể cố định hoặc chuyển động dọc theo dòng chảy với
vector vận tốc
V

bằng vận tốc dòng tại mỗi điểm.

Hình 2.7 Phần tử chất lưu vô cùng bé.
Thay vì xét toàn dòng cùng một lúc, những nguyên lý vật lý cơ bản chỉ áp dụng cho
chính phần tử chất lưu. Những phương trình vi phân đạo từng phần riêng nhận trực
tiếp từ phần tử chất lưu cố định trong không gian là dạng bảo toàn của các phương
trình. Những phương trình nhận được trực tiếp từ phần tử chất lưu chuyển động là
dạng không bảo toàn của các phương trình chủ đạo.
2.2.3 Đạo hàm vật chất
Đạo hàm vật chất (substantial/material derivative) D/dt biểu diễn suất biến đổi
theo thời gian của các thuộc tính lưu chất của một phần tử lưu chất khi nó di chuyển
trong trường lưu chất.
Theo mô hình hóa dòng, xét sự chuyển động của phần tử chất lưu vô cùng bé
chuyển động cùng với dòng theo hình 2.8.
13
1
,

phần tử chất lưu được định vị tại điểm 1 trong hình 2.8. Tại điểm
này và thời gian này, mật độ của phần tử chất lưu là:



111111
,,, tzyx



vào thời gian t
2
về sau, phần tử chất lưu đó đã di chuyển đến điểm 2 trong hình 2.8.
Mật độ của phần tử chất lưu này là:
14



222222
,,, tzyx



Khai triển theo chuỗi Taylor hàm ρ = ρ(x, y, z, t) quanh điểm 1:
       
12
1




























Chia cho (t
2
-t
































Về mặt vật lý đây là suất biến đổi mật độ trung bình thời gian của phần tử chất lưu
khi nó di chuyển từ điểm 1 tới điểm 2. Trong giới hạn, khi t
2
tiến đến t
1
số hạng này
trở thành:
Dt
D
tt
tt













12
12
12
lim

Dρ/Dt là ký hiệu suất biến đổi mật độ của phần tử chất lưu ở thời gian tức thời khi



(2.3)
15

Dρ/Dt và dρ/dt là như nhau. Bởi vậy, đạo hàm vật chất không khác gì đạo hàm toàn
phần theo thời gian. Tuy nhiên, đạo hàm vật chất mang tính chất vật lí còn đạo hàm
toàn phần theo thời gian thì thiên về ý nghĩa toán học.
2.2.4 Phương trình liên tục
- Xét mô hình thể tích kiểm soát hữu hạn cố định trong không gian so với dòng.
Thể tích là cố định và được giới hạn bởi mặt kiểm soát mà trên đó vận tốc dòng là V,
diện tích bề mặt phần tử vector là dS. Gọi dV là thể tích phần tử trong thể tích kiểm
soát hữu hạn. Áp dụng nguyên lý bảo toàn khối lượng.

* Xét B: Dòng khối lượng của chất lưu chuyển động qua bề mặt cố định bất kì
(kg/s) = (mật độ) × (diện tích bề mặt) × (thành phần vận tốc thẳng góc với bề mặt).
Do đó dòng khối lượng phần tử qua vùng dS là
dSVdSV
n
.


(2.5)

Hình 2.9 Thể tích kiểm soát hữu hạn cố định trong không gian.
B trở thành một tích phân mặt
B


Suất tăng khối lượng theo thời gian trong V là





V
dV
t

(2.7)
Suất tăng khối lượng theo thời gian =
 
dzdydx
t



(2.8)
Dòng khối lượng tổng thể ra khỏi phần tử phải bằng với suất giảm của khối lượng
bên trong. Giảm khối lượng kí hiệu là các đại lượng âm trong phương trình (2.7) và
(2.8)














0

















dzdydx
z
w
y
v
x

Theo nguyên lý bảo toàn khối lượng



0
Dt
mD

(2.12)
Kết hợp phương trình (2.11) và phương trình (2.12), chúng ta được




0
Dt
VD
Dt
D
V
Dt
VD






Hay


Phương trình (2.14) là dạng phương trình liên tục trong dạng không bảo toàn
- Chúng ta cũng có thể đưa phương trình liên tục ở dạng bảo toàn về dạng không
bảo toàn và ngược lại bằng cách xét đồng nhất vector bao gồm sự phân kỳ của tích
vô hướng vector theo thời gian



 VVV
(2.15)
Thay phương trình (2.15) vào phương trình liên tục dạng bảo toàn
0 









VV
t


(2.16)
Biểu thức trong ngoặc là đạo hàm vật chất của mật độ. Do đó, phương trình (2.16)
trở thành
0. 



(1) Lực khối: tác động trực tiếp lên khối lượng thể tích của phần tử chất lưu.
Lực khối tác động lên phần tử chất lưu theo hướng x:

 
dzdydxf
x

(2.19)
19

(2) Lực mặt: tác động trực tiếp lên bề mặt phần tử chất lưu.
Lực mặt tổng hợp trong hướng x:
dydxdz
z
dzdxdy
y
dzdydx
x
dzdydx
x
p
pp
zx
zx
zxyx
yx
yx
xx
xx
xx





















































(2.21)
Xét vế phải của phương trình(2.18). Khối lượng của phần tử chất lưu cố định
m = ρdxdydz (2.22)
Cũng như vậy, gia tốc của phần tử chất lưu là suất biến đổi theo thời gian của vận
tốc của nó
Dt
Du
a
x



(2.24a)
Tương tự, những thành phần y và z
y
zyyyxy
f
zyxy
p
Dt
Dv


















(2.24b)



 
x
zx
yx
xx
f
zyxx
p
uV
t
u


























.
(2.25b)