zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Cơ khí - Chế tạo máy

Nghiên cứu tính toán hệ số cản khí động bằng Ansys Fluent

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

115
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần mềm Ansys Fluent được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu tính toán hệ số cản khí động trên ô tô. Độ chính xác của kết quả mô phỏng phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng lưới, mô hình dòng rối. Bài báo này sẽ trình bày ảnh hưởng của các thông số trên đến tính toán hệ số cản khí động của xe khách cỡ lớn bằng phần mềm Ansys Fluent.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu tính toán hệ số cản khí động bằng Ansys Fluent

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Nghiên cứu tính toán hệ số cản khí động bằng Ansys Fluent Research calculation of drag coefficients by Ansys Fluent Đỗ Tiến Quyết, Nguyễn Đình Cương Email: gvsd87@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 8/3/2020 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 30/6/2020 Ngày chập nhận đăng: 30/6/2020 Tóm tắt Phần mềm Ansys Fluent được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu tính toán hệ số cản khí động trên ô tô. Độ chính xác của kết quả mô phỏng phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng lưới, mô hình dòng rối. Bài báo này sẽ trình bày ảnh hưởng của các thông số trên đến tính toán hệ số cản khí động của xe khách cỡ lớn bằng phần mềm Ansys Fluent. Từ khoá: Hệ số cản khí động; chất lượng lưới; mô hình dòng rối; Ansys Fluent. Abstract Ansys Fluent software is widely used in the study of calculation of aerodynamic drag coefficient in the vehicle. The accuracy of simulation results depends greatly on the quality of the mesh, the turbulence model. This paper will present the effect of these parameters on the calculation of the aerodynamic drag coefficient of the bus by Ansys Fluent software. Keywords: Drag coefficient; quality of the mesh; turbulence model; Ansys Fluent. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ khả năng mô hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy chất lưu, rối, và Xe khách cỡ lớn đang được sử dụng phổ biến ở trao đổi nhiệt. Do đó phần mềm Ansys Fluent được Việt Nam để vận chuyển hành khách trên những sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về khí động tuyến đường dài, trong đó xe khách lắp ráp trong của ô tô với yêu cầu độ chính xác cao [2]. Fluent nước chiếm tỷ trọng cao [1]. Do có kích thước lớn, thực hiện mô phỏng và tính toán bằng phương loại ô tô này chịu lực cản khí động rất lớn, đặc biệt pháp thể tích hữu hạn dựa trên các phương trình là khi chuyển động trên đường quốc lộ hoặc đường bảo toàn khối lượng, phương trình bảo toàn động cao tốc với vận tốc cao. Theo lý thuyết, lực cản khí lượng và phương trình bảo toàn năng lượng. Để động được xác định theo công thức: thực hiện tính toán trong Fluent cần thực hiện các 1 2 (1) trình tự sau: Fx = AC x rv 2 - Xây dựng mô hình hình học; Trong công thức trên, khối lượng riêng của không khí r là thông số không thể thay đổi. Để giảm lực - Xác định vùng không gian mô phỏng; cản, nếu giảm diện tích cản chính diện A thì không - Tạo lưới (rời rạc hóa vùng không gian tính toán); gian sử dụng bị giảm, còn nếu giảm vận tốc V thì sẽ - Lựa chọn mô hình dòng rối; làm giảm năng suất vận chuyển. Vì vậy, giải pháp duy nhất để giảm lực cản không khí là tạo hình - Thiết lập thuật giải; dạng khí động học tối ưu để có được hệ số cản Cx - Chạy chương trình mô phỏng; nhỏ nhất. - Xử lý kết quả. Ansys Fluent là phần mềm tính toán động lực học chất lỏng (Computational Fluid Dynamics - CFD) có Trong bài báo này, nhóm tác giả sẽ đánh giá ảnh hưởng của chất lượng lưới, mô hình dòng rối đến Người phản biện: 1. PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoan kết quả tính toán hệ số cản khí động bằng phần 2. TS. Cao Huy Giáp mềm Ansys Fluent. 28 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 2 (69) 2020
