Tổng Quan Về Mô Phỏng CFD Và Các ứng Dụng Công Nghiệp

Đây là bài blog đầu tiên của CFDWAYS. Ở bài viết đầu tiên này, chúng ta sẽ tìm hiểu tổng quan về mô phỏng CFD (hay còn được gọi là mô phỏng dòng chảy) và các ứng dụng phổ biến của nó trong các lĩnh vực khác nhau.

Tại sao lại cần đến mô phỏng CFD?

Trước khi trả lời cho câu hỏi “Mô phỏng CFD là gì?”, 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 các công thức ước lượng và các sổ tay thực nghiệm có thể giúp các kỹ sư dễ dàng đưa ra các kích thước thiết kế cơ bản của các thiết bị trong công nghiệp. Tuy nhiên, theo yêu cầu ngày càng cao của công nghệ thì việc chỉ dùng các 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.

Những nguyên nhân chính cho việc CFD được được sử dụng rộng rãi gần đây

Nói riêng về ứng dụng của CFD trong lĩnh vực IoT thì gần đây có nhiều tổ chức và tập đoàn lớn 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 công cụ tạo ra lượng lớn dữ liệu (big data) cho các mô hình máy học (machine learning), qua đó thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực kỹ thuật số song song (Digital Twin).

Trong bài viết chúng ta sẽ tìm hiểu:– Mô phỏng CFD là gì? – Quy trình mô phỏng CFD được thực hiện ra sao? – Các ứng dụng lớn 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 lĩnh vực cơ học chất lưu (fluid mechanics) mà sử dụng phương pháp số (numerical analysis) để giải quyết (mô tả, phân tích, và phỏng đoán) các bài toán liên quan đến sự chuyển động của chất lưu (khí, lỏng) [nguồn]. Các phương trình mô tả chuyển động này thông thường thì rất khó để có thể giải bằng tay nên chúng thường được giải trên máy tính. Kết quả mô phỏng thu được giúp ta hiểu sâu về bản chất của dòng chảy và các tác động của nó tới quá trình khảo sát. Để thực hiện các mô phỏng CFD thì chúng ta có thể sử dụng các phần mềm mô phỏng thương mại (commercial code) như FLUENT, CFX của Ansys, STAR-CCM+ của Siemens, hay các 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 vận tốc gió trong một hầm đậu xe (màu đỏ minh họa vị trí có vận tốc 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 các nghiên cứu của NASA và Boeing. Nền móng cơ bản của hầu hết các vấn đề CFD đó là phương trình Navier-Stokes vốn dùng để định nghĩa các 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 các thành phần của phương trình Navier-Stokes ta có các phương trình khác như phương trình Euler, dòng Stokes, dòng Fanno, dòng Rayleigh, v.v. Hoặc ngược lại, bằng việc bổ sung các khái niệm như “nhiệt độ hạt” – năng lượng dao động của hạt rắn (granular temperature – solids fluctuating energy) thì các hệ đa pha khí-rắn được giải gần giống như dòng liên tục.Cho đến ngày nay, các vấn đề cơ bản của CFD nếu phân loại theo dạng mô hình toán học thì bao gồm (1) Các 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 cứ tiêu chuẩn nào rõ ràng cho các quy trình mô phỏng CFD nhưng căn cứ vào kinh nghiệm và các tài liệu nội bộ của phòng thí nghiệm Los Alamos (USA) [nguồn], thì quy trình mô phỏng CFD có thể được chia ra hai loại chính:

+ Quy trình cơ bản cho người dùng:

Nhằm giúp cho người dùng dễ dàng làm theo các tác vụ của việc mô phỏng CFD, quy trình cơ bản của mô phỏng CFD chia ra làm các 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 phương pháp số, (7) Mô phỏng cho các 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 các kỹ sư:

Quy trình này được kết hợp bởi các quy trình cơ bản và thêm vào đó là quy trình đánh giá (assessment) mô hình CFD bao gồm: Kiểm tra (verification) và Kiểm nghiệm (validation).

• Quy trình kiểm tra (verification) mô hình CFD:

Bản chất của các mô hình đều dựa vào các phương trình toán học (mathematical model), nhưng việc giải các mô hình trên máy tính lại bằng các phương pháp số (numerical method). Mục đích của quy trình kiểm tra mô hình CFD nhằm giảm thiểu các sai số do phương pháp 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 các thuật toán (bugs), và (3) Phương pháp tính (numerical scheme). Chi tiết của quy trình kiểm tra mô hình sẽ được mô tả chi tiết trong các 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 các 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 các 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 quy trình kiểm tra (verification) và kiểm nghiệm (validation) CFD

Các ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD

Ngày nay thật khó để tìm các lĩnh vực công nghiệp mà không có sự góp mặt của mô phỏng CFD. Ứng dụng phổ biến nhất của mô phỏng CFD trong các ngành công nghiệp có thể phân loại thành các nhóm như sau:

• Công nghiệp hàng không và vũ trụ:

Đây là một trong những ngành công nghiệp đầu tiên ứng dụng mô phỏng CFD. Một trong những ứng dụng nổi bật đó là 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 đến mô phỏng lực cản tại vỏ xe, CFD đóng góp một phần rất lớn trong nghiên cứu và phát triển của các hãng xe nổi tiếng như: Mercedes, Tesla, hay BMW.

• Công nghiệp xây dựng:

Mô phỏng đánh giá các chỉ số tiện nghi trong và ngoài tòa nhà. Mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống sưởi ấm (heating), thông gió (ventilation), và điều hòa không khí (air conditioning) – HVAC, và 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, hệ thống ống nối, hay hệ thống nồi hơi tận dụng nhiệt.

• Thiết bị công nghiệp:

Bơm, quạt, máy nén, tua bin, và các thiết bị phân tách ly tâm (cyclone), phân tách pha, trao đổi nhiệt.

• Công nghệ y sinh và dược phẩm:

Thiết kế các 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, mô hình phỏng đoán lực cản vỏ tàu.

Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD

Kết luận: Mô phỏng CFD là xu hướng

Trong thời đại công nghiệp hóa lần thứ 4, mô phỏng CFD là một trong số các xu hướng đang thay đổi dần các quy trình thiết kế cổ điển của kỹ sư cũng như cách nhìn nhận của khách hàng để hướng tới sự phát triển bền vững. Hiện nay CFD đang phát triển với tốc độ chóng mặt tại các nước tiên tiến trên thế giới, nhưng liệu Việt Nam có bắt kịp các thành tựu mới về CFD không?

Mời các bạn theo dõi và đón đọc các bài viết tiếp theo tại CFDWAYS Blog để tìm hiểu thêm về CFD cũng như các ứng dụng cụ thể của CFD trong công nghiệp, nghiên cứu, và đời sống.

* 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 các 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 các bài toán CFD chỉ có thể giải được khi có sự chuyển động của các dạng vật chất kể 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 các lực tác động lên nó thông qua các tính toán sử dụng phương pháp số (chủ yếu là được lập trình và giải trên máy tính, siêu máy tính)”.