Tổng quan về mô phỏng CFD và các ứng dụng công nghiệp
Vì sao lại cần tới mô phỏng CFD?
Trước lúc trả lời cho nghi vấn “Mô phỏng CFD là gì?”, thì để cho dễ hình dung, chúng ta sẽ trả lời ngay cho nghi vấn có nhẽ là quan yếu hơn: “Vì sao lại cần tới mô phỏng CFD?“. Thông thường, việc sử dụng những công thức ước tính và những sổ tay thực nghiệm mang thể giúp những kỹ sư thuận tiện đưa ra những kích thước thiết kế cơ bản của những thiết bị trong công nghiệp. Tuy nhiên, theo yêu cầu ngày càng cao của khoa học thì việc chỉ tiêu dùng những sổ tay tính toán cơ bản là ko đủ để cải tiến và tăng hiệu suất & tính an toàn của thiết bị cũng như khoa học. Chính vì vậy, nhiều phương tiện trợ giúp mới đã ra đời và CFD (viết tắt của Computational Fluid Dynamics) là một trong số đó. Hình dưới đây tổng hợp lại một số nguyên nhân chính giảng giải vì sao CFD được sử dụng rộng rãi trong những năm sắp đây.
Bạn đang đọc: Tổng quan về mô phỏng CFD và các ứng dụng công nghiệp
Những nguyên do chính cho việc CFD được được sử dụng thoáng rộng sắp đây
Nói riêng về ứng dụng của CFD trong ngành IoT thì sắp đây mang nhiều tổ chức và tập đoàn to như NASA, General Electric, Azure, Siemens, IBM, Cisco, Oracle, QiO Technologies, Dassault Systems, ANSYS, hay Bosch đã sử dụng rộng rãi mô phỏng CFD kết hợp với IoT như một phương tiện tạo ra lượng to dữ liệu (big data) cho những mô phỏng máy học (machine learning), qua đó xúc tiến sự phát triển của ngành kỹ thuật số song song (Digital Twin).
Trong bài viết chúng ta sẽ tìm hiểu:
– Mô phỏng CFD là gì?
– Thứ tự mô phỏng CFD được thực hiện ra sao?
– Những ứng dụng to của CFD trong công nghiệp và đời sống là gì?
Mô phỏng CFD là gì ?
Mô phỏng CFD (còn được gọi là Mô phỏng động lực học dòng chảy*) là một nhánh của cơ học chất lưu (fluid mechanics) mà sử dụng phương pháp số (numerical analysis) để phân tích và khắc phục những bài toán liên quan tới chuyển động/ dòng chảy của chất lưu (khí, lỏng) [nguồn]. Những phương trình mô tả dòng chảy này thông thường thì rất khó để mang thể giải bằng tay nên chúng thường được giải trên máy tính. Kết quả mô phỏng thu được giúp ta hiểu sâu về thực chất của dòng chảy và những tác động của nó tới quá trình khảo sát. Để thực hiện những mô phỏng CFD thì chúng ta mang thể sử dụng những phần mềm mô phỏng thương nghiệp (commercial code) như FLUENT, CFX của Ansys, STAR-CCM+ của Siemens, hay những phần mềm mã nguồn mở (open-source code) như OpenFOAM. Hình dưới đây minh họa việc sử dụng mô phỏng CFD để thẩm định phân bố véc tơ vận tốc tức thời gió trong một hầm đậu xe.
Phân bố tốc độ gió trong một hầm đậu xe ( màu đỏ minh họa vị trí mang tốc độ to nhất )
Vào những năm 1922, Lewis Fry Richardson (1881-1953) đã đặt nền tảng trước nhất cho CFD. Tuy nhiên, mãi tới năm 1967 thì những mô phỏng CFD 3 chiều (3D) trước nhất cho mô phỏng cánh tàu bay mới được công bố. Kể từ đó CFD được sử dụng rộng rãi trong những nghiên cứu của NASA và Boeing. Nền tảng cơ bản của hầu hết những vấn đề CFD đó là phương trình Navier-Stokes vốn tiêu dùng để khái niệm những dòng chảy đơn pha (khí hoặc lỏng, nhưng ko đồng thời khí và lỏng). Từ nền tảng đó, bằng việc giả sử đơn thuần hóa những thành phần của phương trình Navier-Stokes ta mang những phương trình khác như phương trình Euler, dòng Stokes, dòng Fanno, dòng Rayleigh, v.v. Hoặc trái lại, bằng việc bổ sung những khái niệm như “nhiệt độ hạt” – năng lượng dao động của hạt rắn (granular temperature – solids fluctuating energy) thì những hệ đa pha khí-rắn được giải sắp giống như dòng liên tục.
