Báo cáo khoa học:
Những kết quả nghiên cứu bước đầu về ứng dụng phần mềm fluent trong tính toán dòng nhiều pha
Nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu b−íc ®Çu vÒ øng dông phÇn mÒm fluent trong tÝnh to¸n dßng nhiÒu pha Some results of the initial study on applying Fluent software in calculating multi phase flow
Hoàng §øc Liªn1, NguyÔn ThÞ Thanh Loan1
summary
This paper presents some results of the initial study on applying Fluent software in calculating hydro-aerodynamics. The application is used to solve the problem about the Numerical simulations of Metan burning in burning chamber. This has proclaimed that the calculation and simulation of kinetics parameters could be done entirely. From that, we can calculate to design quickly, accurately and effectively machines and hydro-aero equipments.
Keywords: Fluent software, hydro-aerodynamics, two phase flow
1. ®Æt vÊn ®Ò
Lý thuyÕt dßng phun rèi hai pha ®· giµnh ®−îc sù quan t©m nghiªn cøu cña nhiÒu nhµ khoa häc lín trªn thÕ giíi qua c¸c thêi ®¹i nh−: Abramovich, Elgobashi, Gavin, Gupta, Kolmogorov, Loisanski, Naumov, Reynolds, Shetz, Sligting, Schreiber… nh−ng tíi nay vÉn ch−a ®−îc nghiªn cøu mét c¸ch ®Çy ®ñ (Abramovich và céng sù, 1984). Tr−íc nh÷ng yªu cÇu ®ßi hái ngµy cµng cao cña khoa häc c«ng nghÖ hiÖn ®¹i trong c¸c ngµnh n«ng nghiÖp, n¨ng l−îng, c«ng nghiÖp thùc phÈm, c«ng nghiÖp ho¸ chÊt, vò trô vµ hµng kh«ng, cøu ho¶, m«i tr−êng, còng nh− c¸c lÜnh vùc kh¸c…nghiªn cøu vÒ dßng 2 pha nãi riªng, dßng ch¶y rèi nhiÒu pha ®−îc øng dông réng r·i trong nh÷ng thËp kû gÇn ®©y. HiÖn nay c¸c phÇn mÒm Phonatics, Flow 3D, Start CD Matlad, Ansys, Fluent ….®· vµ ®ang ®−îc sö dông trong thñy khÝ ®éng lùc häc (Joel H. Ferziger, Milovan PerÝc Springer, 1999), tuy nhiªn ®èi víi mçi phÇn mÒm ph¹m vi øng dông ®Ó ®¹t hiÖu qu¶ cao nhÊt chØ trong mét lÜnh vùc nhÊt ®Þnh nµo ®ã. ë n−íc ta, viÖc øng dông phÇn mÒm Fluent ®Ó gi¶i quyÕt c¸c bµi to¸n thñy khÝ ®éng lùc häc ch−a nhiÒu, tuy nhiªn ®· cã mét sè nhµ khoa häc ®· b¾t ®Çu nghiªn cøu, øng dông. PhÇn mÒm Fluent cã nhiÒu −u ®iÓm: ®−îc tÝnh to¸n dùa trªn c¬ së ph−¬ng ph¸p khèi h÷u h¹n; ThiÕt kÕ trªn 2D hoÆc 3D trªn phÇn mÒm Gambit , CAD, SOLID EDG, I-DEAS… cho phÐp gi¶i c¸c bµi to¸n trong thñy khÝ ®éng lùc häc nhanh gän, chÝnh x¸c, dÔ dµng vµ hiÖu qu¶ cao; KÕt qu¶ tÝnh to¸n ®−îc biÓu diÔn d−íi d¹ng ®å thÞ, hay biÓu diÔn d−íi d¹ng tr−êng biÕn ®æi nh−: tr−êng ¸p suÊt, vËn tèc...cho phÐp ph¶n ¸nh mét c¸ch ®Çy ®ñ h¬n b¶n chÊt cña c¸c hiÖn t−îng vËt lý, c¬ häc hay qu¸ tr×nh lµm viÖc thùc cña c¸c thiÕt bÞ; Tù ®éng hãa qu¸ tr×nh tÝnh to¸n tiÕt kiÖm ®−îc nhiÒu lao ®éng vµ thêi gian còng nh− kinh phÝ (NguyÔn ThÞ Thanh Loan, 2004). Trong ph¹m vi bµi viÕt nµy ®Ò cËp ®Õn nghiªn cøu øng dông phÇn mÒm Fluent trong tÝnh to¸n thñy khÝ ®éng lùc häc dßng nhiÒu pha.
2. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu 2.1. M« h×nh rèi vµ ®iÒu kiÖn biªn trong tÝnh to¸n nhiÒu pha
§Ó gi¶i c¸c bµi to¸n vÒ dßng hai pha th−êng sö dông c¸c m« h×nh rèi. §èi víi phÇn mÒm Fluent sö dông m« h×nh k - ε ®Ó gi¶i bµi to¸n thñy khÝ ®éng lùc häc (NguyÔn ThÞ Thanh Loan, 2004). C¸c ph−¬ng tr×nh m« h×nh k - ε cã d¹ng ElÝp do cã sù hiÖn diÖn cña biÓu thøc Gradient khuÕch
;0
0
=
=
− ε ∂ n ∂ k ∂ n ∂
t¸n (H.§. Liªn vµ N.T.Nam, 2000) vµ sö dông c¸c ®iÒu kiÖn biªn sau: + T¹i miÖng vµo: ph©n bè cña k vµ ε ph¶i ® îc cho tr−íc. + T¹i miÖng ra hay trôc ®èi xøng + Dßng ch¶y tù do: k = 0; ε = 0 + GÇn thµnh r¾n: phô thuéc vµo hÖ sè Reynolds
2.2. Ph−¬ng ph¸p sè sö dông trong phÇn mÒm Fluent TÝnh to¸n ®¬n
Ph−¬ng ph¸p tÝnh ®¬n lÎ tr−íc ®©y th−êng sö dông tÝnh to¸n trong Fluent 4. C¸ch tÝnh gÇn ®óng nµy ph−¬ng tr×nh ®−îc tÝnh to¸n liªn tôc (tõ ph−¬ng tr×nh nµy sang ph−¬ng tr×nh kh¸c). Bëi v× ph−¬ng tr×nh ë ®©y lµ kh«ng tuyÕn tÝnh (theo cÆp) tÝnh lÆp ®i lÆp l¹i cho ®Õn khi héi tô th× chÊp nhËn ®−îc. Nã ®−îc biÓu diÔn theo s¬ ®å sau:
NhËp chÝnh x¸c sè liÖu NhËp chÝnh x¸c sè liÖu
TÝnh to¸n c¸c ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng TÝnh to¸n c¸c ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng
Ph−¬ng tr×nh hiÖu chØnh ¸p suÊt (liªn tôc), Ph−¬ng tr×nh hiÖu chØnh ¸p suÊt (liªn tôc), nhËp: ¸p suÊt, tèc ®é dßng ch¶y nhËp: ¸p suÊt, tèc ®é dßng ch¶y
TÝnh to¸n ph−¬ng tr×nh n¨ng l−îng, rèi, vµ TÝnh to¸n ph−¬ng tr×nh n¨ng l−îng, rèi, vµ ph−¬ng tr×nh v« h−íng kh¸c. ph−¬ng tr×nh v« h−íng kh¸c.
KÕt thóc KÕt thóc Héi tô Héi tô Cã Cã Kh«ng
TÝnh to¸n theo ph−¬ng ph¸p lÆp
Ph−¬ng ph¸p lÆp th−êng sö dông trong thuËt to¸n RAMPANT. Sö dông c¸ch tÝnh gÇn ®óng cña ph−¬ng tr×nh liªn tôc ®éng l−îng, vµ (tÝnh xÊp xØ) n¨ng l−îng cïng víi chuyÓn ®æi h×nh th¸i (cÆp kh¸c nhau), thªm vµo ®ã lµ ph−¬ng tr×nh v« h−íng sÏ ®−îc tÝnh to¸n liªn tôc (tõ ®¹i l−îng ®¬n tÝnh sang mét ®¹i l−îng kh¸c, tiÕp ®ã tÝnh ®Õn ®¹i l−îng kÐp), phÇn tÝnh to¸n ®¬n ®· tr×nh bµy ë phÇn 1. Bëi v× ph−¬ng tr×nh nµy lµ kh«ng tuyÕn tÝnh (theo cÆp), c¸c b−íc tÝnh to¸n ®−îc lÆp l¹i cho ®Õn khi héi tô. Tr×nh tù tÝnh to¸n ®−îc tr×nh bµy theo s¬ ®å d−íi ®©y: NhËp chÝnh x¸c sè liÖu
TÝnh to¸n ph−¬ng tr×nh liªn tôc, ®éng l−îng, n¨ng l−îng, ®ång thêi d¹ng kh¸c cña c¸c ph−¬ng tr×nh
TÝnh to¸n sù phèi trén vµ ph−¬ng tr×nh v« h−íng kh¸c
Kh«ng Cã KÕt thóc Héi tô
3. KÕt qu¶ nghiªn cøu