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D 3.2. Chỉ tiêu đánh giá độ hội tụ Khi thực hiện mô phỏng, để phù hợp với khả năng Chất lượng lưới ảnh hưởng rất lớn đến sự hội tụ tính toán của máy tính nhưng vẫn đảm bảo được cũng như độ chính xác của bài toán mô phỏng. Để tính đúng đắn, độ tin cậy và sự tương thích của bài đánh giá chất lượng lưới theo phương pháp thể tích toán nghiên cứu với thực tiễn, bài báo sử dụng các hữu hạn trong Fluent đưa ra các chỉ số: Element giả thiết sau: Quality, Aspect Ration, Jacobian Ratio (MAPDL), Jacobian Ratio (Corner Nodes), Jacobian Ratio - Mô hình vỏ xe là tuyệt đối cứng, không xảy ra sự (Gaus Points), Warping Factor, Parallel Deviation, biến dạng của vỏ xe trong suốt quá trình mô phỏng. Maximum Corner Angle, Skewness, Orthogonal - Bỏ qua quá trình trao đổi nhiệt giữa vỏ xe và Quality, Characteristic Length. Tuy nhiên, phần không khí. mềm Fluent quan tâm nhiều nhất đến 2 chỉ số là: Orthogonal Quality và Skewness. - Bề mặt vỏ xe là bề mặt nhẵn, gầm xe được bọc phẳng (không xét đến các yếu tố khác của xe như: Chỉ số Orthogonal Quality đánh giá độ lệch gương, gạt mưa, các gân, gờ, tay nắm cửa,...). của phần tử lưới với phần tử tiêu chuẩn. Chỉ số Skewness đánh giá độ lệch góc của phần tử lưới Mô hình 3D của xe khách tham khảo được thể hiện so với phần tử tiêu chuẩn. Phổ giá trị của chỉ số trên hình 1. Orthogonal Quality và Skewness theo hướng dẫn của Ansys Fluent được minh họa trên hình 2. Hình 1. Mô hình 3D xe khách tham khảo Hình 2. Phổ giá trị đánh giá chỉ số Orthogonal Quality 3. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CHẤT LƯỢNG LƯỚI và Skewness Chia lưới thực chất là việc rời rạc hóa vùng không Để đảm bảo yêu cầu hội tụ của bài toán mô phỏng, gian mô phỏng thành các phần tử để thực hiện việc Fluent khuyến cáo người sử dụng chia lưới theo tính toán gần đúng bằng phương pháp số (trong yêu cầu: Min Orthogonal Quality > 0,1 và Max Fluent là phương pháp thể tích hữu hạn). Việc chọn Skewness
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC dung lượng bộ nhớ, cấu hình máy tính, thời gian Trong bài báo này sử dụng vùng không gian mô tính toán,...) là tối thiểu. phỏng có dạng hình hộp chữ nhật với các kích thước khác nhau như bảng 2 để mô phỏng. Nhóm Trong tự nhiên, không khí chuyển động quanh vật tác giả tính toán hệ số cản khí động trong 5 vùng thể đứng yên hoặc vật thể chuyển động và đương không gian chia lưới khác nhau (xét trong cùng điều nhiên, vùng không gian quanh vật thể đó sẽ có giới kiện mô hình dòng rối, thiết lập thuật giải). Kết quả hạn ở vô cùng (hay nói cách khác là không có giới tính toán được so sánh với kết quả thực nghiệm hạn). Khi mô phỏng trên máy tính, ta không thể lựa (được thực hiện trông ống khí động). chọn một vùng không gian có giới hạn ở vô cùng để thực hiện tính toán vì sẽ không có máy tính nào đủ mạnh để có thể thực hiện được điều này. Trên thực tế, vùng không khí bao quanh vật thể chịu sự nhiễu động với các vùng chảy rối, vùng chảy tầng,... phân bố một cách ngẫu nhiên. Nhưng càng xa vật thể thì không khí chuyển động càng ổn định hơn và đến một khoảng cách nào đó đủ lớn thì có thể xem như dòng chuyển động của không khí là dòng chảy tầng và không chịu ảnh hưởng của vật thể cũng như chuyển động của nó. Đây chính là cơ sở để xác định kích thước của vùng Hình 4. Hệ số cản khí động trong các vùng không gian không gian mô phỏng. Nghĩa là, vùng không gian mô phỏng khác nhau mô phỏng được giới hạn bởi các mặt phẳng mà Từ đồ thị hình 4 cho thấy vùng không gian chia ở ở đó dòng chảy không khí là dòng chảy tầng lưới càng lớn, chất lượng lưới càng “mịn” thì kết và không chịu ảnh hưởng của vật thể cũng như quả càng chính xác. Với vùng không gian lớn nhất chuyển động của nó [5]. (vùng không gian số 5) thì sai khác giữa kết quả Để đánh giá mức độ phù hợp của việc lựa chọn mô phỏng bằng phần mềm và kết quả thực nghiệm vùng không gian mô phỏng Fluent đưa ra tiêu chí nhỏ hơn 4%. Với vùng không gian nhỏ nhất (vùng cụ thể là: trong quá trình chạy mô hình để giải bài không gian số 1) thì sai khác giữa kết quả mô toán không có hiện tượng dòng chảy ngược, tức phỏng bằng phần mềm và kết quả thực nghiệm là dòng vào vùng không gian mô phỏng - inlet bị xấp xỉ 10%. Tuy nhiên, thời gian tính toán của vùng xoáy ngược ra hoặc dòng ra khỏi vùng không gian không gian số 5 (70 giờ) lớn hơn rất nhiều so với mô phỏng. thời gian tính toán của vùng không gian số 1 (5 giờ). Với vùng không gian số 4 thì sai khác giữa kết quả mô phỏng và thí nghiệm nhỏ hơn 5%, tuy nhiên thời gian tính toán chỉ là 10 giờ (nhỏ hơn nhiều so với 70 giờ). Do vậy, với các tính toán khí động học yêu cầu độ chính xác không quá cao (sai lệch so với kết quả thí nghiệm
