BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THƠNG

----------

HỒ VĂN ỐNH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH
TỐN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT (Computational Fluid
Dynamics – CFD) TROGN CÁC BÀI TỐN KỸ THUẬT

Chun ngành: Đóng tàu

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS TRẦN GIA THÁI

NHA TRANG - NĂM 2012


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

Họ, tên SV: Hồ Văn Oánh

Lớp: 50DT-3

Chuyên ngành: Đóng Tàu

Mã ngành: 18.06.10

Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất

Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất
(Computational Fluid Dynamics – CFD) trong các bài toán kỹ thuật.
Số trang: …88..… Số chƣơng: …..4… Số tài liệu tham khảo:…….
Hiện vật: 2 bộ thuyết minh và 2 bộ đĩa CD.

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
Điểm phản biện: ..........................................................................................................

Nha Trang, ngày……tháng……năm 2012
CÁN BỘ PHẢN BIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên)
ĐIỂM CHUNG
Bằng số

Bằng chữ
Nha Trang, ngày……tháng……năm 2012
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM ƠN

Sau bao năm ngồi ghế nhà trƣờng, với những cố gắng rèn luyện học tập cùng
bạn bè. Trong đó có những niềm vui, nỗi buồn của cuộc đời sinh viên. Rồi những
khó khăn đó cũng qua đi nhờ sự lo lắng, động viên của cha mẹ, ngƣời thân, nhờ sự

1.1.1 Mục tiêu đề tài ……………………………………………………………3
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU………………………………………………….3
1.2.1

Ngồi nƣớc .......................................................................................... 3

1.2.2

Trong nƣớc .......................................................................................... 4

1.3

PHƢƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.......................................... 5

1.3.1

Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................... 5

1.3.1.1 Nghiên cứu lý thuyết ........................................................................ 5
1.3.1.2 Nghiên cứu thực hành....................................................................... 5
1.3.2

Nội dung nghiên cứu............................................................................ 6

Chƣơng 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐỘNG
LỰC HỌC LƢU CHẤT (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS – CFD)............. 7
2.1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CFD ............................................................................ 7


Phƣơng trình liên tục .......................................................................... 17

2.2.5

Phƣơng trình động lƣợng.................................................................... 20

2.2.6

Phƣơng trình năng lƣợng ................................................................... 23

2.2.7

Điều kiện biên .................................................................................... 27

2.3 CÁC PHƢƠNG TRÌNH ÁP DỤNG CHO MƠ PHỎNG DỊNG BẰNG
PHƢƠNG PHÁP SỐ. ........................................................................................................ 29
2.3.1

Các phƣơng trình liên tục và phƣơng trình động lƣợng ...................... 29

2.3.1.1 Phƣơng trình bảo tồn khối lƣợng ................................................... 30
2.3.1.2 Phƣơng trình bảo tồn động lƣợng .................................................. 30
2.3.2
Phƣơng trình vận chuyển vơ hƣớng do ngƣời dùng định ( User–
Defined Scalar UDS)....................................................................................... 31
2.3.2.1 Dòng một pha ................................................................................ 31
2.3.2.2 Dòng đa pha ................................................................................... 32
2.3.3

Các dòng nén đƣợc ............................................................................. 33

2.4.1.4 Điều kiện biên cho công thức hiệu chỉnh áp suất ............................ 41
2.4.2

Các thuật tốn dùng trong tính tốn. .................................................. 43

2.4.2.1 Thuật toán SIMPLE. ..................................................................... 43
2.4.2.2 Thuật toán Coupled .......................................................................... 44
2.5

TRÌNH TỰ GIẢI QUYẾT MỘT BÀI TỐN CFD ......................................... 46

2.5.1

Tiền xử lí (Pre-Processing) … ............................................................ 47

2.5.2

Xử lí (Processing) … ......................................................................... 47

2.5.3

Hậu xử lí (Post-Processing) ................................................................ 47

2.6

LỰA CHỌN PHẦN MỀM .................................................................................... 48

2.6.1 Chọn phần mềm GAMBIT cho việc chia lƣới ...................................... 48
2.6.2 Chọn phần mềm tính tốn ANSYS FLUENT ........................................ 48
Chƣơng 3 : VÍ DỤ ỨNG DỤNG : MƠ TẢ DỊNG CHẢY BAO NGỒI VỎ Ơ TƠ .49

3.2.4.3 Bƣớc 7 : Phép Giải. .......................................................................... 78
3.2.4.4 Bƣớc 8: Hậu Xử Lí. ......................................................................... 80
3.3

