Báo cáo Khoa học Những kết quả nghiên cứu bước đầu về ứng dụng phần mềm fluent trong tính toán dòng nhiều pha

Bỏo cỏo khoa học: Những kết quả nghiờn cứu bước đầu về ứng dụng phần mềm fluent trong tớnh toỏn dũng nhiều pha Những kết quả nghiên cứu b−ớc đầu về ứng dụng phần mềm fluent trong tính toán dòng nhiều pha Some results of the initial study on applying Fluent software in calculating multi phase flow Hoàng Đức Liên1, Nguyễn Thị 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. đặt vấn đề Lý thuyết dòng phun rối hai pha đã giành đ−ợc sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học lớn trên thế giới qua các thời đại nh−: Abramovich, Elgobashi, Gavin, Gupta, Kolmogorov, Loisanski, Naumov, Reynolds, Shetz, Sligting, Schreiber… nh−ng tới nay vẫn ch−a đ−ợc nghiên cứu một cách đầy đủ (Abramovich và cộng sự, 1984). Tr−ớc những yêu cầu đòi hỏi ngày càng cao của khoa học công nghệ hiện đại trong các ngành nông nghiệp, năng l−ợng, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp hoá chất, vũ trụ và hàng không, cứu hoả, môi tr−ờng, cũng nh− các lĩnh vực khác…nghiên cứu về dòng 2 pha nói riêng, dòng chảy rối nhiều pha đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong những thập kỷ gần đây. Hiện nay các phần mềm Phonatics, Flow 3D, Start CD Matlad, Ansys, Fluent ….đã và đang đ−ợc sử dụng trong thủy khí động lực học (Joel H. Ferziger, Milovan Períc Springer, 1999), tuy nhiên đối với mỗi phần mềm phạm vi ứng dụng để đạt hiệu quả cao nhất chỉ trong một lĩnh vực nhất định nào đó. ở n−ớc ta, việc ứng dụng phần mềm Fluent để giải quyết các bài toán thủy khí động lực học ch−a nhiều, tuy nhiên đã có một số nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu, ứng dụng. Phần mềm Fluent có nhiều −u điểm: đ−ợc tính toán dựa trên cơ sở ph−ơng pháp khối hữu hạn; Thiết kế trên 2D hoặc 3D trên phần mềm Gambit , CAD, SOLID EDG, I-DEAS… cho phép giải các bài toán trong thủy khí động lực học nhanh gọn, chính xác, dễ dàng và hiệu quả cao; Kết quả tính toán đ−ợc biểu diễn d−ới dạng đồ thị, hay biểu diễn d−ới dạng tr−ờng biến đổi nh−: tr−ờng áp suất, vận tốc...cho phép phản ánh một cách đầy đủ hơn bản chất của các hiện t−ợng vật lý, cơ học hay quá trình làm việc thực của các thiết bị; Tự động hóa quá trình tính toán tiết kiệm đ−ợc nhiều lao động và thời gian cũng nh− kinh phí (Nguyễn Thị Thanh Loan, 2004). Trong phạm vi bài viết này đề cập đến nghiên cứu ứng dụng phần mềm Fluent trong tính toán thủy khí động lực học dòng nhiều pha. 2. Ph−ơng pháp nghiên cứu 2.1. Mô hình rối và điều kiện biên trong tính toán nhiều pha Để giải các bài toán về dòng hai pha th−ờng sử dụng các mô hình rối. Đối với phần mềm Fluent sử dụng mô hình k - ε để giải bài toán thủy khí động lực học (Nguyễn Thị Thanh Loan, 2004). Các ph−ơng trình mô hình k - ε có dạng Elíp do có sự hiện diện của biểu thức Gradient khuếch tán (H.