Đề tài Ứng dụng phần mềm comsol mô phỏng dòng chảy chất lỏng qua vật thể

g sự ảnh hưởng tích cực của dòng chất lỏng lên đối tượng. Thì yếu tố về sự thay đổi của hệ số Reynold đối với chuyển động của dòng chảy được nhiều các công trình nghiên cứu công nhận là ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng chuyển động của dòng chảy chất lỏng đối với các trạng thái chảy khác khau (chảy tầng, chuyển tiếp, chảy rối).Việc phân tích dòng chất lỏng cung cấp cái nhìn sâu sắc có ý nghĩa về tác động của dòng chất lỏng, do đó, có thể giải quyết vấn đề sớm, giảm nhu cầu về các nguyên mẫu tốn kém và loại bỏ việc làm lại. Loại chất lỏng này là chất lỏng Newton (nước), nên độ nhớt của nó thay đổi khi ứng suất trượt tác dụng lên dòng chất lỏng thay đổi. Ngoài ra độ nhớt tổ hợp chất lỏng cũng thay đổi với các hình dạng, cấu hình dòng khác nhau, nhiệt độ khác nhau... 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong nghiên cứu này, dòng chảy (nước) qua một hình trụ có kích thước R15x200 quay được khảo sát bằng phương pháp mô phỏng xoáy rời rạc ba chiều. Bộ điều hướng được đơn giản hóa - phương trình N-Stokes giải dựa trên mối quan hệ giữa gradient áp suất bề mặt và cường độ xoáy bề mặt được tạo ra. Các hằng số Reynolds dựa trên đường kính xi lanh và vận tốc dòng chảy được thay đổi để tạo ra các dòng chảy khác nhau. Tốc độ quay không theo chiều, α (tỷ số của hình trụ vận tốc bề mặt và vận tốc dòng chảy), thay đổi trong khoảng từ 0 đến 19, và bốn hình thức khác nhau (tạo xoáy, đổ xoáy yếu, và các hình thức đánh thức xoay vòng) đã được hình thành bởi sự xoay vòng áp đặt. Modun phân tích dòng chảy được sử dụng để tính toán trường vận tốc và áp suất cho dòng chảy của chất lỏng một TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 60 pha trong chế độ dòng chảy tầng,chuyển tiếp và dòng chảy rối . Dạng dòng chảy sẽ được thể hiện bởi một hệ số Re từng trường hợp khác nhau . Ở số Reynolds cao hơn, nhiễu loạn có xu hướng phát triển và gây ra sự chuyển đổi sang nhiễu loạn. Hình 1.Cấu trúc hình học vật thể mô phỏng 3. PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU Ứng dụng phần mềm Comsol multiphysic với giao diện vật lý hỗ trợ các luồng không nén được và các luồng có thể nén ở số Mach thấp (thường nhỏ hơn 0,3). Nó cũng hỗ trợ các chất lỏng không phải Newton. Các phương trình được giải bởi giao diện phân tích dòng chảy này là phương trình Navier-Stokes để bảo toàn động lượng và phương trình liên tục để bảo toàn khối lượng. Modun phân tích này có thể được sử dụng để phân tích tĩnh và phụ thuộc vào thời gian. Đối với số Reynolds cao hơn, một dòng chảy trở nên phụ thuộc thời gian và ba chiều, và các nghiên cứu phụ thuộc thời gian phải được sử dụng. Phương trình mô phỏng sử dụng cho ba trường hợp đánh giá phân tích sự ảnh hưởng hệ số Reynold cho dòng chảy tầng, dòng chảy chuyển tiếp, dòng chảy rối. Phương trình Navier-Stokes bảo toàn động lượng: p(u.∇)𝐮 = ∇. [−𝑝l + 𝐊] + 𝐅 Phương trình liên tục bảo toàn khối lượng: p∇. 𝐮 = 0 Phương trình ảnh hưởng độ nhớt gây ra bởi vật liệu tác động lên dòng chảy: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 61 K = 𝜇(∇𝐮 + (∇𝐮)T) 4. NỘI DUNG ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC - Ứng dụng phần mềm Comsol multiphysic mô phỏng thành công dòng chảy qua vật thể với các hệ số Re khác nhau - Đưa ra các hình ảnh kết quả phân tích về sự thay đổi vận tốc, áp suất dòng chảy - So sánh kết quả với bài nghiên cứu của tác giả khác 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Công thức tính toán Re đối với dòng chảy trong ống dẫn: Re = v∗𝑑 𝑣 v: vận tốc trung bình (m/s) d: đường kính ống (m) v: hệ số nhớt động học chất lỏng Kết quả giá trị Re thu được đối với 3 trường hợp phân tích đánh giá (1.dòng chảy tầng, 2.dòng chảy chuyển tiếp, 3.dòng chảy rối) với hệ số tương ứng: 1. Re = 1494, 2. Re = 5976, 3. Re = 29880 5.1. Kết quả dòng chảy tầng (Re=1494) Hình 2. Biểu đồ vận tốc (m/s) TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 62 Biểu đồ vận tốc được biểu thị dưới dạng Slice, mặt cắt được lấy từ tâm ống. Từ màu sắc của mặt cắt ta có thể thấy được tại vị trí đầu vào vận tốc của dòng chảy là 0.05 m/s .Do ảnh hưởng của tính chất dòng chảy tầng với hệ số Re thấp nên tại đầu vào, vận tốc có sự thay đổi tăng trưởng từ từ tại vùng biên của ống dẫn, hình thành biên dạng cánh cung đặc trưng chủa dòng chảy tầng. Tại đầu ra của ống vận tốc có sự thay đổi đạt 0.065 m/s tại tâm ống và có sự giảm dần vận tốc khi tiết diện ống tăng dần. Hình 3. Biểu đồ áp suất (Pa) Biểu đồ thể hiện sự thay đổi về áp suất tại các vị trí tác dụng lên thành ống. Áp suất lớn nhất tại đầu vào của ống là 1.62 Pa. Với ảnh hưởng của hệ số Re thấp, áp suất có sự thanh đổi ổn định giảm dần theo chiều dài ống và đầu ra đạt 0.04 Pa. 5.2. Kết quả dòng chảy chuyển tiếp (Re=5976) Hình 4. Biểu đồ vận tốc (m/s) TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 63 Biểu đồ vận tốc được biểu thị dưới dạng Slice, mặt cắt được lấy từ tâm ống. Từ màu sắc của mặt cắt ta có thể thấy được tại vị trí đầu vào vận tốc của dòng chảy là 0.2 m/s. Do vì là dòng chuyển tiếp nên tại đầu vào ống vẫn chịu ảnh hưởng bởi tính chất dòng chảy tầng nên đầu vào ống vẫn mang biên dạng cánh cung của dòng chảy tầng.Tại đầu ra của ống vận tốc có sự thay đổi đạt 0.23 m/s tại tâm ống và có sự giảm dần vận tốc khi tiết diện ống tăng dần. Hình 5. Biểu đồ áp suất (Pa) Biểu đồ thể hiện sự thay đổi về áp suất tại các vị trí tác dụng lên thành ống. Áp suất lớn nhất tại đầu vào của ống là 0.08 Pa. Với ảnh hưởng của hệ số Re đối với dòng chuyển tiếp từ tầng sang rối, áp suất có sự thanh đổi rõ rệt và bị đứt đoạn tại vị trí đầu vào của ống và sự ổn định được duy trì ở mức 0.02-0 Pa trên phần lớn chiều dài của ống dẫn. 5.3. Kết quả dòng chảy rối Hình 6. Biểu đồ vận tốc (m/s) TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 64 Từ màu sắc của mặt cắt ta có thể thấy được tại vị trí đầu vào vận tốc của dòng chảy là 1m/s .Do ảnh hưởng bởi hệ số Re cao nên dòng chảy trong ống mang đặc tính biến đổi vận tốc đột ngột tại đầu vào trên vị trí biên ống dẫn. Tại đầu ra của ống vận tốc có sự thay đổi rõ rệt đạt 1.05 m/s tại tâm ống và có sự giảm dần vận tốc khi tiết diện ống tăng dần. Hình 7. Biểu đồ áp suất (Pa) Biểu đồ thể hiện sự thay đổi về áp suất tại các vị trí tác dụng lên thành ống. Áp suất lớn nhất tại đầu vào của ống là 0.95 Pa. Với ảnh hưởng của hệ số Re cao , áp suất có sự thanh đổi rõ rệt sau ¼ chiều dài ống và ổn định tại mức 0.7-0.6 Pa . 5.4. So sánh kết quả Kết quả so sánh với Chen and Rheem đối với dòng chảy hữu hạn trong ống dẫn về mối liên hệ giữa hệ số nâng Cl, hệ số cản Cp với tốc độ quay 𝛼 của dòng chảy. Chen and Rheem, experiment,Re 95700,3D,2016 Chen and Rheem, experiment,Re 80100,3D,2016 Chen and Rheem, experiment,Re 64800,3D,2016 Present study,Re 29880,3D,2021 Present study,Re 5976,3D, 2021 Present study,Re 1494,3D,2021 Hình 8a. Hệ số nâng TB với tốc độ quay 𝛼 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 65 Hình 8a hệ số Re của Chen and Rheem so với kết quả tính hiện tại (Present study) càng giảm thì độ tăng trưởng đồ thị càng tăng. Hệ số nâng trung bình tỉ lệ thuận với tốc độ quay 𝛼. Trong đó kết quả là mức tăng trung bình tăng lên và sau đó vẫn ổn định với sự gia tăng tỷ lệ luân chuyển. Hình 8b. Hệ số cản TB với tốc độ quay 𝛼 Hình 8b đưa ra kết quả cho thấy lực cản TB của Chen and Rheem và kết quả phân tích hiện tại đối với từng trường hợp Re khác nhau. Ban đầu lực cản trung bình giảm sau đó tăng lên ổn định với tốc độ quay 𝛼. Một sự khác biệt đối với kết quả của Chen and Rheem thì hệ số cản TB với tốc độ quay 𝛼 của kết quả phân tích hiện tại thì ban đầu có sự tăng nhẹ rồi giảm đột ngột về giá trị. 6. KẾT LUẬN 6.1. Ưu điểm ứng dụng Comsol Multiphysic mô phỏng dòng chảy - Giao diện chuyên nghiệp, thân thiện với người xử dụng, tạo và sửa lỗi dễ dàng - Đa dạng các modun phân tích dòng chảy hữu hạn (tầng, rối,..) - Trực quan hơn vì cho phép ta quan sát mô hình (vật thể, kết quả,) ở nhiều góc nhìn ( 1D, 2D,3D) với nhiều hướng khác nhau - Lưu trữ cơ sở dữ liệu để dễ dàng quản lý hơn, đồng thời chuyển file mô hình liên kết với các phần mềm 2D, 3D khác dễ dàng. - Việc phân tích, mô phỏng và kiểm tra mô hình 3D dễ dàng hơn, đưa ra các kết quả phân tích chính xác, nhanh chóng. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 66 - Đảm bảo các vấn đề tủi ro được giảm thiểu, bằng cách xác định và loại bỏ các vấn đề tiềm tang có thể xảy ra. 6.2. Hạn chế phần mềm COMSOL - Phần mềm phân tích COMSOL dùng phương pháp tính toán sai số, cho nên kết quả không thể 100% như thực tế, nhưng sẽ hữu ích khi so sánh tương đối. - Việc phân tích đưa ra kết quả phụ thuộc vào cách chia lưới, áp đặt điều kiện biên, v.v. nên độ chính xác và tin cậy phụ thuộc vào kinh nghiệm, kiến thức của người sử dụng. - Giới hạn không gian phân tích, tính toán 6.3. Hướng tiếp theo - Phân tích sự ảnh hưởng của thành ống tác dụng lên dòng chảy Tài liệu tham khảo [1]. Vortex Methods: Theory and Practice. CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS [2]. Viscous fluid simulation with the vortex element method O.S. Kotsur∗, G.A. Shcheglov∗ ∗Bauman Moscow State Technical University, Russia [3]. Fluid-Structure Interaction with Vortex methods and the Finite Element Method. Siddhartha Verma Gengyun Li, Petros Koumoutsakos [4]. Discrete-vortex analysis of high Reynolds number flow past a rotating cylinder. School of Science, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China.