Sau khi nghiªn cøu cÊu tróc phÇn mÒm Fluent, trªn c¬ së ®Þnh nghÜa c¸c phÇn tö thay thÕ ®Ó sö dông trong viÖc x©y dùng m« h×nh, ®· x©y dùng ®−îc c¸c b−íc gi¶i tæng qu¸t bµi to¸n thñy khÝ ®éng lùc häc trªn phÇn mÒm Fluent: B−íc 1: + VÏ h×nh 2D hoÆc 3D trªn c¸c phÇn mÒm: Solid- Edg, I-deas, gambit, Asyns… + T¹o l−íi trªn phÇn mÒm Gambit; + Chän c¸c ®iÒu kiÖn biªn. B−íc 2: §äc l−íi trªn phÇn mÒm Gambit, sau ®ã kiÓm tra ®é nh½n mÞn vµ chän tØ lÖ l−íi sao cho phï hîp l−íi. B−íc 3: Lùa chän m« h×nh tÝnh lµ thuËt to¸n Èn hay t−êng, tÝnh to¸n theo c¸c ph−¬ng thøc nµo, chän hÖ ph−¬ng tr×nh n¨ng l−îng. B−íc 4: Lùa chän chÊt láng lµ nÐn ®−îc hay kh«ng nÐn ®−îc; hay chÊt láng ®ång nhÊt hay kh«ng ®ång nhÊt. B−íc 5: TÝnh to¸n ®iÒu kiÖn biªn: KÝ hiÖu ®èi víi tõng ®o¹n èng, thµnh èng, ®Çu vµo vµ ®Çu ra cña ®èi t−îng nghiªn cøu, nhËp c¸c th«ng sè ®Çu vµo.
B−íc 6: TÝnh to¸n c¸c th«ng sè ®éng häc cña dßng hai pha t−¬ng øng víi gi¸ trÞ ban ®Çu. B−íc 7: Ch¹y s¬ bé kÕt qu¶: Sau khi ®· cã c¸c ®iÒu kiÖn ®Çu ch¹y s¬ bé kÕt qu¶ t−¬ng øng víi thuËt to¸n rêi r¹c hãa bËc nhÊt cho kÕt qu¶ tuy nhiªn ®é chÝnh x¸c ch−a cao.
B−íc 8: Kh¶ n¨ng rêi r¹c hãa bËc 2: Tõ kÕt qu¶ ®· ch¹y s¬ bé, b»ng thuËt to¸n rêi r¹c hãa ta kiÓm tra vµ tÝnh to¸n l¹i víi thuËt to¸n bËc hai tõ ®ã kiÓm tra héi tô vµ ®é chÝnh x¸c cña ®èi t−îng nghiªn cøu.
B−íc 9: KiÓm tra sù thÝch hîp cña l−íi: Sau cïng kiÓm tra xem víi c¸c th«ng sè ®éng häc ®· tÝnh l−íi ta chän chia cã phï hîp hay kh«ng t−¬ng øng víi sù biÕn ®æi cña c¸c th«ng sè ®éng häc.
øng dông c¸c b−íc gi¶i tæng qu¸t bµi to¸n thñy khÝ ®éng lùc häc trªn phÇn mÒm Fluent trong tr−êng hîp m« pháng ®èt ch¸y khÝ Metan trong buång ®èt Bµi to¸n ®−îc cho nh− h×nh vÏ gåm mét vßi nhá dÉn chÊt Metan víi vËn tèc cao lµ 80m/s, kh«ng khÝ ®−îc dÉn vµo víi vËn tèc thÊp 0,5 m/s, HÖ sè Reynold (Re = 28000) XÐt qu¸ tr×nh ch¸y cña khÝ Metan trong kh«ng khÝ :
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
Kh«ng khÝ: 0,5 m/s, 300 0K
Metan: 80 m/s, 300 0K
m 5 2 2 , 0
m 5 0 0 , 0
1,8 m
H×nh 1. M« h×nh ®èt ch¸y khÝ mª tan
C¸c b−íc gi¶i bµi to¸n t−¬ng tù nh− ®· tr×nh bµy ë trªn ®· cho mét sè kÕt qu¶ tÝnh to¸n nh−: Dù ®o¸n nhiÖt ®é biÕn ®æi khi n¨ng suÊt nhiÖt: 1000J/kg K; nhiÖt ®é trªn 3000 ®é K, Tr−êng hîp x¸c ®Þnh c¸c hÖ sè Cp nhiÖt ®é cña CO2 víi:
- Khèi l−îng ph©n tö: 44,00995 kg/kgmol; - Entanpi tiªu chuÈn: -3,935324. 108 J/kgmol; - Entropi tiªu chuÈn: 213715,9 J/kgmol-K; - NhiÖt ®é t¹i vïng nhá nhÊt: 300 0K; - NhiÖt ®é t¹i vïng lín nhÊt: 1000 0K. PhÇn mÒm sÏ tù tÝnh to¸n cho c¸c hÖ sè nhiÖt ®é t−¬ng øng:
