ỨNG DỤNG CÁC PHẦN MỀM CFD VÀO CHƯƠNG TRÌNH GIẢNG DẠY
CHO SINH VIÊN CHUYÊN NGÀNH KIẾN TRÚC
Ths. Hoàng Minh Hùng
Tóm tắt: Các phần mềm CFD (Computational Fluid Dynamic- Mô phỏng số động học chất lưu) đã được ứng dụng từ lâu trong quá trình đào tạo tại một số quốc gia phát triển trên thế giới như Nhật Bản, đặc biệt đối với các sinh viên có nhu cầu học chuyên sâu về Vật lí Kiến trúc. Ở nước ta, CFD cũng đã được ứng dụng trong các khối trường Bách khoa, Thủy lợi. Tuy nhiên, tại các khối trường Kiến trúc, nó vẫn chưa được chú trọng, mặc dù đây là một công cụ rất hiệu quả trong việc nghiên cứu tác động của các yếu tố môi trường lên công trình xây dựng. Nội dung bài báo hướng đến việc ứng dụng giảng dạy các phần mềm CFD cho sinh viên chuyên ngành Kiến trúc.
Từ khóa: Phần mềm CFD, Vật lý kiến trúc, ứng dụng giảng dạy.
1. Tính thiết yếu của việc ứng dụng phần mềm CFD
Ngày nay, biến đổi khí hậu cũng như hiệu ứng nhà kính đã trở thành vấn đề toàn cầu. Nhiệm vụ giảm thiểu khí thải nhà kính là nhiệm vụ của thế kỉ. Trong bối cảnh đó, ngành Xây dựng, vốn chiếm tới 30% tổng lượng khí thải toàn cầu, cần thiết phải áp dụng những biện pháp tiết kiệm năng lượng. Trong quá trình vận hành công trình kiến trúc, việc sử dụng năng lượng tự nhiên trong chiếu sáng và thông gió là rất quan trọng. Từ thời xa xưa, kiến trúc cổ truyền Việt Nam đã có những thiết kế rất mở, nhằm tạo hiệu ứng thông gió tự nhiên tối ưu, mặc dù trong điều kiện tự nhiên nóng ẩm, nhiệt đới gió mùa. Tuy nhiên, những kiến trúc hiện đại lại quá phụ thuộc vào hệ thống điều hòa không khí cũng như chiếu sáng nhân tạo, điều này đứng trên quan điểm tiết kiệm năng lượng, là đã cô lập hoàn toàn môi trường bên trong công trình với bên ngoài. Hậu quả ngoài việc tiêu tốn nhiều năng lượng, còn ảnh hưởng tiêu cực đến những người sử dụng công trình. Do vậy, việc sử dụng năng lượng tự nhiên là điều tất yếu. Trên thế giới đã có rất nhiều những nghiên cứu về vấn đề này.
Nghiên cứu về thông gió tự nhiên trong kiến trúc, hiện tại có 2 phương pháp chủ yếu. Thứ nhất là nghiên cứu sử dụng hầm gió. Phương pháp này mang lại độ chính xác cao, tuy nhiên đòi hỏi chi phí khá lớn, và thời gian chuẩn bị cũng như nghiên cứu kéo dài. Phương pháp thứ hai là sử dụng phần mềm CFD. Phương pháp này cũng mang lại độ chính xác khá cao, nhất là khi sức mạnh tính toán của máy tính ngày nay đã có sự tiến bộ vượt bậc so với những năm trước. CFD đang ngày càng phổ biến. Trong bối cảnh nêu trên, việc ứng dụng phần mềm CFD trong quá trình đào tạo cho sinh viên chuyên ngành Kiến trúc đang ngày càng trở nên cần thiết.
Việc ứng dụng phần mềm CFD trong quá trình đào tạo cho sinh viên chuyên ngành Kiến trúc đang ngày càng trở nên cần thiết
2. Giới thiệu về phần mềm CFD
a. Nguyên lí
CFD (Computational Fluid Dynamic- Mô phỏng số động học chất lưu) là phần mềm mô phỏng các chuyển động của các chất lưu (chất lỏng hoặc chất khí). Nguyên lí của CFD là dựa trên các lí thuyết của ngành vật lí động học chất lưu, cụ thể, chuyển động của các chất lưu chịu sự chi phối của hệ hai phương trình chính, đó là phương trình bảo toàn khối lượng và phương trình bảo toàn động lượng (Phương trình Navier- Stokes).
· Phương trình bảo toàn khối lượng :
· Phương trình bảo toàn động lượng (Phương trình Navier- Stokes)
Trong đó:
: Áp suất (Pa)
: Mật độ chất lưu (kg/m3)
u: Vận tốc (m/s)
x: Tọa độ (m)
: Hệ số nhớt của chất lưu (Pa.s)
Việc giải chính xác hệ phương trình này là rất khó, do vậy, phương pháp số (Numerical Method), với phương thức tính toán xấp xỉ, đã ra đời. Để giải xấp xỉ hệ phương trình nêu trên, người ta chia miền không gian thành nhiều vùng nhỏ, gọi là thể tích kiểm tra (Control Volume), sau đó sử dụng lí thuyết toán rời rạc để giải.
Qui trình thực hiện một quá trình bao gồm có 3 phần: Trước tính toán (Pre- Processing), Tính toán (Processing), và Sau tính toán (Post- Processing).
· Trước tính toán (Pre- Processing): Đây là bước để tạo ra mô hình 3D trong máy tính. Bước này cũng tương tự như quá trình sử dụng các phần mềm như 3DsMax hay Sketchup để tạo nên những mô hình 3D. Sau khi dựng xong mô hình, cần phải thiết lập các điều kiện biên (điều kiện ban đầu). Đây là bước thiết lập các yếu tố như đặt vận tốc chất lưu (không khí), hay vật liệu.
· Tính toán (Processing): Phần mềm CFD sẽ chia nhỏ không gian tính toán thanh các phần nhỏ (Control Volume), sau đó cần phải thiết lập các Solver (phương thức tính) để giải các phương trình đã trình bày ở trên.
· Sau tính toán (Post- Processing): Sau khi tính toán, cần phải thu thập và điều chỉnh các dữ liệu thô để cho ra kết quả mô phỏng phù hợp yêu cầu nghiên cứu.
Có 3 mô hình tính toán phổ biến trong mô hình CFD, đó là RANS, LES và DNS. Xét về độ chính xác, DNS là mô hình tính toán có độ chính xác cao nhất, có thể mô phỏng lại chính xác chuyển động của chất lưu trong thực tế, tuy nhiên thời gian tính toán của nó là rất lớn, buộc phải sử dụng các siêu máy tính. Tiếp theo đó là mô hình LES và cuối cùng là mô hình RANS. Trước đây, khi sức mạnh tính toán của máy tính vẫn còn hạn chế, thì hầu như chỉ có thể dung mô hình RANS để tính toán mô phỏng. Tuy nhiên, thời gian gần đây, việc sử dụng mô hình LES đã trở nên phổ biến hơn. Mô hình LES có thể trung hòa được yêu cầu về độ chính xác và thời gian tính toán, khi nó mang lại kết quả mô phỏng có thể chấp nhận được. Ngoài việc mô phỏng lại chuyển động của chất lưu, CFD còn có thể mô phỏng lại quá trình truyền nhiệt, từ đó có thể mô phỏng lại nhiệt độ trong nhà vào những ngày nóng nhất hay lạnh nhất, và có thể đưa ra phương án thiết kế phù hợp.
Sử dụng phần mềm CFD để mô phỏng gió đô thị
Sử dụng CFD để nghiên cứu thông gió tự nhiên.
b. Các phần mềm CFD được sử dụng phổ biến
· ANSYS Fluent: Đây là phần mềm được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Với đặc điểm mang lại độ chính xác rất cao, cùng giao diện khá dễ sử dụng, phần mềm này được nhiểu tổ chức cũng như trường học trên thế giới sử dụng để nghiên cứu khí động học kiến trúc. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là thời gian tính toán mô phỏng khá lâu, cũng như giá thành bản quyền cao và đòi hỏi phần cứng máy tính mạnh. CPU thích hợp nhất cho phần mềm này là dòng CPU Intel Xeon, cùng với dòng GPU Nvidia Quadro hoặc Titan. Đây đều là những phần cứng có giá thanh khá cao. Thời gian gần đây, ANSYS đã đưa ra phần mềm Discovery, trực tiếp sử dụng GPU để tính toán, bớt lệ thuộc vào CPU, cùng với khả năng tính toán thời gian thực (Real-time).
· OpenFOAM: Đây là phần mềm được các nhà khoa học Anh phát triển và phát hành lần đầu tiên năm 2017. Đây là phần mềm mã nguồn mở, do vậy nó là phần mềm miễn phí, đó là ưu điểm lớn nhất của nó. Tuy nhiên, để sử dụng được phần mềm này, đòi hỏi người dùng có khả năng lập trình, đặc biệt là ngôn ngữ C++. Khi được lập trình hoàn chỉnh, thì OpenFOAM mang lại độ chính xác không kém ANSYS Fluent.
· Autodesk CFD: Đây là phần mềm của hang Autodesk, là hãng sản xuất của những phần mềm phổ biến khác như AutoCAD hay Revit. Phần mềm này có độ chính xác cũng như độ khó sử dụng ở mức trung bình, người dùng cũng phải trả phí để sử dụng phần mềm này.
· STREAM: Phần mềm này lần đầu tiên được phát hành năm 1984. Ưu điểm lớn nhất của nó là sự dễ sử dụng, cũng như thời gian tính toán rất nhanh. Tuy nhiên, độ chính xác của nó không cao và chỉ sử dụng trong những mô phỏng tổng quát.
Việc sử dụng phần mềm CFD là điều tất yếu với xu thế hiện nay
3. Vận dụng trong giảng dạy môn tin học ứng dụng cho sinh viên ngành Kiến trúc
Theo các phân tích nêu trên, cá nhân tác giả đề xuất trong bộ môn tin học ứng dụng, nên đưa phần mềm CFD vào trong quá trình giảng dạy. Phần lí thuyết, các phương trình chủ đạo… sinh viên có thể được học trong giáo trình của bộ môn Vật lí Kiến trúc. Ở bộ môn Tin học ứng dụng, sinh viên sẽ học cách sử dụng các phần mềm cụ thể. Trong tham luận này, tác giả đề xuất sử dụng phần mềm ANSYS Fluent vì những ưu điểm trình bày ở trên.
Nhóm giáo viên giảng dạy môn học Tin học ứng dụng chuyên ngành Kiến trúc cần thống nhất thời điểm áp dụng CFD trong giảng dạy sinh viên.
Như vậy, việc sử dụng phần mềm CFD là điều tất yếu với xu thế hiện nay, nhằm mục đích nghiên cứu và đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong quá trình thiết kế kiến trúc ở Việt Nam.
Tài liệu tham khảo:
[1] Guidebook for Computational Fluid Dynamics – The Society of Heating, Air-Conditioning and Sanitory Enginering of Japan.
[2] Natural Ventilation Design Handbook for Architect and Building Engineers – Architecture Institute of Japan.