- LƯU HỒNG QUÂN LƯU HỒNG QUÂN NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC FSI. - ỨNG DỤNG VÀO MÔ PHỎNG BÀI TOÁN TUABIN GIÓ VÀ TUABIN ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC HAI LUỒNG MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Kỹ thuật máy và thiết bị thủy khí KHOÁ 2009 Hà Nội 03 – Năm 2011 Mẫu 1b MẪU TRANG PHỤ BÌA LUẬN VĂN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - LƯU HỒNG QUÂN NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC FSI. - ỨNG DỤNG VÀO MÔ PHỎNG BÀI TOÁN TUABIN GIÓ VÀ TUABIN ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC HAI LUỒNG Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị thủy khí LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Kỹ thuật máy và thiết bị thủy khí NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. - 6 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI. - 9 PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC FSI. - TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LỎNG CFD. - 12 1.1 Những khái niệm cơ bản và các phương trình bảo toàn của chất lưu. - Lời giới thiệu. - Giới thiệu về phương pháp số. - Phương pháp tiếp cận động lực học dòng chất lưu. - Khả năng và hạn chế của phương pháp số. - Các thành phần của phương pháp số. - Các phương pháp rời rạc hóa. - TÍNH TOÁN KẾT CẤU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH(FEM Khái niệm. - Xấp xỉ bằng phần tử hữu hạn. - Định nghĩa hình học các phần tử hữu hạn. - Các dạng phần tử. - Phần tử quy chiếu, phần tử thực. - Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp PTHH. - Sơ đồ tính toán bằng phương pháp PTHH. - Ứng dụng. - TÍNH TOÁN TƯƠNG TÁC FSI. - Các khái niệm cơ bản của tương tác FSI. - Giới thiệu. - Phân loại tương tác FSI. - Các ứng dụng điển hình. - Phương pháp số tính toán tương tác FSI. - Lựa chọn phương pháp số. - Phương pháp truyền tải bề mặt tương tác chất lưu - kết cấu. - 51 PHẦN II: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN FSI VỚI MÔ HÌNH TUABIN GIÓ VÀ TUABIN ĐỘNG CƠ MÁY BAY. - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CODE TÍNH TOÁN ANSYS WORKBENCH VÀ ANSYS FLUENT. - Giới thiệu chung ANSYS WORKBENCH. - Khả năng của phần mềm ANSYS WORKBENCH. - Giới thiệu chung về phần mềm ANSYS Fluent. - Đặc điểm của quá trình mô phỏng số bằng CFD. - Trung tâm Phát triển và Ứng dụng Phần mềm Công nghiệp DASI. - MÔ PHỎNG TƯƠNG TÁC FSI CÁNH TUABIN GIÓ. - Nghiên cứu đặc tính khí động tuabin gió. - Lựa chọn mô hình số. - Mô hình hình học và lưới. - Kết quả mô phỏng và đánh giá. - Nghiên cứu đặc tính kết cấu cánh tuabin (FSI. - Phương pháp số. - MÔ PHỎNG TƯƠNG TÁC FSI TUABIN CAO ÁP ĐỘNG CƠ GE90. - Tính toán CFD. - Tính toán kết cấu. - Mô hình hình học. - Mô hình lưới. - Phương pháp mô phỏng và điều kiện biên. - Tính toán tương tác FSI. - Kết quả mô phỏng. - Kết quả mô phỏng CFD. - Kết quả mô phỏng tương tác FSI. - 95 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU. - Ω : Vận tốc góc của rotor cánh quạt • λ : Tỉ số vận tốc đầu mút cánh • η : Hiệu suất rotor cánh quạt • α : Góc tấn • Ф : Góc tới • β : Góc đặt cánh • CFD (Computational Fluid Dynamics): Động lực học chất lưu • CSD (Computational Structure Dynamics): Động lực học kết cấu • FEM(Finite Elements