Đây là bài blog tiên phong của CFDWAYS. Ở bài viết tiên phong này, tất cả chúng ta sẽ khám phá tổng quan về mô phỏng CFD và những ứng dụng phổ cập của nó trong những nghành nghề dịch vụ khác nhau .
Tại sao lại cần đến mô phỏng CFD?
Trước khi trả lời cho câu hỏi “Mô phỏng CFD là gì vậy?”, thì để cho dễ hình dung, chúng ta sẽ trả lời ngay cho câu hỏi có lẽ là quan trọng hơn: “Tại sao lại cần đến mô phỏng CFD?“. Thông thường, việc sử dụng những công thức ước lượng và những sổ tay thực nghiệm có thể giúp những kỹ sư đơn giản 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 công nghệ thì việc chỉ sử dụng những sổ tay tính toán cơ bản là không đủ để cải tiến và nâng cao hiệu suất & tính an toàn của thiết bị cũng như công nghệ. Chính vì vậy, nhiều công cụ 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 giải thích tại sao CFD được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây.
Bạn đang đọc: Tổng quan về mô phỏng CFD và những ứng dụng công nghiệp
Tổng quan về mô phỏng CFD và những ứng dụng công nghiệp
Những nguyên do chính cho việc CFD được được sử dụng thoáng đãng gần đây
Nói riêng về ứng dụng của CFD trong lĩnh vực IoT thì gần đây nhiều tập đoàn lớn như General Electric, Azure, Siemens, IBM, Cisco, Oracle, QiO Technologies, Dassault Systems, ANSYS, hay Bosch đã sử dụng rộng rãi mô phỏng CFD dùng với IoT như một công cụ tạo ra lượng lớn dữ liệu (big data) cho những mô hình máy học (machine learning), qua đó tạo thành một ngành mới có tên là ngành kỹ thuật số song song (Digital Twin).
Trong bài viết chúng ta sẽ tìm hiểu: – Mô phỏng CFD là gì vậy? – Quy trình mô phỏng CFD được thực hiện ra sao? – những ứng dụng lớn của CFD trong công nghiệp và đời sống là gì vậy?
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) sử dụng cách số và cấu trúc dữ liệu nhằm phân tích và giải quyết những bài toán liên quan đến chuyển động của chất lưu (khí, lỏng) [nguồn]. Kết quả mô phỏng thu được giúp ta hiểu sâu về bản 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 có thể sử dụng những phần mềm mô phỏng thương mại (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 đánh giá phân bố vận tốc gió trong một hầm đậu xe.
Phân bố tốc độ gió trong một hầm đậu xe ( màu đỏ minh họa vị trí có tốc độ lớn nhất )
Vào những năm 1922, Lewis Fry Richardson (1881-1953) đã đặt nền móng đầu tiên cho CFD. Tuy nhiên, mãi đến năm 1967 thì những mô hình CFD 3 chiều (3D) đầu tiên cho mô phỏng cánh máy bay mới được công bố. Kể từ đó CFD được sử dụng rộng rãi trong những nghiên cứu của NASA và Boeing. Nền móng cơ bản của hầu hết những vấn đề CFD đó là phương trình Navier-Stokes vốn sử dụng để định nghĩa những dòng chảy đơn pha (khí hoặc lỏng, nhưng không đồng thời khí và lỏng). Từ nền móng đó, bằng việc giả sử đơn giản hóa những thành phần của phương trình Navier-Stokes ta có những phương trình khác như phương trình Euler, dòng Stokes, dòng Fanno, dòng Rayleigh, v.v. Hoặc ngược 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 gần giống như dòng liên tục.
Cho đến ngày nay, những vấn đề cơ bản của CFD nếu phân loại theo dạng mô hình 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 có 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 hình căn bản trong mô phỏng CFD
Quy trình mô phỏng CFD
Tuy rằng chưa có bất kể tiêu chuẩn nào rõ ràng cho những tiến 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 có thể được chia ra hai loại chính :
+ Quy trình cơ bản cho người sử dụng:
Nhằm giúp cho người sử dụng đơn giản làm theo những tác vụ của việc mô phỏng CFD, quy trình cơ bản của mô phỏng CFD chia ra làm những bước: (1) Tạo hình học, (2) Đơn giản hóa hình học, (3) Rời rạc hóa miền tính toán – được gọi là quá trình chia lưới, (4) Thiết lập thông số mô hình, (5) Chạy mô phỏng, (6) Kiểm tra tính hội tụ của cách số, (7) Mô phỏng cho những trường hợp hợp khác nhau, (8) Phân tích kết quả mô phỏng, và (9) Tạo báo cáo.