Cho tới ngày nay, những vấn đề cơ bản của CFD nếu phân loại theo dạng mô phỏng toán học thì bao gồm (1) Những dòng chảy cơ bản và dòng chảy rối bên trong và ngoài vật thể, (2) Dòng phản ứng đốt cháy, (3) Dòng nén được, (4) Truyền nhiệt, (5) Dòng đa pha mang hạt phân tán trong pha liên tục, (6) Dòng đa pha liên tục và bề mặt phân riêng pha, (7) Tương tác qua lại giữa dòng chảy và vật thể chịu tác động, (8) Dòng đa cấu tử, và (9) Tương tác giữa động lực học dòng chảy và chuyển động phân tử hoặc từ trường.
Mô phỏng cơ bản trong mô phỏng CFD
Thứ tự mô phỏng CFD
Tuy rằng chưa mang bất kỳ tiêu chuẩn nào rõ ràng cho những quá trình mô phỏng CFD nhưng địa thế căn cứ vào kinh nghiệm tay nghề và những tài liệu nội bộ của phòng thí nghiệm Los Alamos ( USA ) [ nguồn ], thì quá trình mô phỏng CFD hoàn toàn mang thể được chia ra hai loại chính :
+ Thứ tự cơ bản cho người tiêu dùng:
Nhằm tạo điều kiện cho người tiêu dùng thuận tiện làm theo những tác vụ của việc mô phỏng CFD, trật tự cơ bản của mô phỏng CFD chia ra làm những bước: (1) Tạo hình học, (2) Thuần tuý hóa hình học, (3) Rời rạc hóa miền tính toán – được gọi là quá trình chia lưới, (4) Thiết lập thông số mô phỏng, (5) Chạy mô phỏng, (6) Rà soát tính tập trung của phương pháp số, (7) Mô phỏng cho những trường hợp hợp khác nhau, (8) Phân tích kết quả mô phỏng, và (9) Tạo báo cáo.
Thứ tự cơ bản cho người sử dụng mô phỏng CFD
+ Thứ tự tăng cho những kỹ sư:
Thứ tự này được tích hợp bởi những trật tự tiến độ cơ bản và thêm vào đó là quá trình nhìn nhận ( assessment ) quy mô CFD gồm mang : Rà soát ( verification ) và Kiểm nghiệm ( validation ) .
-
Thứ tự rà soát (verification) mô phỏng CFD:
Bản tính của những mô phỏng đều dựa vào những phương trình toán học (mathematical model), nhưng việc giải những mô phỏng trên máy tính lại bằng những phương pháp số (numerical method). Mục đích của trật tự rà soát mô phỏng CFD nhằm tránh những sai số do phương pháp số gây ra. Trong CFD thì rà soát mô phỏng CFD ám chỉ việc: (1) Kiểm nghiệm lưới (mesh-independent test), (2) Sàng lọc lỗi trong những thuật toán (bugs), và (3) Phương pháp tính (numerical scheme). Chi tiết của trật tự rà soát mô phỏng sẽ được mô tả chi tiết trong những bài viết sau này.
-
Thứ tự kiểm nghiệm (validation) mô phỏng CFD:
Nhằm mục đích so sánh kết quả từ mô phỏng CFD và kết quả đo đạc thực tế, trật tự kiểm nghiệm được sử dụng trong hầu hết những bước phát triển mô phỏng. Quy mô của kiểm nghiệm mô phỏng CFD mang thể là: (1) Kiểm nghiệm một phần hệ thống trong điều kiện giới hạn tại điều kiện phòng thí nghiệm, (2) Kiểm nghiệm toàn bộ hệ thống trong điều kiện thực tế, (3) Kiểm nghiệm nhiều thông số khác nhau trong những dải điều kiện làm việc khác nhau, hoặc (4) Kiểm nghiệm thời kì thực. Quy mô càng toàn diện và càng nhiều thông số được kiểm nghiệm thì mức độ tin cậy của mô phỏng càng to.
Tóm tắt về tiến trình rà soát ( verification ) và kiểm nghiệm ( validation ) CFD
Những ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD
Ngày nay thật khó để tìm những nghành nghề nhà sản xuất công nghiệp mà ko mang sự góp mặt của mô phỏng CFD. Ứng dụng thông dụng nhất của mô phỏng CFD trong những ngành công nghiệp hoàn toàn mang thể phân loại thành những nhóm như sau :
-
Công nghiệp hàng ko và vũ trụ:
Đây là một trong những ngành công nghiệp tiên phong ứng dụng mô phỏng CFD. Một trong những ứng dụng tiêu biểu vượt bậc đó là tiêu dùng mô phỏng để tối ưu biên dạng cánh nâng ( airfoil ) .
-
Công nghiệp sản xuất ô tô:
Từ việc mô phỏng phản ứng đốt cháy trong động cơ tới mô phỏng lực cản tại vỏ xe, CFD góp phần một phần rất to trong dò xét và nghiên cứu và tăng trưởng của những hãng xe nổi tiếng như : Mercedes, Tesla, hay BMW .
-
Công nghiệp xây dựng:
Mô phỏng nhìn nhận những chỉ số tiện lợi trong và ngoài tòa nhà. Mô phỏng và tối ưu hóa mạng lưới hệ thống sưởi ấm ( heating ), thông gió ( ventilation ), và điều hòa ko khí ( air conditioning ) – HVAC, và mạng lưới hệ thống làm lạnh .
-
Hệ thống công nghiệp hóa chất và dầu khí :
Mô phỏng thiết bị phản ứng ( khuấy trộn CSTR, tầng sôi, cột sủi bọt – bubble column, v.v ), tháp chưng đựng, tháp hấp thụ, mạng lưới hệ thống ống nối, hay mạng lưới hệ thống nồi tương đối tận dụng nhiệt .
Bơm, quạt, máy nén, tua bin, và những thiết bị phân tích ly tâm ( cyclone ), phân tích pha, trao đổi nhiệt .
-
Kỹ thuật y sinh và dược phẩm:
Thiết kế những thiết bị vi dòng chảy ( microfluidics ), vi khuấy trộn ( micromixing ), mô phỏng dòng chảy trong mạch máu .
-
Thời tiết và khí hậu:
Mô phỏng phỏng đoán thời tiết và thiên tai .
-
Hàng hải và đóng tàu:
Mô phỏng tương tác giữa sóng và ứng suất vỏ tàu, quy mô phỏng đoán lực cản vỏ tàu .
Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD
Kết luận:
Mô phỏng CFD là thiên hướng
Trong thời đại công nghiệp hóa lần thứ 4, mô phỏng CFD là một trong số những xu thế đang đổi khác dần những tiến trình phong cách thiết kế thượng cổ của kỹ sư cũng như cách nhìn nhận của người tậu để hướng tới sự tăng trưởng vững bền và kiên cố. Hiện nay CFD đang tăng trưởng với véc tơ vận tốc tức thời chóng mặt tại những nước tiên tiến và phát triển trên quốc tế, nhưng liệu Nước Ta mang bắt kịp những thành tựu mới về CFD ko ?
Mời những bạn theo dõi và đón đọc những bài viết tiếp theo tại CFDWAYS Blog để tìm hiểu thêm về CFD cũng như những ứng dụng cụ thể của CFD trong công nghiệp, nghiên cứu, và đời sống.
* Với nhiều nguồn khác nhau sử dụng cụm từ “Mô phỏng động lực học chất lỏng” là chưa được chuẩn xác bởi vì ngành này mang tính tới cả chuyển động của chất khí, thậm chí là những chất rắn (dạng hạt, bột mịn, v.v) – ta mang thể gọi chung là “lưu thể” hoặc “chất lưu”. Thông thường, nói tới CFD cũng là nói tới mô phỏng dòng chảy (flow simulation) bởi vì những bài toán CFD chỉ mang thể giải được lúc mang sự chuyển động của những dạng vật chất kể trên (đây là lý do vì sao ta lại gọi là chất lưu – chất mang thể chảy được). Tương tự, CFD nên được gọi là “Mô phỏng động lực học chất lưu“, “Mô phỏng động lực học dòng chảy“, hoặc được hiểu một cách đầy đủ là “Phỏng đoán chuyển động của chất lưu và những lực tác động lên nó thông qua những tính toán sử dụng phương pháp số (chủ yếu là được lập trình và giải trên máy tính, siêu máy tính)”.
Source: https://bloghong.com
Category: Là Gì