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC và 3 thành phần vận tốc theo 3 phương (u, v, w). Từ đồ thị hình 5 cho việc lựa chọn mô hình dòng Về nguyên tắc, đây là bài toán khép kín vì hệ có 4 rối ảnh hưởng đáng kể đến giá trị của hệ số cản khí phương trình và 4 ẩn số. Tuy nhiên, cho đến nay động (sai khác so với giá trị thực nghiệm từ 4,8% hệ phương trình này vẫn chưa có lời giải lý thuyết đến 18,4%). Mô hình dòng rối k - epsilon có kết quả đầy đủ và các nhà nghiên cứu vẫn phải sử dụng phù hợp nhất với kết quả thí nghiệm (sai khác nhỏ các phương pháp và công cụ gần đúng để tính toán hơn 5%). Các mô hình dòng rối còn lại có sự sai khác đáng kể với kết quả thực nghiệm (sai khác từ dòng khí động bao quanh ô tô. 10 đến 15%). Kết quả này phù hợp với các nghiên Khó khăn chính của bài toán khí động học ô tô là cứu đã công bố về khí động học trên ô tô [6]. việc giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng. Trong quá trình xe khách chuyển động, giá trị vận Tuy nhiên, trong thực tế vấn đề còn phức tạp hơn tốc tại bề mặt vỏ xe bằng 0. Càng gần bề mặt vỏ nữa do dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe ô tô xe, giá trị vận tốc thay đổi càng nhanh như hình 7. là dòng rối. Trong điều kiện này, các thông số của dòng chảy (u,v,w và p) tại một điểm bất kì trong không gian biến thiên liên tục theo thời gian. Mức Velocity, U độ phức tạp của bài toán phụ thuộc vào kích thước của dòng rối, thời gian tồn tại và tốc độ biến thiên của các thông số của nó. Để giải quyết các vấn đề trên, trong phần mềm Fluent sử dụng mô hình gần Distance from Wall, y đúng để mô tả các dòng rối này. Hình 6. Giá trị vận tốc theo khoảng cách đến lớp biên Các mô hình dòng rối được sử dụng trong Fluent bao gồm: Để có thể mô tả chính xác giá trị vận tốc tại vị trí gần lớp biên, cách đơn giản nhất là chia lưới thật - k - epsilon (2 eqn); mịn tại các vị trí này. Tuy nhiên, khi chia lưới rất - k - omega (2 eqn); mịn như vậy sẽ làm tăng khối lượng tính toán cũng - Transition k-kl-omega (3eqn); như thời gian tính toán. Để giảm khối lượng tính - Transition SST (4 eqn); toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu, - Reynolds Stress (7 eqn); k - omega (2 eqn) các mô hình dòng rối trong Fluent sử dụng các mô - Scale - Adaptive Simulation (SAS); tả “hàm tường”. Các hàm tường này sẽ mô tả gần - Detached Eddy Simulation (DES); đúng giá trị vận tốc tại các vị trí gần lớp biên nhưng số lượng lưới giảm đi rất nhiều - Large Eddy Simulation (LES). Trong mô hình dòng rối k - epsilon (2 eqn) của Các mô hình: Reynolds Stress (7 eqn); k - omega (2 Fluent cung cấp 6 cách mô tả “hàm tường” là eqn); Scale - Adaptive Simulation (SAS); Detached Standard Wall Functions, Sacalable Wall Functions, Eddy Simulation (DES); Detached Eddy Simulation Non-Equilibrium Wall Functions, Enhanced Non- (DES) thường được sử dụng trong các nghiên cứu Equilibrium Wall Functions Wall Treatment, Menter- rất chính xác về khí động học và được sử dụng trên Lechner, User-Defined Wall Functions. các siêu máy tính có cấu hình rất cao. Trong bài báo này tác giả sử dụng mô phỏng 4 dòng rối: k - epsilon (2 eqn); k - omega (2 eqn); Transition k-kl-omega (3eqn); Transition SST (4 eqn) để tính toán hệ số cản khí động. Kết quả hệ số cản của 4 mô hình dòng rối và kết quả thực nghiệm được minh họa trên hình 5. Hình 7. Hệ số cản theo các mô tả hàm tường Trong bài báo này, nhóm tác giả sẽ tính toán hệ số cản theo mô hình dòng rối k-epsilon theo cả 6 cách Hình 5. Hệ số cản theo các mô hình dòng rối mô tả hàm tường này. Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 2 (69) 2020 31
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Dựa vào đồ thị hình 7 cho thấy, mô hình hàm tường học xe khách cỡ lớn. Vùng không gian có kích Non-Equilibrium Wall Functions có sự phù hợp nhất thước 30000×20000×10000 mm có sai lệch nhỏ với kết quả thực nghiệm. so với kết quả thí nghiệm (

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2428 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.