Particalworks có gì vượt trội so với CFD truyền thống trong mô phỏng chất lỏng

Trong mô phỏng dòng chảy (CFD – Computational Fluid Dynamics), các phương pháp truyền thống như FVM (Finite Volume Method) thường yêu cầu một bước quan trọng nhưng cực kỳ tốn thời gian: chia lưới (meshing). Không chỉ mất thời gian, việc chia lưới còn có thể trở thành “điểm nghẽn” khiến dự án kéo dài hàng tuần chỉ để xử lý lỗi lưới, lỗi hội tụ, hoặc yêu cầu cấu hình máy cao.

 

ParticleWorks là một hướng tiếp cận khác hoàn toàn: mô phỏng chất lỏng dựa trên hạt (particle-based simulation), giúp loại bỏ hoàn toàn công đoạn chia lưới và đặc biệt mạnh trong các bài toán dòng chảy có bề mặt tự do, tia bắn và chuyển động hỗn loạn.

Bài viết này phân tích sâu 2 ưu điểm “hủy diệt” của ParticleWorks, giải thích tại sao nó đang trở thành lựa chọn hàng đầu trong các bài toán như bôi trơn hộp số (gearbox lubrication) và làm mát động cơ điện.

1.ParticleWorks là gì?

ParticleWorks là phần mềm mô phỏng dòng chảy dựa trên phương pháp hạt (Particle Method) thay vì dựa trên lưới như CFD truyền thống. Chất lưu được biểu diễn bằng hàng triệu hạt (particles), mỗi hạt mang theo thông tin vật lý như vận tốc, áp suất, mật độ, nhiệt độ… và di chuyển theo các phương trình động lực học.

1.1 Cách tiếp cận này mang lại lợi thế lớn khi mô phỏng các hiện tượng:

• chất lỏng bắn tung tóe
• dòng chảy tách rời thành giọt
• bề mặt tự do biến dạng mạnh
• dòng chảy trong khe hẹp hoặc hình học cực phức tạp

1.2 Đây cũng là lý do ParticleWorks rất phổ biến trong các ngành:

• ô tô (bôi trơn bánh răng, dầu văng trong hộp số)
• điện – động cơ (làm mát stator/rotor, dầu làm mát)
• thiết bị công nghiệp (phun, trộn, thoát nhiệt)

2. Loại bỏ hoàn toàn công đoạn chia lưới (Meshless) – lợi thế “ăn đứt” CFD truyền thống

2.1 Vì sao chia lưới là điểm đau của CFD truyền thống?

Trong CFD truyền thống (ví dụ phương pháp FVM), chia lưới là bước “bắt buộc” vì solver giải phương trình trên từng ô lưới. Thực tế trong dự án CFD công nghiệp, thời gian chia lưới thường chiếm tới:

• 70–80% tổng thời gian dự án (đặc biệt trong mô hình phức tạp)
• thời gian này còn tăng mạnh nếu hình học có khe hẹp, góc nhỏ, bề mặt cong phức tạp

2.2 Các vấn đề thường gặp:

• lưới kém chất lượng gây sai số
• lưới không đều làm solver không hội tụ
• tốn tài nguyên máy để tạo lưới mịn
• phải làm đi làm lại nhiều lần để sửa lỗi lưới

2.3 Chỉ riêng công đoạn meshing có thể tiêu tốn vài ngày đến vài tuần, đặc biệt với các chi tiết như:

• hộp số nhiều bánh răng
• hệ thống làm mát trong không gian chật
• đường dầu trong động cơ có nhiều rãnh và khe

3. ParticleWorks giải quyết vấn đề này như thế nào?

ParticleWorks là mô phỏng không lưới (Meshless). Thay vì tạo lưới, phần mềm sử dụng các hạt đại diện cho chất lưu. Quy trình thiết lập đơn giản hơn rất nhiều:

1. nhập file CAD dạng STL
2. thiết lập điều kiện vật lý (mật độ, độ nhớt, tốc độ quay, gia tốc, trọng lực…)
3. chạy mô phỏng

3.1 Không còn các bước:

• dựng lưới thủ công
• kiểm tra chất lượng lưới
• sửa lỗi lưới
• refine lưới cho vùng quan trọng

3.2 Lợi ích trực tiếp trong dự án thực tế

Với ParticleWorks, thời gian chuẩn bị mô hình có thể giảm:

• từ vài ngày xuống vài phút
• từ vài tuần xuống vài giờ (trong dự án hình học phức tạp)

Điều này tạo lợi thế rất lớn trong môi trường R&D, nơi kỹ sư cần:

• thử nhiều phiên bản thiết kế
• tối ưu liên tục
• nhanh chóng đánh giá khả năng bôi trơn/làm mát trước khi chế tạo mẫu

Tóm lại, ParticleWorks “hủy diệt” CFD truyền thống ở chỗ: loại bỏ hoàn toàn rào cản meshing – vốn là thứ làm nhiều dự án CFD bị kéo dài và đội chi phí.