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ........................................................................................ 82

3.3.1

Đối với dòng ổn định ......................................................................... 83

3.3.2 Đối với dòng không ổn định ................................................................. 85
Chƣơng 4............................................................................................................... 86
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN ......................................................................... 86
4.1 Kết Luận. ....................................................................................................................... 86
4.2 Đề Xuất Ý Kiến........................................................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 88


1

LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các máy vi tính tốc độ cao, thì các phƣơng
pháp tính tốn số cũng ngày càng đƣợc quan tâm và đã đạt đƣợc những thành tựu
lớn trong nhiều lĩnh vực. Trong đó, thiết kế và tính tốn cho các bài tốn kỹ thuật đã
áp dụng thành cơng các phƣơng pháp số này và nhờ đó đã đạt đƣợc nhiều thành tựa
đáng kể. Việc tìm hiểu và nắm bắt các cơ sở lí thuyết cũng nhƣ ứng dụng các
phƣơng pháp số, cụ thể ở đây là tính tốn động lực học lƣu chất– CFD, là hết sức
cần thiết cho các ngành kỹ thuật nƣớc nhà.
Đƣợc sự phân công của bộ môn, trong thời gian từ ngày 22/03 đến 30/6/2012,
em đã thực hiện đề tài tốt nghiệp. Nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp tính tốn

tâm và gặp nhiều khó khăn trong q trình giải. Việc phân tích các thơng tin về cấu
trúc dịng chảy lƣu chất chính là vấn đề đang gặp nhiều khó khăn và cần đƣợc giải
quyết. Nhƣng hiện nay trong các bào tốn kỹ thuật cơng việc này cịn mang tính
chất lý thuyết, các phƣơng pháp thực hành để đƣa ra các kết quả thực nghiệm là
chƣa nhiều, đặc biệt là đối với nƣớc ta còn thiếu hụt về lý thuyết lẫn phƣơng pháp
thực nghiệm. Hầu nhƣ việc phân tích và thu về thơng tin cấu trúc dịng chảy lƣu
chất là từ các công việc đo đạc, kiểm tra thực nghiệm hoặc trong những nghiên cứu,
chƣa có một phƣơng pháp cụ thể nào.
Phƣơng pháp tính tốn động lực học lƣu chất ( Computational Fluid Dynamics
–CFD) ra đời đã giải quyết những khó khăn trên. Phƣơng pháp CFD là một kỹ thuật
dùng phƣơng pháp số kết hợp với công nghệ mơ phỏng trên máy tính để giải quyết
các vấn đề liên quan đến lƣu chất. Với CFD việc phân tích các thơng tin của những
dịng chảy phức tạp sẽ sâu hơn, bao gồm các chi tiết của dòng chảy nhƣ: vận tốc, áp
suất, chế độ chảy rối, nhiệt độ, mật độ… bên ngoài cũng nhƣ bên trong của những
vật phân tích, mơ phỏng. Từ những phân tích đúng về dòng chảy lƣu chất chúng ta
sẽ nhận đƣợc rất nhiều thơng tin mà ta mong muốn. Kết quả phân tích sẽ giúp các
nhà kỹ sƣ, thiết kế mơ phỏng dịng chảy trong các lĩnh vực công nghiệp nhƣ ô tô,
hàng khơng, hàng hải một cách chính xác để đƣa ra các dự báo có thể xảy ra và từ
đó giúp tính tốn và thiết kế tốt hơn. Có thể nói đây là một giải pháp tối ƣu giúp mơ
phỏng dịng chảy lƣu chất chính xác, nhanh chóng và có khả năng ứng dụng rộng
rãi trong tất cả các lĩnh vực nhƣ kỹ thuật, đời sống dân sinh… và vì vậy trong đề tài
này chúng ta sẽ tìm hiểu về CFD để có thể hiểu rõ hơn về khả năng thực dụng của
nó.


3

1.1.1 Mục tiêu đề tài
Nhƣ cái tên của đề tài thì mục tiêu của đề tài chính là nghiên cứu ứng dụng
tính tốn động lực học lƣu chất (Computational Fluid Dynamics –CFD) trong các


4

Ngay từ những năm 1960 kỹ thuật CFD đã đƣợc đƣa vào ứng dụng trong việc
thiết kế, nghiên cứu và phát triển, chế tạo máy bay và các động cơ phản lực trong
ngành công nghiệp hàng không. Ngày nay, kỹ thuật CFD đã đƣợc ứng dụng hết sức
rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực, trong đó có việc thiết kế, tối ƣu hóa kết cấu vỏ
tàu trong ngành đóng tàu.