Cp1= 429,9289; Cp2=1,874473; Cp3= - 0,001966485; Cp4=1,297251.10-6; Cp5=-3,999956.10-10 C¸c tr−êng hîp tÝnh CH4; N2; O2; vµ H2O lµm t−¬ng tù nh− vËy TÝnh to¸n víi sè phÇn tö lÆp lµ 500 phÇn tö
H×nh 2. KiÓm tra sù héi tô
Tõ h×nh trªn nhËn thÊy ë phÇn tö thø 300 th× c¸c th«ng sè vËn tèc theo hai trôc x, y n¨ng l−îng, c−êng ®é rèi, n¨ng l−îng rèi, vµ c¸c thµnh phÇn tham gia qu¸ tr×nh ch¸y b¾t ®Çu héi tô tøc lµ c¸c phÇn tö tiÕp ®ã phÇn tö sè 301 sÏ song song víi trôc hoµnh ®iÒu ®ã chøng tá qu¸ tr×nh lÆp ®· æn ®Þnh.
H×nh 3. Sù ph©n bè nhiÖt ®é tÜnh
Tõ h×nh 3 nhËn thÊy tuy kÕt qu¶ lµ sù tiªn ®o¸n nh−ng nã còng kh¸i qu¸t ®−îc tæng qu¸t vÒ sù ph©n bè nhiÖt ®é ch¸y: vïng cã nhiÖt ®é ch¸y cao nhÊt cã nhiÖt ®é lµ: 3 080 0K, nhiÖt ®é nhá nhÊt b»ng: 300 0K.
H×nh 4. BiÓu diÔn ®é lín cña vect¬ vËn tèc (m/s)
Tõ h×nh 4 nhËn thÊy vËn tèc ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt t¹i vÞ trÝ phun nhiªn liÖu vµo 82,6 m/s vµ vËn
tèc nhá nhÊt t¹i c¸c ®iÓm b¾t ®Çu cung cÊp nhiªn liÖu vµo phÝa trªn buång ®èt lµ 0,239 m/s
H×nh 5. BiÓu diÔn hµm dßng
4. KÕt luËn
Nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu b−íc ®Çu vÒ øng dông phÇn mÒm fluent trong tÝnh to¸n thuû khÝ ®éng lùc häc ®· cho thÊy c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn dßng ch¶y vµ c¸c thiÕt bÞ, m¸y thñy khÝ…, më ra mét triÓn väng lµ cã thÓ hoµn toµn tÝnh to¸n vµ m« pháng ®−îc c¸c th«ng sè ®éng häc tõ ®ã ®Ó tÝnh to¸n thiÕt kÕ c¸c m¸y vµ thiÕt bÞ thuû khÝ mét c¸ch nhanh chãng, chÝnh x¸c, hiÖu qu¶ vµ tèi −u. Tµi liÖu tham kh¶o NguyÔn Thanh Nam, Hoµng §øc Liªn, (2000). Ph−¬ng ph¸p khèi h÷u h¹n øng dông trong c¸c bµi to¸n thñy khÝ ®éng lùc häc, Nxb khoa häc kü thuËt, tr.28-104. TrÇn SÜ PhiÖt, Vò Duy Quang, (1979). Thñy khÝ ®éng lùc kü thuËt tËp I vµ tËp II, Nxb §¹i häc vµ Trung häc chuyªn nghiÖp, tr. 162-210 (tËp I); tr. 60 -102 (tËp II). T¹ V¨n §Ünh (2002). Ph−¬ng ph¸p sai ph©n vµ ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n, Nxb khoa häc kü thuËt, tr.103-180. NguyÔn ThÞ Thanh Loan (2004). Nghiªn cøu øng dông phÇn mÒm Fluent tÝnh to¸n mét sè th«ng sè ®éng häc hai dßng chÊt láng hçn hîp trong ®−êng èng. LuËn ¸n Th¹c sÜ kü thuËt.
G.N. Abramovich and et al, (1984). Theory of Turbulent Jet, Nauka, Moscow, Russian, pp. 36-67. Joel H. Ferziger, Milovan PerÝc Springer, (1999). Computational Methods for Fluid Dynamic, Berlin Hidelbery Germany, pp.76-138.