4. Xử lý “vô đối” các bề mặt tự do (Free Surface) và tia bắn – mạnh nhất trong mô phỏng dầu văng, tách giọt

4.1 Tại sao mô phỏng free surface là bài toán khó với CFD truyền thống?

Các phương pháp CFD dựa trên lưới thường gặp khó khăn khi mô phỏng các hiện tượng như:

• chất lỏng bị văng thành tia
• dòng chảy tách rời thành giọt nhỏ
• bề mặt tự do biến dạng hỗn loạn
• va đập mạnh của chất lỏng vào thành vách

Ví dụ điển hình là mô phỏng dầu bôi trơn trong hộp số:

• dầu bị bánh răng đánh văng thành tia
• dầu tách thành giọt
• dầu bám hoặc bị “đập” vào thành hộp số
• xảy ra vùng bắn tung tóe liên tục theo thời gian

CFD truyền thống phải dùng các kỹ thuật như VOF (Volume of Fluid) hoặc Level-set để theo dõi giao diện chất lỏng – không khí. Các phương pháp này thường:

• rất nhạy với lưới
• dễ mất ổn định khi dòng chảy quá hỗn loạn
• yêu cầu refine lưới mạnh
• tốn thời gian tính toán rất lớn

4.2 ParticleWorks mô phỏng free surface tự nhiên như thế nào?

ParticleWorks mô phỏng chất lỏng như tập hợp các hạt chuyển động độc lập theo phương trình Newton. Điều này khiến các hiện tượng free surface xảy ra “một cách tự nhiên”:

• chất lỏng tách thành giọt: mô phỏng trực tiếp vì các hạt có thể rời nhau
• tia bắn: hình thành đúng quy luật động lực học
• va đập vào vách: được thể hiện rõ quỹ đạo, vận tốc, năng lượng
• dòng chảy hỗn loạn: ổn định hơn vì không bị phụ thuộc lưới

Tức là: ParticleWorks không phải “cố gắng theo dõi bề mặt” như CFD truyền thống, mà nó “mô phỏng bản chất vật lý” của chất lỏng dạng hạt.

4.3 Lợi ích thực tế: Giải pháp số 1 cho Gearbox lubrication và làm mát động cơ điện

Chính vì mô phỏng free surface và tia bắn tốt, ParticleWorks đang được coi là lựa chọn hàng đầu cho các bài toán:

Bôi trơn hộp số (Gearbox lubrication)

• đánh giá dầu có lên đủ vùng ăn khớp không
• kiểm tra vùng thiếu dầu gây mòn và nhiệt
• phân tích đường dầu văng, vị trí dầu bám, dòng hồi dầu
• tối ưu vách chắn, rãnh dầu, bơm dầu

Làm mát động cơ điện

• mô phỏng dầu làm mát stator/rotor
• phân tích sự phân bố dầu trên cuộn dây
• dự đoán vùng nóng do thiếu dầu
• tối ưu kênh dầu, tốc độ quay, lưu lượng phun

Trong hai bài toán này, ParticleWorks gần như “vô đối” vì nó mô phỏng được đúng hiện tượng thực tế: dầu bắn, dầu bay, dầu tách giọt, dầu bám thành.

5. Kết luận: ParticleWorks mạnh nhất khi nào?

ParticleWorks không phải thay thế toàn bộ CFD truyền thống, nhưng có những tình huống mà nó vượt trội tuyệt đối.

ParticleWorks đặc biệt phù hợp khi:

• hình học cực phức tạp, nhiều khe hẹp
• cần chạy nhiều phương án thiết kế nhanh
• mô phỏng free surface, tia bắn, dòng chảy tách giọt
• bài toán bôi trơn hộp số và làm mát bằng dầu

Tóm lại, hai ưu điểm “hủy diệt” nhất của ParticleWorks là:

1. Meshless – bỏ hoàn toàn công đoạn chia lưới, giảm thời gian chuẩn bị từ ngày xuống phút
2. Free surface vô đối – mô phỏng dầu văng, giọt tách, tia bắn một cách tự nhiên và chính xác

 

Nguồn: ParticleWorks

Liên hệ SDE để được tư vấn & báo giá

Công ty TNHH Công Nghệ Số SDE (SDE TECH)

•  Address: Số 96 Đường số 3B, KDC Conic, Ấp 68, Xã Bình Hưng, Thành phố Hồ Chí Minh
•  Email: sales@sde.vn
•  Hotline: (+84) 909 107 719