Chia lưới trong CFD (Meshing)

Chia lưới trong CFD là gì?

Chia lưới (meshing) là quá trình “cắt nhỏ” không gian mô phỏng thành hàng nghìn, thậm chí hàng triệu ô nhỏ (gọi là phần tử – elements) để máy tính có thể tính toán các thông số như vận tốc, áp suất, hay nhiệt độ tại từng điểm. Nghĩ đơn giản, nó giống như bạn chia một tờ giấy lớn thành các ô vuông nhỏ để vẽ chi tiết hơn vậy.

Trong CFD, vì các phương trình mô tả dòng chảy (như Navier-Stokes) quá phức tạp để giải trực tiếp trên toàn bộ không gian, chia lưới giúp đơn giản hóa vấn đề bằng cách biến nó thành các bài toán nhỏ hơn, dễ tính toán hơn.

Các loại lưới cơ bản

Có mấy kiểu chia lưới phổ biến:

1. Lưới có cấu trúc (Structured Mesh):
   • Các ô được sắp xếp đều đặn, thường là hình vuông hoặc hình chữ nhật (2D) hay hình hộp (3D).
   • Dễ tính toán, nhanh, nhưng chỉ phù hợp với hình học đơn giản như ống thẳng hay khối vuông.
2. Lưới không cấu trúc (Unstructured Mesh):
   • Các ô có hình dạng linh hoạt (thường là tam giác, tứ giác ở 2D, hoặc tứ diện ở 3D).
   • Phù hợp với các hình học phức tạp như cánh máy bay hay động cơ xe.
3. Lưới lai (Hybrid Mesh):
   • Kết hợp cả hai loại trên, ví dụ: dùng lưới cấu trúc ở vùng đơn giản và lưới không cấu trúc ở vùng phức tạp.

Tại sao chia lưới quan trọng?

• Độ chính xác: Lưới càng mịn (nhiều ô nhỏ), kết quả càng sát với thực tế, nhưng cũng tốn tài nguyên tính toán hơn.
• Thời gian tính toán: Lưới thô (ít ô) chạy nhanh nhưng có thể bỏ sót chi tiết quan trọng.
• Ổn định mô phỏng: Lưới không tốt (ô méo mó, không đều) có thể làm mô phỏng bị lỗi hoặc sai lệch.

Các bước cơ bản khi chia lưới

1. Xác định miền tính toán: Định nghĩa vùng không gian cần mô phỏng (ví dụ: không khí quanh xe hơi).
2. Chọn loại lưới: Dựa trên hình học và yêu cầu bài toán.
3. Tinh chỉnh vùng quan trọng: Tăng độ mịn lưới ở những nơi có thay đổi lớn (như gần bề mặt cánh máy bay) và thưa hơn ở vùng ít thay đổi.
4. Kiểm tra chất lượng lưới: Đảm bảo các ô không bị méo, tỷ lệ cạnh hợp lý để tránh lỗi tính toán.

Thách thức khi chia lưới

• Hình học phức tạp: Với các chi tiết nhỏ như khe hẹp hay góc nhọn, việc chia lưới đều và mịn rất khó.
• Cân bằng giữa chi phí và chất lượng: Lưới quá mịn sẽ “ngốn” RAM và thời gian, trong khi lưới thô lại kém chính xác.
• Kỹ năng người dùng: Chia lưới tốt đòi hỏi kinh nghiệm và hiểu biết về phần mềm

Mẹo nhỏ khi chia lưới

• Bắt đầu với lưới thô để kiểm tra mô hình, sau đó tinh chỉnh dần.
• Tập trung mịn lưới ở vùng gần tường (boundary layer) vì đây là nơi dòng chảy thay đổi mạnh.
• Dùng công cụ tự động của phần mềm, nhưng đừng quên kiểm tra thủ công.