1.2.2 Trong nƣớc
Hiện nay phƣớng pháp tính tốn động lực học chất lƣu là một lĩnh vực còn rất trẻ
đối với nƣớc ta. Hầu nhƣ lĩnh vực này chỉ đƣợc quan tâm ở mức độ chƣa chuyên
sâu, và chỉ có một số trƣờng giảng dạy về lĩnh vực khoa học này nhƣ và hầu nhƣ tập
trung vào lĩnh vực hành khơng động lực học. Cịn các lĩnh vực khác thì hầu nhƣ
chƣa đƣợc ứng dụng.
Hiện nay những trƣờng nổi tiếng nhƣ Học Viện Kĩ Thuật Quân Sự, đại học Bách
Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh mới có giảng dạy về lĩnh vực này. Và họ cũng đã tạo
điều kiện cho các sinh viên có kiến thức chuyên sâu sang một số nƣớc nhƣ Nga,
Mỹ .. để nghiên cứu về lĩnh vực này.
Vấn đề về tài liệu cũng là một thực trạng của CFD hiện nay. Hầu nhƣ tài
liệu về CFD bằng tiếng Việt là chƣa có, mà chủ yếu là tiếng Anh và Nga. Đây là
một những thực trạng hạn chế việc phát triển của CFD nƣớc nhà.
Và ở nƣớc ta hiện nay, khi một nền kinh tế đang trên đà phát triển mạnh mẽ, nền
khoa học nƣớc nhà đang có nhiều thành cơng nở rộ trên cả các phƣơng diện lý
thuyết, thực hành và ứng dụng. Một khi chính sách đầu tƣ phát triển để mua công
nghệ hiện đại dần nghiên cứu để có thể sử dụng, bảo dƣỡng và tiến tới sản xuất từng
bộ phần hoặc toàn phần các thiết bị thì CFD khơng thể khơng xuất hiện nhƣ một thủ
lĩnh trong giai đoạn này. Vì thế, bây giờ, xu thế của CFD ở Việt Nam đang rất tiềm
năng. Trong những năm tới, CFD sẽ là ngƣời cầm trịch trong các dự án lớn của nhà
nƣớc trong các lĩnh vực quốc phòng, vũ trụ, thiết bị máy quân sự và dân dụng, y tế,

Nghiên cứu thực hành

Dựa trên những lý thuyết đó ta sử dụng các phần mềm mơ phỏng để tính tốn các
vấn đề liên quan tới lƣu chất. Nghiên cứu thực hành là tiến hành mơ phỏng các bài
tốn kỹ thuật từ đó đƣa ra các kết quả và so sánh với thực nghiệm xem có phù hợp
hay khơng. Việc mơ phỏng bài tốn bằng các phần mềm có mục đích là đƣa ra các
kết quả tính tốn. Sau khi tính tốn thì ta phải biết phân tích kết quả. Muốn thực
hiện đƣợc việc này trƣớc hết ta phải xác định rõ lĩnh vực tính tốn mà ta quan tâm,
mục đích tính tốn là gì? Tính tốn về sức cản, về đặc tính độ bền hay tối ƣu hóa
đƣờng hình của vật thể, phải xác định đƣợc mục đích rõ ràng thì việc xử lí và
phân tích kết quả mới có hiệu quả. Phân tích kết quả nghĩa là sau khi dùng phần
mềm tính tốn ta sẽ thấy đƣợc những kết quả mà phần mềm mang lại. Từ những


6

kết quả đó ta xét xem nó có đúng với thực tiễn hay khơng, có phải là kết quả tốt
nhất hay chƣa? Và từ việc phân tích kết quả đó nếu hợp lí thì ta lựa chọn mơ hình
đã dùng, cịn nếu khơng phù hợp ta phải tính tốn lại cho một dạng mơ hình khác
bằng cách đúc rút kinh nghiệm từ việc phân tích kết quả.
1.3.2 Nội dung nghiên cứu
Nội dung đề tài này khơng có ý định trình bày về nội dung kỹ thuật cao cấp của
CFD. Những kỹ thuật cao trong CFD có thế đƣợc viết trong một tài liệu rộng rãi
hơn hay là trong những tài liệu báo cáo kỹ thuật. Đề tài này cũng không phải là
nguồn tài liệu đầy đủ cho các thao tác trong CFD, đúng hơn, nội dung của đề tài này
là cung cấp cho ngƣời đọc những kiến thức cơ bản, những giới thiệu ngắn gọn về
CFD để tạo cơ sở ban đầu và từ những kiến thức này ngƣời đọc ngày càng hiểu sâu
hơn về trƣờng chất lỏng. Nội dung của bài viết dùng cho sinh viên mới tìm hiểu về
động học chất lỏng và các khái niệm, đƣa tới cho sinh viên những kiến thức cơ bản
cũng nhƣ những nguồn cảm hứng và động lực giúp họ đi sâu hơn trong ngành kỹ

và hoặc thời gian để nhận đƣợc sự mô tả số cuối cùng của trƣờng dòng chảy đầy đủ
cần quan tâm.


