Đề cương môn công nghệ phần mềm- Trường Đại học bách khoa - Đại học đà nẵng.

ô hình hóa và mô phỏng các hệ thống công nghiệp là một
lĩnh vực quan trọng trong công nghệ và khoa học máy tính. Nó
liên quan đến việc sử dụng các công cụ và phương pháp để tạo
ra mô hình số hóa của các hệ thống công nghiệp, từ đó thực
hiện các phân tích, dự đoán và tối ưu hóa.
Sự thành lập mô hình đòi hỏi sự huấn luyện đặt biệt vì đây
cũng là vấn đề về nghệ thuật và khoa học.Phương pháp mô
phỏng thường sản sinh ra khối lượng lớn các dữ liệu có tính
thống kê xác suất, do đó đòi hỏi dùng các công cụ thống kê để
xử lý kết quả mô phỏng.
Có thể tiêu tốn nhiều thời gian và chi phí.
Mô phỏng tuy không phải công cụ tối ưu hiệu quả, nhưng lại
hiệu quả trong việc so sánh các mô hình thay đổi để lựa chọn.
Một số phần mềm mô phỏng
Hiện nay, có nhiều phần mềm mô phỏng phổ biến được sử dụng trong lĩnh vực kỹ
thuật, công nghệ và quản lý để mô hình hóa các hệ thống phức tạp. Dưới đây là một số
phần mềm mô phỏng nổi tiếng và phổ biến:
1. MATLAB và Simulink: MATLAB là một môi trường tính toán số phổ biến,
cung cấp khả năng mô phỏng và phân tích các hệ thống. Simulink là một công
cụ đồ họa trong MATLAB, cho phép xây dựng mô hình hóa hệ thống thông qua khối và kết nối.
2. Arena: Arena là một phần mềm mô phỏng sự kiện rời rạc, được sử dụng rộng
rãi để mô phỏng và phân tích các quy trình công nghiệp và hệ thống sản xuất.
Nó cung cấp giao diện đồ họa dễ sử dụng và các công cụ mạnh mẽ để tối ưu
hóa hiệu suất hệ thống.
3. AnyLogic: AnyLogic là một phần mềm mô phỏng đa phương thức, cho phép
mô phỏng các hệ thống liên tục, rời rạc và hỗn hợp. Nó cung cấp các công cụ
đồ họa và lập trình linh hoạt, cho phép mô hình hóa và phân tích các quy trình
và quyết định phức tạp.
4. COMSOL Multiphysics: COMSOL Multiphysics là một phần mềm mô phỏng
đa vật lý, đặc biệt dành cho nghiên cứu và phát triển các hệ thống vật lý đa chủ
đề. Nó cho phép mô hình hóa các hiện tượng vật lý khác nhau như điện, cơ,
nhiệt và lưu chất trong một môi trường tích hợp.
5. SolidWorks Simulation: SolidWorks Simulation là một phần mềm mô phỏng và
phân tích có tích hợp trong môi trường thiết kế CAD 3D. Nó cung cấp các công
cụ để mô hình hóa và phân tích cơ học, nhiệt và động học của các bộ phận và hệ thống.
6. Các phần mềm mô phỏng này đều có giao diện đồ họa dễ sử dụng và cung cấp
các công cụ mạnh mẽ để mô hình hóa, phân tích và tối ưu hóa các hệ thống
công nghiệp và kỹ thuật. Việc lựa chọn phần mềm phù hợp phụ thuộc vào yêu
cầu cụ thể của dự án và khả năng sử dụng của người dùng.
1.4.1. Phần mền COMSOL multiphysics
COMSOL Multiphysics là một phần mềm đa nền tảng
phân tích phần tử hữu hạn, giải và xử lý mô phỏng. Nó cho
phép người dung sử dụng các giao diện dựa trên kiến thức vật
lý thông thường và các hệ liên thông của phương trình vi phân
từng phần (PDE). COMSOL cung cấp một IDE (phần mềm cung
cấp cho các lập trình viên một môi trường tích hợp bao gồm
nhiều công cụ khác nhau) và quy trình làm việc thống nhất cho
các ứng dụng cơ điện, cơ khí, chất lỏng và hóa học.
Multiphysics xử lý các mô phỏng liên quan đến nhiều mô
hình vật lý. Ví dụ như là kết hợp động học hóa học và động lực
học chất lỏng hoặc là kết hợp giữa phần tử hữu hạn với động
lực học phân tử. Multiphysics thường liên quan đến giải các hệ
liên thông của phương trình vi phân.
COMSOL chứa trình tạo ứng dụng (App Builder) có thể
được sử dụng để phát triển các ứng dụng dành riêng cho miền
độc lập với giao diện người dùng tùy chỉnh. Người dùng có thể
sử dụng công cụ kéo và thả (trình chỉnh sửa biểu mẫu) hoặc
lập trình (trình soạn thảo phương pháp). Các tính năng cụ thể
có thể được đưa vào từ mô hình hoặc các tính năng mới có thể
được giới thiệu thông qua lập trình. Nó cũng chứa một trình xây
dựng vật lý để tạo ra các giao diện vật lý tùy chỉnh có thể truy
cập từ COMSOL Desktop với cùng giao diện giống như các giao
diện vật lý dựng sẵn.
COMSOL Server là phần mềm và công cụ để chạy các ứng
dụng mô phỏng và nền tảng để kiểm soát việc triển khai và
phân phối của chúng. Các ứng dụng do người dùng phát triển
có thể chạy trong máy chủ COMSOL thông qua trình duyệt web
hoặc máy khách cài đặt Windows.
COMSOL được bắt đầu vào tháng 7 năm 1986 bởi Svante
Littmarck và Farhad Saeidi tại Viện Công nghệ Hoàng gia (KTH)
ở Stockholm, Thụy Điển.
Các đề tai liên quan phần mềm mô phỏng.
Trên thế giới việc nghiên cứu ứng dụng mô phỏng vào các
ngành công nghiệp phát triển. Ngoài ra, mô phỏng còn ứng
dụng vào việc chế biến thực phẩm nói chung và thủy sản nói
riêng. Cùng với các nghiên cứu nhằm mục đích đánh giá và so
sánh độ chênh lệch chính xác giữa phần mền mô phỏng ảo và
nghiên cứu thực nghiệm Sau đây là một số nghiên cứu trong nước và ngoài nước:
Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng phần mềm COMSOL Ở Việt Nam
Lê Như Chính (2019) đã ứng dụng phần mền mô phỏng
COMSOL để mô phỏng quá trình truyền nhiệt, truyền chất bên
trong tôm thẻ chân trắng sấy bằng hồng ngoại kết hợp với bơm nhiệt [15].
Nghiên cứu này đã xây dựng mô hình toán, xác định các
thông số nhiệt vật lý cũng như độ xốp của tôm thẻ sấy, từ đó
mô phỏng quá trình truyền nhiệt, truyền ẩm trong tôm thẻ
chân trắng bằng phương pháp sây IR-HP. Kết quả mô phỏng
cho thấy tốc độ sấy phụ thuộc hệ số khếch tán ẩm và vận tốc
của dòng ẩm trong mao quản, từ đó đã xác định được hệ số
khếch tán ẩm ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thời gian sấy. Xác định
được áp suất bên trong tôm thẻ có ảnh hưởng đến quá trình
khếch tán dòng ẩm từ tâm ra bề mặt tôm sấy cũng như ảnh
hưởng đến quá trình khếch tán nội và khếch tán ngoại [15]. Kết
quả đã được công bố trên tạp chí năng lượng tháng 3/2019.
Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng COMSOL trên thế giới
Chalida Niamnuy, Sakamon Devahastin, Somchart
Soponronnarit, G.S. Vijaya Raghavan [27], đã ứng dụng phần
mền mô phỏng vào “Mô hình hóa hiện tượng vận chuyển kết
hợp và biến dạng cơ học của tôm trong quá trình sấy trong
máy sấy đối lưu” đã đưa ra kết quả: a) b)
Hình 1.1: Mô phỏng phân bố ứng suất chính và
biến dạng của tôm
a) Thời gian sấy 1500s
b) Thời gian sấy 3600s
Nghiên cứu này đã cho thấy truyền nhiệt và truyền khối
trong các vật liệu sinh học có khả năng co rút cao và hình dạng
không đều như tôm trong quá trình sấy đối lưu thể hiện một
hiện tượng phức tạp vì điều quan trọng là không chỉ xem xét
các hiện tượng vận chuyển xảy ra trong quá trình sấy mà còn
cả những thay đổi khác nhau của vật liệu sấy. Để mô tả quá
trình sấy vật liệu sinh học đầy đủ, một mô hình toán học xem
xét cả hai khía cạnh nêu trên là cần thiết. Trong nghiên cứu
này, việc xây dựng và xác nhận mô hình toán học mô tả các
hiện tượng truyền ẩm và biến dạng cơ học của tôm trải qua
quá trình sấy trong máy sấy đối lưu đã được tiến hành. Mô hình
này bao gồm các phương trình truyền nhiệt kết hợp và phương
trình khuếch tán khối cùng với các phương trình cơ học rắn đàn hồi.
Mehmet Das , Erdem Alıc, Ebru Kavak Akpinar , đã sử
dụng phần mềm COMSOL mô phỏng, thiết kế hệ thống sấy
thực phẩm sử dụng năng lượng mặt trời, . Chương trình
COMSOL Multiphysics được sử dụng để mô phỏng giá trị nhiệt
độ, vận tốc không khí sấy, giá trị độ ẩm sản phẩm và giá trị áp
suất trong buồng sấy. Tùy thuộc vào vị trí của mặt trời và thời
gian, giá trị nhiệt độ đầu vào phòng sấy và giá trị vận tốc
không khí đã thay đổi. Trong quá trình sấy sản phẩm, các giá
trị độ ẩm, giá trị truyền nhiệt và truyền khí, giá trị hiệu suất
sấy, hệ số khuếch tán và năng lượng kích hoạt đã được nghiên
cứu. Dữ liệu thực nghiệm và dữ liệu phân tích động lực học
chất lưu (CFD) đã được so sánh. Sử dụng chương trình phân
tích số CFD, giá trị nhiệt độ phòng sấy, độ ẩm và vận tốc không
khí đã được mô hình hóa với sai số trung bình tuyệt đối (MAPE)
là 5,34%, 3,74% và 6,30% tương ứng.
Daniel I. Onwude, Norhashila Hashim, Khalina Abdan,
Rim昀椀el Janius Guangnan Chen , Chandan Kuma [33] ứng dụng
phần mền mô phỏng vào “Mô hình hóa truyền nhiệt kết hợp và
truyền khối trong khoai tây bằng hồng ngoại kết hợp với đối
lưu và sấy khô không khí bằng khoai tây.” năm 2018, đã đưa ra kết quả kết quả sau:
Hình 1.2: Mô hình phân bố trường nhiệt độ của khôi lang
trong thời gian 30 phút
a) Hệ số khuếch tán phụ thuộc nhiệt độ của phương pháp sấy
bằng không khí nóng (HAD)
b) Hệ số khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương pháp sấy IR-HAD
Nghiên cứu này đã cho thấy một mô hình số để dự đoán
chính xác độ ẩm và phân bố nhiệt độ cho khoai lang trong quá
trình sấy hồng ngoại và không khí nóng kết hợp (IR-HAD).
Truyền nhiệt, truyền chất trong quá trình sấy được mô phỏng
xem xét cả độ khuếch tán phụ thuộc nhiệt độ và độ co ngót.
Mô hình truyền nhiệt và khối lượng đồng thời đã được giải
quyết bằng cách sử dụng COMSOL Multiphysics, xem xét hình
học đối xứng 2 chiều. Đầu vào năng lượng IR được xác định
theo luật của Lambert. Kết quả mô phỏng được đánh giá thêm
dựa trên dữ liệu thu được từ các thí nghiệm được thực hiện, cho
thấy mô hình có thể mô tả đầy đủ quá trình truyền nhiệt và
khối lượng lớn của khoai lang trong quá trình kết hợp IR-HAD.
IR cũng được chứng minh là yếu tố có ảnh hưởng nhất đối với
tốc độ truyền nhiệt trong vật liệu khi sấy bằng IR-HAD. Mô hình
phát triển có thể làm cơ sở tốt cho các ứng dụng trong các cây
trồng nông nghiệp khác trong các điều kiện sấy khác nhau [33].
Từ trên ta có thể COMSOL là một công cụ mô phỏng vật
lý đáng tin cậy và linh hoạt, mang lại cho người dùng khả năng
nắm bắt và phân tích các hiện tượng vật lý phức tạp. Với sự kết
hợp giữa tính linh hoạt và khả năng tùy chỉnh, COMSOL trở
thành một công cụ quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu và
thiết kế trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Ngoài ra phần mềm COMSOL Multiphysics có môi trường
tương tác mạnh mẽ đối với các mô hình và các lời giải cho rất
nhiều hiện tượng khoa học và kỹ thuật dựa trên các phương
trình vi phân từng phần (PDEs). Chương trình này sử dụng các
quy ước nhất quán với nhau, nên sẽ dễ dàng trong việc tìm
hiểu, sử dụng và thảo luận các kết quả mô phỏng . Hơn nữa,
phần mền hỗ trợ tối đa về mặt truyền nhiệt, truyền chất trong
các loại vật liệu sấy. Nên tôi lựa chọn đây phần mềm để sử
dụng trong quá trình làm luận văn. 2.3.1.
Lựa chọn thông số đầu vào và đầu ra của mô hình
Thông số đầu vào của mô hình (Inputs)
Các thông số đầu vào của mô hình bao gồm các thông số ban
đầu của VLS , các thông số chế độ sấy và các thông số về
nguồn nhiệt cấp cho VLS là nguồn nhiệt do IR và nguồn nhiệt
do đối lưu từ HP. Các tham số của mô hình bao gồm các thông
số nhiệt vật lý của cá khi sấy , Các thông số sinh học đặc trưng trong cá
Các thông số đầu ra của mô hình (Outputs)
Các thông số đầu ra của mô hình bao gồm trường nhiệt độ bên
trong VLS t(x,y,z,τ), trường ẩm bên trong VLS M(x,y,z,τ) Sơ đồ
Các thông số ban đầu của
VLS và môi trường sấy (to, M, Me, t, V, H, IP, LIR, WIR ,εs, εIR, ,IR, αt, QIR ..
Thông số nhiệt vật lý của cá Phần mềm mô phong λ COMSOL MULTIPHYSICS TB, λd, C, Cd, ρ, ρd ) Bước 1 Khởi động phần mền Comsol Multiphy sics Chọn model wizard Chọn hình học 3D Chọn heat tranfer in porous Media Chọn time depende nt Bước 2: Thiết kế hình học 3D, import vào phần mền Comsol Multiphy sics Kích chuột phải vào geometry ( Tại đây ta chú ý lựa chọn đơn vị của VLS) Tại đây chúng ta có thể thiết kế bằng phần mềm comsol có sẵn, hoặc lựa chon import bằng file hình học CAD … Bước 3: Thêm các thông số đầu vào của vật liệu Khai báo các thông số vật lý của cá ở phần Porous Medium Khai báo các thông số mô phỏng đầu vào ở các phần dưới Bước 4: Chia lưới, chọn bước thời gian Chia lưới ( chọn loại lưới phù hợp với cấu hình của máy) Thiết lập thời gian chạy Bước 5: Hiển thị mô phỏng trường nhiệt độ Chọn mục study, rồi chọn compute để chạy mô phỏng Ta chọn trong Results để xem các kết quả sau mô phỏng,
tại đây ta có thể xem và hiển thị chi tiết về các thông số
và đồ thị theo biểu đồ thời gian, các điểm hoặc lớp đều có hiển thị.
Đối với quá trình mô phỏng ẩm trong VLS thì ta không lựa chọn heat
tranfer in porous Media mà chọn Transport of Diluted
Species in Porous Media (tds)
Sau khi lựa chọn thì quá trình mô phỏng ẩm ta cũng làm tương tự như trên.