Method): Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH. - Tương tác chất lưu – kết cấu • AC (Axial chord): Chiều dài của dây cung chiếu lên phương dọc trục • HPT ( High Pressure Turbine): Turbin cao áp • RPM (Rounds Per Minute): Vòng trên phút 8 • PPH (Pounds Per Hour): Pound trên giờ • SFC (Specific Fuel Consumption): Suất tiêu hao nhiên liệu • TO (Take-off): Sự cất cánh • PSI (Pound Per Inch): Pound trên inch bình phương 9 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Ví dụ về một lưới 2D có cấu trúc, không trực giao Hình 1.2 Ví dụ về lưới kết cấu khối 2D được bắt (match) tại mặt giao nhau Hình 1.3 Một lưới composite 2D Hình 1.4 Ví dụ về một lưới phi cấu trúc 2D Hình 2.1 Sự giao nhau giữa các phần tử (biên giới Hình 2.2 Phần tử một chiều Hình 2.3 Phần tử 2 chiều Hình 2.4 Phần tử 3 chiều Hình 2.5 Phần tử lăng trụ Hình 2.6 Hình chiếu các phần tử theo các phương khác nhau Hình 2.7 Phần tử 1 chiều Hình 2.8 Phần tử 2 chiều Hình 2.9 Phần tử 3 chiều. - Hình 2.10 Các phần tử 3 chiều - 6 mặt Hình 3.1 Tương tác FSI trong máy cánh dọc trục Hình 3.2 FSI một chiều Hình 3.3 FSI hai chiều Hình 3.4 Cầu Tacoma Narrows bị phá hủy do hiện tượng tương tác FSI năm 194045 Hình 3.5 Phương pháp so le Hình 3.6 Phương pháp lựa chọn: so le – một chiều Hình 3.7 Sơ đồ thuật giải tương tác FSI một chiều Hình 3.8 Lưới phân tích kết cấu (phần tử hữu hạn) và phân tích chất lưu (thể tích hữu hạn Hình 3.9 Vị trí biên CFD và biên kết cấu giống nhau Hình 3.10 Ánh xạ kết quả từ bề mặt CFD lên bề mặt phân tích kết cấu Hình 4.1 Các modul trong ANSYS WORKBENCH Hình 4.2 Thư viện Tạ Quang Bửu Hình 5.1 Miền tính toán Hình 5.2 Mô hình lưới Hình 5.3 Điều kiện biên Hình 5.4 Trường vận tốc tại mặt cắt y0z(x Hình 5.5 Đồ thị vận tốc của chất điểm đi qua mặt cắt y0z, x Hình 5.6 Trường áp suất tại mặt cắt y0z (x Hình 5.7 Đồ thị áp suất của chất điểm đi qua mặt cắt y0z, x Hình 5.8 Phân bố áp suất tổng trên cánh Hình 5.9 Đồ thị P/Pmax, T/Tmax theo vận tốc gió Hình 5.10 Đồ thị Cp, Ct theo λ Hình 5.11 Sơ đồ tính FSI trong Ansys Hình 5.12 Mô hình hình học tính FSI Hình 5.13 Mô hình lưới chất lưu của hai domain trong và ngoài Hình 5.14 Mô hình lưới kết cấu cánh Hình 5.15 Trường áp suất tác dụng lên cánh Hình 5.16 Ứng suất tại gốc cánh Hình 5.17 Chuyển vị trên cánh Hình 6.1 Hình ảnh cấu tạo động cơ GE Hình 6.2 Mô hình 3D tầng một Tuabin cao áp Hình 6.3 Mô hình rút gọn Hình 6.4 Mô hình tính toán trong FSI Hình 6.5 Lưới trên mặt hub Hình 6.6 Lưới trên mặt đầu vào và cạnh Hình 6.7 Mô hình lưới trên cánh Rotor và Stator Hình 6.8 Mô hình lưới trượt Hình 6.9 Điều kiện biên Hình 6.10 Áp suất đặt trên cánh Rotor và Stator Hình 6.11 Trường áp suất trên cánh Hình 6.12 Trường áp suất trên mặt trung bình Hình 6.13 Trường vận tốc trên mặt trung bình Hình 6.14 Sơ đồ ứng suất Hình 6.15 Sơ đồ chuyển vị GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Lý do chọn đề tài Trước đây, khi muốn kiểm nghiệm một mô hình tính toán lý thuyết, cách duy nhất là chế tạo một mô hình thực sau đó cho vận hành trong thực tế. - Trong trường hợp mô hình quá lớn, người ta có thể dùng lý thuyết tương tự để tạo ra các mô hình nhỏ hơn. - Mặc dầu vậy, quá trình tính toán tương tự rất phức tạp với vô số tiêu chuẩn cần đáp ứng. - Điều