Quy trình cơ bản cho người sử dụng mô phỏng CFD
+ Quy trình nâng cao cho những kỹ sư:
Quy trình này được phối hợp bởi những quá trình cơ bản và thêm vào đó là tiến trình nhìn nhận ( assessment ) quy mô CFD gồm có : Kiểm tra ( verification ) và Kiểm nghiệm ( validation ) .
Quy trình kiểm tra (verification) mô hình CFD:
Xem thêm: LGBTQI+ có nghĩa là gì vậy?
Bản chất của những mô hình đều dựa vào những phương trình toán học (mathematical model), nhưng việc giải những mô hình ở trên máy tính lại bằng những cách số (numerical method). Mục đích của quy trình kiểm tra mô hình CFD nhằm giảm thiểu những sai số do cách số gây ra. Trong CFD thì kiểm tra mô hình CFD ám chỉ việc: (1) Kiểm nghiệm lưới (mesh-independent test), (2) Sàng lọc lỗi trong những thuật toán (bugs), và (3) cách tính (numerical scheme). Chi tiết của quy trình kiểm tra mô hình sẽ được mô tả chi tiết trong những bài viết sau này.
Quy trình kiểm nghiệm (validation) mô hình CFD:
Nhằm mục đích so sánh kết quả từ mô hình CFD và kết quả đo đạc thực tế, quy trình kiểm nghiệm được sử dụng trong hầu hết những bước phát triển mô hình. Quy mô của kiểm nghiệm mô hình CFD có 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 gian thực. Quy mô càng toàn diện và càng nhiều thông số được kiểm nghiệm thì mức độ tin cậy của mô hình càng lớn.
Tóm lược về tiến trình kiểm tra ( verification ) và kiểm nghiệm ( validation ) CFD
những ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD
Ngày nay thật khó để tìm những nghành công nghiệp mà không có sự góp mặt của mô phỏng CFD. Ứng dụng phổ cập nhất của mô phỏng CFD trong những ngành công nghiệp hoàn toàn có thể phân loại thành những nhóm như sau :
Công nghiệp hàng không và vũ trụ:
Đây là một trong những ngành công nghiệp tiên phong ứng dụng mô phỏng CFD. Một trong những ứng dụng điển hình nổi bật đó là sử dụng 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 đến mô phỏng lực cản tại vỏ xe, CFD góp phần một phần rất lớn trong điều tra 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 không 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 cất, tháp hấp thụ, mạng lưới hệ thống ống nối, hay mạng lưới hệ thống nồi hơi tận dụng nhiệt . Bơm, quạt, máy nén, tua bin, và những thiết bị phân tách ly tâm ( cyclone ), phân tách pha, trao đổi nhiệt .
Công nghệ 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 hình phỏng đoán thời tiết và thiên tai .
Hàng hải và đóng tàu:
Mô hình 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 xu thế
Trong thời đại công nghiệp hóa lần thứ 4, mô phỏng CFD là một trong số những xu thế đang đổi khác dần những quá trình phong cách thiết kế cổ xưa của kỹ sư cũng như cách nhìn nhận của người mua để hướng tới sự tăng trưởng vững chắc. Hiện nay CFD đang tăng trưởng với vận tốc chóng mặt tại những nước tiên tiến và phát triển ở trên quốc tế, nhưng liệu Nước Ta có bắt kịp những thành tựu mới về CFD không ?
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.
Xem thêm: những chức danh trong tiếng Anh và cách sử dụng
* Có nhiều nguồn khác nhau sử dụng cụm từ “Mô phỏng động lực học chất lỏng” là chưa được chính xác bởi vì lĩnh vực này có tính đến cả chuyển động của chất khí, thậm chí là những chất rắn (dạng hạt, bột mịn, v.v) – ta có 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 có thể giải được khi có sự chuyển động của những dạng vật chất kể ở trên (đây là lý do tại sao ta lại gọi là chất lưu – chất có thể chảy được). Như vậy, 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 cách số (chủ yếu là được lập trình và giải ở trên máy tính, siêu máy tính)”.