Đ. Liên và N.T.Nam, 2000) và sử dụng các điều kiện biên sau: + Tại miệng vào: phân bố của k và ε phải đ ợc cho tr−ớc. − + Tại miệng ra hay trục đối xứng 0;0 =∂ ∂=∂ ∂ nn k ε + Dòng chảy tự do: k = 0; ε = 0 + Gần thành rắn: phụ thuộc vào hệ số Reynolds 2.2. Ph−ơng pháp số sử dụng trong phần mềm Fluent Tính toán đơn Ph−ơng pháp tính đơn lẻ tr−ớc đây th−ờng sử dụng tính toán trong Fluent 4. Cách tính gần đúng này ph−ơng trình đ−ợc tính toán liên tục −ơng trình này sang ph−ơng trình khác). Bởi vì ph−ơng trình ở đây là không tuyến tính (theo cặp) tính lặp đi lặp lại cho đến khi hội tụ thì chấp nhận đ−ợc. Nó đ−ợc biểu diễn theo sơ đồ sau: Không Nhập chính xác số liệu Tính toán các ph−ơng trình động l−ợng Ph−ơng trình hiệu chỉnh áp suất (liên tục), nhập: áp suất, tốc độ dòng chảy Tính toán ph−ơng trình năng l−ợng, rối, và ph−ơng trình vô h−ớng khác. Hội tụ Có Kết thúc Tính toán theo ph−ơng pháp lặp Ph−ơng pháp lặp th−ờng sử dụng trong thuật toán RAMPANT. Sử dụng cách tính gần đúng của ph−ơng trình liên tục động l−ợng, và (tính xấp xỉ) năng l−ợng cùng với chuyển đổi hình thái (cặp khác nhau), thêm vào đó là ph−ơng trình vô h−ớng sẽ đ−ợc tính toán liên tục (từ đại l−ợng đơn tính sang một đại l−ợng khác, tiếp đó tính đến đại l−ợng kép), phần tính t đơn đã trình bày ở phần 1. Bởi vì ph−ơng trình này là không tuyến tính (theo cặp), các b−ớc tín n đ−ợc lặp lại cho đến khi hội tụ. Trình tự tính toán đ−ợc trình bày theo sơ đồ d−ới đây: Nhập chính xác số liệu Tính toán ph−ơng trình liên tục, động l−ợng, năng l−ợng, đồng thời dạng khác của các ph−ơng trình Tính toán sự phối trộn và ph−ơng trình vô h−ớng khác Không Hội tụ oán h toá(từ ph Kết thúcCó 3. Kết quả nghiên cứu Sau khi nghiên cứu cấu trúc phần mềm Fluent, trên cơ sở định nghĩa các phần tử thay thế để sử dụng trong việc xây dựng mô hình, đã xây dựng đ−ợc các b−ớc giải tổng quát bài toán thủy khí động lực học trên phần mềm Fluent: B−ớc 1: + Vẽ hình 2D hoặc 3D trên các phần mềm: Solid- Edg, I-deas, gambit, Asyns… + Tạo l−ới trên phần mềm Gambit; + Chọn các điều kiện biên. B−ớc 2: Đọc l−ới trên phần mềm Gambit, sau đó kiểm tra độ nhẵn mịn và chọn tỉ lệ l−ới sao cho phù hợp l−ới. B−ớc 3: Lựa chọn mô hình tính là thuật toán ẩn hay t−ờng, tính toán theo các ph−ơng thức nào, chọn hệ ph−ơng trình năng l−ợng. B−ớc 4: Lựa chọn chất lỏng là nén đ−ợc hay không nén đ−ợc; hay chất lỏng đồng nhất hay không đồng nhất. B−ớc 5: Tính toán điều kiện biên: Kí hiệu đối với từng đoạn ống, thành ống, đầu vào và đầu ra của đối t−ợng nghiên cứu, nhập các thông số đầu vào. B−ớc 6: Tính toán các thông số động học của dòng hai pha t−ơng ứng với giá trị ban đầu. B−ớc 7: Chạy sơ bộ kết quả: Sau khi đã có các điều kiện đầu chạy sơ bộ kết quả t−ơng ứng với thuật toán rời rạc hóa bậc nhất cho kết quả tuy nhiên độ chính xác ch−a cao. B−ớc 8: Khả năng rời rạc hóa bậc 2: Từ kết quả đã chạy sơ bộ, bằng thuật toán rời rạc hóa ta kiểm tra và tính toán lại với thuật toán bậc hai từ đó kiểm tra hội tụ và độ chính xác của đối t−ợng nghiên cứu. B−ớc 9: Kiểm tra sự thích hợp của l−ới: Sau cùng kiểm tra xem với các thông số động học đã tính l−ới ta chọn chia có phù hợp hay không t−ơng ứng với sự biến đổi của các thông số động học. ứng dụng các b−ớc giải tổng quát bài toán thủy khí động lực học trên phần mềm Fluent trong tr−ờng hợp mô phỏng đốt cháy khí Metan trong buồng đốt Bài toán đ−ợc cho nh− hình vẽ gồm một vòi nhỏ dẫn chất Metan với vận tốc cao là 80m/s, không khí đ−ợc dẫn vào với vận tốc thấp 0,5 m/s, Hệ số Reynold (Re = 28000) Xét quá trình cháy của khí Metan trong không khí : CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O 0, 22 5 m 1,8 m Không khí: 0,5 m/s, 300 0K Metan: 80 m/s, 300 0K 0, 00 5 m Hình 1. Mô hình đốt cháy khí mê tan Các b−ớc giải bài toán t−ơng tự nh− đã trình bày ở trên đã cho một số kết quả tính toán nh−: Dự đoán nhiệt độ biến đổi khi năng suất nhiệt: 1000J/kg K; nhiệt độ trên 3000 độ K, Tr−ờng hợp xác định các hệ số Cp nhiệt độ của CO2 với: - Khối l−ợng phân tử: 44,00995 kg/kgmol; - Entanpi tiêu chuẩn: -3,935324. 108 J/kgmol; - Entropi tiêu chuẩn: 213715,9 J/kgmol-K; - Nhiệt độ tại vùng nhỏ nhất: 300 0K; - Nhiệt độ tại vùng lớn nhất: 1000 0K. Phần mềm sẽ tự tính toán cho các hệ số nhiệt độ t−ơng ứng: Cp1= 429,9289; Cp2=1,874473; Cp3= - 0,001966485; Cp4=1,297251.10 -6; Cp5=-3,999956.10 -10 Các tr−ờng hợp tính CH4; N2; O2; và H2O làm t−ơng tự nh− vậy Tính toán với số phần tử lặp là 500 phần tử Hình 2. Kiểm tra sự hội tụ Từ hình trên nhận thấy ở phần tử thứ 300 thì các thông số vận tốc theo hai trục x, y năng l−ợng, c−ờng độ rối, năng l−ợng rối, và các thành phần tham gia quá trình cháy bắt đầu hội tụ tức là các phần tử tiếp đó phần tử số 301 sẽ song song với trục hoành điều đó chứng tỏ quá trình lặp đã ổn định. Hình 3. Sự phân bố nhiệt độ tĩnh Từ hình 3 nhận thấy tuy kết quả là sự tiên đoán nh−ng nó cũng khái quát đ−ợc tổng quát về sự phân bố nhiệt độ cháy: vùng có nhiệt độ cháy cao nhất có nhiệt độ là: 3 080 0K, nhiệt độ nhỏ nhất bằng: 300 0K. Hình 4. Biểu diễn độ lớn của vectơ vận tốc (m/s) Từ hình 4 nhận thấy vận tốc đạt giá trị lớn nhất tại vị trí phun nhiên liệu vào 82,6 m/s và vận tốc nhỏ nhất tại các điểm bắt đầu cung cấp nhiên liệu vào phía trên buồng đốt là 0,239 m/s Hình 5. Biểu diễn hàm dòng 4. Kết luận Những kết quả nghiên cứu b−ớc đầu về ứng dụng phần mềm fluent trong tính toán thuỷ khí động lực học đã cho thấy các yếu tố ảnh h−ởng đến dòng chảy và các thiết bị, máy thủy khí…, mở ra một triển vọng là có thể hoàn toàn tính toán và mô phỏng đ−ợc các thông số động học từ đó để tính toán thiết kế các máy và thiết bị thuỷ khí một cách nhanh chóng, chính xác, hiệu quả và tối −u. Tài liệu tham khảo Nguyễn Thanh Nam, Hoàng Đức Liên, (2000). Ph−ơng pháp khối hữu hạn ứng dụng trong các bài toán thủy khí động lực học, Nxb khoa học kỹ thuật, tr.28-104. Trần Sĩ Phiệt, Vũ Duy Quang, (1979). Thủy khí động lực kỹ thuật tập I và tập II, Nxb Đại học và Trung học chuyên nghiệp, tr. 162-210 (tập I); tr. 60 -102 (tập II). Tạ Văn Đĩnh (2002). Ph−ơng pháp sai phân và ph−ơng pháp phần tử hữu hạn, Nxb khoa học kỹ thuật, tr.103-180. Nguyễn Thị Thanh Loan (2004). Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Fluent tính toán một số thông số động học hai dòng chất lỏng hỗn hợp trong đ−ờng ống. Luận án Thạc sĩ kỹ thuật. G.N. Abramovich and et al, (1984). Theory of Turbulent Jet, Nauka, Moscow, Russian, pp. 36-67. Joel H. Ferziger, Milovan Períc Springer, (1999). Computational Methods for Fluid Dynamic, Berlin Hidelbery Germany, pp.76-138.