Luận án Phát triển phương pháp biên nhúng kết hợp với phương pháp proper generalized decomposition cho bài toán dòng chảy nhớt không nén được qua vật thể biên cứng và biên đàn hồi

Nội dung tài liệu: Luận án Phát triển phương pháp biên nhúng kết hợp với phương pháp proper generalized decomposition cho bài toán dòng chảy nhớt không nén được qua vật thể biên cứng và biên đàn hồi

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LÊ QUỐC CƢỜNG PHÁT TRIỂN PHƢƠNG PHÁP BIÊN NHÚNG KẾT HỢP VỚI PHƢƠNG PHÁP PROPER GENERALIZED DECOMPOSITION CHO BÀI TOÁN DÒNG CHẢY NHỚT KHÔNG NÉN ĐƢỢC QUA VẬT THỂ BIÊN CỨNG VÀ BIÊN ĐÀN HỒI LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: CƠ KỸ THUẬT Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2019
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LÊ QUỐC CƢỜNG PHÁT TRIỂN PHƢƠNG PHÁP BIÊN NHÚNG KẾT HỢP VỚI PHƢƠNG PHÁP PROPER GENERALIZED DECOMPOSITION CHO BÀI TOÁN DÒNG CHẢY NHỚT KHÔNG NÉN ĐƢỢC QUA VẬT THỂ BIÊN CỨNG VÀ BIÊN ĐÀN HỒI NGÀNH: CƠ KỸ THUẬT - 9520101 Hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Nguyễn Hoài Sơn 2. TS. Phan Đức Huynh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2019
3. LÝ LỊCH CÁ NHÂN I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: LÊ QUỐC CƯỜNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 21/9/1983 Nơi sinh: Tp. HCM Quê quán: Thanh Hóa Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 97/3/6, Phú Lợi, Thủ Dầu Một, Bình Dương Điện thoại cơ quan: 0274.3822.460 Điện thoại nhà riêng: 0946.08.79.79 E-mail: [email protected] II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2002 đến 5/2007 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ điện tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Mô hình Asima và các mặt nạ điều khiển Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 25/4/2007, trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Huy 3. Cao Học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2009 đến 9/2011 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Công nghệ Chế tạo máy i
4. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Phân tích động lực học và điều khiển robot rắn. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 15/7/2011, trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS. Phan Đức Huynh III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 5/2007 – Trường Đào tạo Kỹ thuật Bình Giáo viên Cơ khí 12/2008 Dương 01/9/2009 – Trường Đào tạo Kỹ thuật Bình Phó Trưởng Khoa Cơ khí 12/2009 Dương 01/10/2010 – Trường trung cấp Nghề Việt-Hàn Trưởng Khoa Cơ khí 11/2017 Bình Dương 11/2017 đến Trường Cao đẳng Việt Nam – Hàn Trưởng Khoa Cơ khí nay Quốc Bình Dương Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 9 năm 2019 Nghiên cứu sinh Lê Quốc Cường ii
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 9 năm 2019 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Lê Quốc Cường iii
6. LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy hướng dẫn chính của tôi là PGS. TS. Nguyễn Hoài Sơn. Thầy đã luôn động viên và định hướng cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi cũng thật sự biết ơn đến thầy hướng dẫn thứ hai là TS. Phan Đức Huynh. Thầy đã định hướng nghiên cứu, cung cấp tài liệu và theo sát quá trình nghiên cứu của tôi. Tiếp theo, tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô tại Khoa Xây dựng và Phòng Đào tạo đã hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và các bạn nghiên cứu viên trong nhóm nghiên cứu GACES đã trao đổi, động viên và đóng góp ý kiến để tôi hoàn thành luận án của mình. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và tất cả bạn bè của tôi, những người đã tin tưởng và luôn động viên tinh thần cho tôi trong suốt khoảng thời gian thực hiện luận án. Tp. Hồ Chí Minh, Ngày 30 tháng 9 năm 2019 Nghiên cứu sinh Lê Quốc Cường iv
7. CÁC KẾT QUẢ ĐÃ CÔNG BỐ Chƣơng 2: 1. Lê Quốc Cƣờng, Nguyễn Hoài Sơn, Phan Đức Huynh và Nguyễn Bá Duy, “Giải phương trình 3D Biharmonic bằng phương pháp PGD kết hợp HOCFD,” Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, 8-9/12/2017, Hà Nội – Việt Nam. 2. Lê Quốc Cƣờng, Nguyễn Hoài Sơn, Nguyễn Bá Duy và Phan Đức Huynh, “Phương pháp PGD kết hợp HOCFD cho bài toán tấm mỏng chịu uốn,” Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, 8-9/12/2017, Hà Nội – Việt Nam. Chƣơng 3: 1. Lê Quốc Cƣờng, Nguyễn Hoài Sơn, Phan Đức Huynh, “Phương pháp Proper Generalized Decomposition cho bài toán dòng chảy nhớt không nén qua một miền vuông,” Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, 2015, 45-52, ISBN: 978-604-84-1272-2. 2. Huynh, P.D., Cuong, L.Q, “The numerical simulation of heat transfer and fluid flow problems by using the proper generalized decomposition method,” Proceedings of the 2012 International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2012), HoChiMinh City, Vietnam, 35-39, 2012. Chƣơng 4: 1. C. Le-Quoc, Linh A. Le, V. Ho-Huu, P. D. Huynh, and T. Nguyen-Thoi, “An Immersed Boundary Proper Generalized Decomposition (Ib-Pgd) for Fluid– Structure Interaction Problems,” International Journal of Computational Methods, (2017), 1850045. (ISI) v
8. 2. Lê Quốc Cƣờng, Phan Đức Huynh, Nguyễn Hoàng Sơn, “Mô phỏng dòng chảy nhớt không nén qua trụ tròn bằng phương pháp biên nhúng kết hợp PGD,” Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học kỹ thuật, 2014 (102), 101-105. 3. Cuong, L.Q, Huynh, P.D, “Numerically study effectiveness of control surface on aerodynamic of bridge deck by using immersed boundary method,” Proceedings of the 2012 International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2012), HoChiMinh City, Vietnam, 1-5, 2012. 4. Lê Quốc Cƣờng, Phan Đức Huynh, Nguyễn Hoài Sơn và Nguyễn Bá Duy, “Phương pháp IB-PGD dựa trên sơ đồ sai phân bậc hai trên lưới không đều cho các bài toán tương tác rắn – lỏng,” Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, 8-9/12/2017, Hà Nội – Việt Nam. Chƣơng 5: 1. Cuong Q. Le, H. Phan-Duc, Son H. Nguyen, “Immersed Boundary Method Combined With Proper Generalized Decomposition For Simulation Of A Flexible Filament In A Viscous Incompressible Flow,” Vietnam Journal of Mechanics, 2017 (2), 109-119, ISSN: 0866-7136. 2. Lê Quốc Cƣờng, Nguyễn Hoài Sơn, Phan Đức Huynh, “Mô phỏng số tương tác giữa dòng chảy nhớt không nén với sợi đàn hồi bằng phương pháp Proper Generalized Decomposition kết hợp với phương pháp biên nhúng,” Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, 2015, 35-44, ISBN: 978-604-84-1272-2. vi
9. TÓM TẮT Luận án đã phát triển phương pháp biên nhúng (Immersed boundary – IB) kết hợp với phương pháp tách biến Proper Generalized Decomposition (PGD) để giải các bài toán tương tác rắn-lỏng (Fluid structure interaction – FSI). Mục tiêu chính của luận án là phát triển một phương pháp hiệu quả để giải quyết các bài toán FSI. Trước tiên, phương pháp đã đề xuất sử dụng phương pháp IB để xử lý sự hiện diện của vật cản trong miền lưu chất bằng cách thay thế ảnh hưởng của vật cản bằng một thành phần lực cưỡng bức tác động lên miền lưu chất, khi đó miền tính toán xem như chỉ còn một miền lưu chất đơn nhất. Vì vậy, quá trình chia lưới sẽ đơn giản đi rất nhiều và không cần phải thực hiện lại sau mỗi bước thời gian đối với các bài toán vật cản có biên di chuyển trong miền lưu chất. Bên cạnh đó, để gia tốc cho quá trình tính toán và tiết kiệm bộ nhớ chương trình, phương pháp PGD được đề xuất để giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng. Phương pháp PGD giải quyết các bài toán trên không gian đa chiều dựa trên nguyên lý đưa các phương trình vi phân đạo hàm riêng đa chiều về việc giải các phương trình vi phân một chiều. Luận án đã đề xuất áp dụng phương pháp PGD để giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng trong không gian hai chiều và ba chiều. Tiếp theo, phương pháp PGD được đề xuất áp dụng vào các bài toán dòng chảy nhớt không nén ở các điều kiện biên khác nhau. Sau cùng, luận án đã đề xuất việc kết hợp phương pháp IB với phương pháp PGD để giải quyết các bài toán dòng chảy nhớt không nén được qua vật thể biên cứng và biên đàn hồi. Các kết quả tính toán từ phương pháp đề xuất đã cho thấy sự hiệu quả và một hướng đi đầy hứa hẹn trong việc giải các bài toán về tương tác rắn lỏng. vii
10. ABSTRACT The thesis has developed the immersed boundary method (IBM) combined with the separation method of Proper Generalized Decomposition (PGD) to solve fluid-structure interaction problems. The primary goal of the thesis is to develop an effective method to solve the problem of incompressible viscous flow past rigid and elastic obstacles. Firstly, the method has proposed using IBM to handle the effect of obstacles in the fluid domain by replacing the effect of obstacles by a forced force component acting on the fluid domain, when that computational domain is considered as a single fluid domain. Therefore, the meshing process is much simpler and do not need to be repeated after every time step for problems with boundary movement in the fluid domain. Besides, to accelerate the computational process and save the program memory, PGD method is proposed to solve the partial differential equations. The PGD method which solves multi-dimensional spatial problems is based on the principle that transforms multi-dimensional partial differential equations into one-way differential equations. The thesis has proposed the application of PGD method to solve partial differential equations in two-dimensional and three-dimensional space. Next, the PGD method has been proposed to apply to incompressible viscous fluid flow problems at different boundary conditions. Finally, the thesis has proposed to combine the IBM with PGD method to solve the incompressible viscous flow problems past rigid and elastic obstacles. The calculated results from the proposed method have shown the effectiveness and promising direction in solving problems of fluid-structure interaction. viii