8

2.1.2 Vai trò và ứng của CFD trong việc giải các bài tốn tốn kỹ thuật nói
chung và kỹ thuật tàu thủy nói riêng
2.1.2.1

Vai trị của CFD

Vai trị của CFD trong dự báo kĩ thuật công nghiệp đã trở nên mạnh đến mức ngày
nay nó đƣợc nhìn nhận nhƣ “phƣơng pháp thứ ba” trong động lực học chất lỏng,
cùng với hai phƣơng pháp cổ điển khác là lý thuyết thuần túy và thực nghiệm
thuần túy. Từ năm 1687, với sự cơng bố Ngun lí cơ bản của Isaac Newton cho
tới giữa những năm 1960, những tiến bộ về cơ học chất lỏng đƣợc thực hiện bằng
cách kết hợp với các thực nghiệm tiên phong và phân tích lý thuyết cơ bản những phân tích mà hầu nhƣ ln u cầu sử dụng những mơ hình dịng đơn giản
để nhận đƣợc lời giải dạng khép kín của các phƣơng trình chủ đạo. Những lời giải
dạng khép kín có lợi thế nổi bật là đồng nhất ngay lập tức một vài tham số cơ bản
của bài toán đã cho, và thể hiện rõ câu trả lời cho những bài toán bị ảnh hƣởng bởi
sự biến đổi các tham số nhƣ thế nào. Tuy nhiên chúng có bất lợi là khơng đƣa ra
đƣợc mọi q trình vật lý cần thiết của dịng. Với khả năng kiểm sốt các phƣơng
trình chủ đạo ở dạng chính xác cùng với việc xem xét các hiện tƣợng vật lý chi
tiết nhƣ phản ứng hóa học ở mức độ hạn chế, CFD nhanh chóng trở thành một
cơng cụ phổ biến trong phân tích kỹ nghệ. Ngày nay, CFD hỗ trợ và bổ sung cả
thực nghiệm thuần túy lần lý thuyết thuần túy, trong quan điểm của các nhà
nghiên cứu, CFD sẽ vẫn đƣợc coi là phƣơng pháp thứ ba trong động lực chất lƣu,
có dáng vóc và tầm quan trọng nhƣ nhau đối với thực nghiệm và lý thuyết. Nó có
một vị trí cố định trong tất cả các khía cạnh của động lực học chất lƣu, từ nghiên

phạm vi ứng dụng của CFD, dƣới đây ta có thể liệt kê những lĩnh vực mà CFD
đóng vai trị nhƣ một cơng cụ hữu hiệu khơng thể thiếu để nghiên cứu, ứng dụng,
cũng nhƣ phát triển chung lên cấp độ công nghiệp, mang lại nhiều thành tựu rực
rỡ nhất. Đó là:
Cơ học chất lƣu và thủy khí động lực học;
Vật liệu học và sức bền vật liệu;
Công nghiệp chế tạo máy, đóng tàu;
Năng lƣợng ngun tử;
Cơng nghiệp ô tô, máy bay;
Công nghệ composite;
Xây dựng;


10

Cơng nghiệp dầu khí;
Ống dẫn;
Va chạm và phá hủy;
Y học;
Sinh học;
Khí tƣợng thủy văn;
.......
Với những ứng dụng to lớn và hiệu quả kinh tế mà CFD mang lại, ngày nay
các cơng ty đóng tàu lớn trên thế giới (Hyundai, Samsung...) đã đƣa CFD vào trong
chƣơng trình nghiên cứu và ứng dụng để mơ phỏng, tính tốn trƣờng chất lỏng bao
quanh thân tàu để nâng cao chất lƣợng thiết kế vỏ tàu, kết cấu thân tàu, thiết kế
chân vịt, tính tốn thủy động lực học chân vịt, thiết kế các hệ thống bơm, ....

Một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ CFD thu đƣợc nhiều thành tựu lớn ngày
nay:

• Mơ phỏng chuyển động của dầu và khí trong
các ống dẫn;
• Mơ phỏng hoạt động của các trạm bơm;
• Xác định các đặc tính thủy lực;
• Dịng chảy với tạp chất.


12

Xây dựng
• Tính tốn phụ tải gió lên nhà cửa và các phần
tử kết cấu;
• Mơ phỏng họat động của đê kè và các cơng
trình che chắn;
• Thơng gió và điều hịa trong các cơng trình;
• Dịng chảy trong các ống dẫn.

Kĩ thuật tàu thủy

• Mơ phỏng dịng chảy xung quanh tàu
• Mơ phỏng hoạt động của vùng rối phía
sau chân vịt
• Tính tốn sức cản và tối ƣu hóa đƣờng
hình…


13

2.2



Với một lƣu chất liên tục ta có thể chọn 1 trong 2 mơ hình sau để mơ hình hóa
dịng:
2.2.2.1 Thể tích kiểm sốt hữu hạn (quan điểm Euler)
Xét một thể tích khép kín trong một khu vực hữu hạn của dịng. Thể tích này
xác định một thể tích kiểm sốt V và một bề mặt kiểm sốt S. Thể tích kiểm soát


14

này có thể cố định trong khơng gian với chất lƣu chuyển động vịng qua nó hoặc
chuyển động cùng với chất lƣu, sao cho những hạt chất lỏng cùng nhau ln ở
trong nó.

a

b

Hình 2.1: Thể tích kiểm sốt hữu hạn
Thể tích kiểm sốt là một vùng đủ lớn, hữu hạn của dòng. Những nguyên lý vật lý
cơ bản đƣợc áp dụng cho lƣu chất nằm trong thể tích kiểm sốt, và với lƣu chất
cắt qua bề mặt kiểm soát (nếu thể tích kiểm sốt cố định trong khơng gian). Thay
vì xem xét tồn bộ trƣờng dịng một lúc, với mơ hình thể tích kiểm sốt chúng ta
giới hạn sự chú ý chỉ với lƣu chất trong vùng hữu hạn của chính thể tích đó.
Những phƣơng trình tích phân hoặc đạo hàm riêng nhận đƣợc từ thể tích kiểm
sốt hữu hạn cố định trong khơng đƣợc gọi là dạng bảo tồn của những phƣơng
trình chủ đạo. Cịn đối với thể tích kiểm soát hữu hạn chuyển động cùng với chất
lƣu đƣợc gọi là dạng khơng bảo tồn của những phƣơng trình chủ đạo.
2.2.2.2


16

Hình 2.3 Phần tử chất lỏng chuyển động trong trƣờng dịng.
Trƣờng vector vận tốc trong khơng gian Descartes:

 
ui vj wk


V

trong đó những thành phần x, y và z của vận tốc đã cho tƣơng ứng với
u u x, y, z, t

v v x, y, z, t
w w x, y, z, t

Trƣờng mật độ vô hƣớng cho bằng:
x, y, z, t

Tại thời gian t1, phần tử chất lỏng đƣợc định vị tại điểm 1 trong hình 2.3. Tại điểm
này và thời gian này, mật độ của phần tử chất lỏng là:
1

1

x1 , y1 , z1 , t1

vào thời gian t2 về sau, phần tử chất lỏng đó đã di chuyển đến điểm 2 trong hình 2.3.
Mật độ của phần tử chất lỏng này là:

z2

z1

1

t

t 2 t1
1

Chia cho (t2-t1) và bỏ đi các số hạng bậc cao chúng ta nhận đƣợc
2

t 2 t1

1

x

1

x2 x1
t 2 t1

y

1

y2 y1

Dt

Dρ/Dt là ký hiệu suất biến đổi mật độ của phần tử chất lỏng ở thời gian tức thời khi
nó di chuyển qua điểm 1, đƣợc gọi là đạo hàm thực D/Dt. Chú ý rằng (Dρ/Dt) là
suất biến đổi mật độ theo thời gian của phần tử chất lỏng đã cho khi nó di chuyển
qua khơng gian. Khác với (Dρ/Dt),(∂ρ/∂t) là suất biến đổi theo thời gian của mật độ
của chất lỏng tại điểm cố định 1.
D
Dt

V

t


V

2.2)

: là suất biến đổi theo thời gian của thể tích của một phần tử chất lỏng chuyển

động trên một đơn vị thể tích.

V

1 d( V )
V dt

(2.3)