đó có nghĩa là nguy cơ phải chế tạo mô hình nhiều lần khá cao. - Nảy sinh yêu cầu làm thế nào để tiết kiệm thời gian, công sức và tăng chất lượng sản phẩm? Và công nghệ mô phỏng số đã ra đời đáp ứng những yêu cầu đó. - Nhận ra những ưu điểm của công cụ số, thực tế Việt Nam đã bắt đầu quan tâm và ứng dụng phương pháp số để mô phỏng các bài toán phục vụ nghiên cứu hoặc trong công nghiệp cho rất nhiều lĩnh vực mà hai mảng quan trọng nhất là chất lưu (CFD) và kết cấu (sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn). - Tuy nhiên trong thực tế các hiện tượng thường không xảy ra độc lập mà luôn có sự tương tác ảnh hưởng lẫn nhau, vì vậy để quan sát đánh giá cũng như kiểm tra một cách chính xác nhất ứng xử của kết cấu cũng như chất lưu thì cần phải thực hiện phân tích toàn diện tương tác rắn lỏng FSI (Fluid Structure Interaction). - Đề tài tính toán tương tác FSI trên thế giới đã được nghiên cứu nhiều năm nay nhưng tại Việt Nam còn rất mới mẻ. - Vì vậy tác giả muốn thực hiện đề tài tương tác FSI với hi vọng đề tài có thể là sự khởi đầu định hướng cho các nghiên cứu chuyên sâu hơn của chính tác giả cũng như là tài liệu tham khảo hữu ích trong lĩnh vực tính toán tương tác vô cùng thú vị này. - 13 Trong luận văn này tác giả sử dụng các module của họ phần mềm ANSYS cho quá trình tính toán mô phỏng hai bài toán ứng dụng: bài toán tuabin gió và tuabin cao áp động cơ hàng không. - ANSYS là một phần mềm mạnh của Hoa Kì được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới. - Phần mềm ANSYS có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình hình học 2D và 3D, lấy đó làm mô hình hình học phục vụ quá trình mô phỏng: phân tích trường ứng suất, biến dạng … của kết cấu. - Mục đích nghiên cứu của đề tài Đề tài được thực hiện với hai mục đích chính. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phương pháp tính toán động lực học chất lưu CFD (phương pháp thể tích hữu hạn), kết cấu (phương pháp phần tử hữu hạn) và tính toán tương tác FSI. - Ứng dụng cụ thể cho hai bài toán thực tế: tính toán tương tác FSI của cánh tuabin gió và cánh tuabin cao áp động cơ hàng không GE90 sử dụng các module của họ phần mềm ANSYS của Hoa Kì. - Nội dung cơ bản của đề tài Đề tài thực hiện với hai phần và sáu chương chính: Phần 1: Cơ sở lý thuyết - Tính toán động lực học chất lưu CFD - Tính toán kết cấu - Tính toán tương tác FSI Phần 2: Ứng dụng tính toán FSI cho hai bài toán tuabin gió và TUABIN ĐỘNG CƠ MÁY BAY - Giới thiệu phần mềm - Mô phỏng FSI tuabin gió 14 - Mô phỏng FSI tuabin động cơ máy bay Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: đề tài này nhằm mục đích trình bày lý thuyết phương pháp số tính toán tương tác FSI và ứng dụng cơ sở lý thuyết này vào tính toán hai bài toán thực tế. - Ngoài ra để tài mở ra một hướng nghiên cứu mới. - Ý nghĩa thực tiễn: Hai ứng dụng tính toán mô phỏng tương tác FSI cho cánh tuabin gió và tuabin của động cơ máy bay có nhiều ý nghĩa thực tiễn. - Tuabin gió đang là một đề tài nóng hổi có thể triển khai tại các vùng hải đảo nông thôn mà điện lưới khó tiếp cận được. - Tuabin động cơ cao áp GE90 trợ giúp cho quá trình bảo dưỡng cũng như làm tài liệu giảng dạy nghiên cứu.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt